The electron antineutrino angular correlation coefficient a in free neutron decay: Testing the standard model with the aSPECT-spectrometer

The beta-decay of free neutrons is a strongly over-determined process in the Standard Model (SM) of Particle Physics and is described by a multitude of observables. Some of those observables are sensitive to physics beyond the SM. For example, the correlation coefficients of the involved particles belong to them. The spectrometer aSPECT was designed to measure precisely the shape of the proton energy spectrum and to extract from it the electron anti-neutrino angular correlation coefficient "a". A first test period (2005/ 2006) showed the “proof-of-principles”. The limiting influence of uncontrollable background conditions in the spectrometer made it impossible to extract a reliable value for the coefficient "a" (publication: Baessler et al., 2008, Europhys. Journ. A, 38, p.17-26). A second measurement cycle (2007/ 2008) aimed to under-run the relative accuracy of previous experiments (Stratowa et al. (1978), Byrne et al. (2002)) da/a =5%. I performed the analysis of the data taken there which is the emphasis of this doctoral thesis. A central point are background studies. The systematic impact of background on a was reduced to da/a(syst.)=0.61 %. The statistical accuracy of the analyzed measurements is da/a(stat.)=1.4 %. Besides, saturation effects of the detector electronics were investigated which were initially observed. These turned out not to be correctable on a sufficient level. An applicable idea how to avoid the saturation effects will be discussed in the last chapter.

Active tectonics in the NW-German Basin: Evidence from correlations between the modern landscape and deep geological structures (Lower Saxony, river Hunte)

KurzfassungIm Einzugsgebiet der Hunte (NW-Deutsches Becken, Niedersachsen) wurde untersucht, ob die Landschaftsgenese durch tektonische Bewegungen der Oberkruste beeinflußt ist. Krustenbewegungen führten im Bereich einer Hauptschollengrenze zu einer Hebung der weichselzeitlichen Niederterrasse (durchschnittliche Hebungssrate von ~0,5 mm/a über die letzten 12000 Jahre). Tektonischer Einfluß auf die heutige Landoberfläche ist über einem permischen Salzkissen zu verzeichnen, wo sich das Gefälle der holozänen Aue umkehrt. Krustenbewegungen haben mit großer Wahrscheinlichkeit Vorzugsrichtungen verursacht, die an der Tertiärbasis und in der heutigen Landschaft nachweisbar sind (0-5° und 90-95°). Das Abfließen der Hunte nach Norden scheint durch eine aktive, nordwärts gerichtete Kippung des NW-Deutschen Beckens verursacht zu sein. Hohe lineare Korrelationskoeffizienten zwischen Tiefenlage der Tertiärbasis und Höhenlage der heutigen Landoberfläche weisen auf eine aktive Kippung des Beckens hin. Beckensubsidenz hat möglicherweise die Akkumulation der weichselzeitlichen Niederterrasse gesteuert, da eine Übereinstimmung zwischen rezenter Beckensubsidenz und durchschnittlicher Sedimentationsrate des Niederterrassenkörpers besteht. Untersuchungen an einer geschlossenen Hohlform deuten auf eine aktive Sackungsstruktur hin, da sich Anomalien des geologischen Untergrundes mit der topographischen Lage der Struktur decken.

Rezente Bodenbewegungspotenziale in Schleswig-Holstein (Deutschland)

Die Entwicklung des Nordwestdeutschen Beckens und seiner rezenten Topographie ist geprägt von einer Vielzahl endogener und exogener Prozesse: Tektonik, Vulkanismus, Diapirismus, Eisvorstöße, elsterzeitlichen Rinnen und die Ablagerung von quartären Sedimenten. Mit Hilfe der Quantifizierung von Bodenbewegungspotenzialen wurde für Schleswig-Holstein der Einfluß von Tiefenstrukturen (insbesondere Salzstrukturen und tektonische Störungen) auf die Entwicklung der rezenten Topographie in Schleswig-Holstein untersucht. Dabei wurden folgende Parameter berücksichtigt: (1) Salzstrukturen; (2) Tektonischen Störungen; (3) Oberflächennahe Störungen, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit an der Erdoberfläche ausstreichen; (4) Elsterzeitliche Rinnen (tiefer 100 m); (5) Historische Erdbeben; (6) In Satellitenbildszenen kartierte Lineamente (7) Korrelationskoeffizienten, die zwischen 7 stratigraphischen Horizonten des „Geotektonischen Atlas von NW-Deutschland“ berechnet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass in Schleswig-Holstein großflächig rezente Bodenbewegungs-potenziale auftreten, die auf tektonische Störungen und Salzstrukturen zurückzuführen sind und sich hauptsächlich auf den Bereich des Glückstadt Grabens beschränken. In den 5 Gebieten Sterup, Tellingstedt Nord, Oldensworth Nord, Schwarzenbek und Plön treten die höchsten Bodenbewegungspotenziale auf. Sie dokumentieren rezente Prozesse in diesen Gebieten. In den Gebieten Sterup, Schwarzenbek und Plön sind aktive, an der Erdoberfläche ausstreichende Störungen lokalisiert, deren Auftreten auch durch kartierte Luft- und Satellitenbildlineare belegt wird. Im Gebiet Plön werden die ermittelten Bodenbewegungspotenziale durch eine, sich rezent vergrößernde Senke bei Kleinneudorf bestätigt. Unterhalb der Senke führen, begünstigt durch tektonische Störungen, Lösungsprozesse in tertiären Sedimenten zu Hohlraumbildungen, die das rezente Absacken der Senke verursachen. Für Bereiche höchsten Bodenbewegungspotenzials kann ein Einfluß von Tiefenstrukturen auf die Entwicklung der rezenten Topographie nachgewiesen werden. So beeinflussen oberflächennahe Störungen in dem Gebiet Plön die Entwicklung des Plöner Sees. Im Gebiet Schwarzenbek verursacht ein N-S orientiertes Störungsband ein Abknicken des Elbverlaufs. Weiterhin kann ein Einfluß der Entwicklung der rezenten Topographie durch eine Interaktion zwischen Eisauflast und Salzmobilität in den Gebieten Sterup und Oldensworth nachgewiesen werden. Demnach ist die Ablagerung quartärer Sedimente und somit der Grenzverlauf der Flußgebietseinheiten Eider und Schlei-Trave zwischen den Salzstrukturen Sterup und Meezen beeinflusst durch eine aktive Reaktion beider Salzstrukturen auf Eisauflast. Im Bereich Oldensworth zeigen geologische Schnitte von der Basis Oberkreide bis zur rezenten Topographie, dass die Salzmauern Oldensworth und Hennstedt die Ablagerung quartärer Sedimente aktiv beeinflussten. Weiterhin orientiert sich der Elbverlauf von Hamburg bis zur Mündung an den Randbereichen von Salzstrukturen, die bis in den oberflächennahen Bereich aufgestiegen sind.

Automatisierte Flüssigchromatographie mit Säulenschaltung und Ultraviolettspektroskopie oder Massenspektrometrie für therapeutisches Drug Monitoring von Antipsychotika und Antidepressiva

Therapeutisches Drug Monitoring (TDM) wird zur individuellen Dosiseinstellung genutzt, um die Effizienz der Medikamentenwirkung zu steigern und das Auftreten von Nebenwirkungen zu senken. Für das TDM von Antipsychotika und Antidepressiva besteht allerdings das Problem, dass es mehr als 50 Medikamente gibt. Ein TDM-Labor muss dementsprechend über 50 verschiedene Wirkstoffe und zusätzlich aktive Metaboliten messen. Mit der Flüssigchromatographie (LC oder HPLC) ist die Analyse vieler unterschiedlicher Medikamente möglich. LC mit Säulenschaltung erlaubt eine Automatisierung. Dabei wird Blutserum oder -plasma mit oder ohne vorherige Proteinfällung auf eine Vorsäule aufgetragen. Nach Auswaschen von störenden Matrixbestandteilen werden die Medikamente auf einer nachgeschalteten analytischen Säule getrennt und über Ultraviolettspektroskopie (UV) oder Massenspektrometrie (MS) detektiert. Ziel dieser Arbeit war es, LC-Methoden zu entwickeln, die die Messung möglichst vieler Antipsychotika und Antidepressiva erlaubt und die für die TDM-Routine geeignet ist. Eine mit C8-modifiziertem Kieselgel gefüllte Säule (20 µm 10x4.0 mm I.D.) erwies sich in Vorexperimenten als optimal geeignet bezüglich Extraktionsverhalten, Regenerierbarkeit und Stabilität. Mit einer ersten HPLC-UV-Methode mit Säulenschaltung konnten 20 verschiedene Psychopharmaka einschließlich ihrer Metabolite, also insgesamt 30 verschiedene Substanzen quantitativ erfasst werden. Die Analysenzeit betrug 30 Minuten. Die Vorsäule erlaubte 150 Injektionen, die analytische Säule konnte mit mehr als 300 Plasmainjektionen belastet werden. Abhängig vom Analyten, musste allerdings das Injektionsvolumen, die Flussrate oder die Detektionswellenlänge verändert werden. Die Methode war daher für eine Routineanwendung nur eingeschränkt geeignet. Mit einer zweiten HPLC-UV-Methode konnten 43 verschiedene Antipsychotika und Antidepressiva inklusive Metaboliten nachgewiesen werden. Nach Vorreinigung über C8-Material (10 µm, 10x4 mm I.D.) erfolgte die Trennung auf Hypersil ODS (5 µm Partikelgröße) in der analytischen Säule (250x4.6 mm I.D.) mit 37.5% Acetonitril im analytischen Eluenten. Die optimale Flussrate war 1.5 ml/min und die Detektionswellenlänge 254 nm. In einer Einzelprobe, konnten mit dieser Methode 7 bis 8 unterschiedliche Substanzen gemessen werden. Für die Antipsychotika Clozapin, Olanzapin, Perazin, Quetiapin und Ziprasidon wurde die Methode validiert. Der Variationskoeffizient (VK%) für die Impräzision lag zwischen 0.2 und 6.1%. Im erforderlichen Messbereich war die Methode linear (Korrelationskoeffizienten, R2 zwischen 0.9765 und 0.9816). Die absolute und analytische Wiederfindung lagen zwischen 98 und 118 %. Die für das TDM erforderlichen unteren Nachweisgrenzen wurden erreicht. Für Olanzapin betrug sie 5 ng/ml. Die Methode wurde an Patienten für das TDM getestet. Sie erwies sich für das TDM als sehr gut geeignet. Nach retrospektiver Auswertung von Patientendaten konnte erstmalig ein möglicher therapeutischer Bereich für Quetiapin (40-170 ng/ml) und Ziprasidon (40-130 ng/ml) formuliert werden. Mit einem Massenspektrometer als Detektor war die Messung von acht Neuroleptika und ihren Metaboliten möglich. 12 Substanzen konnten in einem Lauf bestimmt werden: Amisulprid, Clozapin, N-Desmethylclozapin, Clozapin-N-oxid, Haloperidol, Risperidon, 9-Hydroxyrisperidon, Olanzapin, Perazin, N-Desmethylperazin, Quetiapin und Ziprasidon. Nach Vorreinigung mit C8-Material (20 µm 10x4.0 mm I.D.) erfolgte die Trennung auf Synergi MAX-RP C12 (4 µm 150 x 4.6 mm). Die Validierung der HPLC-MS-Methode belegten einen linearen Zusammenhang zwischen Konzentration und Detektorsignal (R2= 0,9974 bis 0.9999). Die Impräzision lag zwischen 0.84 bis 9.78%. Die für das TDM erforderlichen unteren Nachweisgrenzen wurden erreicht. Es gab keine Hinweise auf das Auftreten von Ion Suppression durch Matrixbestandteile. Die absolute und analytische Wiederfindung lag zwischen 89 und 107 %. Es zeigte sich, dass die HPLC-MS-Methode ohne Modifikation erweitert werden kann und anscheinend mehr als 30 verschiedene Psychopharmaka erfasst werden können. Mit den entwickelten flüssigchromatographischen Methoden stehen neue Verfahren für das TDM von Antipsychotika und Antidepressiva zur Verfügung, die es erlauben, mit einer Methode verschiedene Psychopharmaka und ihre aktiven Metabolite zu messen. Damit kann die Behandlung psychiatrischer Patienten insbesondere mit Antipsychotika verbessert werden.

Iodine speciation in atmospheric aerosols in the marine boundary layer

Iodine chemistry plays an important role in the tropospheric ozone depletion and the new particle formation in the Marine Boundary Layer (MBL). The sources, reaction pathways, and the sinks of iodine are investigated using lab experiments and field observations. The aims of this work are, firstly, to develop analytical methods for iodine measurements of marine aerosol samples especially for iodine speciation in the soluble iodine; secondly, to apply the analytical methods in field collected aerosol samples, and to estimate the characteristics of aerosol iodine in the MBL. Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry (ICP-MS) was the technique used for iodine measurements. Offline methods using water extraction and Tetra-methyl-ammonium-hydroxide (TMAH) extraction were applied to measure total soluble iodine (TSI) and total insoluble iodine (TII) in the marine aerosol samples. External standard calibration and isotope dilution analysis (IDA) were both conducted for iodine quantification and the limits of detection (LODs) were both 0.1 μg L-1 for TSI and TII measurements. Online couplings of Ion Chromatography (IC)-ICP-MS and Gel electrophoresis (GE)-ICP-MS were both developed for soluble iodine speciation. Anion exchange columns were adopted for IC-ICP-MS systems. Iodide, iodate, and unknown signal(s) were observed in these methods. Iodide and iodate were separated successfully and the LODs were 0.1 and 0.5 μg L-1, respectively. Unknown signals were soluble organic iodine species (SOI) and quantified by the calibration curve of iodide, but not clearly identified and quantified yet. These analytical methods were all applied to the iodine measurements of marine aerosol samples from the worldwide filed campaigns. The TSI and TII concentrations (medians) in PM2.5 were found to be 240.87 pmol m-3 and 105.37 pmol m-3 at Mace Head, west coast of Ireland, as well as 119.10 pmol m-3 and 97.88 pmol m-3 in the cruise campaign over the North Atlantic Ocean, during June – July 2006. Inorganic iodine, namely iodide and iodate, was the minor iodine fraction in both campaigns, accounting for 7.3% (median) and 5.8% (median) in PM2.5 iodine at Mace Head and over the North Atlantic Ocean, respectively. Iodide concentrations were higher than iodate in most of the samples. In the contrast, more than 90% of TSI was SOI and the SOI concentration was correlated significantly with the iodide concentration. The correlation coefficients (R2) were both higher than 0.5 at Mace Head and in the first leg of the cruise. Size fractionated aerosol samples collected by 5 stage Berner impactor cascade sampler showed similar proportions of inorganic and organic iodine. Significant correlations were obtained in the particle size ranges of 0.25 – 0.71 μm and 0.71 – 2.0 μm between SOI and iodide, and better correlations were found in sunny days. TSI and iodide existed mainly in fine particle size range (< 2.0 μm) and iodate resided in coarse range (2.0 – 10 μm). Aerosol iodine was suggested to be related to the primary iodine release in the tidal zone. Natural meteorological conditions such as solar radiation, raining etc were observed to have influence on the aerosol iodine. During the ship campaign over the North Atlantic Ocean (January – February 2007), the TSI concentrations (medians) ranged 35.14 – 60.63 pmol m-3 among the 5 stages. Likewise, SOI was found to be the most abundant iodine fraction in TSI with a median of 98.6%. Significant correlation also presented between SOI and iodide in the size range of 2.0 – 5.9 μm. Higher iodate concentration was again found in the higher particle size range, similar to that at Mace Head. Airmass transport from the biogenic bloom region and the Antarctic ice front sector was observed to play an important role in aerosol iodine enhancement. The TSI concentrations observed along the 30,000 km long cruise round trip from East Asia to Antarctica during November 2005 – March 2006 were much lower than in the other campaigns, with a median of 6.51 pmol m-3. Approximately 70% of the TSI was SOI on average. The abundances of inorganic iodine including iodine and iodide were less than 30% of TSI. The median value of iodide was 1.49 pmol m-3, which was more than four fold higher than that of iodate (median, 0.28 pmol m-3). Spatial variation indicated highest aerosol iodine appearing in the tropical area. Iodine level was considerably lower in coastal Antarctica with the TSI median of 3.22 pmol m-3. However, airmass transport from the ice front sector was correlated with the enhance TSI level, suggesting the unrevealed source of iodine in the polar region. In addition, significant correlation between SOI and iodide was also shown in this campaign. A global distribution in aerosol was shown in the field campaigns in this work. SOI was verified globally ubiquitous due to the presence in the different sampling locations and its high proportion in TSI in the marine aerosols. The correlations between SOI and iodide were obtained not only in different locations but also in different seasons, implying the possible mechanism of iodide production through SOI decomposition. Nevertheless, future studies are needed for improving the current understanding of iodine chemistry in the MBL (e.g. SOI identification and quantification as well as the update modeling involving organic matters).

Diffusion in polymer systems studied by fluorescence correlation spectroscopy

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a powerful technique to determine the diffusion of fluorescence molecules in various environments. The technique is based on detecting and analyzing the fluctuation of fluorescence light emitted by fluorescence species diffusing through a small and fixed observation volume, formed by a laser focused into the sample. Because of its great potential and high versatility in addressing the diffusion and transport properties in complex systems, FCS has been successfully applied to a great variety of systems. In my thesis, I focused on the application of FCS to study the diffusion of fluorescence molecules in organic environments, especially in polymer melts. In order to examine our FCS setup and a developed measurement protocol, I first utilized FCS to measure tracer diffusion in polystyrene (PS) solutions, for which abundance data exist in the literature. I studied molecular and polymeric tracer diffusion in polystyrene solutions over a broad range of concentrations and different tracer and matrix molecular weights (Mw). Then FCS was further established to study tracer dynamics in polymer melts. In this part I investigated the diffusion of molecular tracers in linear flexible polymer melts [polydimethylsiloxane (PDMS), polyisoprene (PI)], a miscible polymer blend [PI and poly vinyl ethylene (PVE)], and star-shaped polymer [3-arm star polyisoprene (SPI)]. The effects of tracer sizes, polymer Mw, polymer types, and temperature on the diffusion coefficients of small tracers were discussed. The distinct topology of the host polymer, i.e. star polymer melt, revealed the notably different motion of the small tracer, as compared to its linear counterpart. Finally, I emphasized the advantage of the small observation volume which allowed FCS to investigate the tracer diffusions in heterogeneous systems; a swollen cross-linked PS bead and silica inverse opals, where high spatial resolution technique was required.

Tracer diffusion at water-oil interfaces studied by fluorescence correlation spectroscopy

The adsorption of particles and surfactants at water-oil interfaces has attracted continuous attention because of its emulsion stabilizing effect and the possibility to form two-dimensional materials. Herein, I studied the interfacial diffusion of single molecules and nanoparticles at water-oil interfaces using fluorescence correlation spectroscopy. rnrnFluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a promising technique to study diffusion of fluorescent tracers in diverse conditions. This technique monitors and analyzes the fluorescence fluctuation caused by single fluorescent tracers coming in and out of a diffraction-limited observation volume “one at a time”. Thus, this technique allows a combination of high precision, high spatial resolution and low tracer concentration. rnrnIn chapter 1, I discussed some controversial questions regarding the properties of water-hydrophobic interfaces and also introduced the current progress on the stability and dynamic of single nanoparticles at water-oil interfaces. The materials and setups I used in this thesis were summarized in chapter 2. rnrnIn chapter 3, I presented a new strategy to study the properties of water-oil interfaces. The two-dimensional diffusion of isolated molecular tracers at water/n-alkane interfaces was measured using fluorescence correlation spectroscopy. The diffusion coefficients of larger tracers with a hydrodynamic radius of 4.0 nm agreed well with the values calculated from the macroscopic viscosities of the two bulk phases. However, for small molecule tracers with hydrodynamic radii of only 1.0 and 0.6 nm, notable deviations were observed, indicating the existence of an interfacial region with a reduced effective viscosity. rnrnIn chapter 4, the interfacial diffusion of nanoparticles at water-oil interfaces was investigated using FCS. In stark contrast to the interfacial diffusion of molecular tracers, that of nanoparticles at any conditions is slower than the values calculated in accordance to the surrounding viscosity. The diffusion of nanoparticles at water-oil interfaces depended on the interfacial tension of liquid-liquid interfaces, the surface properties of nanoparticles, the particle sizes and the viscosities of surrounding liquid phases. In addition, the interfacial diffusion of nanoparticles with Janus motif is even slower than that of their symmetric counterparts. Based on the experimental results I obtained, I drew some possibilities to describe the origin of nanoparticle slowdown at water-oil interfaces.