Advanced schemes for surface plasmon resonance and plasmon-enhanced fluorescence biosensors

Advanced optical biosensor platforms exploiting long range surface plasmons (LRSPs) and responsive N-isopropylacrylamide (NIPAAm) hydrogel binding matrix for the detection of protein and bacterial pathogen analytes were carried out. LRSPs are optical waves that originate from coupling of surface plasmons on the opposite sites of a thin metallic film embedded between two dielectrics with similar refractive indices. LRSPs exhibit orders of magnitude lower damping and more extended profile of field compared to regular surface plasmons (SPs). Their excitation is accompanied with narrow resonance and provides stronger enhancement of electromagnetic field intensity that can advance the sensitivity of surface plasmon resonance (SPR) and surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) biosensors. Firstly, we investigated thin gold layers deposited on fluoropolymer surface for the excitation of LRSPs. The study indicates that the morphological, optical and electrical properties of gold film can be changed by the surface energy of fluoropolymer and affect the performance of a SPFS biosensor. A photo-crosslinkable NIPAAm hydrogel was grafted to the sensor surface in order to serve as a binding matrix. It was modified with bio-recognition elements (BREs) via amine coupling chemistry and offered the advantage of large binding capacity, stimuli responsive properties and good biocompatibility. Through experimental observations supported by numerical simulations describing diffusion mass transfer and affinity binding of target molecules in the hydrogel, the hydrogel binding matrix thickness, concentration of BREs and the profile of the probing evanescent field was optimized. Hydrogel with a up to micrometer thickness was shown to support additional hydrogel optical waveguide (HOW) mode which was employed for probing affinity binding events in the gel by means of refractometric and fluorescence measurements. These schemes allow to reach limits of detection (LODs) at picomolar and femtomolar levels, respectively. Besides hydrogel based experiments for detection of molecular analytes, long range surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was employed for detection of bacterial pathogens. The influence of capture efficiency of bacteria on surfaces and the profile of the probing field on sensor response were investigated. The potential of LRSP-FS with extended evanescent field is demonstrated for detection of pathogenic E. coli O157:H7 on sandwich immunoassays . LOD as low as 6 cfu mL-1 with a detection time of 40 minutes was achieved.rn

A structural and metamorphic study of the southern Menderes Massif (Western Turkey)

P-T conditions, paragenetic studies and the relation between mineral growth, deformation and - when possible- isograd minerals have been used to describe the type of metamorphism involved within lower units of the southern Menderes Massif of the Anatolide Belt in western Turkey. The study areas mainly consist of Proterozoic orthogneiss and surrounding schists of presumed Paleozoic age. Both units are seen as nappes in the southern study area, the Çine and the Selimiye nappe, on the whole corresponding to Proterozoic orthogneiss and surrounding schists, respectively. The Çine and Selimiye nappes are part of a complex geological structure within the core series of the Menderes Massif. Their emplacement under lower greenschist facies conditions, would result from closure of the northern Neo-Thethys branch during the Eocene. These two nappes are separated by a major tectonic structure, the Selimiye shear zone, which records top-to-the-S shearing under greenschist facies conditions. Amphibolite to upper amphibolite facies metamorphism is widely developed within the metasedimentary rocks of the Çine nappe whereas no metamorphism exceeding lower amphibolite facies has been observed in the Selimiye nappe. In the southern margin of the Çine Massif, around Selimiye and Millas villages, detailed sampling has been undertaken in order to map mineral isograds within the Selimiye nappe and to specify P-T conditions in this area. The data collected in this area reveals a global prograde normal erosion field gradient from south to north and toward the orthogneiss. The mineralogical parageneses and P-T estimates are correlated with Barrovian-type metamorphism. A jump of P-T conditions across the Selimiye shear zone has been identified and estimated c. 2 kbar and 100 °C which evidences the presence of amphibolite facies metasedimentary rocks near the orthogneiss. Metasedimentary rocks from the overlying Selimiye nappe have maximum P-T conditions of c. 4-5 kbar and c. 525 °C near the base of the nappe. Metasedimentary rocks from the Çine nappe underneath the Selimiye shear zone record maximum P-T conditions of about 7 kbar and >550 °C. Kinematic indicators in both nappes consistently show a top-S shear sense. Metamorphic grade in the Selimiye nappe decreases structurally upwards as indicated by mineral isograds defining the garnet-chlorite zone at the base, the chloritoid-biotite zone and the biotite-chlorite zone at the top of the nappe. The mineral isograds in the Selimiye nappe run parallel to the regional SR foliation. 40Ar/39Ar mica ages indicate an Eocene age of metamorphism in the Selimiye nappe and underneath the Çine nappe in this area. Metasedimentary rocks of the Çine nappe 20-30 km north of the Selimiye shear zone record maximum P-T conditions of 8-11 kbar and 600-650 °C. Kinematic indicators show mainly top-N shear sense associated with prograde amphibolite facies metamorphism. An age of about 550 Ma could be indicated for amphibolite facies metamorphism and associated top-N shear in the orthogneiss and metasedimentary rocks of the Çine nappe. However, there is no evidence for polymetamorphism in the 6 metasedimentary rocks of the Çine nappe, making tectonic interpretations about late Neoproterozoic to Cambrian and Tertiary metamorphic events speculative. In the western margin of the Çine Massif metamorphic mineral parageneses and pressure– temperature conditions lead to similar conclusion regarding the erosion field gradient, prograde normal toward the orthogneiss. The contact between orthogneiss and surrounding metasedimentary rocks is mylonitic and syn-metamorphism. P-T estimates are those already observed within the Selimiye nappe and correlated with lower amphibolite facies parageneses. Finally additional data in the eastern part and a general paragenetic study within the Menderes Massif lower units, the Çine and the Selimiye nappes, strongly suggest a single Barrovian-type metamorphism predating Eocene emplacement of the high pressure–low temperature Lycean and Cycladic blueschist nappes. Metamorphic mineral parageneses and pressure–temperature conditions do not support the recently proposed model of high pressure–low temperature metamorphic overprinting, which implies burial of the lower units of the Menderes Massif up to depth of 30 km, as a result of closure of the Neo-Tethys. According to the geochronological problem outlined during this thesis, there are two possible schemes: either Barrovian-type metamorphism is Proterozoic in age and part of the sediments from Selimiye nappe (lower amphibolite facies) has to be proterozoic of age too, or Barrovian-type metamorphism in Eocene of age. In the first case the structure observed now in the core series would correspond to simple exhumation of Proterozoic basement. In the latter case a possible correlation with closure of Neo-Tethys (sensu stricto, southern branch) is envisaged.

Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.rnDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30'S Breite sowie 29°30' und 30°30' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.rnrnHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.rnrnDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.rnDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.rnAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.rnrnEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.rnrnLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenzrndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.rnrnVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. rnrnDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.