Towards a new test of time dilation: Laser spectroscopy on lithium ions stored at a velocity of 33.8 % of the speed of light

The subject of the presented thesis is the accurate measurement of time dilation, aiming at a quantitative test of special relativity. By means of laser spectroscopy, the relativistic Doppler shifts of a clock transition in the metastable triplet spectrum of ^7Li^+ are simultaneously measured with and against the direction of motion of the ions. By employing saturation or optical double resonance spectroscopy, the Doppler broadening as caused by the ions' velocity distribution is eliminated. From these shifts both time dilation as well as the ion velocity can be extracted with high accuracy allowing for a test of the predictions of special relativity. A diode laser and a frequency-doubled titanium sapphire laser were set up for antiparallel and parallel excitation of the ions, respectively. To achieve a robust control of the laser frequencies required for the beam times, a redundant system of frequency standards consisting of a rubidium spectrometer, an iodine spectrometer, and a frequency comb was developed. At the experimental section of the ESR, an automated laser beam guiding system for exact control of polarisation, beam profile, and overlap with the ion beam, as well as a fluorescence detection system were built up. During the first experiments, the production, acceleration and lifetime of the metastable ions at the GSI heavy ion facility were investigated for the first time. The characterisation of the ion beam allowed for the first time to measure its velocity directly via the Doppler effect, which resulted in a new improved calibration of the electron cooler. In the following step the first sub-Doppler spectroscopy signals from an ion beam at 33.8 %c could be recorded. The unprecedented accuracy in such experiments allowed to derive a new upper bound for possible higher-order deviations from special relativity. Moreover future measurements with the experimental setup developed in this thesis have the potential to improve the sensitivity to low-order deviations by at least one order of magnitude compared to previous experiments; and will thus lead to a further contribution to the test of the standard model.

Characterization of structure and dynamics of submicrometric systems via fluorescence correlation spectroscopy

The presented thesis revolves around the study of thermally-responsive PNIPAAm-based hydrogels in water/based environments, as studied by Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS).rnThe goal of the project was the engineering of PNIPAAm gels into biosensors. Specifically, a gamma of such gels were both investigated concerning their dynamics and structure at the nanometer scale, and their performance in retaining bound bodies upon thermal collapse (which PNIPAAm undergoes upon heating above 32 ºC).rnFCS’s requirements, as a technique, match the limitations imposed by the system. Namely, the need to intimately probe a system in a solvent, which was also fragile and easy to alter. FCS, on the other hand, both requires a fluid environment to work, and is based on the observation of diffusion of fluorescents at nanomolar concentrations. FCS was applied to probe the hydrogels on the nanometer size with minimal invasivity.rnVariables in the gels were addressed in the project including crosslinking degree; structural changes during thermal collapse; behavior in different buffers; the possibility of decreasing the degree of inhomogeneity; behavior of differently sized probes; and the effectiveness of antibody functionalization upon thermal collapse.rnThe evidenced results included the heightening of structural inhomogeneities during thermal collapse and under different buffer conditions; the use of annealing to decrease the inhomogeneity degree; the use of differently sized probes to address different length scale of the gel; and the successful functionalization before and after collapse.rnThe thesis also addresses two side projects, also carried forward via FCS. One, diffusion in inverse opals, produced a predictive simulation model for diffusion of bodies in confined systems as dependent on the bodies’ size versus the characteristic sizes of the system. The other was the observation of interaction of bodies of opposite charge in a water solution, resulting in a phenomenological theory and an evaluation method for both the average residence time of the different bodies together, and their attachment likelihood.

Structured antibody surfaces for bio-recognition and a label-free detection of bacteria

Antibody microarrays are of great research interest because of their potential application as biosensors for high-throughput protein and pathogen screening technologies. In this active area, there is still a need for novel structures and assemblies providing insight in binding interactions such as spherical and annulus-shaped protein structures, e.g. for the utilization of curved surfaces for the enhanced protein-protein interactions and detection of antigens. Therefore, the goal of the presented work was to establish a new technique for the label-free detection of bio-molecules and bacteria on topographically structured surfaces, suitable for antibody binding.rnIn the first part of the presented thesis, the fabrication of monolayers of inverse opals with 10 μm diameter and the immobilization of antibodies on their interior surface is described. For this purpose, several established methods for the linking of antibodies to glass, including Schiff bases, EDC/S-NHS chemistry and the biotin-streptavidin affinity system, were tested. The employed methods included immunofluorescence and image analysis by phase contrast microscopy. It could be shown that these methods were not successful in terms of antibody immobilization and adjacent bacteria binding. Hence, a method based on the application of an active-ester-silane was introduced. It showed promising results but also the need for further analysis. Especially the search for alternative antibodies addressing other antigens on the exterior of bacteria will be sought-after in the future.rnAs a consequence of the ability to control antibody-functionalized surfaces, a new technique employing colloidal templating to yield large scale (~cm2) 2D arrays of antibodies against E. coli K12, eGFP and human integrin αvβ3 on a versatile useful glass surface is presented. The antibodies were swept to reside around the templating microspheres during solution drying, and physisorbed on the glass. After removing the microspheres, the formation of annuli-shaped antibody structures was observed. The preserved antibody structure and functionality is shown by binding the specific antigens and secondary antibodies. The improved detection of specific bacteria from a crude solution compared to conventional “flat” antibody surfaces and the setting up of an integrin-binding platform for targeted recognition and surface interactions of eukaryotic cells is demonstrated. The structures were investigated by atomic force, confocal and fluorescence microscopy. Operational parameters like drying time, temperature, humidity and surfactants were optimized to obtain a stable antibody structure.

Test der Speziellen Relativitätstheorie mittels Laserspektroskopie an relativistischen 7 Li +-Ionen am ESR

Die Invarianz physikalischer Gesetze unter Lorentztransformationen ist eines der fundamentalen Postulate der modernen Physik und alle Theorien der grundlegenden Wechselwirkungen sind in kovarianter Form formuliert. Obwohl die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) in einer Vielzahl von Experimenten mit hoher Genauigkeit überprüft und bestätigt wurde, sind aufgrund der weitreichenden Bedeutung dieses Postulats weitere verbesserte Tests von grundsätzlichem Interesse. Darüber hinaus weisen moderne Ansätze zur Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Wechselwirkungen auf eine mögliche Verletzung der Lorentzinvarianz hin. In diesem Zusammenhang spielen Ives-Stilwell Experimente zum Test der Zeitdilatation in der SRT eine bedeutende Rolle. Dabei wird die hochauflösende Laserspektroskopie eingesetzt, um die Gültigkeit der relativistischen Dopplerformel – und damit des Zeitdilatationsfaktors γ – an relativistischen Teilchenstrahlen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ives-Stilwell Experiment an 7Li+-Ionen, die bei einer Geschwindigkeit von 34 % der Lichtgeschwindigkeit im Experimentierspeicherring (ESR) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung gespeichert waren, durchgeführt. Unter Verwendung des 1s2s3S1→ 1s2p3P2-Übergangs wurde sowohl Λ-Spektroskopie als auch Sättigungsspektroskopie betrieben. Durch die computergestützte Analyse des Fluoreszenznachweises und unter Verwendung optimierter Kantenfilter für den Nachweis konnte das Signal zu Rauschverhältnis entscheidend verbessert und unter Einsatz eines zusätzlichen Pumplasers erstmals ein Sättigungssignal beobachtet werden. Die Frequenzstabilität der beiden verwendeten Lasersysteme wurde mit Hilfe eines Frequenzkamms spezifiziert, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen. Die aus den Strahlzeiten gewonnen Daten wurden im Rahmen der Robertson-Mansouri-Sexl-Testtheorie (RMS) und der Standard Model Extension (SME) interpretiert und entsprechende Obergrenzen für die relevanten Testparameter der jeweiligen Theorie bestimmt. Die Obergrenze für den Testparameter α der RMS-Theorie konnte gegenüber den früheren Messungen bei 6,4 % der Lichtgeschwindigkeit am Testspeicherring (TSR) des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg um einen Faktor 4 verbessert werden.

New enhancement strategies for plasmon-enhanced fluorescence biosensors

This thesis investigates metallic nanostructures exhibiting surface plasmon resonance for the amplification of fluorescence signal in sandwich immunoassays. In this approach, an analyte is captured by an antibody immobilized on a plasmonic structure and detected by a subsequently bound fluorophore labeled detection antibody. The highly confined field of surface plasmons originates from collective charge oscillations which are associated with high electromagnetic field enhancements at the metal surface and allow for greatly increased fluorescence signal from the attached fluorophores. This feature allows for improving the signal-to-noise ratio in fluorescence measurements and thus advancing the sensitivity of the sensor platform. In particular, the thesis presents two plasmonic nanostructures that amplify fluorescence signal in devices that rely on epifluorescence geometry, in which the fluorophore absorbs and emits light from the same direction perpendicular to the substrate surface.rnThe first is a crossed relief gold grating that supports propagating surface plasmon polaritons (SPPs) and second, gold nanoparticles embedded in refractive index symmetric environment exhibiting collective localized surface plasmons (cLSPs). Finite-difference time-domain simulations are performed in order to design structures for the optimum amplification of established Cy5 and Alexa Fluor 647 fluorophore labels with the absorption and emission wavelengths in the red region of spectrum. The design takes into account combined effect of surface plasmon-enhanced excitation rate, directional surface plasmon-driven emission and modified quantum yield for characteristic distances in immunoassays. Homebuilt optical instruments are developed for the experimental observation of the surface plasmon mode spectrum, measurements of the angular distribution of surface plasmon-coupled fluorescence light and a setup mimicking commercial fluorescence reading systems in epifluorescence geometry.rnCrossed relief grating structures are prepared by interference lithography and multiple copies are made by UV nanoimprint lithography. The fabricated crossed diffraction gratings were utilized for sandwich immunoassay-based detection of the clinically relevant inflammation marker interleukin 6 (IL-6). The enhancement factor of the crossed grating reached EF=100 when compared to a flat gold substrate. This result is comparable to the highest reported enhancements to date, for fluorophores with relatively high intrinsic quantum yield. The measured enhancement factor excellently agrees with the predictions of the simulations and the mechanisms of the enhancement are explained in detail. Main contributions were the high electric field intensity enhancement (30-fold increase) and the directional fluorescence emission at (4-fold increase) compared to a flat gold substrate.rnCollective localized surface plasmons (cLSPs) hold potential for even stronger fluorescence enhancement of EF=1000, due to higher electric field intensity confinement. cLSPs are established by diffractive coupling of the localized surface plasmon resonance (LSPR) of metallic nanoparticles and result in a narrow resonance. Due to the narrow resonance, it is hard to overlap the cLSPs mode with the absorption and emission bands of the used fluorophore, simultaneously. Therefore, a novel two resonance structure that supports SPP and cLSP modes was proposed. It consists of a 2D array of cylindrical gold nanoparticles above a low refractive index polymer and a silver film. A structure that supports the proposed SPP and cLSP modes was prepared by employing laser interference lithography and the measured mode spectrum was compared to simulation results.rn

The sensitivity of the photostationary state of NOx and its implication for the oxidation capacity in a semi-rural and boreal forest region

Für das Vermögen der Atmosphäre sich selbst zu reinigen spielen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) eine bedeutende Rolle. Diese Spurengase bestimmen die photochemische Produktion von Ozon (O3) und beeinflussen das Vorkommen von Hydroxyl- (OH) und Nitrat-Radikalen (NO3). Wenn tagsüber ausreichend Solarstrahlung und Ozon vorherrschen, stehen NO und NO2 in einem schnellen photochemischen Gleichgewicht, dem „Photostationären Gleichgewichtszustand“ (engl.: photostationary state). Die Summe von NO und NO2 wird deshalb als NOx zusammengefasst. Vorhergehende Studien zum photostationären Gleichgewichtszustand von NOx umfassen Messungen an unterschiedlichsten Orten, angefangen bei Städten (geprägt von starken Luftverschmutzungen), bis hin zu abgeschiedenen Regionen (geprägt von geringeren Luftverschmutzungen). Während der photochemische Kreislauf von NO und NO2 unter Bedingungen erhöhter NOx-Konzentrationen grundlegend verstanden ist, gibt es in ländlicheren und entlegenen Regionen, welche geprägt sind von niedrigeren NOx-Konzetrationen, signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Zyklierungsprozesse. Diese Lücken könnten durch messtechnische NO2-Interferenzen bedingt sein - insbesondere bei indirekten Nachweismethoden, welche von Artefakten beeinflusst sein können. Bei sehr niedrigen NOx-Konzentrationen und wenn messtechnische NO2-Interferenzen ausgeschlossen werden können, wird häufig geschlussfolgert, dass diese Verständnislücken mit der Existenz eines „unbekannten Oxidationsmittels“ (engl.: unknown oxidant) verknüpft ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird der photostationäre Gleichgewichtszustand von NOx analysiert, mit dem Ziel die potenzielle Existenz bislang unbekannter Prozesse zu untersuchen. Ein Gasanalysator für die direkte Messung von atmosphärischem NO¬2 mittels laserinduzierter Fluoreszenzmesstechnik (engl. LIF – laser induced fluorescence), GANDALF, wurde neu entwickelt und während der Messkampagne PARADE 2011 erstmals für Feldmessungen eingesetzt. Die Messungen im Rahmen von PARADE wurden im Sommer 2011 in einem ländlich geprägten Gebiet in Deutschland durchgeführt. Umfangreiche NO2-Messungen unter Verwendung unterschiedlicher Messtechniken (DOAS, CLD und CRD) ermöglichten einen ausführlichen und erfolgreichen Vergleich von GANDALF mit den übrigen NO2-Messtechniken. Weitere relevante Spurengase und meteorologische Parameter wurden gemessen, um den photostationären Zustand von NOx, basierend auf den NO2-Messungen mit GANDALF in dieser Umgebung zu untersuchen. Während PARADE wurden moderate NOx Mischungsverhältnisse an der Messstelle beobachtet (10^2 - 10^4 pptv). Mischungsverhältnisse biogener flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen (BVOC, engl.: biogenic volatile organic compounds) aus dem umgebenden Wald (hauptsächlich Nadelwald) lagen in der Größenordnung 10^2 pptv vor. Die Charakteristiken des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx bei niedrigen NOx-Mischungsverhältnissen (10 - 10^3 pptv) wurde für eine weitere Messstelle in einem borealen Waldgebiet während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 untersucht. HUMPPA–COPEC–2010 wurde im Sommer 2010 in der SMEARII-Station in Hyytiälä, Süd-Finnland, durchgeführt. Die charakteristischen Eigenschaften des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx in den beiden Waldgebieten werden in dieser Arbeit verglichen. Des Weiteren ermöglicht der umfangreiche Datensatz - dieser beinhaltet Messungen von relevanten Spurengasen für die Radikalchemie (OH, HO2), sowie der totalen OH-Reaktivität – das aktuelle Verständnis bezüglich der NOx-Photochemie unter Verwendung von einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, zu überprüfen und zu verbessern. Während NOx-Konzentrationen in HUMPPA-COPEC 2010 niedriger sind, im Vergleich zu PARADE 2011 und BVOC-Konzentrationen höher, sind die Zyklierungsprozesse von NO und NO2 in beiden Fällen grundlegend verstanden. Die Analyse des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx für die beiden stark unterschiedlichen Messstandorte zeigt auf, dass potenziell unbekannte Prozesse in keinem der beiden Fälle vorhanden sind. Die aktuelle Darstellung der NOx-Chemie wurde für HUMPPA-COPEC 2010 unter Verwendung des chemischen Mechanismus MIM3* simuliert. Die Ergebnisse der Simulation sind konsistent mit den Berechnungen basierend auf dem photostationären Gleichgewichtszustand von NOx.