DETERMINAÇÃO DE Cd E Pb EM AMOSTRAS DE GOMA XANTANA POR GF AAS

This paper describes the evaluation of a method for determination of Cd and Pb in xanthan gum samples by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry (GF AAS) using NH4H2PO4 as the chemical modifier. The sample preparation was performed using a reflux system adapted in the digestion tubes. With this system it was possible to increase the temperature of the digester block above the boiling point of the reaction medium, preventing loss of analyte and excessive evaporation of acids during heating. Samples were digested with HNO3 for 3 h in a digester block at 220 ºC. The limits of detection for Cd and Pb were 2.2 and 33.8 ng g-1, respectively. The RSDs for both analytes were, on average, lower than 5.0% and accuracy was verified by recovery tests, yielding values in the 83-100% range.

Production of policlonal antisera specific to plant viruses by rabbit oral immunization

Serological techniques are of great importance for plant virus identification and characterization. The major limiting factor for using these techniques for plant virus identification is the requirement of a good virus purified preparation to be used in immunizing animals for antiserum production. In the present study, two New Zealand rabbits were orally immunized with extracts from cowpea (Vigna unguiculata) plants systemically infected with Cowpea severe mosaic virus (CPSMV) and with extracts from papaya (Carica papaya) infected with Papaya lethal yellowing virus (PLYV). The leaf extracts were prepared in saline solution 0.15 M in the rate of 1:1 (w/v) and clarified by a centrifugation of 10,000 g for 10 min. The clarified extracts containing the viruses were orally administered to the New Zealand rabbits in two series of five daily doses of 1.0 ml each. The obtained policlonal antisera were shown to be very specific to their respective viruses in double immunodiffusion and indirect ELISA. These seem to be the first antisera specific for plant virus obtained by rabbit oral immunization. The results open up some possibilities for producing antisera to plant viruses of difficult purification. It is a simple, fast and inexpensive method for production of antisera for plant viruses when compared to the traditional techniques that involve rabbit injections with purified virus preparations.

Direct determination of calcium in milk by atomic absorption spectrometry using flow-injection analysis

A flow-injection system with sample and reagent addition by the synchronous merging zones approach for calcium determination in milk by flame AAS is proposed. Main parameters were optimized using a factorial design with central point. The optimum conditions were 2.5% (m/v) for La concentration, 8 mL min-1 for the carrier flow-rate, 20 cm for coiled reactor and 250 ìL for sample volume. Different sample preparation procedures were evaluated such as dilution in water or acid and microwave-assisted decomposition using concentrated or diluted acids. The optimized flow system was applied to determine Ca in eleven commercial milk samples and two standard reference materials diluted in water. Similar calcium levels were encountered comparing the results obtained by the proposed method (dilution in water) with those obtained using microwave-oven digestion. Results obtained in two standard reference materials were in agreement at 95% confidence level with those certified. Recoveries of spiked samples were in the 93% - 116% range. Relative standard deviation (n = 12) was < 5.4% and the sample throughput was 150 measurements per hour, corresponding to a consumption of 250 µL of sample and 6.25 mg La per determination.

Magnetic Resonance Experiments with Atomic Hydrogen

In this thesis three experiments with atomic hydrogen (H) at low temperatures T<1 K are presented. Experiments were carried out with two- (2D) and three-dimensional (3D) H gas, and with H atoms trapped in solid H2 matrix. The main focus of this work is on interatomic interactions, which have certain specific features in these three systems considered. A common feature is the very high density of atomic hydrogen, the systems are close to quantum degeneracy. Short range interactions in collisions between atoms are important in gaseous H. The system of H in H₂ differ dramatically because atoms remain fixed in the H₂ lattice and properties are governed by long-range interactions with the solid matrix and with H atoms. The main tools in our studies were the methods of magnetic resonance, with electron spin resonance (ESR) at 128 GHz being used as the principal detection method. For the first time in experiments with H in high magnetic fields and at low temperatures we combined ESR and NMR to perform electron-nuclear double resonance (ENDOR) as well as coherent two-photon spectroscopy. This allowed to distinguish between different types of interactions in the magnetic resonance spectra. Experiments with 2D H gas utilized the thermal compression method in homogeneous magnetic field, developed in our laboratory. In this work methods were developed for direct studies of 3D H at high density, and for creating high density samples of H in H₂. We measured magnetic resonance line shifts due to collisions in the 2D and 3D H gases. First we observed that the cold collision shift in 2D H gas composed of atoms in a single hyperfine state is much smaller than predicted by the mean-field theory. This motivated us to carry out similar experiments with 3D H. In 3D H the cold collision shift was found to be an order of magnitude smaller for atoms in a single hyperfine state than that for a mixture of atoms in two different hyperfine states. The collisional shifts were found to be in fair agreement with the theory, which takes into account symmetrization of the wave functions of the colliding atoms. The origin of the small shift in the 2D H composed of single hyperfine state atoms is not yet understood. The measurement of the shift in 3D H provides experimental determination for the difference of the scattering lengths of ground state atoms. The experiment with H atoms captured in H2 matrix at temperatures below 1 K originated from our work with H gas. We found out that samples of H in H2 were formed during recombination of gas phase H, enabling sample preparation at temperatures below 0.5 K. Alternatively, we created the samples by electron impact dissociation of H₂ molecules in situ in the solid. By the latter method we reached highest densities of H atoms reported so far, 3.5(5)x10¹⁹ cm^-3. The H atoms were found to be stable for weeks at temperatures below 0.5 K. The observation of dipolar interaction effects provides a verification for the density measurement. Our results point to two different sites for H atoms in H2 lattice. The steady-state nuclear polarizations of the atoms were found to be non-thermal. The possibility for further increase of the impurity H density is considered. At higher densities and lower temperatures it might be possible to observe phenomena related to quantum degeneracy in solid.

Switchable lanthanide fluorescence probes in homogenous molecular diagnostics

The number of molecular diagnostic assays has increased tremendously in recent years.Nucleic acid diagnostic assays have been developed, especially for the detection of human pathogenic microbes and genetic markers predisposing to certain diseases. Closed-tube methods are preferred because they are usually faster and easier to perform than heterogenous methods and in addition, target nucleic acids are commonly amplified leading to risk of contamination of the following reactions by the amplification product if the reactions are opened. The present study introduces a new closed-tube switchable complementation probes based PCR assay concept where two non-fluorescent probes form a fluorescent lanthanide chelate complex in the presence of the target DNA. In this dual-probe PCR assay method one oligonucleotide probe carries a non-fluorescent lanthanide chelate and another probe a light absorbing antenna ligand. The fluorescent lanthanide chelate complex is formed only when the non-fluorescent probes are hybridized to adjacent positions into the target DNA bringing the reporter moieties in close proximity. The complex is formed by self-assembled lanthanide chelate complementation where the antenna ligand is coordinated to the lanthanide ion captured in the chelate. The complementation probes based assays with time-resolved fluorescence measurement showed low background signal level and hence, relatively high nucleic acid detection sensitivity (low picomolar target concentration). Different lanthanide chelate structures were explored and a new cyclic seven dentate lanthanide chelate was found suitable for complementation probe method. It was also found to resist relatively high PCR reaction temperatures, which was essential for the PCR assay applications. A seven-dentate chelate with two unoccupied coordination sites must be used instead of a more stable eight- or nine-dentate chelate because the antenna ligand needs to be coordinated to the free coordination sites of the lanthanide ion. The previously used linear seven-dentate lanthanide chelate was found to be unstable in PCR conditions and hence, the new cyclic chelate was needed. The complementation probe PCR assay method showed high signal-to-background ratio up to 300 due to a low background fluorescence level and the results (threshold cycles) in real-time PCR were reached approximately 6 amplification cycles earlier compared to the commonly used FRET-based closed-tube PCR method. The suitability of the complementation probe method for different nucleic acid assay applications was studied. 1) A duplex complementation probe C. trachomatis PCR assay with a simple 10-minute urine sample preparation was developed to study suitability of the method for clinical diagnostics. The performance of the C. trachomatis assay was equal to the commercial C. trachomatis nucleic acid amplification assay containing more complex sample preparation based on DNA extraction. 2) A PCR assay for the detection of HLA-DQA1*05 allele, that is used to predict the risk of type 1 diabetes, was developed to study the performance of the method in genotyping. A simple blood sample preparation was used where the nucleic acids were released from dried blood sample punches using high temperature and alkaline reaction conditions. The complementation probe HLA-DQA1*05 PCR assay showed good genotyping performance correlating 100% with the routinely used heterogenous reference assay. 3) To study the suitability of the complementation probe method for direct measurement of the target organism, e.g., in the culture media, the complementation probes were applied to amplificationfree closed-tube bacteriophage quantification by measuring M13 bacteriophage ssDNA. A low picomolar bacteriophage concentration was detected in a rapid 20- minute assay. The assay provides a quick and reliable alternative to the commonly used and relatively unreliable UV-photometry and time-consuming culture based bacteriophage detection methods and indicates that the method could also be used for direct measurement of other micro-organisms. The complementation probe PCR method has a low background signal level leading to a high signal-to-background ratio and relatively sensitive nucleic acid detection. The method is compatible with simple sample preparation and it was shown to tolerate residues of urine, blood, bacteria and bacterial culture media. The common trend in nucleic acid diagnostics is to create easy-to-use assays suitable for rapid near patient analysis. The complementation probe PCR assays with a brief sample preparation should be relatively easy to automate and hence, would allow the development of highperformance nucleic acid amplification assays with a short overall assay time.

Partikkelikokojakaumamenetelmän testaus INCA Feature

Tässä työssä testattiin partikkelikokojakaumien analysoinnissa käytettävää kuvankäsittelyohjelmaa INCA Feature. Partikkelikokojakaumat määritettiin elektronimikroskooppikuvista INCA Feature ohjelmaa käyttäen partikkeleiden projektiokuvista päällystyspigmenttinä käytettävälle talkille ja kahdelle eri karbonaattilaadulle. Lisäksi määritettiin partikkelikokojakaumat suodatuksessa ja puhdistuksessa apuaineina käytettäville piidioksidi- ja alumiinioksidihiukkasille. Kuvankäsittelyohjelmalla määritettyjä partikkelikokojakaumia verrattiin partikkelin laskeutumisnopeuteen eli sedimentaatioon perustuvalla SediGraph 5100 analysaattorilla ja laserdiffraktioon perustuvalla Coulter LS 230 menetelmällä analysoituihin partikkelikokojakaumiin. SediGraph 5100 ja kuva-analyysiohjelma antoivat talkkipartikkelien kokojakaumalle hyvin samankaltaisen keskiarvon. Sen sijaan Coulter LS 230 laitteen antama kokojakauman keskiarvo poikkesi edellisistä. Kaikki vertailussa olleet partikkelikokojakaumamenetelmät asettivat eri näytteiden partikkelit samaan kokojärjestykseen. Kuitenkaan menetelmien tuloksia ei voida numeerisesti verrata toisiinsa, sillä kaikissa käytetyissä analyysimenetelmissä partikkelikoon mittaus perustuu partikkelin eri ominaisuuteen. Työn perusteella kaikki testatut analyysimenetelmät soveltuvat paperipigmenttien partikkelikokojakaumien määrittämiseen. Tässä työssä selvitettiin myös kuva-analyysiin tarvittava partikkelien lukumäärä, jolla analyysitulos on luotettava. Työssä todettiin, että analysoitavien partikkelien lukumäärän tulee olla vähintään 300 partikkelia. Liian suuri näytemäärä lisää kokojakauman hajontaa ja pidentää analyysiin käytettyä aikaa useaan tuntiin. Näytteenkäsittely vaatii vielä lisää tutkimuksia, sillä se on tärkein ja kriittisin vaihe SEM ja kuva-analyysiohjelmalla tehtävää partikkelikokoanalyysiä. Automaattisten mikroskooppien yleistyminen helpottaa ja nopeuttaa analyysien tekoa, jolloin menetelmän suosio tulee kasvamaan myös paperipigmenttien tutkimuksessa. Laitteiden korkea hinta ja käyttäjältä vaadittava eritysosaaminen tulevat rajaamaan käytön ainakin toistaiseksi tutkimuslaitoksiin.

Investigations of 2-alkyl-3-methoxypyrazines in three ladybug species and wine /

Investigations of 2-alkyl-3-methoxypyrazines (2-isopropyl-3-methoxypyra2ine, 2- secbutyl-3-methoxypyrazine and 2-isobutyl-3-niethoxypyrazine) in ladybug species {Coleoptera: Coccinellidae) and wine samples have been conducted. Headspace sampling coupled with gas chromatography-mass spectrometry was used to determine amounts of 2-alkyl-3-methoxypyra2ines in the ladybug species. Hippodamia convergens had the highest amount of alkybnethoxypyrazines, followed by Harmoma axyridis and the least in Coccinella septempunctata. Using a solvent extraction method, the precoccinelline alkaloid was found present in Hippodamia convergens and Coccinella septempunctata but not Harmonia axyridis. Steam distillation followed by a soHd phase extraction method as a sample preparation technique, enhanced detection while the isotope dilution method afforded accurate quantitation of the alkyknethoxypyrazines in the wine samples. Both ladybug-tainted and commercial wine samples were found to contain the 2- alkyl-3-methoxypyrazines. Wine samples prepared in 2001 generally contained higher levels than the corresponding 2003 samples. Levels of the 2-alkyl-3-methoxypyrazines found in the commercial wines ranged from a minimum value of 6 ng/L to 260 ±10 ng/L. Analyses revealed that for both ladybug species and wine samples, the 2- isopropyl-3-methoxypyrazine had the highest concentration, followed by 2-isobutyl- 3-methoxypyrazine and the least being the 2-secbutyl-3-methoxypyrazine. Possible contamination of the wine samples by ladybugs is thoroughly discussed. Furthermore, attempts to remove or reduce the levels of the alkylmethoxypyrazines with molecularly imprinted polymers from wine samples are presented in detail.

Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.

OFFLINE AND ONLINE SOLID PHASE EXTRACTION/PRECONCENTRATION OF INORGANICS

Solid phase extraction (SPE) is a powerful technique for preconcentration/removal or separation of trace and ultra trace amounts of toxic and nutrient elements. SPE effectively simplifies the labour intensive sample preparation, increase its reliability and eliminate the clean up step by using more selective extraction procedures. The synthesis of sorbents with a simplified procedure and diminution of the risks of errors shows the interest in the areas of environmental monitoring, geochemical exploration, food, agricultural, pharmaceutical, biochemical industry and high purity metal designing, etc. There is no universal SPE method because the sample pretreatment depends strongly on the analytical demand. But there is always an increasing demand for more sensitive, selective, rapid and reliable analytical procedures. Among the various materials, chelate modified naphthalene, activated carbon and chelate functionalized highly cross linked polymers are most important. In the biological and environmental field, large numbers of samples are to be analysed within a short span of time. Hence, online flow injection methods are preferred as they allow extraction, separation, identification and quantification of many numbers of analytes. The flow injection online preconcentration flame AAS procedure developed allows the determination of as low as 0.1 µg/l of nickel in soil and cobalt in human hair samples. The developed procedure is precise and rapid and allows the analysis of 30 samples per hour with a loading time of 60 s. The online FI manifold used in the present study permits high sampling, loading rates and thus resulting in higher preconcentration/enrichment factors of -725 and 600 for cobalt and nickel respectively with a 1 min preconcentration time compared to conventional FAAS signal. These enrichment factors are far superior to hitherto developed on line preconcentration procedures for inorganics. The instrumentation adopted in the present study allows much simpler equipment and low maintenance costs compared to costlier ICP-AES or ICP-MS instruments.

Photoconductivity studies on some semiconducting thin films for photovoltaic applications

Photoconductivity (PC) processes may be the most suitable technique for obtaining information about the states in the gap. It finds applications in photovoItaics, photo detection and radiation measurements. The main task in the area of photovoltaics, is to increase the efficiency of the device and also to develop new materials with good optoelectronic properties useful for energy conversion, keeping the idea of cost effectiveness. Photoconduction includes generation and recombination of carriers and their transport to the electrodes. So thermal relaxation process, charge carrier statistics, effects of electrodes and several mechanisms of recombination are involved in photoconductivity.A major effect of trapping is to make the experimentally observed decay time of photocurrent, longer than carrier lifetime. If no trapping centers are present, then observed photocurrent will decay in the same way as the density of free carriers and the observed decay time will be equal to carrier lifetime. If the density of free carriers is much less than density of trapped carriers, the entire decay of photocurrent is effectively dominated by the rate of trap emptying rather than by the rate of recombination.In the present study, the decay time of carriers was measured using photoconductive decay (PCD) technique. For the measurements, the film was loaded in a liquid Helium cryostat and the temperature was controlled using Lakshore Auto tuning temperature controller (Model 321). White light was used to illuminate the required area of the sample. Heat radiation from the light source was avoided by passing the light beam through a water filter. The decay current. after switching off the illumination. was measured using a Kiethely 2000 multi meter. Sets of PCD measurements were taken varying sample temperature, sample preparation temperature, thickness of the film, partial pressure of Oxygen and concentration of a particular element in a compound. Decay times were calculated using the rate window technique, which is a decay sampling technique particularly suited to computerized analysis. For PCD curves with two well-defined regions, two windows were chosen, one at the fast decay region and the other at the slow decay region. The curves in a particular window were exponentially fitted using Microsoft Excel 2000 programme. These decay times were plotted against sample temperature and sample preparation temperature to study the effect of various defects in the film. These studies were done in order to optimize conditions of preparation technique so as to get good photosensitive samples. useful for photovoltaic applications.Materials selected for the study were CdS, In2Se3, CuIn2Se3 and CuInS2• Photoconductivity studies done on these samples are organised in six chapters including introduction and conclusion.

Das OEE-Protein 1 des Photosystem II (oxygen evolving enhancer) der Grünalge Scenedesmus obliquus besitzt Thioredoxin-Aktivität

Die Aminosäure-Sequenzierung an dem als "28 kDa-Thioredoxin f" beschriebenen Protein aus der Grünalge Scenedesmus obliquus hat gezeigt, dass dieses Protein mit dem als OEE bekannten Protein 1 aus dem Photosystem II identisch ist. Die früher postulierte Möglichkeit einer Fusion eines Thioredoxins mit einem Protein unbekannter Natur oder Insertion eines Thioredoxinfragments mit der typischen -Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-Sequenz in ein solches Protein hat sich nicht bestätigt. Durch Anwendung einer auf das 33 kDa OEE-Protein ausgerichteten Präparationsmethode konnte gezeigt werden, dass das "28 kDa-Trx f" tatsächlich in den Thylakoidmembranen lokalisiert ist. Das Protein kann so innerhalb eines Tages in hoher Reinheit aus den Thylakoidmembranfragmenten eines Algenrohhomogenats isoliert werden; dabei bleibt die Fähigkeit des OEE-Proteins das chloroplastidäre Enzym Fructosebisphosphatase (FbPase) zu stimulieren erhalten. Mit gleichen Methoden wurden die Grünalgen Chlorella vulgaris und Chlamydomonas reinhardtii auf außergewöhnliche Proteine mit Trx-f Aktivität untersucht. Die hitze- und säurestabile Proteinfraktion aus Chlorella vulgaris enthält ein Protein mit vergleichbarer Molmasse von 26 kDa, das ähnlich wie in Scenedesmus eine Stimulation der chloroplastidären Fructosebisphosphatase zeigt. In dem hitze- und säurestabilen Proteinextrakt aus Chlamydomonas reinhardtii wird solche Aktivität nicht beobachtet. Eine Probe des rekombinanten, homogenen OEE-Proteins aus Spinat wurde auf Stimulation der chloroplastidären FbPase und NADPH-abhängigen Malatdehydrogenase (MDH) untersucht. Das Spinat OEE-Protein 1 zeigt mit diesen Enzymen keine Aktivität. Da das OEE-Protein 1 in Scenedesmus starke FbPase-Stimulation zeigt, die anderen Scenedesmus-Thioredoxine mit Molmassen von 12 kDa (Trx I und II) jedoch hohe Aktivität mit der zellulären Ribonucleotidreduktase zeigen, wird postuliert, dass das OEE-Protein die Funktion des Trx-f in vivo ersetzt.

Entwicklung, in-house Validierung und Anwendung des ganzheitlichen Verfahrens Biokristallisation für die Unterscheidung von Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus unterschiedlichem Anbau und Verarbeitungsschritten

Die Qualität ökologischer Produkte wird über den Prozess und nicht am Produkt selbst bestimmt. Die zunehmende Nachfrage nach ökologischen Produkten fordert Methoden, die den Prozess am Produkt zeigen (Authentizitätsprüfung). Eine Literaturstudie für die vorliegende Habilitationsschrift ergab, dass ganzheitliche Verfahren sich dazu besonders eignen. Zu solchen ganzheitlichen Verfahren gehört die Biokristallisation. Bei diesem Verfahren kristallisiert eine Mischung aus Probe und CuCl2 auf einer Glasplatte zu einem Bild, das sowohl visuell, als auch computergestützt ausgewertet werden kann. Es wurden zunächst alle Schritte im Labor dokumentiert und entsprechende Standardarbeitsanweisungen erstellt. Mit einem eigens entwickelten Computerprogramm werden die Bedingungen während der Probenaufbereitung und Kristallisation für jede Probe und jedes Bild erfasst. Mit einer Texturanalyse können auch die für diese Arbeiten erstellte große Menge an Bildern ausgewertet und die Ergebnisse statistisch bearbeitet werden. Damit ist es möglich das Verfahren und Methoden für Weizen- und Möhrenproben zu charakterisieren. Es wurden verschiedene Einflussgrößen untersucht. Das Verfahren ist besonders gegenüber Änderungen in der Probenvorbereitung (z.B. Vermahlung, Mischungsverhältnis) empfindlich. Es wurde sowohl die Methodenstreuung, als auch der Anteil einzelner Schritte an der Gesamtstreuung für Weizen-, Möhren- und Apfelproben ermittelt. Die Verdampfung und Kristallisation hat den größten Anteil an der Gesamtstreuung. Die Durchführung eines Laboreignungstests zeigte, dass die so dokumentierten und charakterisierten Methoden in anderen Laboratorien erfolgreich eingesetzt werden können. Das Verfahren wurde für die nominale Unterscheidung von Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus unterschiedlichem Anbau und Verarbeitungsschritten eingesetzt. Weizen-, Möhren- und Apfelproben aus definiertem Anbau können signifikant unterschieden werden. Weizen-, Möhren- und Apfelproben vom Erzeuger (Markt) konnten im Paarvergleich (ökologisch, konventionell) teilweise signifikant getrennt werden. Das Verfahren ist auch für die Charakterisierung von verarbeiteten Proben einsetzbar. Es konnte der Einfluss von Saftherstellung, Erwärmung und Alterung signifikant gezeigt werden. Darüber hinaus lässt sich das Verfahren auf weitere Probenarten anwenden. Das Verfahren arbeitet ganzheitlich, d.h. es werden keine Einzelstoffe analytisch bestimmt, sondern als Ergebnis wird ein Bild erhalten. Die Textur- und Struktureigenschaften dieses Bildes können mit standardisierten Methoden ausgewertet werden.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Compact Representations for Fast Nonrigid Registration of Medical Images

We develop efficient techniques for the non-rigid registration of medical images by using representations that adapt to the anatomy found in such images. Images of anatomical structures typically have uniform intensity interiors and smooth boundaries. We create methods to represent such regions compactly using tetrahedra. Unlike voxel-based representations, tetrahedra can accurately describe the expected smooth surfaces of medical objects. Furthermore, the interior of such objects can be represented using a small number of tetrahedra. Rather than describing a medical object using tens of thousands of voxels, our representations generally contain only a few thousand elements. Tetrahedra facilitate the creation of efficient non-rigid registration algorithms based on finite element methods (FEM). We create a fast, FEM-based method to non-rigidly register segmented anatomical structures from two subjects. Using our compact tetrahedral representations, this method generally requires less than one minute of processing time on a desktop PC. We also create a novel method for the non-rigid registration of gray scale images. To facilitate a fast method, we create a tetrahedral representation of a displacement field that automatically adapts to both the anatomy in an image and to the displacement field. The resulting algorithm has a computational cost that is dominated by the number of nodes in the mesh (about 10,000), rather than the number of voxels in an image (nearly 10,000,000). For many non-rigid registration problems, we can find a transformation from one image to another in five minutes. This speed is important as it allows use of the algorithm during surgery. We apply our algorithms to find correlations between the shape of anatomical structures and the presence of schizophrenia. We show that a study based on our representations outperforms studies based on other representations. We also use the results of our non-rigid registration algorithm as the basis of a segmentation algorithm. That algorithm also outperforms other methods in our tests, producing smoother segmentations and more accurately reproducing manual segmentations.