Fabrication of microenvironments with different geometrical features for cell growth studies

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

On the Bhabha scattering for z=2 Lifshitz QED

In this paper, we compute and discuss the differential cross-section of the Bhabha scattering in the framework of the z = 2 Lifshitz quantum electrodynamics (QED). We start by constructing the classical solutions for the fermionic fields, in particular the completeness relations, and also derive the theory's propagators. Afterwards, we compute the photon exchange and pair annihilation contributions for the Bhabha's process, and upon achieving the results we establish the magnitude of the theory's free parameter by looking for small deviations of the QED tree results.

Third-order nonlinearities and other properties of molybdenum lead-pyrophosphate glass

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

DNA - novel nanomaterial for applications in photonics and in electronics

Functionalization with surfactants and with active molecules of deoxyribonucleic acid (DNA), thin film processing as well as their nonlinear optical and electrical properties are reviewed and discussed. On the basis of a quantum three level model, we show that the anomalous concentration variation of cubic susceptibility chi((3))(-3 omega; omega, omega, omega) in thin films of DNA-CTMA complexes doped with Disperse Red 1 chromophore can be explained by the concentration variation of two-photon resonance contribution. We show also that the DNA complexes, plasticized with glycerol and adequately doped can be processed into self standing conducting membranes with a high electrical conductivity. The measured ionic conductivity at room temperature, depending on dopant used and its concentration, is in the range of 3.5 x 10(-4)-10(-5) S/cm and increases linearly as a function of temperature, reaching 10(-3) S/cm at 358 K for the most conducting sample, obeying predominantly the Arrhenius law. Practical applications of DNA complexes are also described and discussed. (C) 2012 Academie des sciences. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Femtosecond Laser in Polymeric Materials: Microfabrication of Doped Structures and Micromachining

The use of laser light to modify the material's surface or bulk as well as to induce changes in the volume through a chemical reaction has received great attention in the last few years, due to the possibility of tailoring the material's properties aiming at technological applications. Here, we report on recent progress of microstructuring and microfabrication in polymeric materials by using femtosecond lasers. In the first part, we describe how polymeric materials' micromachining, either on the surface or bulk, can be employed to change their optical and chemical properties promising for fabricating waveguides, resonators, and self-cleaning surfaces. In the second part, we discuss how two-photon absorption polymerization can be used to fabricate active microstructures by doping the basic resin with molecules presenting biological and optical properties of interest. Such microstructures can be used to fabricate devices with applications in optics, such as microLED, waveguides, and also in medicine, such as scaffolds for tissue growth.

Mapping the lignin distribution in pretreated sugarcane bagasse by confocal and fluorescence lifetime imaging microscopy

Abstract Background Delignification pretreatments of biomass and methods to assess their efficacy are crucial for biomass-to-biofuels research and technology. Here, we applied confocal and fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) using one- and two-photon excitation to map the lignin distribution within bagasse fibers pretreated with acid and alkali. The evaluated spectra and decay times are correlated with previously calculated lignin fractions. We have also investigated the influence of the pretreatment on the lignin distribution in the cell wall by analyzing the changes in the fluorescence characteristics using two-photon excitation. Eucalyptus fibers were also analyzed for comparison. Results Fluorescence spectra and variations of the decay time correlate well with the delignification yield and the lignin distribution. The decay dependences are considered two-exponential, one with a rapid (τ1) and the other with a slow (τ2) decay time. The fastest decay is associated to concentrated lignin in the bagasse and has a low sensitivity to the treatment. The fluorescence decay time became longer with the increase of the alkali concentration used in the treatment, which corresponds to lignin emission in a less concentrated environment. In addition, the two-photon fluorescence spectrum is very sensitive to lignin content and accumulation in the cell wall, broadening with the acid pretreatment and narrowing with the alkali one. Heterogeneity of the pretreated cell wall was observed. Conclusions Our results reveal lignin domains with different concentration levels. The acid pretreatment caused a disorder in the arrangement of lignin and its accumulation in the external border of the cell wall. The alkali pretreatment efficiently removed lignin from the middle of the bagasse fibers, but was less effective in its removal from their surfaces. Our results evidenced a strong correlation between the decay times of the lignin fluorescence and its distribution within the cell wall. A new variety of lignin fluorescence states were accessed by two-photon excitation, which allowed an even broader, but complementary, optical characterization of lignocellulosic materials. These results suggest that the lignin arrangement in untreated bagasse fiber is based on a well-organized nanoenvironment that favors a very low level of interaction between the molecules.

Influence of nanoparticle size on the nonlinear optical properties of magnetite ferrofluids

The nonlinear index of refraction (n(2)) and the two-photon absorption coefficient (beta) of water-based ferrofluids made of magnetite nanocrystals of different sizes and with different coatings have been measured through the Z-scan technique, with ultrashort (femtoseconds) laser pulses. Their third-order susceptibility is calculated from the values of n(2) and beta. The influence of different particles' coatings and sizes on these nonlinear optical properties are investigated. The values of n(2) and beta depend more significantly on the nanoparticles' size than on the particular coating. We observe a decrease of beta as the nanoparticles' diameters decrease, although the optical gap is found to be the same for all samples. The results are interpreted considering modifications in the electronic orbital shape due to the particles' nanosize effect.

Intravital microscopy technique to study parasite dynamics in the labyrinth layer of the mouse placenta

Intravital imaging techniques are the best approach to investigate in situ cellular behavior under physiological conditions. Many techniques have emerged during these last few years for this purpose. We recently described an intravital imaging technique that allows for the observation of placenta physiological responses at the labyrinth layer of this tissue. This technique will be very useful to study many placental opportunistic infections and in this article we reinforce its usefulness by analyzing placental physiological entrapment of beads and parasites. In particular, our results show that small beads (1.0 μm) or Plasmodium chabaudi-GFP-infected-Red Blood Cells (Pc-GFP-iRBCs) cannot get trapped inside small or large blood vessels of popliteal lymph nodes (PLNs). Inside the placenta, clusters of beads could only be found inside the maternal blood vessels. However, Pc-GFP-iRBCs were found inside and outside the maternal blood vessels. We observed that trophoblasts can ingest infected-Red Blood Cells (iRBCs) in vitro and immunofluorescence of placenta revealed Pc-GFP-iRBCs inside and outside the maternal blood vessels. Taken together, we conclude that fast deposition of particles inside blood vessels seems to be an intrinsic characteristic of placenta blood flow, but iRBCs could be internalized by trophoblast cells. Thus these results represent one of the many possible uses of our intravital imaging technique to address important questions inside the parasitological field.

Nonlinear optical characterizations of dibenzoylmethane in solution

This work reports on the two-photon absorption (2PA) cross-section and first hyperpolarizability of dibenzoylmethane solutions using femtosecond Z-scan and hyper-Rayleigh scattering techniques. The 2PA spectrum, spanning the wavelength range from 460 to 740 nm, presents a band centered at 510 nm, with a cross-section value estimated as 37 GM at this wavelength. Owing to the molecular symmetry, this band is not observed in the linear absorption spectrum. The sum-over-state approach was adopted to evaluate various spectroscopic parameters. Experimental and theoretical values of the first hyperpolarizability values were estimated in ethanol and DMSO solutions.

Femtosecond laser processing of glassy and polymeric matrices containing metals and semiconductor nanostructures

Tailoring properties of materials by femtosecond laser processing has been proposed in the last decade as a powerful approach for technological applications, ranging from optics to biology. Although most of the research output in this field is related to femtosecond laser processing of single either organic or inorganic materials, more recently a similar approach has been proposed to develop advanced hybrid nanomaterials. Here, we report results on the use of femtosecond lasers to process hybrid nanomaterials, composed of polymeric and glassy matrices containing metal or semiconductor nanostructures. We present results on the use of femtosecond pulses to induce Cu and Ag nanoparticles in the bulk of borate and borosilicate glasses, which can be applied for a new generation of waveguides. We also report on 3D polymeric structures, fabricated by two-photon polymerization, containing Au and ZnO nanostructures, with intense two-photon fluorescent properties. The approach based on femtosecond laser processing to fabricate hybrid materials containing metal or semiconductor nanostructures is promising to be exploited for optical sensors and photonics devices.

Effect of the Canary Islands in the blockage and mixing of the North Atlantic eastern water masses

[EN] We apply an inverse model to a hydrographic cruise that completely closes the Canary Islands to investigate their effect on the water masses transports. Most central waters are transported south between the eastern islands and the African coast, with 2.5 Sv out of a total of 3.5 Sv. Intermediate waters are effectively blocked by the islands passages, with Mediterranean/Antarctic waters predominantly found north/south of the islands, and most deep waters loop around the archipelago plateau. A process model upholds the existence of intense two-way exchange between central and intermediate waters along the eastern passage, with vertical velocities of order 10 m s.

Betrachtung von chemischen Reaktionen und mesoskopischen Strukturen auf Oberflächen mittels spektroskopischer Photoelektronenmikroskopie

In dieser Arbeit wurden Untersuchungen mit verschiedenenMethoden derMikrospektroskopie unter Verwendung einesPhotoemissions-Elektronenmikroskops(PEEM) durchgeführt. Es wurde ein Energiefilterfür den Einsatzmit dem PEEM aufgebaut und getestet. Dieses Instrument wurdezusammen miteinem Multilayer-Monochromator am Synchrotron eingesetzt.Der Energiefilterwurde unter anderem für Photoelektronenspektroskopie anAu_xCs_1-xund Pb/Si-Schichten, sowie zur Charakterisierung desMonochromators eingesetzt.
Die Transmissionsfunktion eines abbildendenGegenfeldanalysators fürdas PEEM wurde berechnet und mit Messungen verglichen. InÜbereinstimmungmit der Berechnung zeigt sich ein charakteristischesasymmetrisches Profilder mit dem Analysator gemessenen Photoelektronenpeaks. Eswurde eine Verbesserungder Ortsauflösung durch energieselektive Abbildungnachgewiesen.
Mit dem PEEM wurde erstmals Mehr-Photonen Photoemissionzur Abbildungausgenutzt. Es wurde ein Verfahren gezeigt, mit dem sich dieOrdnung dernichtlinearen Photoemission aus zwei mit unterschiedlicherLaserleistungaufgenommenen Bildern lateral abbilden läßt. DiePolarisationsabhängigkeitder Photoemission von glatten Probenstellen läßtsich mit einercos⁴-Funktion anpassen, wie es fürZwei-Photonen Photoemissionzu erwarten ist. Alle Proben wiesen Zentren erhöhterPhotoemissionsintensitätauf, welche durch Anregung lokalisierter Plasmonen auf derOberflächean kleinen Partikeln entstehen. An diesen erstmalig sichtbargemachten'Hot Spots' zeigt sich eine charakteristischePolarisationsabhängigkeitder Photoemission mit bevorzugter Anregung vonPhotoelektronen bei s-polarisiertemLicht.

Zur Kooperativität des Vogelspinnen-Hämocyanins

Zusammenfassung Kooperativität bei Atmungsproteinen bedeutet eine Änderung der O2-Affinität während der Beladung mit O2 und läßt sich durch die Wechselbeziehung zwischen O2-Beladung und Konformation beschreiben. In dieser Arbeit wurde das 24-mere Hämocyanin der Vogelspinne Eurypelma californicum bzgl. Beladung und Konformationen sowohl auf der Ensemble- wie auch auf der Einzel-Molekül-Ebene charakterisiert. EnsembleDie Bindung von O2 an Hämocyanine ist mit einer drastischen Abnahme der Fluoreszenz-Quantenausbeute verbunden. Durch Vergleich von theoretisch und experimentell bestimmten Quantenausbeuten konnte gezeigt werden, daß die Löschung auf Förster-Transfer zurückzuführen ist, und daß kein Einfluß der Oligomerisierung, Protein-Konformation, Beweglichkeit oder Tierart besteht. Die Konformation von Hämocyaninen konnte mit Crosslinkern im oxy- und deoxy-Zustand fixiert werden. Die Charakterisierung der Produkte führte zu einer neuen Vorstellung, wie unterschiedliche Affinitäten realisiert sein können. Hierbei kommt der Dynamik der Protein-Matrix eine entscheidende Rolle zu. Einzel-MoleküleMittels Zwei-Photonen-Anregung konnten erstmalig einzelne Proteine über ihre intrinsische Tryptophan-Fluoreszenz nachgewiesen werden. Zum einen gelang es, Modellsysteme mit nur 340 Trp abzubilden, andererseits konnte die Diffusion einzelner Hämocyanine (148 Trp) mit Hilfe der Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie nachgewiesen werden.Einzelne Hämocyanine konnten durch Adsorption und mildes Eintrocknen an verschiedenen Oberflächen immobilisiert werden. Mittels Atomarer Kraft-Mikroskopie (AFM) ließen sich individuelle Hämocyanine abgebilden, wobei Details der Quarärstruktur aufgelöst werden konnten.

Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie und -Spektroskopie von Sauerstofftransportproteinen

In dieser Arbeit wurde die intrinsische Tryptophanfluoreszenz von Proteinen nach Zwei-Photonen-Anregung untersucht. Als interessantes Modellsystem wurde das Sauerstofftransportprotein der Vogelspinne Eurypelma californicum gewählt. Zum einen besitzt das Protein 148 Tryptophan-Seitenketten, so daß deren geringer Absorptionsquerschnitt kompensiert werden kann und eventuell einzelne Proteine aufgrund ihrer Tryptophanfluoreszenz detektiert werden können. Zum anderen signalisiert diese Fluoreszenz die Sauerstoffbeladung, so daß die kooperative Sauerstoffbindung auf Einzelmolekülebene untersucht werden könnte. Als limitierender Faktor hat sich die Photostabilität der Tryptophane nach Zwei-Photonen-Anregung herausgestellt. Im Mittel können von einem Hämocyanin-Molekül drei Photonen detektiert werden, bevor alle 148 Tryptophan-Seitenketten geblichen sind. Dies ist ein für Einzelmolekülspektroskopie äußerst niedriger Wert. Trotz dieser geringen Photostabilität ist es zum erstem Mal gelungen, die Diffusion einzelner Proteine mit Hilfe ihrer intrinsischen Tryptophanfluoreszenz zu beobachten. Wenn in einer geeigneten Umgebung die Photostabilität der Tryptophane höher ist, so reicht die Zahl der detektierten Photonen aus, um einzelne Teilchen abzubilden. Überraschend hat sich ergeben, daß es möglich ist, durch Lichteinstrahlung von außen in das Sauerstoffbindungsgleichgewicht einzugreifen und die Reaktion des Proteins auf die Auslenkung aus dem Gleichgewichtszustand zu beobachten. Das intensitätsabhängige Sauerstoffbindungsverhalten wurde modelliert und an die Messungen angepaßt. Die lichtinduzierte Sauerstoffabgabe führt anscheinend nicht zu einem Konformationswechsel.

Optische Spektroskopie an Fermium (Z=100)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals Laser-Atomspektroskopie an einem Element durchgeführt, für das bisher keine atomaren Niveaus bekannt waren. Die Experimente wurden am Element Fermium mit der Ordnungszahl Z=100 mit der Resonanzionisationsspektroskopie (RIS) in einer Puffergaszelle durchgeführt. Verwendet wurde das Isotop 255Fm mit einer Halbwertszeit von 20.1 h, das im Hochflusskernreaktor des ORNL, Oak Ridge, USA, hergestellt wurde. Die von einem elektrochemischen Filament in das Argon-Puffergas bei einer Temperatur von 960(20)°C abgedampften Fm-Atome wurden mit Lasern in einem Zweistufenprozess resonant ionisiert. Dazu wurde das Licht eines Excimerlaser gepumpten Farbstofflasers für den ersten Anregungsschritt um die Wellenlänge 400 nm durchgestimmt. Ein Teil des Excimer (XeF) Laser Pumplichtes mit den Wellenlänge 351/353 nm wurde für die nicht-resonante Ionisation verwendet. Die Ionen wurden mit Hilfe elektrischer Felder aus der optischen Zelle extrahiert und nach einem Quadrupol Massenfilter mit einem Channeltron-Detektor massenselektiv nachgewiesen. Trotz der geringen Probenmenge von 2.7 x 10^10 eingesetzten Atomen wurden zwei atomare Resonanzen bei Energien von 25099.8(2) cm-1 und 25111.8(2) cm-1 gefunden und das Sättigungsverhalten dieser Linien gemessen. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl das spektrale Profil der sättigungsverbreiterten Linien als auch die Sättigungskurven beschreibt. Durch Anpassung an die Messdaten konnten die partiellen Übergangsraten in den 3H6 Grundzustand Aki=3.6(7) x 10^6/s und Aki=3.6(6) x 10^6/s bestimmt werden. Der Vergleich der Niveauenergien und Übergangsraten mit Multikonfigurations Dirac-Fock Rechnungen legt die spektroskopische Klassifizierung der beobachteten Niveaus als 5f12 7s7p 5I6 und 5G6 Terme nahe. Weiterhin wurde ein Übergang bei 25740 cm-1 gefunden, der aufgrund der beobachteten Linienbreite von 1000 GHz als Rydbergzustand Zustand mit der Niveauenergie 51480 cm-1 interpretiert wurde und über einen Zweiphotonen Prozess angeregt werden kann. Basierend auf dieser Annahme wurde die Obergrenze für die Ionisationsenergie IP = 52140 cm-1 = 6.5 eV abgeschätzt. In den Messungen wurden Verschiebungen in den Zeitverteilungsspektren zwischen den mono-atomaren Ionen Fm+ und Cf+ und dem Molekül-Ion UO+ festgestellt und auf Driftzeitunterschiede im elektrischen Feld der gasgefüllten optischen Zelle zurückgeführt. Unter einfachen Modellannahmen wurde daraus auf die relativen Unterschiede Delta_r(Fm+,Cf+)/r(Cf+) ˜ -0.2 % und Delta_r(UO+,Cf+)/r(Cf+) ˜ 20 % in den Ionenradien geschlossen. Über die Bestimmung der Abnahme der Fm-a Aktivität des Filamentes auf der einen Seite und die Messung der Resonanzzählrate auf der anderen Seite, wurde die Nachweiseffizienz der Apparatur zu 4.5(3) x 10^-4 bestimmt. Die Nachweisapparatur wurde mit dem Ziel weiterentwickelt, Laserspektroskopie am Isotop 251Fm durchzuführen, das über die Reaktion 249Cf(a,2n)251Fm direkt in der optischen Zelle erzeugt werden soll. Das Verfahren wurde am chemischen Homolog Erbium getestet. Dabei wurde das Isotop 163Er über die Reaktion 161Dy(a,2n)163Er erzeugt und nach Resonanzionisation nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Methode wurde zu 1 x 10^-4 bestimmt.