Combined dielectrophoretic and impedance system for on-chip controlled bacteria concentration: Application to Escherichia coli

The present paper reports a bacteria autonomous controlled concentrator prototype with a user-friendly interface for bench-top applications. It is based on a micro-fluidic lab-on-a-chip and its associated custom instrumentation, which consists in a dielectrophoretic actuator, to pre-concentrate the sample, and an impedance analyser, to measure concentrated bacteria levels. The system is composed by a single micro-fluidic chamber with interdigitated electrodes and a instrumentation with custom electronics. The prototype is supported by a real-time platform connected to a remote computer, which automatically controls the system and displays impedance data used to monitor the status of bacteria accumulation on-chip. The system automates the whole concentrating operation. Performance has been studied for controlled volumes of Escherichia coli (E. coli) samples injected into the micro-fluidic chip at constant flow rate of 10 μL/min. A media conductivity correcting protocol has been developed, as the preliminary results showed distortion of the impedance analyser measurement produced by bacterial media conductivity variations through time. With the correcting protocol, the measured impedance values were related to the quantity of bacteria concentrated with a correlation of 0.988 and a coefficient of variation of 3.1%. Feasibility of E. coli on-chip automated concentration, using the miniaturized system, has been demonstrated. Furthermore, the impedance monitoring protocol had been adjusted and optimized, to handle changes in the electrical properties of the bacteria media over time.

Análise cristalográfica da solução sólida com estrutura tipo Tungstênio Bronze de niobato de potássio e estrôncio dopado com ferro

Solid solution of iron doped potassium strontium niobate with KSr2(FeNb4)O15-Δ stoichiometry was prepared by high efficiency ball milling method. Structural characterization was carried out by X-ray diffraction. Crystalline structure was analyzed by the Rietveld refinements using the FullProf software. The results showed a tetragonal system with the tetragonal tungsten bronze structure - TTB (a = 12.4631 (2) Å and c = 3.9322 (6) Å, V = 610.78 (2) ų). In this work, the sites occupancy by the K+, Sr2+ and Fe3+ cations on the TTB structure were determined. NbO6 polihedra distortion and its correlation with the theoretical polarization are discussed.

Detection and partial characterization of an isolate of Groundnut ringspot virus in Solanum sessiliflorum

The cubiu (Solanum sessiliflorum) fruit, originating in the Amazon basin, is commonly used in that region for food, medicine, and cosmetics. In an experimental culture of cubiu, in order to evaluate its adaptation to conditions in the Northern region of the state of Rio de Janeiro, it was observed plants with mosaic symptoms. A cubiu plant was collected and analyzed to identify the etiological agent. After mechanical passage through a local lesion host, a host range test was performed. The virus induced chlorotic local lesions in Chenopodium quinoa, necrotic local lesions in Gomphrena globosa, mosaic in S. sessiliflorum, leaf and stem necrosis in tomato (Lycopersicon esculentum) 'Rutgers', mosaic and leaf distortion in Datura stramonium and Physalis floridana, and necrotic local lesions followed by systemic necrosis and plant death in four Nicotiana species. Electron microscopic observations of ultra thin sections from infected cubiu leaves showed the presence of spheroidal, membrane-bound particles typical of tospovirus species. Analysis of the nucleocapsid protein from concentrated virus particles indicated the presence of a 28 kDa protein. RT-PCR was performed after total RNA extraction from infected IPA-6 tomato leaves. A fragment of approximately 0,8 kbp corresponding to the N gene was amplified, cloned and sequenced. The N protein from the cubiu isolate was 95% homologous to the Groundnut ringspot virus (GRSV) protein, and no more than 85% homologous to those from Zucchini lethal chlorosis virus (ZLCV) and Chrysanthemun stem necrosis virus (CSNV), Tomato spotted wilt virus (TSWV), and Tomato chlorotic spot virus (TCSV). This is the first report of the occurrence of GRSV (or any other plant virus) in cubiu.

Conformal invariants

This master thesis investigates the moduli of families of curves and the capacities of the Gr¨otzsch and Teichm¨uller rings, which are applied in the main parts of this master thesis. The extremal properties of these rings are discussed in connection with the spherical symmetrization. Applications are given to the study of distortion of quasiconformal maps in the euclidean n-dimensional space.

Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella

Suomessa sähkönjakeluverkko koostuu pääasiassa 20 kV ja 400 V jännitetasoista. Tällöin sähkö viedään lähelle kuluttajia suuremmalla jännitetasolla ja muunnetaan alhaisemmaksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että haja-asutusalueilla jakelumuuntajien määrä kasvaa suureksi, koska ne täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen jännite olisi suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä taasen edellyttää asiakaskohtaisien vaihtosuuntaajien käyttöä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvän hyötysuhteen puitteissa. Vaihtosuuntaaja on toteutettu käyttämällä resonanssikonvertteria, joka vaihtosuuntaa jakelujännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi. Tämän jälkeen toteutetaan galvaaninen erotus käyttäen suurtaajuusmuuntajaa. Tätä seuraa syklokonvertteri, joka pulssintiheysmodulaatiota soveltaen muodostaa lähtöjännitteen. Tämä suodatetaan lopuksi LC- alipäästösuotimella säröltään standardin mukaiseksi. Laite on jaettu työssä kolmeen osaan, joista jokaisen toiminta on selitetty ja simuloitu itsenäisesti. Lopussa koko järjestelmä on simuloitu yhtenä kokonaisuutena. Hyötysuhteeksi arvioitiin karkeasti 94 % ja lopullisista tuloksista voidaan päätellä, että laitteen toteuttaminen prototyypiksi voisi olla kannattavaa.

D-luokan audiovahvistimen modulointimenetelmien vertailu ja valinta

Tässä työssä esitellään kaksi D-luokan audiovahvistimissa käytettyä modulointimenetelmää ja vertaillaan niiden välisiä ominaisuuksia. Esitellyt menetelmät ovat pulssinleveysmodulaatio sekä sigma-deltamodulaatio. Lisäksi työssä esitellään signaalin käsittelyssä muodostuvan kohinan ja särön syntyä ja menetelmiä niiden välttämiseksi. Menetelmien ominaisuuksien vertailuun muodostetaan simulointimallit Simulink-ohjelmalla. Simulointitulosten perusteella valitaan käytettävä modulointimenetelmä audiovahvistinsovellukseen huomioon ottaen asetetut vaatimukset ja tavoitteet. Lopuksi valitun modulointimenetelmän suunnittelun pääkohtiin kiinnitetään huomiota.

D-luokan audiovahvistimen pääteastetopologioiden vertailu kitaravahvistinsovelluksessa

Tässä työssä tutkitaan D-luokan audiovahvistimen pääteastetopologioiden eroja teknisen toiminnan, käytännön toteutuksen ja audiosignaalin laadun näkökulmista. Tutkimuksen perusteella valitaan yksi topologia kitaravahvistinsovellukseen, jossa modulointi on toteutettu Sigma-Delta-modulaattorilla. Pääteastetopologioiden tekninen toiminta selvitetään yksityiskohtaisesti virtojen kulkureittien avulla. Simulaatioilla tutkitaan suoja-ajan ja tulosignaalin variaatioiden vaikutusta lähtösignaalin kokonaisharmoniseen säröön (THD) ja selvitetään signaalin säröytymiseen vaikuttavien tekijöiden syitä D-luokan vahvistimen pääteasteessa.

Quasiconformal mappings and inequalities involving special functions

This PhD thesis in Mathematics belongs to the field of Geometric Function Theory. The thesis consists of four original papers. The topic studied deals with quasiconformal mappings and their distortion theory in Euclidean n-dimensional spaces. This theory has its roots in the pioneering papers of F. W. Gehring and J. Väisälä published in the early 1960’s and it has been studied by many mathematicians thereafter. In the first paper we refine the known bounds for the so-called Mori constant and also estimate the distortion in the hyperbolic metric. The second paper deals with radial functions which are simple examples of quasiconformal mappings. These radial functions lead us to the study of the so-called p-angular distance which has been studied recently e.g. by L. Maligranda and S. Dragomir. In the third paper we study a class of functions of a real variable studied by P. Lindqvist in an influential paper. This leads one to study parametrized analogues of classical trigonometric and hyperbolic functions which for the parameter value p = 2 coincide with the classical functions. Gaussian hypergeometric functions have an important role in the study of these special functions. Several new inequalities and identities involving p-analogues of these functions are also given. In the fourth paper we study the generalized complete elliptic integrals, modular functions and some related functions. We find the upper and lower bounds of these functions, and those bounds are given in a simple form. This theory has a long history which goes back two centuries and includes names such as A. M. Legendre, C. Jacobi, C. F. Gauss. Modular functions also occur in the study of quasiconformal mappings. Conformal invariants, such as the modulus of a curve family, are often applied in quasiconformal mapping theory. The invariants can be sometimes expressed in terms of special conformal mappings. This fact explains why special functions often occur in this theory.

Esterase polymorphism in remanant populations of Aspidosperma polyneuron Müll.Arg. (Apocynaceae)

The population genetic structure of the endangered tree species Aspidosperma polyneuron Mull.Arg. (Apocynaceae) was reported based on analysis of esterase polymorphism in two remanant populations. Allelic variation was detected at three isoesterase loci (Est-3, Est-9, and Est-10). The proportion of polymorphic loci for both populations was 30% and deviation from Hardy-Weinberg equilibrium was observed for the Est-3 locus observed in the northern population. Segregation distortion and the lower level of observed and expected heterozygosity in this population were attributed to founder genotype. The high genetic identity values for northern and northwestern populations are in accordance with the low levels of interpopulation genetic divergence demonstrated by the F(ST) (0.03) value. The F(IS) value (0.23) indicated moderate levels of inbreeding. A. polyneuron can be indicated as an example of endangered species suggesting high genetic variation in contrast to the low genetic variation reported for endangered species. The esterase isozymes may be a good genetic marker for studies of natural A. polyneuron populations.

Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

Sementti on yksi eniten maailmassa käytetty rakennusmateriaali ja Suomessa sementin valmistuksesta vastaa Finnsementti Oy kahden tehtaan voimin. Lappeenrannan tehtaalle investoitiin uusi uunilinja vuonna 2007, joka on aikansa kehittyneintä tekniikkaa. Järjes-telmän esilämmitysvaiheen laitteissa, erityisesti kalsinaattorissa, on esiintynyt luvattoman paljon plastisoitumista ja murtumia. Tässä työssä tutkittiin lämpötilan ja sen vaihtelun vaikutusta järjestelmässä syntyneisiin siirtymiin ja murtumiin. Työn alussa luotiin katsaus erilaisiin murtumisilmiöihin ja niiden syntyyn. Vuorauksessa käytettyihin tiilien käyttäytymistä tutkittiin myös, koska ne ovat olennainen osa esilämmi-tysjärjestelmää. Työn kokeellisessa osuudessa aluksi määriteltiin järjestelmässä käytetylle teräkselle lujuusominaisuudet tutkimalla mikrorakennetta sekä suorittamalla veto- että kovuuskokeet materiaalille. Toisessa osiossa mitattiin järjestelmän alasajon aikana tapah-tuneet siirtymät. Laskennallisessa osuudessa tutkittiin väsymismurtuman mahdollisuutta sekä määritettiin kuoressa esiintyvän särön vaikutusta puhkeamis- ja murtumiskuormituk-seen. FEM- analyysissä tarkasteltiin lämpötilan vaikutusta siirtymien suuruuksiin ja pyrittiin löytämään perusteluita, miksi rakenne on todellisuudessa siirtynyt eri suuntiin kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi analysoitiin FEM- mallit tiilihyllystä ja kalsinaattorin kuoren tukikehästä, joista tutkittiin lämpökuorman aiheuttamia jännityksiä. Materiaalin osalta selvisi, että kyseessä oli hyvin yleinen rakenneteräs S235 tai sitä vas-taava teräslaatu. Teräs ei ominaisuuksiltaan sovellu kuumiin olosuhteisiin, jonka vuoksi järjestelmässä käytettävän eristevuorauksen kunto on erityisen tärkeä rakenteen käyttöiän kannalta. Vuorauksen kunnosta riippuu, kuinka suuren lämpökuorman teräskuori saa. Väsymismurtuman mahdollisuus jäi minimaalisen pieneksi lämpötilan muutoksen vaiku-tuksesta. Analysoinnin tulosten perusteella voitiin todeta, että lämpötilan hitaasti mutta kohtalaisen suurella vaihteluvälillä sekä tiilien turpoamisen vaikutuksella on erittäin suuri merkitys järjestelmässä esiintyviin murtumiin.

Application of Computational Fluid Dynamics in Modeling Blood Flow in Human Thoracic Aorta

The aim of this study was to simulate blood flow in thoracic human aorta and understand the role of flow dynamics in the initialization and localization of atherosclerotic plaque in human thoracic aorta. The blood flow dynamics in idealized and realistic models of human thoracic aorta were numerically simulated in three idealized and two realistic thoracic aorta models. The idealized models of thoracic aorta were reconstructed with measurements available from literature, and the realistic models of thoracic aorta were constructed by image processing Computed Tomographic (CT) images. The CT images were made available by South Karelia Central Hospital in Lappeenranta. The reconstruction of thoracic aorta consisted of operations, such as contrast adjustment, image segmentations, and 3D surface rendering. Additional design operations were performed to make the aorta model compatible for the numerical method based computer code. The image processing and design operations were performed with specialized medical image processing software. Pulsatile pressure and velocity boundary conditions were deployed as inlet boundary conditions. The blood flow was assumed homogeneous and incompressible. The blood was assumed to be a Newtonian fluid. The simulations with idealized models of thoracic aorta were carried out with Finite Element Method based computer code, while the simulations with realistic models of thoracic aorta were carried out with Finite Volume Method based computer code. Simulations were carried out for four cardiac cycles. The distribution of flow, pressure and Wall Shear Stress (WSS) observed during the fourth cardiac cycle were extensively analyzed. The aim of carrying out the simulations with idealized model was to get an estimate of flow dynamics in a realistic aorta model. The motive behind the choice of three aorta models with distinct features was to understand the dependence of flow dynamics on aorta anatomy. Highly disturbed and nonuniform distribution of velocity and WSS was observed in aortic arch, near brachiocephalic, left common artery, and left subclavian artery. On the other hand, the WSS profiles at the roots of branches show significant differences with geometry variation of aorta and branches. The comparison of instantaneous WSS profiles revealed that the model with straight branching arteries had relatively lower WSS compared to that in the aorta model with curved branches. In addition to this, significant differences were observed in the spatial and temporal profiles of WSS, flow, and pressure. The study with idealized model was extended to study blood flow in thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. One of the idealized aorta models was modified along with the boundary conditions to mimic the thoracic aorta under the effects of hypertension and hypotension. The results of simulations with realistic models extracted from CT scans demonstrated more realistic flow dynamics than that in the idealized models. During systole, the velocity in ascending aorta was skewed towards the outer wall of aortic arch. The flow develops secondary flow patterns as it moves downstream towards aortic arch. Unlike idealized models, the distribution of flow was nonplanar and heavily guided by the artery anatomy. Flow cavitation was observed in the aorta model which was imaged giving longer branches. This could not be properly observed in the model with imaging containing a shorter length for aortic branches. The flow circulation was also observed in the inner wall of the aortic arch. However, during the diastole, the flow profiles were almost flat and regular due the acceleration of flow at the inlet. The flow profiles were weakly turbulent during the flow reversal. The complex flow patterns caused a non-uniform distribution of WSS. High WSS was distributed at the junction of branches and aortic arch. Low WSS was distributed at the proximal part of the junction, while intermedium WSS was distributed in the distal part of the junction. The pulsatile nature of the inflow caused oscillating WSS at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Based on the WSS distribution in the realistic model, one of the aorta models was altered to induce artificial atherosclerotic plaque at the branch entry region and inner curvature of aortic arch. Atherosclerotic plaque causing 50% blockage of lumen was introduced in brachiocephalic artery, common carotid artery, left subclavian artery, and aortic arch. The aim of this part of the study was first to study the effect of stenosis on flow and WSS distribution, understand the effect of shape of atherosclerotic plaque on flow and WSS distribution, and finally to investigate the effect of lumen blockage severity on flow and WSS distributions. The results revealed that the distribution of WSS is significantly affected by plaque with mere 50% stenosis. The asymmetric shape of stenosis causes higher WSS in branching arteries than in the cases with symmetric plaque. The flow dynamics within thoracic aorta models has been extensively studied and reported here. The effects of pressure and arterial anatomy on the flow dynamic were investigated. The distribution of complex flow and WSS is correlated with the localization of atherosclerosis. With the available results we can conclude that the thoracic aorta, with complex anatomy is the most vulnerable artery for the localization and development of atherosclerosis. The flow dynamics and arterial anatomy play a role in the localization of atherosclerosis. The patient specific image based models can be used to diagnose the locations in the aorta vulnerable to the development of arterial diseases such as atherosclerosis.

Energiansäästölamppujen vaikutukset pienjännitteisen sähkönjakeluverkon kuormitukseen ja häviöihin

Euroopan Unioni kieltää matalan hyötysuhteen lamppujen käyttämisen sekä sisä- että ulkovalaisimissa. Näin ollen matalan hyötysuhteen lamput, kuten perinteiset hehkulamput tulee vaihtaa paremman hyötysuhteen lamppuihin, kuten energiansäästölamppuihin. Energiansäästölampuissa 230 V, 50 Hz verkkosähkö muunnetaan valonlähteelle sopivaksi tehoelektroniikan avulla. 50 Hz perustaajuisen virran lisäksi energiansäästölamput ottavat verkosta harmonisia yliaaltoja. Harmoniset yliaallot aiheuttavat lisähäviöitä verkostokomponenteissa, kuten muuntajissa ja johdoissa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan millaisia vaikutuksia hehkulamppujen vaihtaminen energiansäästölamppuihin aiheuttaa pienjännitteisessä jakeluverkossa. Työssä tarkastellaan lyhyesti myös energiansäästölamppujen energiatehokkuutta, sekä sitä, millaisia rajoitteita standardit asettavat harmonisille yliaalloille.

Tuotanto- ja pakkausmateriaalien varastojen nykytila ja kehittäminen lääkeannostelijoita valmistavassa tehtaassa

Diplomityön tarkoituksena oli selvittää lääkeannostelijoita valmistavan tehtaan materiaalivarastojen nykytila. Varaston nykytila-analyysi jaettiin pääoma- ja operatiivisen tehokkuuden arviointiin. Työssä haluttiin kartoittaa toimenpide-ehdotuksia varastonohjauksen tehostamiseksi. Diplomityön tarkoituksena oli myös lisätä avainhenkilöiden ymmärrystä koskien varastojen pidon vaikutuksia yrityksen liiketoimintaan. Varastojen nykytila voitiin kiteyttää suureen pääoman sitoutumiseen, hitaisiin kiertoaikoihin sekä tehokkaan työskentelyn kannalta liian pieniin ja ahtaisiin varastoihin. Kustannuksia ei ole otettu kokonaisuudessaan huomioon tilattaessa ja varastoitaessa materiaalia. Varaston hitaita kiertonopeuksia ei ole tunnistettu vaikuttajina yrityksen tulokseen ja kannattavuuteen. Jotta varastonohjaus- ja hankintaprosesseja voitaisiin tehostaa, pitäisi ostotoimintoihin tehdä muutoksia. Tilausrytmiä ja –määriä täytyisi harkita uudelleen, jotta voitaisiin vähentää varastoihin sitoutuvan pääoman määrää. Informaationvirtaa tehtaalla sekä organisaatiorajojen yli pitäisi parantaa, jotta voitaisiin vähentää kysynnän heilahteluja sekä siihen varautumista. Varmuusvarastojen pidosta saatavien korvausten olisi katettava koko materiaalin kiertoajan aikana syntyvät varastoinnin kustannukset.