Variance Reduction in Analytical Chemistry : New Numerical Methods in Chemometrics and Molecular Simulation

This thesis is based on five papers addressing variance reduction in different ways. The papers have in common that they all present new numerical methods. Paper I investigates quantitative structure-retention relationships from an image processing perspective, using an artificial neural network to preprocess three-dimensional structural descriptions of the studied steroid molecules. Paper II presents a new method for computing free energies. Free energy is the quantity that determines chemical equilibria and partition coefficients. The proposed method may be used for estimating, e.g., chromatographic retention without performing experiments. Two papers (III and IV) deal with correcting deviations from bilinearity by so-called peak alignment. Bilinearity is a theoretical assumption about the distribution of instrumental data that is often violated by measured data. Deviations from bilinearity lead to increased variance, both in the data and in inferences from the data, unless invariance to the deviations is built into the model, e.g., by the use of the method proposed in paper III and extended in paper IV. Paper V addresses a generic problem in classification; namely, how to measure the goodness of different data representations, so that the best classifier may be constructed. Variance reduction is one of the pillars on which analytical chemistry rests. This thesis considers two aspects on variance reduction: before and after experiments are performed. Before experimenting, theoretical predictions of experimental outcomes may be used to direct which experiments to perform, and how to perform them (papers I and II). After experiments are performed, the variance of inferences from the measured data are affected by the method of data analysis (papers III-V).

Methoden und Modelle zur Phytoplanktonanalyse am Beispiel einer Restaurierungsmaßnahme an der Bleiloch Talsperre

Methoden und Modelle zur Phytoplanktonanalyse am Beispiel einer Restaurierungsmaßnahme an der Bleiloch Talsperre Zusammenfassung An der hypertrophen Bleiloch Talsperre (Thüringen, BRD) werden die Auswirkungen der 1997 in Betrieb genommenen partiellen Destratifikation (0- 20m) untersucht. Ziel der Maßnahme war die Hemmung des Phytoplanktonwachstums durch Lichtlimitation.Da es nicht gelang, auch die Oberflächenlammelle in die Durchmischung einzubeziehen, wurde auch keine Reduktion des Phytoplanktons beobachtet. Seine zeitliche Dynamik nahm deutlich zu und es traten neben typischen Längsgradienten auch extreme, kleinräumige Konzentrationsunterschiede auf. Die vorher häufigen Cyanobakterien spielten jedoch keine quantitativ bedeutsame Rolle mehr. Es wird diskutiert, wie die Belüftung die Saisonalität des Planktons stört und zu Verschiebungen der Zusammensetzung führt. Der Zusammenhang zwischen der Chlorophyll a Menge und der Stabilität der Wassersäule sowie der Einfluß wachstumsbestimmender Größen werden modelliert. Methodische Schwerpunkte umfassen die Auswertung von Phytoplankton-Pigmentdaten (HPLC-Analyse) und die Entwicklung einer Durchflußzytometer-Methode. Bei letzerer werden an lebenden Phytoplanktern die Vorwärtsstreuung sowie vier Fluoreszenzen (2 Phycoerythrine, Phycocyanin und Chlorophyll a, 514nm Anregungswellenlänge) gemessen. Zur Klassifizierung von Algen anhand von Referenzen werden zwei Methoden entwickelt, Möglichkeiten des Sortierens aufgezeigt und es wird ein Vergleich mit Mikroskopie und HPLC- Pigmentanalyse durchgeführt. Anhand von Modellrechnungen wird demonstriert, wie sich systematische bzw. zufällige Abweichungen der Pigmentstöchiometrien auf die Berechnung von Algengruppenanteilen auswirken. Strategien zur Auswertung von Pigmentdaten werden empfohlen.

Pore structure and column efficiency of silica monoliths in high performance liquid chromatography (HPLC)

Five different methods were critically examined to characterize the pore structure of the silica monoliths. The mesopore characterization was performed using: a) the classical BJH method of nitrogen sorption data, which showed overestimated values in the mesopore distribution and was improved by using the NLDFT method, b) the ISEC method implementing the PPM and PNM models, which were especially developed for monolithic silicas, that contrary to the particulate supports, demonstrate the two inflection points in the ISEC curve, enabling the calculation of pore connectivity, a measure for the mass transfer kinetics in the mesopore network, c) the mercury porosimetry using a new recommended mercury contact angle values. rnThe results of the characterization of mesopores of monolithic silica columns by the three methods indicated that all methods were useful with respect to the pore size distribution by volume, but only the ISEC method with implemented PPM and PNM models gave the average pore size and distribution based on the number average and the pore connectivity values.rnThe characterization of the flow-through pore was performed by two different methods: a) the mercury porosimetry, which was used not only for average flow-through pore value estimation, but also the assessment of entrapment. It was found that the mass transfer from the flow-through pores to mesopores was not hindered in case of small sized flow-through pores with a narrow distribution, b) the liquid penetration where the average flow-through pore values were obtained via existing equations and improved by the additional methods developed according to Hagen-Poiseuille rules. The result was that not the flow-through pore size influences the column bock pressure, but the surface area to volume ratio of silica skeleton is most decisive. Thus the monolith with lowest ratio values will be the most permeable. rnThe flow-through pore characterization results obtained by mercury porosimetry and liquid permeability were compared with the ones from imaging and image analysis. All named methods enable a reliable characterization of the flow-through pore diameters for the monolithic silica columns, but special care should be taken about the chosen theoretical model.rnThe measured pore characterization parameters were then linked with the mass transfer properties of monolithic silica columns. As indicated by the ISEC results, no restrictions in mass transfer resistance were noticed in mesopores due to their high connectivity. The mercury porosimetry results also gave evidence that no restrictions occur for mass transfer from flow-through pores to mesopores in the small scaled silica monoliths with narrow distribution. rnThe prediction of the optimum regimes of the pore structural parameters for the given target parameters in HPLC separations was performed. It was found that a low mass transfer resistance in the mesopore volume is achieved when the nominal diameter of the number average size distribution of the mesopores is appr. an order of magnitude larger that the molecular radius of the analyte. The effective diffusion coefficient of an analyte molecule in the mesopore volume is strongly dependent on the value of the nominal pore diameter of the number averaged pore size distribution. The mesopore size has to be adapted to the molecular size of the analyte, in particular for peptides and proteins. rnThe study on flow-through pores of silica monoliths demonstrated that the surface to volume of the skeletons ratio and external porosity are decisive for the column efficiency. The latter is independent from the flow-through pore diameter. The flow-through pore characteristics by direct and indirect approaches were assessed and theoretical column efficiency curves were derived. The study showed that next to the surface to volume ratio, the total porosity and its distribution of the flow-through pores and mesopores have a substantial effect on the column plate number, especially as the extent of adsorption increases. The column efficiency is increasing with decreasing flow through pore diameter, decreasing with external porosity, and increasing with total porosity. Though this tendency has a limit due to heterogeneity of the studied monolithic samples. We found that the maximum efficiency of the studied monolithic research columns could be reached at a skeleton diameter of ~ 0.5 µm. Furthermore when the intention is to maximize the column efficiency, more homogeneous monoliths should be prepared.rn

Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

Entwicklung kohärenter Lichtquellen im XUV-Regime

Plasmabasierte Röntgenlaser sind aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge und schma-rnlen spektralen Bandbreite attraktive Diagnose-Instrumente in einer Vielzahl potentieller Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Spektroskopie, Mikroskopie und EUV-Lithografie. Dennoch sind Röntgenlaser zum heutigen Stand noch nicht sehr weit verbreitet, was vorwiegend auf eine zu geringe Pulsenergie und für manche Anwendungen nicht hinreichende Strahlqualität zurückzuführen ist. In diesem Zusammenhang wurden in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt. Die gleichzeitige Weiterentwicklung von Pumplasersystemen und Pumpmechanismen ermöglichte es, kompakte Röntgenlaserquellen mit bis zu 100 Hz zu betreiben. Um gleichzeitig höhere Pulsenergien, höhere Strahlqualität und volle räumliche Kohärenz zu erhalten, wurden intensive Studien theoretischer und experimenteller Natur durchgeführt. In diesem Kontext wurde in der vorliegenden Arbeit ein experimenteller Aufbau zur Kombination von zwei Röntgenlaser-Targets entwickelt, die sogenannte Butterfly-Konfiguration. Der erste Röntgenlaser wird dabei als sogenannter Seed für das zweite, als Verstärker dienende Röntgenlasermedium verwendet (injection-seeding). Aufrndiese Weise werden störende Effekte vermieden, welche beim Entstehungsprozessrndes Röntgenlasers durch die Verstärkung von spontaner Emission zustande kom-rnmen. Unter Verwendung des ebenfalls an der GSI entwickelten Double-Pulse Gra-rnzing Incidence Pumpschemas ermöglicht das hier vorgestellte Konzept, erstmaligrnbeide Röntgenlasertargets effizient und inklusive Wanderwellenanregung zu pum-rnpen.rnBei einer ersten experimentellen Umsetzung gelang die Erzeugung verstärkter Silber-Röntgenlaserpulse von 1 µJ bei 13.9 nm Wellenlänge. Anhand der gewonnenen Daten erfolgte neben dem Nachweis der Verstärkung die Bestimmung der Lebensdauer der Besetzungsinversion zu 3 ps. In einem Nachfolgeexperiment wurden die Eigenschaften eines Molybdän-Röntgenlaserplasmas näher untersucht. Neben dem bisher an der GSI angewandten Pumpschema kam in dieser Strahlzeit noch eine weitere Technik zum Einsatz, welche auf einem zusätzlichen Pumppuls basierte. In beiden Schemata gelang neben dem Nachweis der Verstärkung die zeitliche und räumliche Charakterisierung des Verstärkermediums. Röntgenlaserpulse mit bis zu 240 nJ bei einer Wellenlänge von 18.9 nm wurden nachgewiesen. Die erreichte Brillanz der verstärkten Pulse lag ca. zwei Größenordnungen über der des ursprünglichen Seeds und mehr als eine Größenordnung über der Brillanz eines Röntgenlasers, dessen Erzeugung auf der Verwendung eines einzelnen Targets basierte. Das in dieser Arbeitrnentwickelte und experimentell verifizierte Konzept birgt somit das Potential, extrem brillante plasmabasierte Röntgenlaser mit vollständiger räumlicher und zeitlicher Kohärenz zu erzeugen.rnDie in dieser Arbeit diskutierten Ergebnisse sind ein wesentlicher Beitrag zu der Entwicklung eines Röntgenlasers, der bei spektroskopischen Untersuchungen von hochgeladenen Schwerionen eingesetzt werden soll. Diese Experimente sind amrnExperimentierspeicherring der GSI und zukünftig auch am High-Energy StoragernRing der FAIR-Anlage vorgesehen.rn

Proteomic analysis of ocular surface components by use of HPLC based mass spectrometric strategies

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Top Down (TD) und zwei Bottom Up (BU) MALDI/ESI Massenspektrometrie/HPLC-Methoden entwickelt mit dem Ziel Augenoberfächenkomponenten, d.h. Tränenfilm und Konjunktivalzellen zu analysieren. Dabei wurde ein detaillierter Einblick in die Entwicklungsschritte gegeben und die Ansätze auf Eignung und methodische Grenzen untersucht. Während der TD Ansatz vorwiegend Eignung zur Analyse von rohen, weitgehend unbearbeiteten Zellproben fand, konnten mittels des BU Ansatzes bearbeitete konjunktivale Zellen, aber auch Tränenfilm mit hoher Sensitivität und Genauigkeit proteomisch analysiert werden. Dabei konnten mittels LC MALDI BU-Methode mehr als 200 Tränenproteine und mittels der LC ESI Methode mehr als 1000 Tränen- sowie konjunktivale Zellproteine gelistet werden. Dabei unterschieden sich ESI- and MALDI- Methoden deutlich bezüglich der Quantität und Qualität der Ergebnisse, weshalb differente proteomische Anwendungsgebiete der beiden Methoden vorgeschlagen wurden. Weiterhin konnten mittels der entwickelten LC MALDI/ESI BU Plattform, basierend auf den Vorteilen gegenüber dem TD Ansatz, therapeutische Einflüsse auf die Augenoberfläche mit Fokus auf die topische Anwendung von Taurin sowie Taflotan® sine, untersucht werden. Für Taurin konnten entzündungshemmende Effekte, belegt durch dynamische Veränderungen des Tränenfilms, dokumentiert werden. Außerdem konnten vorteilhafte, konzentrationsabhängige Wirkweisen auch in Studien an konjunktival Zellen gezeigt werden. Für die Anwendung von konservierungsmittelfreien Taflotan® sine, konnte mittels LC ESI BU Analyse eine Regenerierung der Augenoberfläche in Patienten mit Primärem Offenwinkel Glaukom (POWG), welche unter einem “Trockenem Auge“ litten nach einem therapeutischen Wechsel von Xalatan® basierend auf dynamischen Tränenproteomveränderungen gezeigt werden. Die Ergebnisse konnten mittels Microarray (MA) Analysen bestätigt werden. Sowohl in den Taurin Studien, als auch in der Taflotan® sine Studie, konnten charakteristische Proteine der Augenoberfläche dokumentiert werden, welche eine objektive Bewertung des Gesundheitszustandes der Augenoberfläche ermöglichen. Eine Kombination von Taflotan® sine und Taurin wurde als mögliche Strategie zur Therapie des Trockenen Auges bei POWG Patienten vorgeschlagen und diskutiert.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

Seed fate and seedling dynamics after masting in two African rain forest trees

How the effects of biotic factors are moderated by abiotic factors, and their consequences for species interactions, is generally understudied in ecology. A key abiotic feature of forests is regular canopy disturbances that create temporary patches, or “gaps,” of above-average light availability. Co-occurring in lowland primary forest of Korup National Park (Cameroon), Microberlinia bisulcata and Tetraberlinia bifoliolata are locally dominant, ectomycorrhizal trees whose seeds share predator guilds in masting years. Here, we experimentally tested the impact of small mammal predators upon seedling abundance, growth, and survivorship. In 2007, we added a fixed density of seeds of each species to exclosures at 48 gap–understory locations across 82.5 ha within a large Microberlinia grove, and at 15 locations outside it. For both species, small mammals removed more seeds in gaps than in understory, whereas this was reversed for seeds killed by invertebrates. Nonetheless, Microberlinia lost twice as many seeds to small mammals, and more to invertebrates in exclosures, than Tetraberlinia, which was more prone to a pathogenic white fungus. After six weeks, both species had greater seedling establishment in gaps than understory, and in exclosures outside compared to exclosures inside the grove. In the subsequent two-year period, seedling growth and survivorship peaked in exclosures in gaps, but Microberlinia had more seedlings' stems clipped by animals than Tetraberlinia, and more than twice the percentage of leaf area damaged. Whereas Microberlinia seedling performance in gaps was inferior to Tetraberlinia inside the grove, outside it Microberlinia had reduced leaf damage, grew taller, and had many more leaves than Tetraberlinia. No evidence was found for “apparent mutualism” in the understory as seedling establishment of both species increased away from (>25 m) large stems of either species, pointing to “apparent competition” instead. In gaps, Microberlinia seedling establishment was lower near Tetraberlinia than conspecific adults because of context-dependent small mammal satiation. Stage-matrix analysis suggested that protecting Microberlinia from small mammals could increase its population growth rate by 0.06. In the light of prior research we conclude that small mammals and canopy gaps play an important role in promoting species coexistence in this forest, and that their strong interaction contributes to Microberlinia's currently very poor regeneration.

Authentication and Authorisation Mechanisms in support of Secure Access to WMN Resources

Over the past several years, a number of design approaches in wireless mesh networks have been introduced to support the deployment of wireless mesh networks (WMNs). We introduce a novel wireless mesh architecture that supports authentication and authorisation functionalities, giving the possibility of a seamless WMN integration into the home's organization authentication and authorisation infrastructure. First, we introduce a novel authentication and authorisation mechanism for wireless mesh nodes. The mechanism is designed upon an existing federated access control approach, i.e. the AAI infrastructure that is using just the credentials at the user's home organization in a federation. Second, we demonstrate how authentication and authorisation for end users is implemented by using an existing web-based captive portal approach. Finally, we observe the difference between the two and explain in detail the process flow of authorized access to network resources in wireless mesh networks. The goal of our wireless mesh architecture is to enable easy broadband network access to researchers at remote locations, giving them additional advantage of a secure access to their measurements, irrespective of their location. It also provides an important basis for the real-life deployment of wireless mesh networks for the support of environmental research.

Optical hysteresis of ridge waveguide magnetic garnet films and cavities in two-dimensional magneto-photonic crystal slabs

Magnetic iron garnets as well as magnetic photonic crystals are of great interests in magneto-optic applications such as isolators, current captors, circulators, TE-TM mode conversion, wavelength accordable filters, optical sensors and switches, all of which provide a promising platform for future integrated optical circuits. In the present work, two topics are studied based on magnetic iron garnet films. In the first part, the characteristics of the magnetization are investigated for ridge waveguides fabricated on (100) oriented iron garnet thin films. The magnetic response in magneto-optic waveguides patterned on epitaxial magnetic garnet films depends on the crystallographic orientation of the waveguides and the magnetic anisotropy of the material. These can be studied by polarization rotation hysteresis loops, which are related to the component of magnetization parallel to the light propagation direction and the linear birefringence. Polarization rotation hysteresis loops for low birefringence waveguides with different orientations are experimentally investigated. Asymmetric stepped curves are obtained from waveguides along, due to the large magnetocrystalline anisotropy in the plane. A model based on the free energy density is developed to demonstrate the motion of the magnetization and can be used in the design of magneto-optic devices. The second part of this thesis focuses on the design and fabrication of high-Q cavities in two-dimensional magneto-photonic crystal slabs. The device consists of a layer of silicon and a layer of iron garnet thin film. Triangular lattice elliptical air holes are patterned in the slab. The fundamental TM band gap overlaps with the first-order TE band gap from 0374~0.431(a/λ) showing that both TE and TM polarization light can be confined in the photonic crystals. A nanocavity is designed to obtain both TE and TM defect modes in the band gaps. Additional work is needed to overlap the TE and TM defect modes and obtain a high-Q cavity so as to develop miniaturized Faraday rotators.

Determination of carbohydrate-deficient transferrin in human serum by two capillary zone electrophoresis methods and a direct immunoassay: comparison of patient data

Data obtained with two CZE assays for determining carbohydrate-deficient transferrin (CDT) in human serum under routine conditions, the CAPILLARYS CDT and the high-resolution CEofix (HR-CEofix) CDT methods, are in agreement with patient sera that do not exhibit interferences, high trisialo-transferrin (Tf) levels or genetic variants. HR-CEofix CDT levels are somewhat higher compared to those obtained with the CAPILLARYS method and this bias corresponds to the difference of the upper reference values of the two assays. The lower resolution between disialo-Tf and trisialo-Tf observed in the CAPILLARYS system (mean: 1.24) compared to HR-CEofix (mean: 1.74) is believed to be the key for this difference. For critical sera with high trisialo-Tf levels, genetic variants, or certain interferences in the beta-region, the HR-CEofix approach is demonstrated to perform better than CAPILLARYS. However, the determination of CDT with the HR-CEofix method can also be hampered with interferences. Results with disialo-Tf values larger than 3% in the absence of asialo-Tf should be evaluated with immunosubtraction of Tf and possibly also confirmed with another CZE method or by HPLC. Furthermore, data gathered with the N Latex CDT direct immunonephelometric assay suggest that this assay can be used for screening purposes. To reduce the number of false negative results, CDT data above 2.0% should be confirmed using a separation method.

Improved impurity fingerprinting of heparin by high resolution (1)H NMR spectroscopy

For improving the identification of potential heparin impurities such as oversulfated chondroitin sulfate (OSCS) the standard 2D (1)H-(1)H NMR NOESY was applied. Taking advantage of spin diffusion and adjusting the experimental parameters accordingly additional contaminant-specific signals of the corresponding sugar ring protons can easily be detected. These are usually hidden by the more intense heparin signals. Compared to the current 1D (1)H procedure proposed for screening commercial unfractionated heparin samples and focusing on the contaminants acetyl signals more informative and unique fingerprints may be obtained. Correspondingly measured (1)H fingerprints of a few potential impurities are given and their identification in two contaminated commercial heparin samples is demonstrated. The proposed 2D NOESY method is not intended to replace the current 1D method for detecting and quantifying heparin impurities but may be regarded as a valuable supplement for an improved and more reliable identification of these contaminants.

Two new flavonol glycosides and a metabolite profile of Bryophyllum pinnatum, a phytotherapeutic used in obstetrics and gynaecology

Bryophyllum pinnatum is a succulent perennial plant native to Madagascar which is used in anthroposophical medicine to treat psychiatric disorders and as a tocolytic agent to prevent premature labour. We performed a metabolite profiling study in order to obtain a comprehensive picture of the constituents in B. pinnatum leaves and to identify chromatographic markers for quality control and safety assessment of medicinal preparations. Preliminary HPLC-PDA-ESIMS analyses revealed that flavonoid glycosides were the main UV-absorbing constituents in the MeOH extract of B. pinnatum. Two phenolic glucosides, syringic acid β-D-glucopyranosyl ester (1) and 4'-O-β-D-glucopyranosyl-cis-p-coumaric acid (2), as well as nine flavonoids (3-11) including kaempferol, quercetin, myricetin, acacetin, and diosmetin glycosides were unambiguously identified by 1H and 2D NMR analysis after isolation from a MeOH extract. The flavonol glycosides quercetin 3-O-α-L-arabinopyranosyl-(1 → 2)-α-L-rhamnopyranoside 7-O-β-D-glucopyranoside (3) and myricetin 3-O-α-L-arabinopyranosyl-(1 → 2)-α-L-rhamnopyranoside (4) were new natural products. With the aid of HPLC-PDA-APCIMS and authentic references isolated from the related species B. daigremontianum, the presence of four bufadienolides, bersaldegenin-1-acetate (12), bryophyllin A (13), bersaldegenin-3-acetate (14), and bersaldegenin-1,3,5-orthoacetate (15) was detected in B. pinnatum.

Individual Video Training iVT and Annotating Academic Videos AAV: two complementing technologies

Individual Video Training iVT and Annotating Academic Videos AAV: two complementing technologies 1. Recording communication skills training sessions and reviewing them by oneself, with peers, and with tutors has become standard in medical education. Increasing numbers of students paired with restrictions of financial and human resources create a big obstacle to this important teaching method. 2. Everybody who wants to increase efficiency and effectiveness of communication training can get new ideas from our technical solution. 3. Our goal was to increase the effectiveness of communication skills training by supporting self, peer and tutor assessment over the Internet. Two technologies of SWITCH, the national foundation to support IT solutions for Swiss universities, came handy for our project. The first is the authentication and authorization infrastructure providing all Swiss students with a nationwide single login. The second is SWITCHcast which allows automated recording, upload and publication of videos in the Internet. Students start the recording system by entering their single login. This automatically links the video with their password. Within a few hours, they find their video password protected on the Internet. They now can give access to peers and tutors. Additionally, an annotation interface was developed. This software has free text as well as checklist annotations capabilities. Tutors as well as students can create checklists. Tutor’s checklists are not editable by students. Annotations are linked to tracks. Tracks can be private or public. Public means visible to all who have access to the video. Annotation data can be exported for statistical evaluation. 4. The system was well received by students and tutors. Big numbers of videos were processed simultaneously without any problems. 5. iVT http://www.switch.ch/aaa/projects/detail/UNIBE.7 AAV http://www.switch.ch/aaa/projects/detail/ETHZ.9

Simultaneous quantification of delta-9-THC, THC-acid A, CBN and CBD in seized drugs using HPLC-DAD

An HPLC-DAD method for the quantitative analysis of Δ(9)-tetrahydrocannabinol (THC), Δ(9)-tetrahydrocannabinolic acid-A (THCA-A), cannabidiol (CBD), and cannabinol (CBN) in confiscated cannabis products has been developed, fully validated and applied to analyse seized cannabis products. For determination of the THC content of plant material, this method combines quantitation of THCA-A, which is the inactive precursor of THC, and free THC. Plant material was dried, homogenized and extracted with methanol by ultrasonication. Chromatographic separation was achieved with a Waters Alliance 2695 HPLC equipped with a Merck LiChrospher 60 RP-Select B (5μm) precolumn and a Merck LiChroCart 125-4 LiChrospher 60 RP-Select B (5μm) analytical column. Analytes were detected and quantified using a Waters 2996 photo diode array detector. This method has been accepted by the public authorities of Switzerland (Bundesamt für Gesundheit, Federal Office of Public Health), and has been used to analyse 9092 samples since 2000. Since no thermal decarboxylation of THCA-A occurs, the method is highly reproducible for different cannabis materials. Two calibration ranges are used, a lower one for THC, CBN and CBD, and a higher one for THCA-A, due to its dominant presence in fresh plant material. As provider of the Swiss proficiency test, the robustness of this method has been tested over several years, and homogeneity tests even in the low calibration range (1%) show high precision (RSD≤4.3%, except CBD) and accuracy (bias≤4.1%, except CBN).