Diradicals acting through diamagnetic phenylene vinylene bridges: Raman spectroscopy as a probe to characterize spin delocalization

We present a complete Raman spectroscopic study in two structurally well-defined diradical species of different lengths incorporating oligo p-phenylene vinylene bridges between two polychlorinated triphenylmethyl radical units, a disposition that allows sizeable conjugation between the two radicals through and with the bridge. The spectroscopic data are interpreted and supported by quantum chemical calculations. We focus the attention on the Raman frequency changes, interpretable in terms of: (i) bridge length (conjugation length); (ii) bridge conformational structure; and (iii) electronic coupling between the terminal radical units with the bridge and through the bridge, which could delineate through-bond spin polarization, or spin delocalization. These items are addressed by using the"oligomer approach" in conjunction with pressure and temperature dependent Raman spectroscopic data. In summary, we have attempted to translate the well-known strategy to study the electron (charge) structure of π−conjugated molecules by Raman spectroscopy to the case of electron (spin) interactions via the spin delocalization mechanism.

Monte Carlo Methods in Parameter Estimation of Nonlinear Models

Yksi keskeisimmistä tehtävistä matemaattisten mallien tilastollisessa analyysissä on mallien tuntemattomien parametrien estimointi. Tässä diplomityössä ollaan kiinnostuneita tuntemattomien parametrien jakaumista ja niiden muodostamiseen sopivista numeerisista menetelmistä, etenkin tapauksissa, joissa malli on epälineaarinen parametrien suhteen. Erilaisten numeeristen menetelmien osalta pääpaino on Markovin ketju Monte Carlo -menetelmissä (MCMC). Nämä laskentaintensiiviset menetelmät ovat viime aikoina kasvattaneet suosiotaan lähinnä kasvaneen laskentatehon vuoksi. Sekä Markovin ketjujen että Monte Carlo -simuloinnin teoriaa on esitelty työssä siinä määrin, että menetelmien toimivuus saadaan perusteltua. Viime aikoina kehitetyistä menetelmistä tarkastellaan etenkin adaptiivisia MCMC menetelmiä. Työn lähestymistapa on käytännönläheinen ja erilaisia MCMC -menetelmien toteutukseen liittyviä asioita korostetaan. Työn empiirisessä osuudessa tarkastellaan viiden esimerkkimallin tuntemattomien parametrien jakaumaa käyttäen hyväksi teoriaosassa esitettyjä menetelmiä. Mallit kuvaavat kemiallisia reaktioita ja kuvataan tavallisina differentiaaliyhtälöryhminä. Mallit on kerätty kemisteiltä Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta ja Åbo Akademista, Turusta.

Diagnostic and prognostic value of cerebral 31P magnetic resonance spectroscopy in neonates with perinatal asphyxia.

The impact of depressed neonatal cerebral oxidative phosphorylation for diagnosing the severity of perinatal asphyxia was estimated by correlating the concentrations of phosphocreatine (PCr) and ATP as determined by magnetic resonance spectroscopy with the degree of hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE) in 23 asphyxiated term neonates. Ten healthy age-matched neonates served as controls. In patients, the mean concentrations +/- SD of PCr and ATP were 0.99 +/- 0.46 mmol/L (1.6 +/- 0.2 mmol/L) and 0.99 +/- 0.35 mmol/L (1.7 +/- 0.2 mmol/L), respectively (normal values in parentheses). [PCr] and [ATP] correlated significantly with the severity of HIE (r = 0.85 and 0.9, respectively, p < 0.001), indicating that the neonatal encephalopathy is the clinical manifestation of a marred brain energy metabolism. Neurodevelopmental outcome was evaluated in 21 children at 3, 9, and 18 mo. Seven infants had multiple impairments, five were moderately handicapped, five had only mild symptoms, and four were normal. There was a significant correlation between the cerebral concentrations of PCr or ATP at birth and outcome (r = 0.8, p < 0.001) and between the degree of neonatal neurologic depression and outcome (r = 0.7). More important, the outcome of neonates with moderate HIE could better be predicted with information from quantitative 31P magnetic resonance spectroscopy than from neurologic examinations. In general, the accuracy of outcome predictability could significantly be increased by adding results from 31P magnetic resonance spectroscopy to the neonatal neurologic score, but not vice versa. No correlation with outcome was found for other perinatal risk factors, including Apgar score.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Raman spectroscopy and microspectroscopy of reactive dyes on cotton fibres: analysis and detection limits

A collaborative study on Raman spectroscopy and microspectrophotometry (MSP) was carried out by members of the ENFSI (European Network of Forensic Science Institutes) European Fibres Group (EFG) on different dyed cotton fabrics. The detection limits of the two methods were tested on two cotton sets with a dye concentration ranging from 0.5 to 0.005% (w/w). This survey shows that it is possible to detect the presence of dye in fibres with concentrations below that detectable by the traditional methods of light microscopy and microspectrophotometry (MSP). The MSP detection limit for the dyes used in this study was found to be a concentration of 0.5% (w/w). At this concentration, the fibres appear colourless with light microscopy. Raman spectroscopy clearly shows a higher potential to detect concentrations of dyes as low as 0.05% for the yellow dye RY145 and 0.005% for the blue dye RB221. This detection limit was found to depend both on the chemical composition of the dye itself and on the analytical conditions, particularly the laser wavelength. Furthermore, analysis of binary mixtures of dyes showed that while the minor dye was detected at 1.5% (w/w) (30% of the total dye concentration) using microspectrophotometry, it was detected at a level as low as 0.05% (w/w) (10% of the total dye concentration) using Raman spectroscopy. This work also highlights the importance of a flexible Raman instrument equipped with several lasers at different wavelengths for the analysis of dyed fibres. The operator and the set up of the analytical conditions are also of prime importance in order to obtain high quality spectra. Changing the laser wavelength is important to detect different dyes in a mixture.

Determination of the size of quantum dots by fluorescence spectroscopy.

There has been a lack of quick, simple and reliable methods for determination of nanoparticle size. An investigation of the size of hydrophobic (CdSe) and hydrophilic (CdSe/ZnS) quantum dots was performed by using the maximum position of the corresponding fluorescence spectrum. It has been found that fluorescence spectroscopy is a simple and reliable methodology to estimate the size of both quantum dot types. For a given solution, the homogeneity of the size of quantum dots is correlated to the relationship between the fluorescence maximum position (FMP) and the quantum dot size. This methodology can be extended to the other fluorescent nanoparticles. The employment of evolving factor analysis and multivariate curve resolution-alternating least squares for decomposition of the series of quantum dots fluorescence spectra recorded by a specific measuring procedure reveals the number of quantum dot fractions having different diameters. The size of the quantum dots in a particular group is defined by the FMP of the corresponding component in the decomposed spectrum. These results show that a combination of the fluorescence and appropriate statistical method for decomposition of the emission spectra of nanoparticles may be a quick and trusted method for the screening of the inhomogeneity of their solution.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Identifying the preferred subset of enzymatic profiles in nonlinear kinetic metabolic models via multiobjective global optimization and pareto filters

Optimization models in metabolic engineering and systems biology focus typically on optimizing a unique criterion, usually the synthesis rate of a metabolite of interest or the rate of growth. Connectivity and non-linear regulatory effects, however, make it necessary to consider multiple objectives in order to identify useful strategies that balance out different metabolic issues. This is a fundamental aspect, as optimization of maximum yield in a given condition may involve unrealistic values in other key processes. Due to the difficulties associated with detailed non-linear models, analysis using stoichiometric descriptions and linear optimization methods have become rather popular in systems biology. However, despite being useful, these approaches fail in capturing the intrinsic nonlinear nature of the underlying metabolic systems and the regulatory signals involved. Targeting more complex biological systems requires the application of global optimization methods to non-linear representations. In this work we address the multi-objective global optimization of metabolic networks that are described by a special class of models based on the power-law formalism: the generalized mass action (GMA) representation. Our goal is to develop global optimization methods capable of efficiently dealing with several biological criteria simultaneously. In order to overcome the numerical difficulties of dealing with multiple criteria in the optimization, we propose a heuristic approach based on the epsilon constraint method that reduces the computational burden of generating a set of Pareto optimal alternatives, each achieving a unique combination of objectives values. To facilitate the post-optimal analysis of these solutions and narrow down their number prior to being tested in the laboratory, we explore the use of Pareto filters that identify the preferred subset of enzymatic profiles. We demonstrate the usefulness of our approach by means of a case study that optimizes the ethanol production in the fermentation of Saccharomyces cerevisiae.

Brain energy metabolism measured by (13) C magnetic resonance spectroscopy in vivo upon infusion of [3-(13) C]lactate.

The brain uses lactate produced by glycolysis as an energy source. How lactate originated from the blood stream is used to fuel brain metabolism is not clear. The current study measures brain metabolic fluxes and estimates the amount of pyruvate that becomes labeled in glial and neuronal compartments upon infusion of [3-(13) C]lactate. For that, labeling incorporation into carbons of glutamate and glutamine was measured by (13) C magnetic resonance spectroscopy at 14.1 T and analyzed with a two-compartment model of brain metabolism to estimate rates of mitochondrial oxidation, glial pyruvate carboxylation, and the glutamate-glutamine cycle as well as pyruvate fractional enrichments. Extracerebral lactate at supraphysiological levels contributes at least two-fold more to replenish the neuronal than the glial pyruvate pools. The rates of mitochondrial oxidation in neurons and glia, pyruvate carboxylase, and glutamate-glutamine cycles were similar to those estimated by administration of (13) C-enriched glucose, the main fuel of brain energy metabolism. These results are in agreement with primary utilization of exogenous lactate in neurons rather than astrocytes. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.

Assessment of metabolic fluxes in the mouse brain in vivo using 1H-[13C] NMR spectroscopy at 14.1 Tesla.

(13)C magnetic resonance spectroscopy (MRS) combined with the administration of (13)C labeled substrates uniquely allows to measure metabolic fluxes in vivo in the brain of humans and rats. The extension to mouse models may provide exclusive prospect for the investigation of models of human diseases. In the present study, the short-echo-time (TE) full-sensitivity (1)H-[(13)C] MRS sequence combined with high magnetic field (14.1 T) and infusion of [U-(13)C6] glucose was used to enhance the experimental sensitivity in vivo in the mouse brain and the (13)C turnover curves of glutamate C4, glutamine C4, glutamate+glutamine C3, aspartate C2, lactate C3, alanine C3, γ-aminobutyric acid C2, C3 and C4 were obtained. A one-compartment model was used to fit (13)C turnover curves and resulted in values of metabolic fluxes including the tricarboxylic acid (TCA) cycle flux VTCA (1.05 ± 0.04 μmol/g per minute), the exchange flux between 2-oxoglutarate and glutamate Vx (0.48 ± 0.02 μmol/g per minute), the glutamate-glutamine exchange rate V(gln) (0.20 ± 0.02 μmol/g per minute), the pyruvate dilution factor K(dil) (0.82 ± 0.01), and the ratio for the lactate conversion rate and the alanine conversion rate V(Lac)/V(Ala) (10 ± 2). This study opens the prospect of studying transgenic mouse models of brain pathologies.

Force Spectroscopy with Dual-Trap Optical Tweezers: Molecular Stiffness Measurements and Coupled Fluctuations Analysis

ABSTRACT Dual-trap optical tweezers are often used in high-resolution measurements in single-molecule biophysics. Such measurements can be hindered by the presence of extraneous noise sources, the most prominent of which is the coupling of fluctuations along different spatial directions, which may affect any optical tweezers setup. In this article, we analyze, both from the theoretical and the experimental points of view, the most common source for these couplings in dual-trap optical-tweezers setups: the misalignment of traps and tether. We give criteria to distinguish different kinds of misalignment, to estimate their quantitative relevance and to include them in the data analysis. The experimental data is obtained in a, to our knowledge, novel dual-trap optical-tweezers setup that directly measures forces. In the case in which misalignment is negligible, we provide a method to measure the stiffness of traps and tether based on variance analysis. This method can be seen as a calibration technique valid beyond the linear trap region. Our analysis is then employed to measure the persistence length of dsDNA tethers of three different lengths spanning two orders of magnitude. The effective persistence length of such tethers is shown to decrease with the contour length, in accordance with previous studies.

Assessment of the discrimination of animal fat by FT_Raman spectroscopy

In recent years, there has been an increased attention towards the composition of feeding fats. In the aftermath of the BSE crisis all animal by-products utilised in animal nutrition have been subjected to close scrutiny. Regulation requires that the material belongs to the category of animal by-products fit for human consumption. This implies the use of reliable techniques in order to insure the safety of products. The feasibility of using rapid and non-destructive methods, to control the composition of feedstuffs on animal fats has been studied. Fourier Transform Raman spectroscopy has been chosen for its advantage to give detailed structural information. Data were treated using chemometric methods as PCA and PLS-DA which have permitted to separate well the different classes of animal fats. The same methodology was applied on fats from various types of feedstock and production technology processes. PLS-DA model for the discrimination of animal fats from the other categories presents a sensitivity and a specificity of 0.958 and 0.914, respectively. These results encourage the use of FT-Raman spectroscopy to discriminate animal fats.

An overview of the metabolic differences between Bradyrhizobium japonicum 110 bacteria and differentiated bacteroids from soybean (Glycine max) root nodules: An in vitro 13C-and 31P-nuclear magnetic resonance spectroscopy study

Bradyrhizobium japonicum is a symbiotic nitrogen-fixing soil bacteria that induce root nodules formation in legume soybean (Glycine max.). Using 13C- and 31P-nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, we have analysed the metabolite profiles of cultivated B.japonicum cells and bacteroids isolated from soybean nodules. Our results revealed some quantitative and qualitative differences between the metabolite profiles of bacteroids and their vegetative state. This includes in bacteroids a huge accumulation of soluble carbohydrates such as trehalose, glutamate, myo-inositol and homospermidine as well as Pi, nucleotide pools and intermediates of the primary carbon metabolism. Using this novel approach, these data show that most of the compounds detected in bacteroids reflect the metabolic adaptation of rhizobia to the surrounding microenvironment with its host plant cells.

Nonlinear prediction based on score function

The linear prediction coding of speech is based in the assumption that the generation model is autoregresive. In this paper we propose a structure to cope with the nonlinear effects presents in the generation of the speech signal. This structure will consist of two stages, the first one will be a classical linear prediction filter, and the second one will model the residual signal by means of two nonlinearities between a linear filter. The coefficients of this filter are computed by means of a gradient search on the score function. This is done in order to deal with the fact that the probability distribution of the residual signal still is not gaussian. This fact is taken into account when the coefficients are computed by a ML estimate. The algorithm based on the minimization of a high-order statistics criterion, uses on-line estimation of the residue statistics and is based on blind deconvolution of Wiener systems [1]. Improvements in the experimental results with speech signals emphasize on the interest of this approach.