Nahfeld-induzierte Elektronenemissions-Mikrospektroskopie an stark gekoppelten Plasmonen und metallischen Mikrostrukturen

Plasmonen stellen elektromagnetische Moden in metallischen Strukturen dar, in denen die quasifreien Elektronen im Metall kollektiv oszillieren. Während des letzten Jahrzehnts erfuhr das Gebiet der Plasmonik eine rasante Entwicklung, basierend auf zunehmenden Fortschritten der Nanostrukturierungsmethoden und spektroskopischen Untersuchungsmethoden, die zu der Möglichkeit von systematischen Einzelobjektuntersuchungen wohldefinierter Nanostrukturen führte. Die Anregung von Plasmonen resultiert neben einer radiativen Verstärkung der optischen Streuintensität im Fernfeld in einer nicht-radiativen Überhöhung der Feldstärke in unmittelbarer Umgebung der metallischen Struktur (Nahfeld), die durch die kohärente Ladungsansammlung an der metallischen Oberfläche hervorgerufen wird. Das optische Nahfeld stellt folglich eine bedeutende Größe für das fundamentale Verständnis der Wirkung und Wechselwirkung von Plasmonen sowie für die Optimierung plasmonbasierter Applikationen dar. Die große Herausforderung liegt in der Kompliziertheit des experimentellen Zugangs zum Nahfeld, der die Entwicklung eines grundlegenden Verständisses des Nahfeldes verhinderte.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) bzw. -mikrospektroskopie genutzt, um ortsaufgelöst die Eigenschaften nahfeld-induzierter Elektronenemission zu bestimmen. Die elektrodynamischen Eigenschaften der untersuchten Systeme wurden zudem mit numerischen, auf der Finiten Integrationsmethode basierenden Berechnungen bestimmt und mit den experimentellen Resultaten verglichen.rnAg-Scheiben mit einem Durchmesser von 1µm und einer Höhe von 50nm wurden mit fs-Laserstrahlung der Wellenlänge 400nm unter verschiedenen Polarisationszuständen angeregt. Die laterale Verteilung der infolge eines 2PPE-Prozesses emittierten Elektronen wurde mit dem PEEM aufgenommen. Aus dem Vergleich mit den numerischen Berechnungen lässt sich folgern, dass sich das Nahfeld an unterschiedlichen Stellen der metallischen Struktur verschiedenartig ausbildet. Insbesondere wird am Rand der Scheibe bei s-polarisierter Anregung (verschwindende Vertikalkomponente des elektrischen Felds) ein Nahfeld mit endlicher z-Komponente induziert, während im Zentrum der Scheibe das Nahfeld stets proportional zum einfallenden elektrischen Feld ist.rnWeiterhin wurde erstmalig das Nahfeld optisch angeregter, stark gekoppelter Plasmonen spektral (750-850nm) untersucht und für identische Nanoobjekte mit den entsprechenden Fernfeldspektren verglichen. Dies erfolgte durch Messung der spektralen Streucharakteristik der Einzelobjekte mit einem Dunkelfeldkonfokalmikroskop. Als Modellsystem stark gekoppelter Plasmonen dienten Au Nanopartikel in sub-Nanometerabstand zu einem Au Film (nanoparticle on plane, NPOP). Mit Hilfe dieser Kombination aus komplementären Untersuchungsmethoden konnte erstmalig die spektrale Trennung von radiativen und nicht-radiativen Moden stark gekoppelter Plasmonen nachgewiesen werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen von großer Relevanz, da reine Nahfeldmoden durch den unterdrückten radiativen Zerfall eine große Lebensdauer besitzen, so dass deren Verstärkungswirkung besonders lange nutzbar ist. Ursachen für die Unterschiede im spektralen Verhalten von Fern- und Nahfeld konnten durch numerische Berechnungen identifiziert werden. Sie zeigten, dass das Nahfeld nicht-spärischer NPOPs durch die komplexe Oszillationsbewegung der Elektronen innerhalb des Spaltes zwischen Partikel und Film stark ortsabhängig ist. Zudem reagiert das Nahfeld stark gekoppelter Plasmonen deutlich empfindlicher auf strukturelle Störstellen des Resonators als die Fernfeld-Response. Ferner wurde der Elektronenemissionsmechanismus als optischer Feldemissionsprozess identifiziert. Um den Vorgang beschreiben zu können, wurde die Fowler-Nordheim Theorie der statischen Feldemission für den Fall harmonisch oszillierender Felder modifiziert.

Paleoclimate reconstruction using LA-ICP-MS analyses of ostracods and stalagmite

Als paläoklimatische Archive können unter anderem Stalagmiten und Klappen von Ostrakoden herangezogen werden. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Ergebnisse räumlich hochaufgelöster Spurenelementverteilungen in einzelnen Ostrakodenklappen. Das gleiche gilt für die Bestimmung radiogener Blei-Isotope in Stalagmiten. Um klimatische Prozesse vergangener Zeiten zu untersuchen, wurde eine neue LA-ICP-MS (Laserablations – Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) Technik für hochaufgelöste in-situ Messungen von Spurenelementen und Bleiisotopen entwickelt. rnrnZunächst wurden geeignete Materialien für die Kalibrierung der Technik untersucht; als Proben dienten die Silikatreferenzgläser BAM-S005-A und BAM-S005B der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM). Die Homogenität dieser Referenzgläser wurde mit LA-ICP-MS und den anderen mikroanalytischen Methoden EPMA (Elektronenmikrosonde) und SIMS (Ionensonde) überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Haupt- und die meisten Spurenelemente in beiden Gläsern selbst im Mikrometerbereich homogen verteilt sind. Ausnahmen sind einige Spurenelemente, wie Cs, Cl, Cr, Mo und Ni, die heterogen in den Gläsern verteilt sind. Die Hauptelementzusammensetzung von BAM-S005-A und BAM-S005-B wurde mit Hilfe der EPMA bestimmt, wobei die Ergebnisse die Referenzwerte des BAM-Zertifikats bestätigten. Mit Ausnahme von Sr, Ba, Ce und Pb, stimmten die LA-ICP-MS-Spurenelementwerte mit den zertifizierten Werten innerhalb der angegebenen Fehlergrenzen überein. Gründe für die Diskrepanz der vier oben erwähnten Elemente sind noch unklar, aber sind möglicherweise durch fehlerhafte Referenzwerte zu erklären. Zusätzlich wurden 22 Spurenelemente gemessen, deren Gehalte von BAM nicht zertifiziert wurden. Aufgrund dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass beide BAM-Gläser für mikroanalytische Anwendungen geeignet sind.rnrnUm neuartige paläoklimatische Proxies im Calcit von Ostrakoden aus tibetanischen Seesedimenten zu untersuchen, wurde die Spurenelementvariabilität in einzelnen Ostrakodenklappen durch eine neue LA-ICP-MS-Technik bestimmt. Klappen von Ostrakoden der drei Arten (Leucocytherella sinensis Huang, 1982, ?Leucocythere dorsotuberosa Huang, 1982 und ?L. dorsotuberosa f. postilirata sensu Pang, 1985) wurden aus zwei Sedimentkernen des Nam Co Sees auf dem Hochplateau von Tibet gewonnen. Zwei LA-ICP-MS-Varianten, Spot- bzw. Linienanalyse, wurden verwendet, um die Elementkonzentrationen der Spurenelemente Mg, Sr, Ba, U und die der Seltenen Erdelemente (SEE) in den Klappen einzelner Ostrakoden zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Linienanalyse präzisere Daten als die Spotanalyse liefert und sie wurde daher vorgezogen. Signifikante Unterschiede in der Spurenelementzusammensetzung zwischen den verschiedenen Arten der Ostrakoden wurden nicht gefunden. Variationen der Elementverhältnisse Mg/Ca und Sr/Ca in den Klappen stimmen mit veröffentlichten Seenspiegelschwankungen während des Holozäns überein, was zeigt, dass Mg- und Sr-Messungen in den Ostrakoden zur Untersuchung paläohydrochemischer Prozesse in diesem Gebiet herangezogen werden kann. Die gute Korrelation, die in dieser Arbeit zwischen Ba/Ca und Sr/Ca gefunden wurde, ist ein Hinweis darauf, dass der Einbau von Ba und Sr in die Klappen durch den gleichen Mechanismus erfolgte. Eine mögliche Beziehung zwischen dem U/Ca-Verhältnis in den Ostrakoden und den Redoxbedingungen auf dem Boden des Sees in der Vergangenheit wird diskutiert. Relativ geringe und konstante La/Ca-Verhältnisse wurden festgestellt, deren Ursache möglicherweise entweder auf der SEE-Charakteristik des Seewassers, auf biologischen Prozessen in den Ostrakoden oder auf Kontamination von Fe-Mn und/oder organischen Substanzen beruhen. Weitere Untersuchungen an Proben aus diesem Gebiet, speziell Klappen von lebenden Ostrakoden, sind notwendig, um den Gehalt von Ba, U und den SEE in Ostrakoden als paläoklimatische Proxies von Umweltbedingungen zu verwenden.

Methodenentwicklung zur Charakterisierung von metallischen Nanopartikeln und deren potentieller Einsatz bei der Analyse von Biomolekülen mittels ICP-MS Kopplungstechniken

Die qualitative und quantitative Analyse von Biomolekülen hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Durch das Aufkommen und die kontinuierliche Weiterentwicklung neuer Separations- und Detektionsmethoden und deren Verbindung miteinander zu leistungsfähigen Einheiten, erlangte man Schritt für Schritt neue Erkenntnisse bei ihrer Untersuchung. Die Elementmassenspektrometrie als nachweisstarke Detektionsmethode wird von vielen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen bei der Trennung und Quantifizierung von Proteinen und Metalloproteinen mittels Detektion der in den Biomolekülen vorkommenden Metalle und Heteroatome angewendet. Heteroatome (z.B. Schwefel, Phosphor) haben im Plasma des ICP-MS (inductively coupled plasma - mass spectrometer) schlechte Ionisationseigenschaften und dementsprechend deutlich höhere Nachweisgrenzen als Metalle. Ein Ansatz, schlecht oder nicht detektierbare Verbindungen (also solche, die keine Metalle oder Heteroatome enthalten) mit dem ICP-MS sichtbar zu machen, ist die Markierung der selbigen mit Metallionen oder -cluster. rnIn dieser Arbeit ist es gelungen, der Analyse ganz unterschiedlicher Substanzklassen, zum einen metallische Nanopartikel und zum anderen Proteine, neue Impulse zu geben und zukünftiges Potential bei der Anwendung gekoppelter Techniken zur Separation und Detektion aufzuzeigen. Durch die Verwendung einer alten, aber neu konzipierten Trenntechnik, der Gelelektrophorese (GE), und deren Kopplung an einen modernen Detektor, dem ICP-MS, kann die für die Proteinanalytik weit verbreitete Gelelektrophorese ihr enormes Potential bei der Trennung verschiedenster Verbindungsklassen mit der exzellenten Nachweisstärke und Elementspezifität des ICP-MS verbinden und dadurch mit deutlich weniger Arbeitsaufwand als bisher qualitative und auch quantitative Ergebnisse produzieren. Bisher war dies nur mit großem präparativem Aufwand unter Verwendung der laser ablation möglich. Bei der Analyse von Nanopartikeln konnte aufgezeigt werden, dass durch die GE-ICP-MS-Kopplung aufgrund der guten Trenneigenschaften der GE vorhandene Spezies bzw. Fraktionen voneinander separiert werden und mit Hilfe des ICP-MS Informationen auf atomarem Niveau gewonnen werden können. Es war möglich, das atomare Verhältnis der Metallatome im Kern und der Schwefelatome in der Ligandenhülle eines Nanopartikels zu bestimmen und damit die Größe des Partikels abzuschätzen. Auch konnte die Anzahl der Goldatome in einem dem Schmid-Cluster ähnlichen Nanopartikel bestimmt werden, was vorher nur mit Hilfe von MALDI-TOF möglich war. Bei der Analyse von Biomolekülen konnte auf einfache Weise der Phosphorylierungsgrad verschiedener Proteine bestimmt werden. Auch bei kleinen Molekülen erzielt die Gelelektrophorese ausgezeichnete Trennergebnisse, wie z. B. bei der Analyse verschiedener Brom- und Iodspezies.rnDie stöchiometrische Kopplung eines Proteins an einen Nanopartikel, ohne eine der beiden Verbindungen in einem größeren Maße zu verändern, stellte jedoch eine Herausforderung dar, die im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig gelöst werden konnte. Verschiedene Ansätze zur Kopplung der beiden Substanzen wurden erprobt, jedoch führte keine zu dem gewünschten Ergebnis einer stöchiometrisch vollständigen und spezifischen Modifikation eines Proteins mit einem Nanopartikel. Durch das Potential der GE-ICP-MS-Kopplung bei der Analyse beider Substanz-klassen und dem Beweis der Praktikabilität und Zuverlässigkeit der Methode ist jedoch der Grundstein für weitere Forschungen auf diesem Gebiet gelegt worden. Ist eine geeignete chemische Kopplung der beiden Substanzklassen gefunden und beherrscht, steht auf analytischer Seite eine leistungsstarke Kombination aus Trennung und Detektion zur Verfügung, um die Quantifizierung von Proteinen entscheidend zu verbessern.rn

The sensitivity of the photostationary state of NOx and its implication for the oxidation capacity in a semi-rural and boreal forest region

Für das Vermögen der Atmosphäre sich selbst zu reinigen spielen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) eine bedeutende Rolle. Diese Spurengase bestimmen die photochemische Produktion von Ozon (O3) und beeinflussen das Vorkommen von Hydroxyl- (OH) und Nitrat-Radikalen (NO3). Wenn tagsüber ausreichend Solarstrahlung und Ozon vorherrschen, stehen NO und NO2 in einem schnellen photochemischen Gleichgewicht, dem „Photostationären Gleichgewichtszustand“ (engl.: photostationary state). Die Summe von NO und NO2 wird deshalb als NOx zusammengefasst. Vorhergehende Studien zum photostationären Gleichgewichtszustand von NOx umfassen Messungen an unterschiedlichsten Orten, angefangen bei Städten (geprägt von starken Luftverschmutzungen), bis hin zu abgeschiedenen Regionen (geprägt von geringeren Luftverschmutzungen). Während der photochemische Kreislauf von NO und NO2 unter Bedingungen erhöhter NOx-Konzentrationen grundlegend verstanden ist, gibt es in ländlicheren und entlegenen Regionen, welche geprägt sind von niedrigeren NOx-Konzetrationen, signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Zyklierungsprozesse. Diese Lücken könnten durch messtechnische NO2-Interferenzen bedingt sein - insbesondere bei indirekten Nachweismethoden, welche von Artefakten beeinflusst sein können. Bei sehr niedrigen NOx-Konzentrationen und wenn messtechnische NO2-Interferenzen ausgeschlossen werden können, wird häufig geschlussfolgert, dass diese Verständnislücken mit der Existenz eines „unbekannten Oxidationsmittels“ (engl.: unknown oxidant) verknüpft ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird der photostationäre Gleichgewichtszustand von NOx analysiert, mit dem Ziel die potenzielle Existenz bislang unbekannter Prozesse zu untersuchen. Ein Gasanalysator für die direkte Messung von atmosphärischem NO¬2 mittels laserinduzierter Fluoreszenzmesstechnik (engl. LIF – laser induced fluorescence), GANDALF, wurde neu entwickelt und während der Messkampagne PARADE 2011 erstmals für Feldmessungen eingesetzt. Die Messungen im Rahmen von PARADE wurden im Sommer 2011 in einem ländlich geprägten Gebiet in Deutschland durchgeführt. Umfangreiche NO2-Messungen unter Verwendung unterschiedlicher Messtechniken (DOAS, CLD und CRD) ermöglichten einen ausführlichen und erfolgreichen Vergleich von GANDALF mit den übrigen NO2-Messtechniken. Weitere relevante Spurengase und meteorologische Parameter wurden gemessen, um den photostationären Zustand von NOx, basierend auf den NO2-Messungen mit GANDALF in dieser Umgebung zu untersuchen. Während PARADE wurden moderate NOx Mischungsverhältnisse an der Messstelle beobachtet (10^2 - 10^4 pptv). Mischungsverhältnisse biogener flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen (BVOC, engl.: biogenic volatile organic compounds) aus dem umgebenden Wald (hauptsächlich Nadelwald) lagen in der Größenordnung 10^2 pptv vor. Die Charakteristiken des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx bei niedrigen NOx-Mischungsverhältnissen (10 - 10^3 pptv) wurde für eine weitere Messstelle in einem borealen Waldgebiet während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 untersucht. HUMPPA–COPEC–2010 wurde im Sommer 2010 in der SMEARII-Station in Hyytiälä, Süd-Finnland, durchgeführt. Die charakteristischen Eigenschaften des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx in den beiden Waldgebieten werden in dieser Arbeit verglichen. Des Weiteren ermöglicht der umfangreiche Datensatz - dieser beinhaltet Messungen von relevanten Spurengasen für die Radikalchemie (OH, HO2), sowie der totalen OH-Reaktivität – das aktuelle Verständnis bezüglich der NOx-Photochemie unter Verwendung von einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, zu überprüfen und zu verbessern. Während NOx-Konzentrationen in HUMPPA-COPEC 2010 niedriger sind, im Vergleich zu PARADE 2011 und BVOC-Konzentrationen höher, sind die Zyklierungsprozesse von NO und NO2 in beiden Fällen grundlegend verstanden. Die Analyse des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx für die beiden stark unterschiedlichen Messstandorte zeigt auf, dass potenziell unbekannte Prozesse in keinem der beiden Fälle vorhanden sind. Die aktuelle Darstellung der NOx-Chemie wurde für HUMPPA-COPEC 2010 unter Verwendung des chemischen Mechanismus MIM3* simuliert. Die Ergebnisse der Simulation sind konsistent mit den Berechnungen basierend auf dem photostationären Gleichgewichtszustand von NOx.

Internal characteristics, chemical compounds and spectroscopy of sapphire as single crystals

In this study more than 450 natural sapphire samples (most of basaltic type) collected from 19 different areas were examined. They are from Dak Nong, Dak Lak, Quy Chau, two unknown sources from the north (Vietnam); Bo Ploi, Khao Ploi Waen (Thailand); Ban Huay Sai (Laos); Australia; Shandong (China); Andapa, Antsirabe, Nosibe (Madagascar); Ballapana (Sri Lanka); Brazil; Russia; Colombia; Tansania and Malawi. rnThe samples were studied on internal characteristics, chemical compositions, Raman-, luminescence-, Fourier transform infrared (FTIR)-, and ultraviolet-visible-near infrared (UV-Vis-NIR)- spectroscopy. The internal features of these sapphire samples were observed and identified by gemological microscope, con focal micro Raman and FTIR spectroscopy. The major and minor elements of the samples were determined by electron probe microanalysis (EPMA) and the trace elements by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). rnThe structural spectra of sapphire were investigated by con focal Raman spectroscopy. The FTIR spectroscopy was used to study the vibration modes of OH-groups and also to determine hydrous mineral inclusions in sapphire. The UV-Vis-NIR absorption spectroscopy was used to analyze the cause of sapphire color. rnNatural sapphires contain many types of mineral inclusions. Typically, they are iron-containing inclusions like goethite, ilmenite, hematite, magnetite or silicate minerals commonly feldspar, and often observed in sapphires from Asia countries, like Dak Nong, Dak Lak in the south of Vietnam, Ban Huay Sai (Laos), Khao Ploi Waen and Bo Ploi (Thailand) or Shandong (China). Meanwhile, CO2-diaspore inclusions are normally found in sapphires from Tansania, Colombia, or the north of Vietnam like Quy Chau. rnIron is the most dominant element in sapphire, up to 1.95 wt.% Fe2O3 measured by EPMA and it affects spectral characteristics of sapphire.rnThe Raman spectra of sapphire contain seven peaks (2A1g + 5Eg). Two peaks at about 418.3 cm-1 and 577.7 cm-1 are influenced by high iron content. These two peaks shift towards smaller wavenumbers corresponding to increasing iron content. This shift is showed by two equations y(418.3)=418.29-0.53x andy(577.7)=577.96-0.75x, in which y is peak position (cm-1) and x is Fe2O3 content (wt.%). By exploiting two these equations one can estimate the Fe2O3 contents of sapphire or corundum by identifying the respective Raman peak positions. Determining the Fe2O3 content in sapphire can help to distinguish sapphires from different origins, e.g. magmatic and metamorphic sapphire. rnThe luminescence of sapphire is characterized by two R-lines: R1 at about 694 nm and R2 at about 692 nm. This characteristic is also influenced by high iron content. The peak positions of two R-lines shift towards to smaller wavelengths corresponding to increasing of iron content. This correlation is showed by two equations y(R_2 )=692.86-0.049x and y(R_1 )=694.29-0.047x, in which y is peak position (nm) of respective R-lines and x is Fe2O3 content (wt.%). Two these equations can be applied to estimate the Fe2O3 content of sapphire and help to separate sapphires from different origins. The luminescence is also applied for determination of the remnant pressure or stress around inclusions in Cr3+-containing corundum by calibrating a 0-pressure position in experimental techniques.rnThe infrared spectra show the presence of vibrations originating from OH-groups and hydrous mineral inclusions in the range of 2500-4000 cm-1. Iron has also an effect upon the main and strongest peak at about 3310 cm-1. The 3310 cm-1 peak is shifted to higher wavenumber when iron content increases. This relationship is expressed by the equation y(3310)=0.92x+3309.17, in which y is peak position of the 3310 cm-1 and x is Fe2O3 content (wt.%). Similar to the obtained results in Raman and luminescence spectra, this expression can be used to estimate the Fe2O3 content and separate sapphires from different origins. rnThe UV-Vis-NIR absorption spectra point out the strong and sharp peaks at about 377, 387, and 450 nm related to dispersed Fe3+, a broad band around 557 and 600 nm related to intervalence charge transfer (IVCT) Fe2+/Ti4+, and a broader band around 863 nm related to IVCT of Fe2+/Fe3+. rnGenerally, sapphires from different localities were completely investigated on internal features, chemical compounds, and solid spectral characteristics. The results in each part contribute for identifying the iron content and separate sapphires from different localities order origins. rn

Homeopathic Preparations of Quartz, Sulfur and Copper Sulfate Assessed by UV-Spectroscopy

Homeopathic preparations are used in homeopathy and anthroposophic medicine. Although there is evidence of effectiveness in several clinical studies, including double-blinded randomized controlled trials, their nature and mode of action could not be explained with current scientific approaches yet. Several physical methods have already been applied to investigate homeopathic preparations but it is yet unclear which methods are best suited to identify characteristic physicochemical properties of homeopathic preparations. The aim of this study was to investigate homeopathic preparations with UV-spectroscopy. In a blinded, randomized, controlled experiment homeopathic preparations of copper sulfate (CuSO(4); 11c-30c), quartz (SiO(2); 10c-30c, i.e., centesimal dilution steps) and sulfur (S; 11×-30×, i.e., decimal dilution steps) and controls (one-time succussed diluent) were investigated using UV-spectroscopy and tested for contamination by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The UV transmission for homeopathic preparations of CuSO(4) preparations was significantly lower than in controls. The transmission seemed to be also lower for both SiO(2) and S, but not significant. The mean effect size (95% confidence interval) was similar for the homeopathic preparations: CuSO(4) (pooled data) 0.0544% (0.0260-0.0827%), SiO(2) 0.0323% (-0.0064% to 0.0710%) and S 0.0281% (-0.0520% to 0.1082%). UV transmission values of homeopathic preparations had a significantly higher variability compared to controls. In none of the samples the concentration of any element analyzed by ICP-MS exceeded 100 ppb. Lower transmission of UV light may indicate that homeopathic preparations are less structured or more dynamic than their succussed pure solvent.

Contamination of Alpine snow and ice at Colle Gnifetti, Swiss/Italian Alps, from nuclear weapons tests

Plutonium is present in the environment as a consequence of atmospheric nuclear tests, nuclear weapons production and industrial releases over the past 50 years. To study temporal trends, a high resolution Pu record was obtained by analyzing 52 discrete samples of an alpine firn/ice core from Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4450 m a.s.l.), dating from 1945 to 1990. The 239Pu signal was recorded directly, without decontamination or preconcentration steps, using an Inductively Coupled Plasma - Sector Field Mass Spectrometer (ICP-SFMS) equipped with an high efficiency sample introduction system, thus requiring much less sample preparation than previously reported methods. The 239Pu profile reflects the three main periods of atmospheric nuclear weapons testing: the earliest peak lasted from 1954/55 to 1958 and was caused by the first testing period reaching a maximum in 1958. Despite a temporary halt of testing in 1959/60, the Pu concentration decreased only by half with respect to the 1958 peak due to long atmospheric residence times. In 1961/62 Pu concentrations rapidly increased reaching a maximum in 1963, which was about 40% more intense than the 1958 peak. After the signing of the "Limited Test Ban Treaty" between USA and USSR in 1964, Pu deposition decreased very sharply reaching a minimum in 1967. The third period (1967-1975) is characterized by irregular Pu concentrations with smaller peaks (about 20-30% of the 1964 peak) which might be related to the deposition of Saharan dust contaminated by the French nuclear tests of the 1960s. The data presented are in very good agreement with Pu profiles previously obtained from the Col du Dome ice core (by multi-collector ICP-MS) and Belukha ice core (by Accelerator Mass Spectrometry, AMS). Although a semi-quantitative method was employed here, the results are quantitatively comparable to previously published results.

EFFETS DE L’INCORPORATION D’ADJUVANTS MINÉRAUX SUR LES PROPRIÉTÉS DE CIMENTS GÉOPOLYMÈRES A BASE DE SCORIES VOLCANIQUES

Volcanic ashes are raw materials from geological deposits with a range of chemical compositions. When combined with suitable alkali activators they can be converted to geopolymers cement at ambient temperature. In this work we have investigated the possibility of use bauxite and oyster shells as mineral admixture in volcanic ashes, to enhance the properties of geopolymers synthesized. Different methods of analyses such as Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometry (XRD), and Scanning Electron Microscopy (SEM) were used to assess the variation of setting time, linear shrinkage and 28 days compressive strength of geopolymers paste. The bauxite and the oyster shells were characterized using inductively coupled plasma (ICP-AES), thermal analyses (DSC/ATG), FTIR and X-ray diffractometry. The results of these analyses has showed that bauxite and oyster shells are respectively source of Al2O3 and of CaO, and can compensate the deficiencies of these oxides in volcanic ashes. Adding mineral admixture dissolve slowly in high alkaline medium. Addition of about 20% of bauxite or 10% of oyster shells is seen to decrease the setting time respectively from 415 to 275 min and 195 min. Linear shrinkage decrease with percentage of bauxite or of oyster shells added. Efflorescence is reduced by adding 10% of bauxite. 28 days compressive strength of geopolymeric materials increase respectively for 4.77 and 7.52% for 10% of bauxite or 20% of oyster shells added. More than these percentage additive has a deleterious effect on compressive strength due to crystalized mineralogical phases of the admixture.

Spatial heterogeneity of soil nutrients and plant species in herb-dominated communities of contrasting land use

Recent interest in spatial pattern in terrestrial ecosystems has come from an awareness of theintimate relationship between spatial heterogeneity of soil resources and maintenance of plant species diversity. Soil and vegetation can vary spatially inresponse to several state factors of the system. In this study, we examined fine-scale spatial variability of soil nutrients and vascular plant species in contrasting herb-dominated communities (a pasture and an oldfield) to determine degree of spatial dependenceamong soil variables and plant community characteristics within these communities by sampling at 1-m intervals. Each site was divided into 25 1-m 2 plots. Mineral soil was sampled (2-cm diameter, 5-cm depth) from each of four 0.25-m2 quarters and combined into a single composite sample per plot. Soil organic matter was measured as loss-on-ignition. Extractable NH4 and NO3 were determined before and after laboratory incubation to determine potential net N mineralization and nitrification. Cations were analyzed using inductively coupled plasma emission spectrometry. Vegetation was assessed using estimated percent cover. Most soiland plant variables exhibited sharp contrasts betweenpasture and old-field sites, with the old field having significantly higher net N mineralization/nitrification, pH, Ca, Mg, Al, plant cover, and species diversity, richness, and evenness. Multiple regressions revealedthat all plant variables (species diversity, richness,evenness, and cover) were significantly related to soil characteristics (available nitrogen, organic matter,moisture, pH, Ca, and Mg) in the pasture; in the old field only cover was significantly related to soil characteristics (organic matter and moisture). Both sites contrasted sharply with respect to spatial pattern of soil variables, with the old field exhibiting a higher degree of spatial dependence. These results demonstrate that land-use practices can exert profound influence on spatial heterogeneity of both soil properties and vegetation in herb-dominated communities.

Fruit yogurt: any erosive potential regarding teeth?

OBJECTIVE: The capability of drinks and foods to resist pH changes brought about by salivary buffering may play an important role in the dental erosion process in children. The aim of the present study was to test fruit yogurt, a popular snack for children, and the degrees of saturation (pK-pl) with respect to hydroxyapatite and fluorapatite to determine their erosive potential. METHOD AND MATERIALS: A variety of fruit yogurt was tested. To test the pH, 8 readings were taken with a pH electrode for each yogurt. Calcium content was detected by atomic absorption spectrophotometer, phosphorus by the inductively coupled plasma method, and fluoride content by ion chromatography. The degrees of saturation of hydroxyapatite and fluorapatite were calculated by use of a computer program. Statistical analysis was performed using 2-tailed analysis of variance (P < .05) and a post hoc test (Tukey) to determine differences between groups. RESULTS: The pH of each fruit concentrate was significantly different, except for banana yogurt. Except for the phosphorus content of raspberry yogurt, the calcium and phosphorus content for each fruit concentrate were significantly different. Fluoride levels were the same for all yogurts tested, and the degrees of saturation of hydroxyapatite and fluorapatite was positive, indicating supersaturation. CONCLUSION: It could be stated that fruit yogurt has no erosive potential.

Effects of carbonation on the mineral composition of cement kiln dust

Due to their relatively high calcium oxide content, industrial mineral oxide wastes are potential candidates for mineral sequestration of carbon dioxide (CO2). Cement kiln dust (CKD), a byproduct of cement manufacturing contains 20-60% CaO making it a possible candidate for CO2 sequestration. In this study, three types of CKD are characterized, before and after carbonation, using environmental scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray microanalysis to determine the mineralogical and morphological changes occurring due to carbonation. The reactants, products, and precipitation mechanisms were investigated to enhance understanding of the governing processes and allow better utilization of CKD for CO2 sequestration. The results of multiple independent analyses confirmed the formation of CaCO3 during carbonation. Examinations of the reaction pathways found that CaO and calcium hydroxide (Ca(OH)2) were the major reactants. Three types of CaCO3 precipitation mechanisms were observed: (1) diffusion of CO2 into Ca(OH)2 particles causing precipitation in the pores of the particle and the growth of a CaCO3 ring from the outside inward, (2) precipitation onto existing particles, and (3) precipitation from aqueous solution. The growth of a CaCO3 ring on the outside of a particle may slow further diffusion of CO2 into a particle slowing iv the overall sequestration rate. Additionally, changes caused by carbonation in the solubility of trace metals were studied by mixing pre- and post-carbonated CKD with water and analyzing the solution using inductively coupled plasma mass spectrometry. Decreases in the leaching of chromium, lead, and copper were observed, and is an incentive for use of CKD for CO2 sequestration. Equilibrium modeling using PHREEQC confirmed that CaO and Ca(OH)2 would carbonate readily and form CaCO3.

High-field 1H T1 and T2 NMR Relaxation Time Measurements of H2O in Homeopathic Preparations of Quartz, Sulfur and Copper Sulfate

Quantitative meta-analyses of randomized clinical trials investigating the specific therapeutic efficacy of homeopathic remedies yielded statistically significant differences compared to placebo. Since the remedies used contained mostly only very low concentrations of pharmacologically active compounds, these effects cannot be accounted for within the framework of current pharmacology. Theories to explain clinical effects of homeopathic remedies are partially based upon changes in diluent structure. To investigate the latter, we measured for the first time high-field (600/500 MHz) 1H T1 and T2 nuclear magnetic resonance relaxation times of H2O in homeopathic preparations with concurrent contamination control by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Homeopathic preparations of quartz (10c–30c, n = 21, corresponding to iterative dilutions of 100−10–100−30), sulfur (13x–30x, n = 18, 10−13–10−30), and copper sulfate (11c–30c, n = 20, 100−11–100−30) were compared to n = 10 independent controls each (analogously agitated dilution medium) in randomized and blinded experiments. In none of the samples, the concentration of any element analyzed by ICP-MS exceeded 10 ppb. In the first measurement series (600 MHz), there was a significant increase in T1 for all samples as a function of time, and there were no significant differences between homeopathic potencies and controls. In the second measurement series (500 MHz) 1 year after preparation, we observed statistically significant increased T1 relaxation times for homeopathic sulfur preparations compared to controls. Fifteen out of 18 correlations between sample triplicates were higher for controls than for homeopathic preparations. No conclusive explanation for these phenomena can be given at present. Possible hypotheses involve differential leaching from the measurement vessel walls or a change in water molecule dynamics, i.e., in rotational correlation time and/or diffusion. Homeopathic preparations thus may exhibit specific physicochemical properties that need to be determined in detail in future investigations.

Ultracold Quantum Gases and Lattice Systems: Quantum Simulation of Lattice Gauge Theories

Abelian and non-Abelian gauge theories are of central importance in many areas of physics. In condensed matter physics, AbelianU(1) lattice gauge theories arise in the description of certain quantum spin liquids. In quantum information theory, Kitaev’s toric code is a Z(2) lattice gauge theory. In particle physics, Quantum Chromodynamics (QCD), the non-Abelian SU(3) gauge theory of the strong interactions between quarks and gluons, is nonperturbatively regularized on a lattice. Quantum link models extend the concept of lattice gauge theories beyond the Wilson formulation, and are well suited for both digital and analog quantum simulation using ultracold atomic gases in optical lattices. Since quantum simulators do not suffer from the notorious sign problem, they open the door to studies of the real-time evolution of strongly coupled quantum systems, which are impossible with classical simulation methods. A plethora of interesting lattice gauge theories suggests itself for quantum simulation, which should allow us to address very challenging problems, ranging from confinement and deconfinement, or chiral symmetry breaking and its restoration at finite baryon density, to color superconductivity and the real-time evolution of heavy-ion collisions, first in simpler model gauge theories and ultimately in QCD.

Low-lying excited states and nonradiative processes of 9-methyl-2-aminopurine

he UV spectrum of the adenine analogue 9-methyl-2-aminopurine (9M-2AP) is investigated with one- and two-color resonant two-photon ionization spectroscopy at 0.3 and 0.05 cm−1 resolution in a supersonic jet. The electronic origin at 32 252 cm−1 exhibits methyl torsional subbands that originate from the 0A′′1 (l = 0) and 1E ″ (l = ±1) torsional levels. These and further torsional bands that appear up to 000+230 cm−1 allow to fit the threefold (V 3) barriers of the torsional potentials as ∣∣V′′3∣∣=50 cm−1 in the S 0 and ∣∣V′3∣∣=126 cm−1 in the S 1 state. Using the B3LYP density functional and correlated approximate second-order coupled cluster CC2 methods, the methyl orientation is calculated to be symmetric relative to the 2AP plane in both states, with barriers of V′′3=20 cm−1 and V′3=115 cm−1. The 000 rotational band contour is 75% in-plane (a/b) polarized, characteristic for a dominantly long-axis 1ππ* excitation. The residual 25% c-axis polarization may indicate coupling of the 1ππ* to the close-lying 1 nπ* state, calculated at 4.00 and 4.01 eV with the CC2 method. However, the CC2 calculated 1 nπ oscillator strength is only 6% of that of the 1ππ* transition. The 1ππ* vibronic spectrum is very complex, showing about 40 bands within the lowest 500 cm−1. The methyl torsion and the low-frequency out-of-plane ν′1 and ν′2 vibrations are strongly coupled in the 1ππ* state. This gives rise to many torsion-vibration combination bands built on out-of-plane fundamentals, which are without precedence in the 1ππ* spectrum of 9H-2-aminopurine [S. Lobsiger, R. K. Sinha, M. Trachsel, and S. Leutwyler, J. Chem. Phys.134, 114307 (2011)]. From the Lorentzian broadening needed to fit the 000 contour of 9M-2AP, the 1ππ* lifetime is τ ⩾ 120 ps, reflecting a rapid nonradiative transition.

Extension and Partitioning in an Oblique Subduction Zone, New Zealand: Constraints from Three-Dimensional Numerical Modeling

Contraction, strike slip, and extension displacements along the Hikurangi margin northeast of the North Island of New Zealand coincide with large lateral gradients in material properties. We use a finite- difference code utilizing elastic and elastic-plastic rheologies to build large- scale, three-dimensional numerical models which investigate the influence of material properties on velocity partitioning within oblique subduction zones. Rheological variation in the oblique models is constrained by seismic velocity and attenuation information available for the Hikurangi margin. We compare the effect of weakly versus strongly coupled subduction interfaces on the development of extension and the partitioning of velocity components for orthogonal and oblique convergence and include the effect of ponded sediments beneath the Raukumara Peninsula. Extension and velocity partitioning occur if the subduction interface is weak, but neither develops if the subduction interface is strong. The simple mechanical model incorporating rheological variation based on seismic observations produces kinematics that closely match those published from the Hikurangi margin. These include extension within the Taupo Volcanic Zone, uplift over ponded sediments, and dextral contraction to the south.