Detektion und Synthese eines liganden-gesteuerten Ionenkanals im mikrofluidischen Analysesystem

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle bei physiologischen Prozessen wie Signalweiterleitung oder Immunreaktion. Deshalb stehen sie im Fokus der pharmakologischen Wirkstoffentwicklung und es besteht großes Interesse, Membranproteinbasierte Biosensoren zu entwickeln, die sich z.B. als Screening-Plattformen eignen. Allerdings stellt die Handhabung von Membranproteinen wegen ihrer amphiphilen Struktur eine große Herausforderung dar. Membranproteine werden meist in Zellkultur oder in bakteriellen Expressionssystemen synthetisiert. Diese Verfahren liefern aber oft nur eine geringe Ausbeute und erlauben wenig Kontrolle über die Expressionsbedingungen. Als alternativer Ansatz bietet sich stattdessen die in vitro Synthese von Proteinen an, die in einer zellfreien Umgebung stattfindet. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines miniaturisierten Analysesystems, das Aktivitätsmessungen an in vitro synthetisierten Ionenkanälen erlaubt. Dafür wurde ein Labon- Chip entwickelt, der elektrochemische und optische Nachweismethoden in parallelen Anätzen ermöglicht. Als amphiphile Umgebung für die Inkorporation von Membranproteinen wurden vier verschieden biomimetische Membranaufbauten hinsichtlich ihrer Dichtigkeit und ihrer Reproduzierbarkeit untersucht. Als Methode fanden insbesondere die Impedanzspektroskpie und die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie Anwendung. Die peptide cushioned Bilyer Lipid Membranes (pcBLM) eignete sich dabei am besten für Untersuchungen an Membranproteinen. Zur Detektion der Ionenkanalaktivität wurde eine neue Messmethode etabliert, die auf der Messung der Impedanz bei fester Frequenz basiert und u.a. eine Aussage über die Änderung des Membranwiderstandes bei Aktivierung erlaubt. Am Beispiel des nicotinischen Acetylcholinrezeptors (nAchR) konnte gezeigt werden, dass sich die Aktivität von Ionenkanälen mit dem entwickelten Chip-System nachweisen ließ. Die Spezifität der Methode konnte durch verschiedene Kontrollen wie die Zugabe eines nicht-aktivierenden Liganden oder Inhibition des Rezeptors nachgewiesen werden. Weiterhin konnte die in vitro Synthese des Ionenkanals a7 nAchR durch Radioaktivmarkierung nachgewiesen werden. Die Inkorporation des Rezeptors in die biomimetischen Membranen wurde mit Immunodetektion und elektrochemischen Methoden untersucht. Es zeigte sich, dass die funktionelle Inkorporation des a7 nAchR davon abhing, welcher biomimetische Membranaufbau verwendet wurde.

Gespeicherte Ionen in der Paulfalle: Voruntersuchungen zur Lebensdauermessung des metastabilen 6D-3/2-Zustands des 226 Ra +, Speichereigenschaften von 138 Ba + und 28 N 2 + bei Variation des Puffergasdrucks

Auf Paulfallen basierende Experimente spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen der Physik, z.B. der Atomphysik zum Test theoretischer Modelle und der Massenspektroskopie. Die vorliegende Arbeit widmet sich beiden Themengebieten und gliedert sich entsprechend in zwei Teilbereiche: 1) Erdalkali-Ionen sind aufgrund ihrer Energieniveaus optimale Kandidaten für Laserspektroskopie-Experimente mit Ionenfallen und bestens geeignet, um mittels der spektroskopischen Daten die theoretischen Modelle zu testen. Lediglich für Ra+ fehlen bislang als einzigem Erdalkali-Ion diese Daten wie z.B. die Lebensdauern der metastabilen Niveaus. Diese wären auch von Interesse für bereits geplante Radium-Experimente zur Paritätsverletzung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Aufbau eines Laser-Paulfallenexperiments zur Messung der Lebensdauer des 6D3/2 Zustands von 226Ra+ dokumentiert und es werden Testmessungen mit 138Ba+ vorgestellt. 2) Für die Verwendung der Paulfalle in der Massenspektroskopie und zur Analyse von Reaktionsprodukten ist die Kenntnis der Lage der im Speicherbereich auftretenden nichtlinearen Resonanzen wesentlich, ebenso wie deren Veränderung durch Dämpfung und Raumladung. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen der Speicherung großer puffergasgekühlter Ionenwolken an zwei unterschiedlichen Paulfallen-Experimenten vorgestellt. Am ersten wurden 138Ba+-Ionenwolken kontinuierlich durch Laserspektroskopie bzw. über einen elektronischen Nachweis beobachtet, während das zweite N2+-Molekülionen automatisiert destruktiv nachwies. Am N2+-Experiment wurden zwei hochaufgelöste Messungen des ersten Speicherbereichs durchgeführt, die erstmals eine direkte Überprüfung der theoretisch berechneten Verläufe der Resonanzen mit experimentellen Daten erlauben. Die Nachweiseichung ermöglichte dabei zum ersten Mal die Angabe absoluter Ionenzahlen. Im Gegensatz zu vergleichbaren früheren Messungen wurden hierbei die sich überlagernden Speicherbereiche von 4 simultan gespeicherten Ionensorten beobachtet und zur Analyse der Resonanzen herangezogen. Die nichtlinearen Resonanzen wurden untersucht bei Variation von Puffergasdruck und Ionenzahl, wobei kollektive Resonanzen ohne zusätzliche externe Anregung beobachtet wurden. Die gemessenen Raumladungsverschiebungen wurden mit theoretischen Modellen verglichen. Bei Variation des Puffergasdrucks wurde mit Bariumionen die räumliche Ausdehnung der Ionenwolke gemessen und mit Stickstoffionen die Verschiebung des Punktes optimaler Speicherung bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß der zum Ioneneinfang optimale Puffergasdruck kleiner ist als der, bei dem die längsten Speicherdauern erzielt werden. Mit gespeicherten N2+-Ionen wurde die Position extern angeregter kollektiver und individueller Resonanzen im Frequenzspektrum bei Änderung der Parameter Ionenzahl, Puffergasdruck und Dauer der Anregung untersucht, ebenso wie die Resonanzform, die mit theoretischen Linienformen verglichen wurde. Bei Änderung der Fallenparameter wurden verstärkende Effekte zwischen nahen kollektiven Resonanzen festgestellt. Die Beobachtung, welche der im Frequenzspektrum vorher identifizierten Bewegungs-Resonanzen sich bei Variation der Fallenparameter a bzw. q überlagern, ermöglicht eine bislang nicht beschriebene einfache Methode der Bestimmung von nichtlinearen Resonanzen im Stabilitätsdiagramm.

Chemische Zusammensetzung der Aerosole : Design und Datenauswertung eines Einzelpartikel-Laserablationsmassenspektrometers

Atmosphärische Aerosolpartikel wirken in vielerlei Hinsicht auf die Menschen und die Umwelt ein. Eine genaue Charakterisierung der Partikel hilft deren Wirken zu verstehen und dessen Folgen einzuschätzen. Partikel können hinsichtlich ihrer Größe, ihrer Form und ihrer chemischen Zusammensetzung charakterisiert werden. Mit der Laserablationsmassenspektrometrie ist es möglich die Größe und die chemische Zusammensetzung einzelner Aerosolpartikel zu bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time-of-flight mass spectrometer) zur besseren Analyse insbesondere von atmosphärischen Aerosolpartikeln weiterentwickelt. Der Aerosoleinlass wurde dahingehend optimiert, einen möglichst weiten Partikelgrößenbereich (80 nm - 3 µm) in das SPLAT zu transferieren und zu einem feinen Strahl zu bündeln. Eine neue Beschreibung für die Beziehung der Partikelgröße zu ihrer Geschwindigkeit im Vakuum wurde gefunden. Die Justage des Einlasses wurde mithilfe von Schrittmotoren automatisiert. Die optische Detektion der Partikel wurde so verbessert, dass Partikel mit einer Größe < 100 nm erfasst werden können. Aufbauend auf der optischen Detektion und der automatischen Verkippung des Einlasses wurde eine neue Methode zur Charakterisierung des Partikelstrahls entwickelt. Die Steuerelektronik des SPLAT wurde verbessert, so dass die maximale Analysefrequenz nur durch den Ablationslaser begrenzt wird, der höchsten mit etwa 10 Hz ablatieren kann. Durch eine Optimierung des Vakuumsystems wurde der Ionenverlust im Massenspektrometer um den Faktor 4 verringert.rnrnNeben den hardwareseitigen Weiterentwicklungen des SPLAT bestand ein Großteil dieser Arbeit in der Konzipierung und Implementierung einer Softwarelösung zur Analyse der mit dem SPLAT gewonnenen Rohdaten. CRISP (Concise Retrieval of Information from Single Particles) ist ein auf IGOR PRO (Wavemetrics, USA) aufbauendes Softwarepaket, das die effiziente Auswertung der Einzelpartikel Rohdaten erlaubt. CRISP enthält einen neu entwickelten Algorithmus zur automatischen Massenkalibration jedes einzelnen Massenspektrums, inklusive der Unterdrückung von Rauschen und von Problemen mit Signalen die ein intensives Tailing aufweisen. CRISP stellt Methoden zur automatischen Klassifizierung der Partikel zur Verfügung. Implementiert sind k-means, fuzzy-c-means und eine Form der hierarchischen Einteilung auf Basis eines minimal aufspannenden Baumes. CRISP bietet die Möglichkeit die Daten vorzubehandeln, damit die automatische Einteilung der Partikel schneller abläuft und die Ergebnisse eine höhere Qualität aufweisen. Daneben kann CRISP auf einfache Art und Weise Partikel anhand vorgebener Kriterien sortieren. Die CRISP zugrundeliegende Daten- und Infrastruktur wurde in Hinblick auf Wartung und Erweiterbarkeit erstellt. rnrnIm Rahmen der Arbeit wurde das SPLAT in mehreren Kampagnen erfolgreich eingesetzt und die Fähigkeiten von CRISP konnten anhand der gewonnen Datensätze gezeigt werden.rnrnDas SPLAT ist nun in der Lage effizient im Feldeinsatz zur Charakterisierung des atmosphärischen Aerosols betrieben zu werden, während CRISP eine schnelle und gezielte Auswertung der Daten ermöglicht.

Measuring the bending of asymmetric planar EAP structures

The geometric characterization of low-voltage dielectric electro-active polymer (EAP) structures, comprised of nanometer thickness but areas of square centimeters, for applications such as artificial sphincters requires methods with nanometer precision. Direct optical detection is usually restricted to sub-micrometer resolution because of the wavelength of the light applied. Therefore, we propose to take advantage of the cantilever bending system with optical readout revealing a sub-micrometer resolution at the deflection of the free end. It is demonstrated that this approach allows us to detect bending of rather conventional planar asymmetric, dielectric EAP-structures applying voltages well below 10 V. For this purpose, we built 100 μm-thin silicone films between 50 nm-thin silver layers on a 25 μm-thin polyetheretherketone (PEEK) substrate. The increase of the applied voltage in steps of 50 V until 1 kV resulted in a cantilever bending that exhibits only in restricted ranges the expected square dependence. The mean laser beam displacement on the detector corresponded to 6 nm per volt. The apparatus will therefore become a powerful mean to analyze and thereby improve low-voltage dielectric EAP-structures to realize nanometer-thin layers for stack actuators to be incorporated into artificial sphincter systems for treating severe urinary and fecal incontinence.

The 'triple contrast' method in experimental wound ballistics and backspatter analysis.

In practical forensic casework, backspatter recovered from shooters' hands can be an indicator of self-inflicted gunshot wounds to the head. In such cases, backspatter retrieved from inside the barrel indicates that the weapon found at the death scene was involved in causing the injury to the head. However, systematic research on the aspects conditioning presence, amount and specific patterns of backspatter is lacking so far. Herein, a new concept of backspatter investigation is presented, comprising staining technique, weapon and target medium: the 'triple contrast method' was developed, tested and is introduced for experimental backspatter analysis. First, mixtures of various proportions of acrylic paint for optical detection, barium sulphate for radiocontrast imaging in computed tomography and fresh human blood for PCR-based DNA profiling were generated (triple mixture) and tested for DNA quantification and short tandem repeat (STR) typing success. All tested mixtures yielded sufficient DNA that produced full STR profiles suitable for forensic identification. Then, for backspatter analysis, sealed foil bags containing the triple mixture were attached to plastic bottles filled with 10 % ballistic gelatine and covered by a 2-3-mm layer of silicone. To simulate backspatter, close contact shots were fired at these models. Endoscopy of the barrel inside revealed coloured backspatter containing typable DNA and radiographic imaging showed a contrasted bullet path in the gelatine. Cross sections of the gelatine core exhibited cracks and fissures stained by the acrylic paint facilitating wound ballistic analysis.

Timing and phase jitter suppression in coherent soliton transmission

We have revisited soliton transmission in the new context of coherent optical detection optimizing and comparing digital backward propagation and in-line optical filtering as a means to suppress soliton timing and phase jitter. We find that in-line optical filtering allows one to improve the reach of the soliton system by up to the factor of 2. Our results show that nonlinear propagation can lead to performance beyond the nonlinear Shannon limit.

A Mobile High Sensitivity On-field Organophosphorous Compounds Detecting System for IoT Based Food Safety Tracking

Food safety has always been a social issue that draws great public attention. With the rapid development of wireless communication technologies and intelligent devices, more and more Internet of Things (IoT) systems are applied in the food safety tracking field. However, connection between things and information system is usually established by pre-storing information of things into RFID Tag, which is inapplicable for on-field food safety detection. Therefore, considering pesticide residue is one of the severe threaten to food safety, a new portable, high-sensitivity, low-power, on-field organophosphorus (OP) compounds detection system is proposed in this thesis to realize the on-field food safety detection. The system is designed based on optical detection method by using a customized photo-detection sensor. A Micro Controller Unit (MCU) and a Bluetooth Low Energy (BLE) module are used to quantize and transmit detection result. An Android Application (APP) is also developed for the system to processing and display detection result as well as control the detection process. Besides, a quartzose sample container and black system box are also designed and made for the system demonstration. Several optimizations are made in wireless communication, circuit layout, Android APP and industrial design to realize the mobility, low power and intelligence.

A method to lower the detection limit for optical beat signals from a frequency-dithered stabilized laser

A narrow absorption feature in an atomic or molecular gas (such as iodine or methane) is used as the frequency reference in many stabilized lasers. As part of the stabilization scheme an optical frequency dither is applied to the laser. In optical heterodyne experiments, this dither is transferred to the RF beat signal, reducing the spectral power density and hence the signal to noise ratio over that in the absence of dither. We removed the dither by mixing the raw beat signal with a dithered local oscillator signal. When the dither waveform is matched to that of the reference laser the output signal from the mixer is rendered dither free. Application of this method to a Winters iodine-stabilized helium-neon laser reduced the bandwidth of the beat signal from 6 MHz to 390 kHz, thereby lowering the detection threshold from 5 pW of laser power to 3 pW. In addition, a simple signal detection model is developed which predicts similar threshold reductions.

Comparison of Fourier-Domain and Time-Domain Optical Coherence Tomography in the Detection of Band Atrophy of the Optic Nerve

PURPOSE: To compare the ability of Fourier-domain (FD) optical coherence tomography (3D OCT-1000; Top, con, Tokyo, Japan) and time domain (TD) OCT (Stratus; Carl Zeiss Meditec Inc, Dublin, California, USA) to detect axonal loss in eyes with band atrophy (BA) of the optic nerve. DESIGN: Cross-sectional study. METHODS: Thirty-six eyes from 36 patients with BA and temporal visual field (VF) defect from chiasmal compression and 36 normal eyes were studied. Subjects were submitted to standard automated perimetry and macular and retinal nerve fiber layer (RNFL) measurements were taken using 3D OCT-1000 and Stratus OCT. Receiver operating characteristic (ROC) curves were calculated for each parameter. Spearman correlation coefficients were obtained to evaluate the relationship between RNFL and macular thickness parameters and severity of VF loss. Measurements from the two devices were compared. RESULTS: Regardless of OCT device, all RNFL and macular thickness parameters were significantly lower in eyes with BA compared with normal eyes, but no statistically significant difference was found with regard to the area under the ROC curve. Structure-function relationships were also similar for the two devices. In both groups, RNFL and macular thickness measurements were generally and in some cases significantly smaller with 3D OCT-1000 than with Stratus OCT. CONCLUSIONS: The introduction of FD technology did not lead to better discrimination ability for detecting BA of the optic nerve compared with TD technology when using the software currently provided by the manufacturer. 3D OCT-1000 FD OCT RNFL and macular measurements were generally smaller than TD Stratus OCT measurements. Investigators should be aware of this fact when comparing measurements obtained with these two devices. (Am J Oplathalmol 2009;147: 56-63. (c) 2009 by Elsevier Inc. All rights reserved.)

Comparison of the GDx VCC scanning laser polarimeter and the stratus optical coherence tomograph in the detection of band atrophy of the optic nerve

Aim To compare the ability of scanning laser polarimeter (SLP) with variable corneal compensation (GDx VCC) and optical coherence tomograph (Stratus OCT) to discriminate between eyes with band atrophy (BA) of the optic nerve and healthy eyes. Methods The study included 37 eyes with BA and temporal visual field (VF) defects from chiasmal compression, and 29 normal eyes. Subjects underwent standard automated perimetry (SAP) and retinal nerve fibre layer (RNFL) scans using GDx VCC and Stratus OCT. The severity of the VF defects was evaluated by the temporal mean defect (TMD), calculated as the average of 22 values of the temporal total deviation plot on SAP. Receiver operating characteristic (ROC) curves were calculated. Pearson`s correlation coefficients were used to evaluate the relationship between RNFL thickness parameters and the TMD. Results No significant difference was found between the ROC curves areas (AUCs) for the GDx VCC and Stratus OCT with regard to average RNFL thickness (0.98 and 0.99, respectively) and the superior (0.94; 0.95), inferior (0.96; 0.97), and nasal (0.92; 0.96) quadrants. However, the AUC in the temporal quadrant (0.77) was significantly smaller (P < 0.001) with GDx VCC than with Stratus OCT (0.98). Lower TMD values were associated with smaller RNFL thickness in most parameters from both equipments. Conclusion Adding VCC resulted in improved performance in SLP when evaluating eyes with BA, and both technologies are sensitive in detecting average, superior, inferior, and nasal quadrant RNFL loss. However, GDx VCC still poorly discriminates RNFL loss in the temporal quadrant when compared with Stratus OCT.

Novel optical PVC probes for on-site detection/determination of fluoroquinolones in a solid/liquid interface: Application to the determination of Norfloxacin in aquaculture water

A novel optical disposable probe for screening fluoroquinolones in fish farming waters is presented, having Norfloxacin (NFX) as target compound. The colorimetric reaction takes place in the solid/liquid interface consisting of a plasticized PVC layer carrying the colorimetric reagent and the sample solution. NFX solutions dropped on top of this solid-sensory surface provided a colour change from light yellow to dark orange. Several metals were tested as colorimetric reagents and Fe(III) was selected. The main parameters affecting the obtained colour were assessed and optimised in both liquid and solid phases. The corresponding studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition. The three coordinates of the HSL model system of the collected image (Hue, Saturation and Lightness) were obtained by simple image management (enabled in any computer). The analytical response of the optimised solid-state optical probe against concentration was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates. Linear behaviour was observed for logarithm NFX concentration against Hue+Lightness. Under this condition, the sensor exhibited a limit of detection below 50 μM (corresponding to about 16 mg/mL). Visual inspection also enabled semi-quantitative information. The selectivity was ensured against drugs from other chemical groups than fluoroquinolones. Finally, similar procedure was used to prepare an array of sensors for NFX, consisting on different metal species. Cu(II), Mn(II) and aluminon were selected for this purpose. The sensor array was used to detect NFX in aquaculture water, without any prior sample manipulation.

Microcystin-LR detection in water by the Fabry–Pérot interferometer using an optical fibre coated with a sol–gel imprinted sensing membrane

Cyanobacteria deteriorate the water quality and are responsible for emerging outbreaks and epidemics causing harmful diseases in Humans and animals because of their toxins. Microcystin-LR (MCT) is one of the most relevant cyanotoxin, being the most widely studied hepatotoxin. For safety purposes, the World Health Organization recommends a maximum value of 1 μg L−1 of MCT in drinking water. Therefore, there is a great demand for remote and real-time sensing techniques to detect and quantify MCT. In this work a Fabry–Pérot sensing probe based on an optical fibre tip coated with a MCT selective thin film is presented. The membranes were developed by imprinting MCT in a sol–gel matrix that was applied over the tip of the fibre by dip coating. The imprinting effect was obtained by curing the sol–gel membrane, prepared with (3-aminopropyl) trimethoxysilane (APTMS), diphenyl-dimethoxysilane (DPDMS), tetraethoxysilane (TEOS), in the presence of MCT. The imprinting effect was tested by preparing a similar membrane without template. In general, the fibre Fabry–Pérot with a Molecular Imprinted Polymer (MIP) sensor showed low thermal effect, thus avoiding the need of temperature control in field applications. It presented a linear response to MCT concentration within 0.3–1.4 μg L−1 with a sensitivity of −12.4 ± 0.7 nm L μg−1. The corresponding Non-Imprinted Polymer (NIP) displayed linear behaviour for the same MCT concentration range, but with much less sensitivity, of −5.9 ± 0.2 nm L μg−1. The method shows excellent selectivity for MCT against other species co-existing with the analyte in environmental waters. It was successfully applied to the determination of MCT in contaminated samples. The main advantages of the proposed optical sensor include high sensitivity and specificity, low-cost, robustness, easy preparation and preservation.

Holographic optical tweezers combined with back-focal-plane displacement detection

A major problem with holographic optical tweezers (HOTs) is their incompatibility with laser-based position detection methods, such as back-focal-plane interferometry (BFPI). The alternatives generally used with HOTs, like high-speed video tracking, do not offer the same spatial and temporal bandwidths. This has limited the use of this technique in precise quantitative experiments. In this paper, we present an optical trap design that combines digital holography and back-focal-plane displacement detection. We show that, with a particularly simple setup, it is possible to generate a set of multiple holographic traps and an additional static non-holographic trap with orthogonal polarizations and that they can be, therefore, easily separated for measuring positions and forces with the high positional and temporal resolutions of laser-based detection. We prove that measurements from both polarizations contain less than 1% crosstalk and that traps in our setup are harmonic within the typical range. We further tested the instrument in a DNA stretching experiment and we discuss an interesting property of this configuration: the small drift of the differential signal between traps.

Design of a simple detection cell with extended optical path length for capillary electrophoresis: Application to multiresidue pesticide analysis

Absorbance detection in capillary electrophoresis (CE), offers an excellent mass sensitivity, but poor concentration detection limits owing to very small injection volumes (normally I to 10 nL). This aspect can be a limiting factor in the applicability of CE/UV to detect species at trace levels, particularly pesticide residues. In the present work, the optical path length of an on-column detection cell was increased through a proper connection of the column (75 mu m i.d.) to a capillary detection cell of 180 mu m optical path length in order to improve detectability. It is shown that the cell with an extended optical path length results in a significant gain in terms of signal to noise ratio. The effect of the increase in the optical path length has been evaluated for six pesticides, namely, carbendazim, thiabendazole, imazalil, procymidone triadimefon, and prochloraz. The resulting optical enhancement of the detection cell provided detection limits of ca. 0.3 mu g/mL for the studied compounds, thus enabling the residue analysis by CE/UV.

On-line redox speciation analysis of antimony using L-proline immobilized on controlled pore glass and hydride generation inductively coupled plasma optical emission spectrometry for detection

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