Kinetics and dynamics measured using IntraCavity Laser Absorption Spectroscopy

IntraCavity Laser Absorption Spectroscopy (ICLAS) is a high-resolution, high sensitivity spectroscopic method capable of measuring line positions, linewidths, lineshapes, and absolute line intensities with a sensitivity that far exceeds that of a traditional multiple pass absorption cell or Fourier Transform spectrometer. From the fundamental knowledge obtained through these measurements, information about the underlying spectroscopy, dynamics, and kinetics of the species interrogated can be derived. The construction of an ICLA Spectrometer will be detailed, and the measurements utilizing ICLAS will be discussed, as well as the theory of operation and modifications of the experimental apparatus. Results include: i) Line intensities and collision-broadening coefficients of the A band of oxygen and previously unobserved, high J, rotational transitions of the A band, hot-band transitions, and transitions of isotopically substituted species. ii) High-resolution (0.013 cm-1) spectra of the second overtone of the OH stretch of trans-nitrous acid recorded between 10,230 and 10,350 cm-1. The spectra were analyzed to yield a complete set of rotational parameters and an absolute band intensity, and two groups of anharmonic perturbations were observed and analyzed. These findings are discussed in the context of the contribution of overtone-mediated processes to OH radical production in the lower atmosphere.

Optimization of inverse reflector design

Aquesta tesi presenta un nou mètode pel disseny invers de reflectors. Ens hem centrat en tres temes principals: l’ús de fonts de llum reals i complexes, la definició d’un algoritme ràpid pel càlcul de la il•luminació del reflector, i la definició d’un algoritme d’optimització per trobar més eficientment el reflector desitjat. Les fonts de llum estan representades per models near-field, que es comprimeixen amb un error molt petit, fins i tot per fonts de llum amb milions de raigs i objectes a il•luminar molt propers. Llavors proposem un mètode ràpid per obtenir la distribució de la il•luminació d’un reflector i la seva comparació amb la il•luminació desitjada, i que treballa completament en la GPU. Finalment, proposem un nou mètode d’optimització global que permet trobar la solució en menys passos que molts altres mètodes d’optimització clàssics, i alhora evitant mínims locals.

Estabilitat conformacional de variants de la ribonucleasa A: pressió i temperatura com a inductors dels desplegament proteic

A fi d'analitzar la contribució de la regió C-terminal proposada com a iniciadora del plegament (CFIS 106-118) a l'estabilitat de l'RNasa A, els residus alifàtics d'aquesta regió es van substituir, mitjançant mutagènesi dirigida, per altres residus en els quals la cadena lateral alifàtica era rogressivament escurçada. La major part de les substitucions projectades suposaven delecions no disruptives de grups metil(è). A més, es va reemplaçar la Tyr115 per un Trp, de manera que, potencialment, s'introduïa una única sonda fluorescent, no desestabilitzant, per tal de seguir els canvis conformacionals que es poguessin generar en la regió durant el procés de legament/desplegament de la proteïna. Tant els paràmetres cinètics, com els espectres d'FTIR i CD, determinats per cadascuna de les ribonucleases variants, indiquen que els reemplaçaments aminoacídics efectuats presenten, en general, poc o cap efecte en l'estructura nativa i en l'activitat de l'enzim. Es va emprar l'espectroscòpia d'absorció a l'ultraviolat de quarta derivada, la fluorescència (per la variant amb Trp) i l'espectroscòpia d'infraroig per transformada de Fourier, per tal de seguir i caracteritzar, en condicions d'equilibri, les transicions conformacionals de cada variant en funció de la pressió i de la temperatura. Els resultats es van comparar amb els que es van obtenir per la proteïna salvatge. Per determinar més a fons les característiques del procés de desplegament de la variant Y115W, les transicions de desnaturalització induïdes per urea d'aquesta variant i de la proteïna salvatge, van ésser examinades per mitjà d'electroforesi en gradient d'urea i espectroscòpia de fluorescència. Curiosament, els canvis conformacionals que resulten de la desnaturalització per pressió són molt semblants als que s'obtenen per temperatura. Enfront d'un augment gradual tant de pressió com de temperatura, l'estructura terciària i els elements d'estructura secundària de les proteïnes estudiades es perden de manera conjunta i reversible. Aquestes variacions estructurals que es promouen descriuen un procés de desplegament molt cooperatiu i en dos estats. Atès que ambdues tècniques (UV i FTIR) utilitzen cadascuna un règim de concentració proteica molt diferent, els resultats indiquen que el procés de desplegament per pressió i per temperatura és intramolecular. Els resultats obtinguts suggereixen que la hidrofobicitat i el volum de les cadenes laterals del CFIS, juntament amb les interaccions de van der Waals entre elements d'estructura secundària intervenen de manera molt notable en l'estabilització de la proteïna. Entre els diferents aminoàcids alifàtics que pertanyen al CFIS C-terminal, la Val108 és el residu més important per tal de preservar la integritat estructural de l'estat natiu. Els reemplaçaments en aquesta posició causen petites alteracions conformacionals i una gran desestabilització de la proteïna (per exemple, el punt mig de la transició de desnaturalització per pressió i per temperatura de la variant V108G disminueix uns 592 MPa i 25ºC, respectivament, respecte a la proteïna salvatge). D'acord amb els resultats obtinguts, la variant Y115W ofereix una sonda útil per tal de seguir la cinètica de plegament/desplegament de l'RNasa A.

Reducció de vibracions residuals en moviments transitoris. Definició de lleis de moviment per mitjà de corbes B-spline

Molts sistemes mecànics existents tenen un comportament vibratori funcionalment perceptible, que es posa de manifest enfront d'excitacions transitòries. Normalment, les vibracions generades segueixen presents després del transitori (vibracions residuals), i poden provocar efectes negatius en la funció de disseny del mecanisme. El mètode que es proposa en aquesta tesi té com a objectiu principal la síntesi de lleis de moviment per reduir les vibracions residuals. Addicionalment, els senyals generats permeten complir dues condicions definides per l'usuari (anomenats requeriments funcionals). El mètode es fonamenta en la relació existent entre el contingut freqüencial d'un senyal transitori, i la vibració residual generada, segons sigui l'esmorteïment del sistema. Basat en aquesta relació, i aprofitant les propietats de la transformada de Fourier, es proposa la generació de lleis de moviment per convolució temporal de polsos. Aquestes resulten formades per trams concatenats de polinomis algebraics, cosa que facilita la seva implementació en entorns numèrics per mitjà de corbes B-spline.

Achieving accurate FTIR measurements on high performance bandpass filters

The sources of ordinate error in FTIR spectrometers are reviewed with reference to measuring small out-of-band features in the spectra of bandpass filters. Procedures for identifying instrumental artefacts are described. It is shown that features well below 0.01%T can be measured reliably.

Boundary value problems for third-order linear PDEs in time-dependent domains

We present the extension of a methodology to solve moving boundary value problems from the second-order case to the case of the third-order linear evolution PDE qt + qxxx = 0. This extension is the crucial step needed to generalize this methodology to PDEs of arbitrary order. The methodology is based on the derivation of inversion formulae for a class of integral transforms that generalize the Fourier transform and on the analysis of the global relation associated with the PDE. The study of this relation and its inversion using the appropriate generalized transform are the main elements of the proof of our results.

The point source method for inverse scattering in the time domain

Many recent inverse scattering techniques have been designed for single frequency scattered fields in the frequency domain. In practice, however, the data is collected in the time domain. Frequency domain inverse scattering algorithms obviously apply to time-harmonic scattering, or nearly time-harmonic scattering, through application of the Fourier transform. Fourier transform techniques can also be applied to non-time-harmonic scattering from pulses. Our goal here is twofold: first, to establish conditions on the time-dependent waves that provide a correspondence between time domain and frequency domain inverse scattering via Fourier transforms without recourse to the conventional limiting amplitude principle; secondly, we apply the analysis in the first part of this work toward the extension of a particular scattering technique, namely the point source method, to scattering from the requisite pulses. Numerical examples illustrate the method and suggest that reconstructions from admissible pulses deliver superior reconstructions compared to straight averaging of multi-frequency data. Copyright (C) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

The Klein-Gordon equation in a domain with time-dependent boundary

We solve a Dirichlet boundary value problem for the Klein–Gordon equation posed in a time-dependent domain. Our approach is based on a general transform method for solving boundary value problems for linear and integrable nonlinear PDE in two variables. Our results consist of the inversion formula for a generalized Fourier transform, and of the application of this generalized transform to the solution of the boundary value problem.

The infrared vibration-rotation spectrum of trans and cis nitrous acid

Infrared spectra of the trans and the cis isomers of nitrous acid, both HONO and DONO, have been observed in the gas phase using a Fourier transform interferometer with a resolution of about 0.05 cm−1 from 4000 to 500 cm−1. Rotational analyses are reported on eleven of the fundamentals and some overtones.

Vibrationally mediated photodissociation of nitrous acid

Hitherto unobserved overtone and combination bands of nitrous acid have been investigated by Fourier-transform infrared absorption spectroscopy and through the resonance enhancements they provide in the two-photon excition spectrum for forming OH(X) photofragments. Analysis of the band profiles associated with the second and third O—H stretching overtones of trans-HONO, and of the energy disposal into the OH(X) fragments resulting from two-photon dissociation mediated by these overtone levels, provide some clues as to the mechanism for intramolecular vibrational energy redistribution (IVR) within these vibrationally excited molecules. The work serves to highlight further the extreme sensitivity of vibrationally mediated photodissociation (VMP) as a means of revealing weak O—H stretching overtones, even in situations (as here) where the species of interest is but a minor constituent of an equilibrium mixture.

Vibration-rotation spectra of nitrous acid, HONO

High-resolution Fourier-transform infrared spectra have been recorded and analyzed for the nu4, nu5, and nu6 fundamental bands of trans-HONO, and for the nu4 fundamental of cis-HONO. The spectral resolution was better than 0.01/cm, and the rotational structure has been analyzed to give improved ground-state and excited-state rotational constants, with a standard deviation of the fit to the observed line positions of around 0.0006/cm. Two Coriolis interactions have been analyzed between the nu5 and nu6 bands of trans-HONO.

The infrared spectrum, equilibrium structure and harmonic and anharmonic force field of thioborine, HBS

Infrared spectra of the two stretching fundamentals of both HBS and DBS have been observed, using a continuous flow system through a multiple reflection long path cell at a pressure around 1 Torr and a Nicolet Fourier Transform spectrometer with a resolution of about 0•1 cm-1. The v3 BS stretching fundamental of DBS, near 1140 cm-1, is observed in strong Fermi resonance with the overtone of the bend 2v2. The bending fundamental v2 has not been observed and must be a very weak band. The analysis of the results in conjunction with earlier work gives the equilibrium structure (re(BH) = 1•1698(12) , re(BS) = 1•5978(3) ) and the harmonic and anharmonic force field.

Intensities in the v7, v8 and v9 bands of CH2NH, and the harmonic force field of methyleneimine

A high resolution Fourier transform infrared spectrum of methyleneimine, HN=CH2, has been obtained in the gas phase in the region 700 to 1300 cm−1. The rovibrational line intensities of the three lowest fundamentals ν7 (A′), ν8 (A″), and ν9 (A″) have been simulated including all Coriolis interactions between the three bands, and by fitting the observed spectrum the relative signs and magnitudes of the vibrational transition moments have been determined. All of the available spectroscopic data have been used to determine the harmonic force field of methyleneimine.

Simultaneous analysis of v1, v4, 2v2, v2+v5, and 2v5 bands of 12CH3F

The Fourier-transform spectrum of CH3F from 2800 to 3100 cm−1, obtained by Guelachvili in Orsay at a resolution of about 0.003 cm−1, was analyzed. The effective Hamiltonian used contained all symmetry allowed interactions up to second order in the Amat-Nielsen classification, together with selected third-order terms, amongst the set of nine vibrational basis functions represented by the states ν1(A1), ν4(E), 2ν2(A1), ν2 + ν5(E), 2ν50(A1), and 2ν5±2(E). A number of strong Fermi and Coriolis resonances are involved. The vibrational Hamiltonian matrix was not factorized beyond the requirements of symmetry. A total of 59 molecular parameters were refined in a simultaneous least-squares analysis to over 1500 upper-state energy levels for J ≤ 20 with a standard deviation of 0.013 cm−1. Although the standard deviation remains an order of magnitude greater than the precision of the measurements, this work breaks new ground in the simultaneous analysis of interacting symmetric top vibrational levels, in terms of the number of interacting vibrational states and the number of parameters in the Hamiltonian.

Understanding spectra of highly excited vibrational states

Some of the characteristics of high overtone spectra observed in the near infrared are discussed, particularly in relation to local mode effects, the increasing density of states, and the effect of inter-state resonances and intramolecular vibrational redistribution.