Ionic liquids and other liquid matrices for sensitive MALDI MS analysis

Although liquid matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) has been used in mass spectrometry (MS) since the early introduction of MALDI, its substantial lack of sensitivity compared to solid (crystalline) MALDI was for a long time a major hurdle to its analytical competitiveness. In the last decade, this situation has changed with the development of new sensitive liquid matrices, which are often based on a binary matrix acid/base system. Some of these matrices were inspired by the recent progress in ionic liquid research, while others were developed from revisiting previous liquid MALDI work as well as from a combination of these two approaches. As a result, two high-performing liquid matrix classes have been developed, the ionic liquid matrices (ILMs) and the liquid support matrices (LSMs), now allowing MS measurements at a sensitivity level that is very close to the level of solid MALDI and in some cases even surpasses it. This chapter provides some basic information on a selection of highly successful representatives of these new liquid matrices and describes in detail how they are made and applied in MALDI MS analysis.

Coupling liquid MALDI MS to liquid chromatography

Matrix-assisted laser desorption/ionisation (MALDI) coupled with time-of-flight (TOF) mass spectrometry (MS) is a powerful tool for the analysis of biological samples, and nanoflow high-performance liquid chromatography (nanoHPLC) is a useful separation technique for the analysis of complex proteomics samples. The off-line combination of MALDI and nanoHPLC has been extensively investigated and straightforward techniques have been developed, focussing particularly on automated MALDI sample preparation that yields sensitive and reproducible spectra. Normally conventional solid MALDI matrices such as α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA) are used for sample preparation. However, they have limited usefulness in quantitative measurements and automated data acquisition because of the formation of heterogeneous crystals, resulting in highly variable ion yields and desorption/ ionization characteristics. Glycerol-based liquid support matrices (LSM) have been proposed as an alternative to the traditional solid matrices as they provide increased shot-to-shot reproducibility, leading to prolonged and stable ion signals and therefore better results. This chapter focuses on the integration of the liquid LSM MALDI matrices into the LC-MALDI MS/MS approach in identifying complex and large proteomes. The interface between LC and MALDI consists of a robotic spotter, which fractionates the eluent from the LC column into nanoliter volumes, and co-spots simultaneously the liquid matrix with the eluent fractions onto a MALDI target plate via sheath flow. The efficiency of this method is demonstrated through the analysis of trypsin digests of both bovine serum albumin (BSA) and Lactobacillus plantarum WCFS1 proteins.

Effects of electric fields on ultracold Rydberg atom interactions

The behaviour of interacting ultracold Rydberg atoms in both constant electric fields and laser fields is important for designing experiments and constructing realistic models of them. In this paper, we briefly review our prior work and present new results on how electric fields affect interacting ultracold Rydberg atoms. Specifically, we address the topics of constant background electric fields on Rydberg atom pair excitation and laser-induced Stark shifts on pair excitation.

Tm and Tm-Tb-doped germanate glasses for S-band amplifiers

The mechanism involved in the Tm(3+)((3)F(4)) -> Tb(3+)((7)F(0,1,2)) energy transfer as a function of the Tb concentration was investigated in Tm:Tb-doped germanate (GLKZ) glass. The experimental transfer rate was determined from the best fit of the (3)F(4) luminescence decay due to the Tm -> Tb energy transfer using the Burshtein model. The result showed that the 1700 nm emission from (3)F(4) can be completely quenched by 0.8 mol% of Tb(3+). As a consequence, the (7)F(3) state of Tb(3+) interacts with the (3)H(4) upper excited state of TM(3+) slighting decreasing its population. The effective amplification coefficient beta(cm(-1)) that depends on the population density difference Delta n = n((3)H(4))-n((3)F(4)) involved in the optical transition of Tm(3+) (S-band) was calculated by solving the rate equations of the system for continuous pumping with laser at 792 nm, using the Runge-Kutta numerical method including terms of fourth order. The population density inversion An as a function of Tb(3+) concentration was calculated by computational simulation for three pumping intensities, 0.2, 2.2 and 4.4 kWcm(-2). These calculations were performed using the experimental Tm -> Tb transfer rates and the optical constants of the Tm (0.1 mol%) system. It was demonstrated that 0.2 mol% of Tb(3+) propitiates best population density inversion of Tin(3+) maximizing the amplification coefficient of Tm-doped (0.1 mol%) GLKZ glass when operating as laser intensity amplification at 1.47 mu m. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Termometria em chamas utilizando a técnica de espalhamento Rayleigh

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Termometria em chamas utilizando a técnica de espalhamento Rayleigh

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Two-photon excitation and optical limiting in polyfluorene derivatives

Fluorene-based polymers are widely known materials due to a combination of features such as photoluminescence and electroluminescence, oxidative stability, and film-forming ability. However, studies reporting nonlinear optical properties in this class of conjugated polymer are scarce. Here, we report a new class of polyfluorene derivatives poly(9,9'-n-dihexyl-2,7-fluorenedilvinylene-alt-1,4-phenylenevinylene), poly(9,9'-n-dihexyl-2,7-fluorenedilvinylene-alt-2,5-thiophene), and poly[(9,9-di-hexylfluorenediylvinylene-alt-1,4-phenylenevinylene)-co-((9,9'-(3-t-butylpropanoate) fluorene-1,4-phenylene)] displaying high two-photon absorption (2PA) in the spectral range from a 490 to 1100 nm. The 2PA cross-section peak values for these materials are as high as 3000 Goppert Mayer (1 GM = 1 x 10-50 cm4 s/photon), which is related to the high degree of conjugation along the polymer backbone. The polymers that were used in this study presented a strong two-photon luminescence and also displayed optical limiting behavior, which, in combination with their well-established properties, make them highly suitable for nonlinear optical devices. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys 50: 148153, 2012

Innovative analytical methods for Central Nervous System Drug analysis in biological fluids

During recent years a consistent number of central nervous system (CNS) drugs have been approved and introduced on the market for the treatment of many psychiatric and neurological disorders, including psychosis, depression, Parkinson disease and epilepsy. Despite the great advancements obtained in the treatment of CNS diseases/disorders, partial response to therapy or treatment failure are frequent, at least in part due to poor compliance, but also genetic variability in the metabolism of psychotropic agents or polypharmacy, which may lead to sub-therapeutic or toxic plasma levels of the drugs, and finally inefficacy of the treatment or adverse/toxic effects. With the aim of improving the treatment, reducing toxic/side effects and patient hospitalisation, Therapeutic Drug Monitoring (TDM) is certainly useful, allowing for a personalisation of the therapy. Reliable analytical methods are required to determine the plasma levels of psychotropic drugs, which are often present at low concentrations (tens or hundreds of nanograms per millilitre). The present PhD Thesis has focused on the development of analytical methods for the determination of CNS drugs in biological fluids, including antidepressants (sertraline and duloxetine), antipsychotics (aripiprazole), antiepileptics (vigabatrin and topiramate) and antiparkinsons (pramipexole). Innovative methods based on liquid chromatography or capillary electrophoresis coupled to diode-array or laser-induced fluorescence detectors have been developed, together with the suitable sample pre-treatment for interference removal and fluorescent labelling in case of LIF detection. All methods have been validated according to official guidelines and applied to the analysis of real samples obtained from patients, resulting suitable for the TDM of psychotropic drugs.

Fluid dynamic analysis and modelling of industrial chemical equipment

The research is aimed at contributing to the identification of reliable fully predictive Computational Fluid Dynamics (CFD) methods for the numerical simulation of equipment typically adopted in the chemical and process industries. The apparatuses selected for the investigation, specifically membrane modules, stirred vessels and fluidized beds, were characterized by a different and often complex fluid dynamic behaviour and in some cases the momentum transfer phenomena were coupled with mass transfer or multiphase interactions. Firs of all, a novel modelling approach based on CFD for the prediction of the gas separation process in membrane modules for hydrogen purification is developed. The reliability of the gas velocity field calculated numerically is assessed by comparison of the predictions with experimental velocity data collected by Particle Image Velocimetry, while the applicability of the model to properly predict the separation process under a wide range of operating conditions is assessed through a strict comparison with permeation experimental data. Then, the effect of numerical issues on the RANS-based predictions of single phase stirred tanks is analysed. The homogenisation process of a scalar tracer is also investigated and simulation results are compared to original passive tracer homogenisation curves determined with Planar Laser Induced Fluorescence. The capability of a CFD approach based on the solution of RANS equations is also investigated for describing the fluid dynamic characteristics of the dispersion of organics in water. Finally, an Eulerian-Eulerian fluid-dynamic model is used to simulate mono-disperse suspensions of Geldart A Group particles fluidized by a Newtonian incompressible fluid as well as binary segregating fluidized beds of particles differing in size and density. The results obtained under a number of different operating conditions are compared with literature experimental data and the effect of numerical uncertainties on axial segregation is also discussed.

Multiplex-Genotypisierung forensisch relevanter SNPs unter Verwendung von Microarrays auf chemisch aktivierten Glasflächen

Die Analyse tandem-repetitiver DNA-Sequenzen hat einen festen Platz als genetisches Typisierungsverfahren in den Breichen der stammesgeschichtlichen Untersuchung, der Verwandtschaftsanalyse und vor allem in der forensischen Spurenkunde, bei der es durch den Einsatz der Multiplex-PCR-Analyse von Short Tandem Repeat-Systemen (STR) zu einem Durchbruch bei der Aufklärung und sicheren Zuordnung von biologischen Tatortspuren kam. Bei der Sequenzierung des humanen Genoms liegt ein besonderes Augenmerk auf den genetisch polymorphen Sequenzvariationen im Genom, den SNPs (single nucleotide polymorphisms). Zwei ihrer Eigenschaften – das häufige Vorkommen innerhalb des humanen Genoms und ihre vergleichbar geringe Mutationsrate – machen sie zu besonders gut geeigneten Werkzeugen sowohl für die Forensik als auch für die Populationsgenetik.rnZum Ziel des EU-Projekts „SNPforID“, aus welchem die vorliegende Arbeit entstanden ist, wurde die Etablierung neuer Methoden zur validen Typisierung von SNPs in Multiplexverfahren erklärt. Die Berücksichtigung der Sensitivität bei der Untersuchung von Spuren sowie die statistische Aussagekraft in der forensischen Analyse standen dabei im Vordergrund. Hierfür wurden 52 autosomale SNPs ausgewählt und auf ihre maximale Individualisierungsstärke hin untersucht. Die Untersuchungen der ersten 23 selektierten Marker stellen den ersten Teil der vorliegenden Arbeit dar. Sie umfassen die Etablierung des Multiplexverfahrens und der SNaPshot™-Typisierungsmethode sowie ihre statistische Auswertung. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ein Teil der darauf folgenden, in enger Zusammenarbeit der Partnerlaboratorien durchgeführten Studie der 52-SNP-Multiplexmethode. rnEbenfalls im Rahmen des Projekts und als Hauptziel der Dissertation erfolgten Etablierung und Evaluierung des auf der Microarray-Technologie basierenden Verfahrens der Einzelbasenverlängerung auf Glasobjektträgern. Ausgehend von einer begrenzten DNA-Menge wurde hierbei die Möglichkeit der simultanen Hybridisierung einer möglichst hohen Anzahl von SNP-Systemen untersucht. Die Auswahl der hierbei eingesetzten SNP-Marker erfolgte auf der Basis der Vorarbeiten, die für die Etablierung des 52-SNP-Multiplexes erfolgreich durchgeführt worden waren. rnAus einer Vielzahl von Methoden zur Genotypisierung von biallelischen Markern hebt sich das Assay in seiner Parallelität und der Einfachheit des experimentellen Ansatzes durch eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis ab. In der vorliegenden Arbeit wurde das „array of arrays“-Prinzip eingesetzt, um zur gleichen Zeit unter einheitlichen Versuchsbedingungen zwölf DNA-Proben auf einem Glasobjektträger zu typisieren. Auf der Basis von insgesamt 1419 typisierten Allelen von 33 Markern konnte die Validierung mit einem Typisierungserfolg von 86,75% abgeschlossen werden. Dabei wurden zusätzlich eine Reihe von Randbedingungen in Bezug auf das Sonden- und Primerdesign, die Hybridisierungsbedingungen sowie physikalische Parameter der laserinduzierten Fluoreszenzmessung der Signale ausgetestet und optimiert. rn

Synthesis and surface modification of silver and gold nanoparticles. Nanomedicine applications against Glioblastoma Multiforme.

In the last decades noble metal nanoparticles (NPs) arose as one of the most powerful tools for applications in nanomedicine field and cancer treatment. Glioblastoma multiforme (GBM), in particular, is one of the most aggressive malignant brain tumors that nowadays still presents a dramatic scenario concerning median survival. Gold nanorods (GNRs) and silver nanoparticles (AgNPs) could find applications such as diagnostic imaging, hyperthermia and glioblastoma therapy. During these three years, both GNRs and AgNPs were synthesized with the “salt reduction” method and, through a novel double phase transfer process, using specifically designed thiol-based ligands, lipophilic GNRs and AgNPs were obtained and separately entrapped into biocompatible and biodegradable PEG-based polymeric nanoparticles (PNPs) suitable for drug delivery within the body. Moreover, a synergistic effect of AgNPs with the Alisertib drug, were investigated thanks to the simultaneous entrapment of these two moieties into PNPs. In addition, Chlorotoxin (Cltx), a peptide that specifically recognize brain cancer cells, was conjugated onto the external surface of PNPs. The so-obtained novel nanosystems were evaluated for in vitro and in vivo applications against glioblastoma multiforme. In particular, for GNRs-PNPs, their safety, their suitability as optoacoustic contrast agents, their selective laser-induced cells death and finally, a high tumor retention were all demonstrated. Concerning AgNPs-PNPs, promising tumor toxicity and a strong synergistic effect with Alisertib was observed (IC50 10 nM), as well as good in vivo biodistribution, high tumor uptake and significative tumor reduction in tumor bearing mice. Finally, the two nanostructures were linked together, through an organic framework, exploiting the click chemistry azido-alkyne Huisgen cycloaddition, between two ligands previously attached to the NPs surface; this multifunctional complex nanosystem was successfully entrapped into PNPs with nanoparticles’ properties maintenance, obtaining in this way a powerful and promising tool for cancer fight and defeat.

Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.

The formation of OH radicals from Criegee intermediates: a LIF-FAGE study from laboratory to ambient

Das Hydroxyl Radikal ist, auf globalem Maßstab, das bedeutendste Oxidant in der Atmosphäre. Es initiiert den Abbauprozess vieler, teilweise schädlicher, Spurengase und insbesondere den von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (VOC). Die OH Konzentration ist somit ein gutes Maß für die augenblickliche Selbstreinigungskapazität der Atmosphäre. Messungen zu nächtlicher Zeit mit LIF-FAGE-Instrumenten (engl.: laser-induced fluorescence - fluorescence assay by gas expansion) haben Konzentrationen des Hydroxylradikals (OH) ergeben, die signifikant höher waren, als sich mit der bekannten Chemie erklären ließ. Um herauszufinden, ob ein solches Signal wirklich atmosphärisches OH ist oder von einer störenden Spezies stammt, die im Messinstrument OH produziert, wurde das LIF-FAGE-Instrument des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) im Rahmen dieser Doktorarbeit modifiziert und getestet. Dazu wurde ein so genannter Inlet Pre-Injector (IPI) entwickelt, mit dem in regelmäßigen Abständen ein OH-Fänger in die Umgebungsluft abgegeben werden kann, bevor das OH vom Instrument erfasst wird. Mit dieser Technik ist es möglich, ein Hintergrund-OH (OHbg), d. h. ein im Instrument erzeugtes OH-Signal, vom gemessenen OH-Gesamtsignal (OHtot) zu trennen. Die Differenz zwischen OHtot und OHbg ist die atmosphärische OH-Konzentration (OHatm). Vergleichsmessungen mit der hier entwickelten Technik, dem IPI, in zwei verschiedenen Umgebungen mit Instrumenten basierend auf Massenspektrometrie mit chemischer Ionisation (CIMS, engl.: chemical ionization mass spectrometry) als alternativer Methode des OH-Nachweises, zeigten eine weitgehende Übereinstimmung. Eine umfassende Beschreibung des Systems zur Ermittlung der Ursache des OHbg hat ergeben, dass es weder von einem Artefakt des Instruments noch von hinlänglich bekannten und beschriebenen LIF-FAGE-Interferenzen stammt. Zur Bestimmung der Spezies, die das OHbg-Signal verursacht, wurden verschiedene Laborstudien durchgeführt. Die Arbeit im Rahmen dieser Doktorarbeit hat ergeben, dass das LIF-FAGE-Instrument leicht auf OH reagiert, das beim monomolekularen Zerfall stabilisierter Criegee-Intermediate (SCI) im Niederdruckbereich des Instruments gebildet wird. Criegee-Intermediate oder Carbonyloxide entstehen bei der Ozonolyse ungesättigter flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) und können daher in der Umgebungsluft vorkommen. Anhand von Tests mit verschiedenen Verweilzeiten der SCI im Niederdruckbereich des Instruments in Verbindung mit einem detaillierten Modell mit der neuesten SCI-Chemie wurde die monomolekulare Zerfallsgeschwindigkeit von 20  10 s-1 für den syn-Acetaldehyd-Oxykonformer bestimmt. Der in Feldkampagnen gemessene OHbg-Wert wurde dahingehend untersucht, ob SCI die Quelle des beobachteten Hintergrund-OH im Feld sein könnten. Das Budget für die SCI-Konzentration, das für die Kampagnen HUMPPA-COPEC 2010 und HOPE 2012 berechnet wurde, ergab eine SCI-Konzentration zwischen ca. 103 und 106 Molekülen pro cm3. In der Kampagne HUMPPA-COPEC 2010 ergab die Schwefelsäurekonzentration, dass die OH-Oxidation von SO2 allein die gemessene H2SO4-Konzentration nicht erklären konnte. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Hintergrund-OH mit dieser ungeklärten Produktionsrate von H2SO4 korreliert und somit die Oxidation von SO2 durch SCI als mögliche Erklärung in Frage kommt. Ferner korreliert das Hintergrund-OH in der Kampagne HOPE 2012 mit dem Produkt aus Ozon und VOC und konnte mit SO2 als SCI Fänger entfernt werden. Qualitativ zeigen wir somit, dass das in der Umgebungsluft gemessene Hintergrund-OH wahrscheinlich durch den monomolekularen Zerfall von SCI verursacht wird, doch sind weitere Studien notwendig, um die quantitativen Beziehung für diese Spezies und dem Hintergrund-OH in unserem Instrument zu bestimmen.

Collimated Field Emission Beams from Metal Double-Gate Nanotip Arrays Optically Excited via Surface Plasmon Resonance

The generation of collimated electron beams from metal double-gate nanotip arrays excited by near infrared laser pulses is studied. Using electromagnetic and particle tracking simulations, we showed that electron pulses with small rms transverse velocities are efficiently produced from nanotip arrays by laser-induced field emission with the laser wavelength tuned to surface plasmon polariton resonance of the stacked double-gate structure. The result indicates the possibility of realizing a metal nanotip array cathode that outperforms state-of-the-art photocathodes.

Tissue Crowding Induces Caspase-Dependent Competition for Space.

Regulation of tissue size requires fine tuning at the single-cell level of proliferation rate, cell volume, and cell death. Whereas the adjustment of proliferation and growth has been widely studied [1, 2, 3, 4 and 5], the contribution of cell death and its adjustment to tissue-scale parameters have been so far much less explored. Recently, it was shown that epithelial cells could be eliminated by live-cell delamination in response to an increase of cell density [6]. Cell delamination was supposed to occur independently of caspase activation and was suggested to be based on a gradual and spontaneous disappearance of junctions in the delaminating cells [6]. Studying the elimination of cells in the midline region of the Drosophila pupal notum, we found that, contrary to what was suggested before, Caspase 3 activation precedes and is required for cell delamination. Yet, using particle image velocimetry, genetics, and laser-induced perturbations, we confirmed [ 6] that local tissue crowding is necessary and sufficient to drive cell elimination and that cell elimination is independent of known fitness-dependent competition pathways [ 7, 8 and 9]. Accordingly, activation of the oncogene Ras in clones was sufficient to compress the neighboring tissue and eliminate cells up to several cell diameters away from the clones. Mechanical stress has been previously proposed to contribute to cell competition [ 10 and 11]. These results provide the first experimental evidences that crowding-induced death could be an alternative mode of super-competition, namely mechanical super-competition, independent of known fitness markers [ 7, 8 and 9], that could promote tumor growth.