Screening of CO2 Laser (10.6 mu m) Parameters for Prevention of Enamel Erosion

Objective: The aim of this study was to screen CO2 laser (10.6 mu m) parameters to increase enamel resistance to a continuous-flow erosive challenge. Background data: A new clinical CO2 laser providing pulses of hundreds of microseconds, a range known to increase tooth acid-resistance, has been introduced in the market. Methods: Different laser parameters were tested in 12 groups (n = 20) with varying fluences from 0.1 to 0.9 J/cm(2), pulse durations from 80 to 400 mu s and repetition rates from 180 to 700 Hz. Non-lased samples (n = 30) served as controls. All samples were eroded by exposure to hydrochloric acid (pH 2.6) under continuous acid flow (60 mu L/min). Calcium and phosphate release into acid was monitored colorimetrically at 30 sec intervals up to 5 min and at 1 min intervals up to a total erosion time of 15 min. Scanning electron microscopic (SEM) analysis was performed in lased samples (n = 3). Data were statistically analysed by one-way ANOVA (p < 0.05) and Dunnett's post-hoc tests. Results: Calcium and phosphate release were significantly reduced by a maximum of 20% over time in samples irradiated with 0.4 J/cm(2) (200 mu s) at 450 Hz. Short-time reduction of calcium loss (<= 1.5 min) could be also achieved by irradiation with 0.7 J/cm(2) (300 mu s) at 200 and 300 Hz. Both parameters revealed surface modification. Conclusions: A set of CO2 laser parameters was found that could significantly reduce enamel mineral loss (20%) under in vitro erosive conditions. However, as all parameters also caused surface cracking, they are not recommended for clinical use.

Rates of Change in the Visual Field and Optic Disc in Patients with Distinct Patterns of Glaucomatous Optic Disc Damage

Purpose: To investigate the rate of visual field and optic disc change in patients with distinct patterns of glaucomatous optic disc damage. Design: Prospective longitudinal study. Participants: A total of 131 patients with open-angle glaucoma with focal (n = 45), diffuse (n = 42), and sclerotic (n = 44) optic disc damage. Methods: Patients were examined every 4 months with standard automated perimetry (SAP, SITA Standard, 24-2 test, Humphrey Field Analyzer, Carl Zeiss Meditec, Dublin, CA) and confocal scanning laser tomography (CSLT, Heidelberg Retina Tomograph, Heidelberg Engineering GmbH, Heidelberg, Germany) for a period of 4 years. During this time, patients were treated according to a predefined protocol to achieve a target intraocular pressure (IOP). Rates of change were estimated by robust linear regression of visual field mean deviation (MD) and global optic disc neuroretinal rim area with follow-up time. Main Outcome Measures: Rates of change in MD and rim area. Results: Rates of visual field change in patients with focal optic disc damage (mean -0.34, standard deviation [SD] 0.69 dB/year) were faster than in patients with sclerotic (mean - 0.14, SD 0.77 dB/year) and diffuse (mean + 0.01, SD 0.37 dB/year) optic disc damage (P = 0.003, Kruskal-Wallis). Rates of optic disc change in patients with focal optic disc damage (mean - 11.70, SD 25.5 x 10(-3) mm(2)/year) were faster than in patients with diffuse (mean -9.16, SD 14.9 x 10(-3) mm(2)/year) and sclerotic (mean -0.45, SD 20.6 x 10(-3) mm(2)/year) optic disc damage, although the differences were not statistically significant (P = 0.11). Absolute IOP reduction from untreated levels was similar among the groups (P = 0.59). Conclusions: Patients with focal optic disc damage had faster rates of visual field change and a tendency toward faster rates of optic disc deterioration when compared with patients with diffuse and sclerotic optic disc damage, despite similar IOP reductions during follow-up. Financial Disclosure(s): Proprietary or commercial disclosure may be found after the references. Ophthalmology 2012; 119: 294-303 (C) 2012 by the American Academy of Ophthalmology.

Time-of-flight two-photon photoemission spectromicroscopy with femtosecond laser radiation

Time-of-flight photoemission spectromicroscopy was used to measure and compare the two-photon photoemission (2PPE) spectra of Cu and Ag nanoparticles with linear dimensions ranging between 40 nm and several 100 nm, with those of the corresponding homogeneous surfaces. 2PPE was induced employing femtosecond laser radiation from a frequency-doubled Ti:sapphire laser in the spectral range between 375 nm and 425 nm with a pulse width of 200 fs and a repetition rate of 80 MHz. The use of a pulsed radiation source allowed us to use a high-resolution photoemission electron microscope as imaging time-of-flight spectrometer, and thus to obtain spectroscopic information about the laterally resolved electron signal. Ag nanoparticle films have been deposited on Si(111) by electron-beam evaporation, a technique leading to hemispherically-shaped Ag clusters. Isolated Cu nanoparticles have been generated by prolonged heating of a polycrystalline Cu sample. If compared to the spectra of the corresponding homogeneous surfaces, the Cu and Ag nanoparticle spectra are characterized by a strongly enhanced total 2PPE yield (enhancement factor up to 70), by a shift (about 0.1 eV) of the Fermi level onset towards lower final state energies, by a reduction of the work function (typically by 0.2 eV) and by a much steeper increase of the 2PPE yield towards lower final state energies. The shift of the Fermi level onset in the nanoparticle spectra has been explained by a positive unit charge (localized photohole) residing on the particle during the time-scale relevant for the 2PPE process (few femtoseconds). The total 2PPE yield enhancement and the different overall shape of the spectra have been explained by considering that the laser frequency was close to the localized surface plasmon resonance of the Cu and Ag nanoparticles. The synchronous oscillations induced by the laser in the metal electrons enhance the near-zone (NZ) field, defined as the linear superposition of the laser field and the field produced in the vicinity of the particles by the forced charge oscillations. From the present measurements it is clear that the NZ field behavior is responsible for the 2PPE enhancement and affects the 2PPE spatial and energy distribution and its dynamics. In particular, its strong spatial dependence allows indirect transitions through real intermediate states to take place in the metal clusters. Such transitions are forbidden by momentum conservation arguments and are thus experimentally much less probable on homogeneous surfaces. Further, we investigated specially tailored moon-shaped small metal nanostructures, whose NZ field was theoretically predicted, and compared the calculation with the laterally resolved 2PPE signal. We could show that the 2PPE signal gives a clear fingerprint of the theoretically predicted spatial dependence of the NZ field. This potential of our method is highly attractive in the novel field of plasmonics.

Plasmonenresonanzen von sichelförmigen metallischen Nanoobjekten

Metallische Objekte in der Größenordnung der optischen Wellenlänge zeigen Resonanzen im optischen Spektralbereich. Mit einer Kombination aus Kolloidlithographie, Metallfilmbedampfung und reaktivem Ionenstrahl¨atzen wurden Nanosicheln aus Gold bzw. Silber mit identischer Form und Orientierung in Sichelform mit einer Größe von 60nm bis 400nm hergestellt. Der Öffnungswinkel der Nanosicheln lässt sich kontinuierlich einstellen. Durch die einheitliche Orientierung lassen sich Messungen am Ensemble direkt auf das Verhalten des Einzelobjektes übertragen, wie ein Vergleich der Extinktionsspektren einer Ensemblemessung am UV/Vis/NIR-Spektrometer mit einer Einzelpartikelmessung in einem konfokalen Mikroskop zeigt. Die optische Antwort der Nanosicheln wurde als zwei-dimensionales Modell mit einer Finite Elemente Methode berechnet. Das Ergebnis sind mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im optischen Spektrum. Diese lassen sich durch Variation des Öffnungswinkels und der Gr¨oße der Nanosichel verschieben. Durch Beleuchten lassen sich plasmonische Schwingungen anregen, die ein stark lokalisiertes Nahfeld an den Spitzen und in der Öffnung der Nanosicheln erzeugen. Das Nahfeld der Partikelresonanz wurde mit einer Fotolackmethode nachgewiesen. Die Untersuchungen am UV/Vis/NIR-Spektrometer zeigen mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im Spektralbereich von 300 nm bis 3200 nm. Die Resonanzen der Nanosicheln lassen sich durch den Öffnungswinkel und den Durchmesser in der Größenordnung der Halbwertbreite im optischen Spektrum verschieben. In der Anwendung als Chemo- bzw. Biosensor zeigen Gold-Nanosicheln eine ähnliche Empfindlichkeit wie vergleichbare Sensoren auf der Basis von dünnen Metallstrukturen. Das Nahfeld zeichnet sich durch eine starke Lokalisierung aus und dringt, je nach Multipolordnung, zwischen 14 nm und 70 nm in die Umgebung ein. Quantenpunkte wurden an das Nahfeld der Nanosicheln gekoppelt. Die Emission der Quantenpunkte bei einer Wellenlänge von 860nm wird durch die Resonanz der Nanosicheln verstärkt. Die Nanosicheln wurden als optische Pinzette eingesetzt. Bei einer Anregung mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm wurden Polystyrolkolloide mit einem Durchmesser von 40 nm von den resonanten Nanosicheln eingefangen. Die Nanosicheln zeigen außergewöhnliche optische Eigenschaften, die mithilfe der Geometrieparameter über einen großen Bereich verändert werden können. Die ersten Anwendungen haben Anknüpfungspunkte zur Verwendung in der Sensorik, Fluoreszenzspektroskopie und als optische Pinzette aufgezeigt.

Outdoor bronze conservation: assessment of protective treatments by accelerated aging and of treatment removal procedures by laser cleaning

Outdoor bronzes exposed to the environment form naturally a layer called patina, which may be able to protect the metallic substrate. However, since the last century, with the appearance of acid rains, a strong change in the nature and properties of the copper based patinas occurred [1]. Studies and general observations have established that bronze corrosion patinas created by acid rain are not only disfiguring in terms of loss of detail and homogeneity, but are also unstable [2]. The unstable patina is partially leached away by rainwater. This leaching is represented by green streaking on bronze monuments [3]. Because of the instability of the patina, conservation techniques are usually required. On a bronze object exposed to the outdoor environment, there are different actions of the rainfall and other atmospheric agents as a function of the monument shape. In fact, we recognize sheltered and unsheltered areas as regards exposure to rainwater [4]. As a consequence of these different actions, two main patina types are formed on monuments exposed to the outdoor environment. These patinas have different electrochemical, morphological and compositional characteristics [1]. In the case of sheltered areas, the patina contains mainly copper products, stratified above a layer strongly enriched in insoluble Sn oxides, located at the interface with the uncorroded metal. Moreover, different colors of the patina result from the exposure geometry. The surface color may be pale green for unsheltered areas, and green and mat black for sheltered areas [4]. Thus, in real outdoor bronze monuments, the corrosion behavior is strongly influenced by the exposure geometry. This must be taken into account when designing conservation procedures, since the patina is in most cases the support on which corrosion inhibitors are applied. Presently, for protecting outdoor bronzes against atmospheric corrosion, inhibitors and protective treatments are used. BTA and its derivatives, which are the most common inhibitors used for copper and its alloy, were found to be toxic for the environment and human health [5, 6]. Moreover, it has been demonstrated that BTA is efficient when applied on bare copper but not as efficient when applied on bare bronze [7]. Thus it was necessary to find alternative compounds. Silane-based inhibitors (already successfully tested on copper and other metallic substrates [8]), were taken into consideration as a non-toxic, environmentally friendly alternative to BTA derivatives for bronze protection. The purpose of this thesis was based on the assessment of the efficiency of a selected compound, to protect the bronze against corrosion, which is the 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane (PropS-SH). It was selected thanks to the collaboration with the Corrosion Studies Centre “Aldo Daccò” at the Università di Ferrara. Since previous studies [9, 10, 11] demonstrated that the addition of nanoparticles to silane-based inhibitors leads to an increase of the protective efficiency, we also wanted to evaluate the influence of the addition of CeO2, La2O3, TiO2 nanoparticles on the protective efficiency of 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane, applied on pre-patinated bronze surfaces. This study is the first section of the thesis. Since restorers have to work on patinated bronzes and not on bare metal (except for contemporary art), it is important to be able to recreate the patina, under laboratory conditions, either in sheltered or unsheltered conditions to test the coating and to obtain reliable results. Therefore, at the University of Bologna, different devices have been designed to simulate the real outdoor conditions and to create a patina which is representative of real application conditions of inhibitor or protective treatments. In particular, accelerated ageing devices by wet & dry (simulating the action of stagnant rain in sheltered areas [12]) and by dropping (simulating the leaching action of the rain in unsheltered areas [1]) tests were used. In the present work, we used the dropping test as a method to produce pre-patinated bronze surfaces for the application of a candidate inhibitor as well as for evaluating its protective efficiency on aged bronze (unsheltered areas). In this thesis, gilded bronzes were also studied. When they are exposed to the outside environment, a corrosion phenomenon appears which is due to the electrochemical couple gold/copper where copper is the anode. In the presence of an electrolyte, this phenomenon results in the formation of corrosion products than will cause a blistering of the gold (or a break-up and loss of the film in some cases). Moreover, because of the diffusion of the copper salts to the surface, aggregates and a greenish film will be formed on the surface of the sample [13]. By coating gilded samples with PropS-SH and PropS-SH containing nano-particles and carrying out accelerated ageing by the dropping test, a discussion is possible on the effectiveness of this coating, either with nano-particles or not, against the corrosion process. This part is the section 2 of this thesis. Finally, a discussion about laser treatment aiming at the assessment of reversibility/re-applicability of the PropS-SH coating can be found in section 3 of this thesis. Because the protective layer loses its efficiency with time, it is necessary to find a way of removing the silane layer, before applying a new one on the “bare” patina. One request is to minimize the damages that a laser treatment would create on the patina. Therefore, different laser fluences (energy/surface) were applied on the sample surface during the treatment process in order to find the best range of fluence. In particular, we made a characterization of surfaces before and after removal of PropS-SH (applied on a naturally patinated surface, and subsequently aged by natural exposure) with laser methods. The laser removal treatment was done by the CNR Institute of Applied Physics “Nello Carrara” of Sesto Fiorentino in Florence. In all the three sections of the thesis, a range of non-destructive spectroscopic methods (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), μ-Raman spectroscopy, X-Ray diffractometry (XRD)) were used for characterizing the corroded surfaces. AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) was used to analyze the ageing solutions from the dropping test in sections 1 and 2.

Electrical scanning probe microscopy on organic optoelectronic structures

In the field of organic optoelectronics, the nanoscale structure of the materials has huge im-pact on the device performance. Here, scanning force microscopy (SFM) techniques become increasingly important. In addition to topographic information, various surface properties can be recorded on a nanometer length scale, such as electrical conductivity (conductive scanning force microscopy, C-SFM) and surface potential (Kelvin probe force microscopy, KPFM).rnrnIn the context of this work, the electrical SFM modes were applied to study the interplay be-tween morphology and electrical properties in hybrid optoelectronic structures, developed in the group of Prof. J. Gutmann (MPI-P Mainz). In particular, I investigated the working prin-ciple of a novel integrated electron blocking layer system. A structure of electrically conduct-ing pathways along crystalline TiO2 particles in an insulating matrix of a polymer derived ceramic was found and insulating defect structures could be identified. In order to get insights into the internal structure of a device I investigated a working hybrid solar cell by preparing a cross cut with focused ion beam polishing. With C-SFM, the functional layers could be identified and the charge transport properties of the novel active layer composite material could be studied. rnrnIn C-SFM, soft surfaces can be permanently damaged by (i) tip induced forces, (ii) high elec-tric fields and (iii) high current densities close to the SFM-tip. Thus, an alternative operation based on torsion mode topography imaging in combination with current mapping was intro-duced. In torsion mode, the SFM-tip vibrates laterally and in close proximity to the sample surface. Thus, an electrical contact between tip and sample can be established. In a series of reference experiments on standard surfaces, the working mechanism of scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) was investigated. Moreover, I studied samples covered with free standing semiconducting polymer nano-pillars that were developed in the group of Dr. P. Theato (University Mainz). The application of SCTMM allowed non-destructive imag-ing of the flexible surface at high resolution while measuring the conductance on individual pillarsrnrnIn order to study light induced electrical effects on the level of single nanostructures, a new SFM setup was built. It is equipped with a laser sample illumination and placed in inert at-mosphere. With this photoelectric SFM, I investigated the light induced response in function-alized nanorods that were developed in the group of Prof. R. Zentel (University Mainz). A block-copolymer containing an anchor block and dye moiety and a semiconducting conju-gated polymer moiety was synthesized and covalently bound to ZnO nanorods. This system forms an electron donor/acceptor interface and can thus be seen as a model system of a solar cell on the nanoscale. With a KPFM study on the illuminated samples, the light induced charge separation between the nanorod and the polymeric corona could not only be visualized, but also quantified.rnrnThe results demonstrate that electrical scanning force microscopy can study fundamental processes in nanostructures and give invaluable feedback to the synthetic chemists for the optimization of functional nanomaterials.rn

Einzelmolekül-Untersuchungen zu Faltung und Zusammenbau des Lichtsammelkomplexes LHCII

Zusammenfassungrn Der Faltungsprozess des Hauptlichtsammelkomplexes des Photosystems II aus höheren Pflanzen (light harvesting complex II, LHCII) wurde bereits mehrfach untersucht, die Experimente hierzu fanden stets im Ensemble statt. Anhand der bislang veröffentlichten Faltungskinetiken des LHCII aus höheren Pflanzen lassen sich aber keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Diversität der Faltungswege treffen. Daher sollten im Rahmen dieser Arbeit Faltungskinetiken einzelner LHCII-Moleküle während der Komplexbildung aufgenommen werden, um weitergehende Informationen zum Faltungsmechanismus zu erhalten und zur Frage, ob hier mehrere unterschiedliche Wege eingeschlagen werden.rnHierfür war zunächst die Etablierung einer Oberflächenimmobilisierung mit Glas als Trägermaterial notwendig. Nachdem Versuche, diese Immobilisierung über einen His6-tag oder über einen heterobifunktionellen Linker zu bewerkstelligen, nicht zum Erfolg geführt haben, konnte eine Immobilisierung des Biotin-markierten Proteins an Oberflächen-gebundenes Avidin erreicht werden. Die Qualität dieser Immobilisierung wurde hierbei sowohl über Bindungsversuche mit fluoreszenzfarbstoffmarkiertem Protein als auch über eine direkte Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft. Die für die folgenden Versuche optimale Belegungsdichte wurde im konfokalen Fluoreszenzmikroskop ermittelt. Zudem wurde sichergestellt, dass die Proteine vereinzelt auf der Oberfläche immobilisiert vorliegen.rnAuf dieser Basis wurden LHCII-Komplexe, die zuvor in vitro rekonstituiert wurden, immobilisiert und Versuche zur kontrollierten Denaturierung unternommen, um Zerfalls-kinetiken im Verfahren der internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (total internal reflection fluorescence, TIRF) aufnehmen zu können. Hierbei traten Schwierigkeiten bezüglich der Lebensdauer der Komplexe unter Laser-Belichtung auf, da sich die Löschung der Fluoreszenz durch Zerstrahlung der Pigmente einerseits oder Dissoziation der LHCII andererseits nicht unterscheiden ließen. Auch durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer konnte diese nicht in dem Maße gesteigert werden, wie es experimentell notwendig gewesen wäre.rnFür das eigentliche Hauptziel dieser Arbeit – die Aufzeichnung von Einzelmolekül-Faltungskinetiken – war die Entwicklung einer Methode zur Rekonstitution oberflächen-immobilisierter LHCII-Apoproteine notwendig. Dieses Ziel wurde mithilfe einer Detergenzmisch-Rekonstitution erreicht. Der Erfolg der Rekonstitution konnte experimentell sowohl im Fluorimeter anhand des komplexinternen Energietransfers auf einen kovalent an das Protein gebundenen Infrarot-Fluorophor als auch im TIRF-Verfahren direkt beobachtet werden. Auch hier konnte nach ca. 80 Sekunden ein Ausbleichen der Komplexe während der Belichtung durch den Anregungs-Laser beobachtet werden.rnIn Versuchen zur Beobachtung des Komplexbildungsvorganges zeigte sich, dass die Rekonstitution offenbar durch die Belichtung massiv gestört wird. Ein weiteres Problem war eine sehr starke Hintergrundfluoreszenz, ausgelöst durch die zur Rekonstitution notwendige Pigmentlösung, die trotz der TIRF-Anregung von ausschließlich oberflächengebundenem Material die Fluoreszenz der Komplexe überlagerte. Somit konnte die Rekonstitution oberflächenimmobilisierter LHCII-Proteine zwar in Vorher-Nachher-Aufnahmen gezeigt werden, der Faltungsprozess an sich konnte dagegen im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgezeichnet werden.

Einzelmolekülspektroskopische und quantenchemische Untersuchungen zum elektronischen Energietransfer

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Mechanismus, der Dynamik und der Kontrolle des elektronischen Energietransfers in multichromophoren Modellsystemen durchgeführt. Als Untersuchungsmethoden wurden hauptsächlich die konfokale Einzelmolekülspektroskopie und die Quantenchemie eingesetzt. Der Aufbau des Einzelmolekülmikroskops wurde bezüglich der Anregungs- und Detektionskomponenten variiert, um die unterschiedlichen Experimente durchzuführen. Die quantenchemischen Rechnungen wurden auf Dichtefunktional- und Coupled-Cluster-Niveau durchgeführt. Die aus den Rechnungen erhaltenen zusätzlichen Informationen über experimentell zum Teil schwer zugängliche Eigenschaften der Farbstoffe unterstützten die Interpretation der experimentellen Befunde. rnIn früheren Untersuchungen der AG Basché wurden die Energietransfer-Raten von Donor-Akzeptor-Systemen gemessen, die erhebliche Abweichungen von nach der Förster-Theorie berechneten Raten zeigten. Daher war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Abweichungen zu erklären. Zu diesem Zweck wurde die Geometrie der Diaden experimentell untersucht, sowie die elektronische Kopplung zwischen den Chromophoren quantenchemisch berechnet. Die relative Orientierung der Chromophore in den Diaden wurde in einem Einzelmolekül-Experiment mit rotierender Anregungspolarisation abgefragt. Die erhaltenen Winkelverteilungen konnten schließlich eindeutig auf die Flexibilität der die Chromophore verbrückenden Oligophenyl-Einheiten zurückgeführt werden. Die Unterschiede der gemessenen Energietransfer-Raten zu den nach der Förster-Theorie ermittelten Werten konnten jedoch nicht über die molekulare Flexibilität der Systeme erklärt werden. Aufklärung über die Diskrepanzen zur Förster-Theorie ergaben die quantenchemischen Rechnungen. In Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Coupled-Cluster-Theorie zur Berechnung der elektronischen Kopplung eingesetzt. Die Betrachtung der isolierten Chromophore reichte aber nicht aus, um die gemessenen Abweichungen von der Förster-Theorie zu erklären. Erst über die Berücksichtigung der molekularen Brücke konnten die gefunden Abweichungen erklärt werden. Die deutliche Verstärkung der elektronischen Kopplung ist auf die Polarisierbarkeit der Brücke zurückzuführen.rnNach diesen Betrachtungen stand die Kontrolle des Energietransfers im Fokus der weiteren Untersuchungen. In den durchgeführten Einzelmolekülexperimenten wurden die Chromophore der Donor-Akzeptor-Systeme selektiv mit zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Beim gleichzeitigen Anregen beider Chromophore wurde Singulett-Singulett-Annihilation (SSA) induziert, ein Energietransferprozess, bei dem die Anregungsenergie vom vorigen Akzeptor zum vorigen Donor übertragen wird. Da über SSA Fluoreszenzphotonen gelöscht wurden, konnte über den Abstand der Laserpulse die Fluoreszenzintensität des einzelnen Moleküls moduliert werden. Konzeptionell verwandte Einzelmolekülexperimente wurden an einem weiteren molekularen System durchgeführt, das aus einem Kern und einer Peripherie bestand. Fluoreszenzauszeiten des Gesamtsystems bei selektiver Anregung des Kerns wurden auf die Population eines Triplett-Zustandes zurückgeführt, der die Fluoreszenz der Peripherie löschte. rnAbschließend wurde der SSA-Prozess zwischen zwei gleichartigen Chromophoren untersucht. Es wurde eine Methode entwickelt, die es zum ersten Mal erlaubte, die SSA-Zeitkonstante individueller Moleküle zu bestimmen. Hierfür wurden die Daten der gemessenen Photonen-Koinzidenzhistogramme mittels eines im Rahmen dieser Arbeit hergeleiteten analytischen Zusammenhangs ausgewertet, der über Monte-Carlo-Simulationen bestätigt wurde.

Individual plasmonic nanogaps : controlled assembly and detailed investigation

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Resonanzen metallischer Nanopartikel im Abstand weniger Nanometer von einer metallischen Grenzfläche. Die elektromagnetische Wechselwirkung dieser „Kugel-vor-Fläche“ Geometrie ruft interessante optische Phänomene hervor. Sie erzeugt eine spezielle elektromagnetische Eigenmode, auch Spaltmode genannt, die im Wesentlichen auf den Nanospalt zwi-schen Kugel und Oberfläche lokalisiert ist. In der quasistatischen Näherung hängt die Resonanzposition nur vom Material, der Umgebung, dem Film-Kugel Abstand und dem Kugelradius selbst ab. Theoretische Berechnungen sagen für diese Region unter Resonanzbedingungen eine große Verstärkung des elektro-magnetischen Feldes voraus. rnUm die optischen Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein effizienter plasmonenver-mittelnder Dunkelfeldmodus für die konfokale Rastermikroskopie durch dünne Metallfilme entwickelt, der die Verstärkung durch Oberflächenplasmonen sowohl im Anregungs- als auch Emissionsprozess ausnutzt. Dadurch sind hochwertige Dunkelfeldaufnahmen durch die Metallfilme der Kugel-vor-Fläche Systeme garantiert, und die Spektroskopie einzelner Resonatoren wird erleichtert. Die optischen Untersuchungen werden durch eine Kombination von Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie vervollständigt, so dass die Form und Größe der untersuchten Resonatoren in allen drei Dimensionen bestimmt und mit den optischen Resonanzen korreliert werden können. Die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Modus wird für ein Referenzsystem aus Polystyrol-Kugeln auf einem Goldfilm demonstriert. Hierbei zeigen Partikel gleicher Größe auch die erwartete identische Resonanz.rnFür ein aus Gold bestehendes Kugel-vor-Fläche System, bei dem der Spalt durch eine selbstorganisierte Monolage von 2-Aminoethanthiol erzeugt wird, werden die Resonanzen von Goldpartikeln, die durch Reduktion mit Chlorgoldsäure erzeugt wurden, mit denen von idealen Goldkugeln verglichen. Diese ent-stehen aus den herkömmlichen Goldpartikeln durch zusätzliche Bestrahlung mit einem Pikosekunden Nd:Yag Laser. Bei den unbestrahlten Partikeln mit ihrer Unzahl an verschiedenen Formen zeigen nur ein Drittel der untersuchten Resonatoren ein Verhalten, das von der Theorie vorhergesagt wird, ohne das dies mit ihrer Form oder Größe korrelieren würde. Im Fall der bestrahlten Goldkugeln tritt eine spürbare Verbesserung ein, bei dem alle Resonatoren mit den theoretischen Rechnungen übereinstimmen. Eine Änderung der Oberflächenrauheit des Films zeigt hingegen keinen Einfluß auf die Resonanzen. Obwohl durch die Kombination von Goldkugeln und sehr glatten Metallfilmen eine sehr definierte Probengeometrie geschaffen wurde, sind die experimentell bestimmten Linienbreiten der Resonanzen immer noch wesentlich größer als die berechneten. Die Streuung der Daten, selbst für diese Proben, deutet auf weitere Faktoren hin, die die Spaltmoden beeinflußen, wie z.B. die genaue Form des Spalts. rnDie mit den Nanospalten verbundenen hohen Feldverstärkungen werden untersucht, indem ein mit Farbstoff beladenes Polyphenylen-Dendrimer in den Spalt eines aus Silber bestehenden Kugel-vor-Fläche Systems gebracht wird. Das Dendrimer in der Schale besteht lediglich aus Phenyl-Phenyl Bindungen und garantiert durch die damit einhergende Starrheit des Moleküls eine überragende Formstabiliät, ohne gleichzeitig optisch aktiv zu sein. Die 16 Dithiolan Endgruppen sorgen gleichzeitig für die notwendige Affinität zum Silber. Dadurch kann der im Inneren befindliche Farbstoff mit einer Präzision von wenigen Nanometern im Spalt zwischen den Metallstrukturen platziert werden. Der gewählte Perylen Farbstoff zeichnet sich wiederum durch hohe Photostabilität und Fluoreszenz-Quantenausbeute aus. Für alle untersuchten Partikel wird ein starkes Fluoreszenzsignal gefunden, das mindestens 1000-mal stärker ist, als das des mit Farbstoff überzogenen Metallfilms. Das Profil des Fluoreszenz-Anregungsspektrums variiert zwischen den Partikeln und zeigt im Vergleich zum freien Farbstoff eine zusätzliche Emission bei höheren Frequenzen, was in der Literatur als „hot luminescence“ bezeichnet wird. Bei der Untersuchung des Streuverhaltens der Resonatoren können wieder zwei unterschiedliche Arten von Resonatoren un-terschieden werden. Es gibt zunächst die Fälle, die bis auf die beschriebene Linienverbreiterung mit einer idealen Kugel-vor-Fläche Geometrie übereinstimmen und dann andere, die davon stark abweichen. Die Veränderungen der Fluoreszenz-Anregungsspektren für den gebundenen Farbstoffs weisen auf physikalische Mechanismen hin, die bei diesen kleinen Metall/Farbstoff Abständen eine Rolle spielen und die über eine einfache wellenlängenabhängige Verstärkung hinausgehen.

Real-Time Multimodal Retinal Image Registration for a Computer Assisted Laser Photocoagulation System

An algorithm for the real-time registration of a retinal video sequence captured with a scanning digital ophthalmoscope (SDO) to a retinal composite image is presented. This method is designed for a computer-assisted retinal laser photocoagulation system to compensate for retinal motion and hence enhance the accuracy, speed, and patient safety of retinal laser treatments. The procedure combines intensity and feature-based registration techniques. For the registration of an individual frame, the translational frame-to-frame motion between preceding and current frame is detected by normalized cross correlation. Next, vessel points on the current video frame are identified and an initial transformation estimate is constructed from the calculated translation vector and the quadratic registration matrix of the previous frame. The vessel points are then iteratively matched to the segmented vessel centerline of the composite image to refine the initial transformation and register the video frame to the composite image. Criteria for image quality and algorithm convergence are introduced, which assess the exclusion of single frames from the registration process and enable a loss of tracking signal if necessary. The algorithm was successfully applied to ten different video sequences recorded from patients. It revealed an average accuracy of 2.47 ± 2.0 pixels (∼23.2 ± 18.8 μm) for 2764 evaluated video frames and demonstrated that it meets the clinical requirements.

Micromorphology and adhesive performance of Er:YAG laser-treated dentin of primary teeth

This study evaluated (1) the micromorphology by scanning electron microscopy (SEM) and (2) the adhesive performance by microtensile bond strength (μTBS) of diamond bur-treated dentin compared to Er:YAG laser-treated dentin of human primary teeth. (1) For qualitative SEM evaluation, dentin of 18 second primary molars (n = 3/method) was treated with either diamond bur as a control (group 1a: 40 μm diamond bur only (clinical situation); group 1b: grinding + 40 μm diamond bur) or with Er:YAG laser (group 2a (clinical situation, manufacturer's settings): 200 mJ/25 Hz (5 W) + 100 mJ/35 Hz (3.5 W) laser only; group 2b (experimental setting "high"): grinding + 400 mJ/20 Hz (8 W); group 2c (manufacturer's setting "finishing"): grinding + 100 mJ/35 Hz (3.5 W); group 2d (experimental setting "low"): grinding + 50 mJ/35 Hz (1.75 W)). (2) For evaluation of adhesive performance, 64 second primary molars were divided into four groups and treated as described for group 1b and groups 2b/c/d (n = 16/method), and μTBS of Clearfil SE/Clearfil Majesty Esthetic to dentin was measured. The SEM micrographs were qualitatively analyzed. The μTBS values were compared with a Kruskal-Wallis test. The significance level was set at α = 0.05. SEM micrographs showed the typical micromorphologies with a smear layer for the diamond bur groups and open dentin tubules for all laser-treated groups. However, in group 2d, the laser beam had insufficiently irradiated the dentin area, rendering the underlying ground surface partly visible. There were no statistically significant differences between μTBS values of the four groups (p = 0.394). This suggests that Er:YAG laser treatment of dentin of primary molars provides bond strengths similar to those obtained following diamond bur treatment.

[The study of apoptosis factors released from laser injured cartilage inducing apoptosis of chondrocyte]

OBJECTIVE: To explore the role of pro-apoptotic signals following tissue injury and how these may promote a progression of further cell death. METHODS: Laser treated porcine articular cartilage disks were maintained in culture media. The collected media at various time periods (3, 6, 9, 12, 24 and 48 h), was called treated conditioned media (TCM). Non-laser treated cartilage disks were used to create control conditioned media (CCM). Each disk was subsequently maintained for 28 days and used in confocal microscopic assessment to document the progression of the damaged area. Isolated porcine chondrocytes were cultured in monolayer, and were exposed to TCM, CCM or normal culture medium (NM). As a positive inducer of apoptosis, the monolayer cells were exposed to UV radiation for 10 min and cultured in NM. Following 24 h exposure, the cells were harvested and stained with the appropriate combination of fluorescent dyes and processed via flow cytometry. RESULTS: All cultured cells exposed to TCM displayed a caspase-3 positive subpopulation, a loss of CMXRos, and with a reduced or lost NO signal. CCM exposure signals were comparable to the NM treatments with all having retained CMXRos, NO and without evidence of caspase-3 activity. UV treatment also induced a reduction in NO, but both CMXRos and caspase-3 positive, representing an earlier stage of apoptosis and suggesting that the mode of cell death via UV and TCM exposure are via different processes. The investigation of a dose (100%, 50%, 25% and 12.5%) and time (0.5, 1, 3, 9, 12 h) response to TCM exhibited that all treatments observed an increase in caspase-3 positive cells and a reduction in NO and CMXRos. CONCLUSION: The usefulness of FCM can be used in the study of cell viability and apoptosis. Such a system may be useful in the study of mechanisms of disease such as osteoarthritis, thus may be of practical use for the pharmaceutical industry for screening associated drugs.

CO2 laser-irradiation through topically applied fluoride increases acid resistance of demineralised human enamel in vitro

PURPOSE: To evaluate the effect of CO2 laser treatment through topically applied amine fluoride solution on demineralised enamel. MATERIALS AND METHODS: Sixty extracted human molar crowns were selected and cut longitudinally into half. One half was subjected to a 10-day pH-cycling procedure to create caries-like lesions, whereas the other was left non-demineralised. The following treatments were randomly assigned (one treatment per tooth, on respective non-demineralised and demineralised matched specimens): exposure to a 1% amine fluoride solution for 15 s without irradiation (group I), irradiation for 15 s with a continuous-wave CO2 laser (group II), or laser-treatment for 15 s through the amine fluoride solution applied immediately beforehand (group III). Fluoride uptake (n = 30) and acid resistance (n = 30) were determined after treatment. Enamel surface alterations after laser irradiation were monitored using scanning electron microscopy. RESULTS: In groups I and III, an increased fluoride uptake was detected (p < or = 0.05). Laser irradiation through topical fluoride resulted in an increased acid resistance of sound and demineralised enamel specimens in deeper layers (p < or = 0.05). In addition, less surface alterations were observed in SEM examination of specimens irradiated through the amine fluoride solution compared with counterparts treated with laser only. CONCLUSIONS: CO2 laser light application through an amine fluoride solution may be instrumental in enhancing acid resistance of sound and demineralised enamel.

Ethnic differences in macular pigment density and distribution

PURPOSE: Many epidemiologic studies suggest a number of risk factors that may be associated with progression of age-related maculopathy (ARM). In this study, the authors investigate ethnic differences in macular pigment density (MPD) and macular pigment (MP) distribution. METHODS: Inclusion criteria were healthy subjects, aged 35 to 49 years, visual acuity >or=20/20, race ethnicity white non-Hispanic (WNH) or African. All subjects underwent the following examinations: best-corrected ETDRS visual acuity (VA), measurements of MPD, and spatial distribution of MP with a modified confocal scanning laser ophthalmoscope according to a standard protocol. MPD maps were calculated from autofluorescence images recorded at 488 nm and 514 nm. Central macular pigment density (MPDc) was quantified from MPD maps within 0.5 degrees around the center of the fovea. RESULTS: In total, 118 healthy subjects (61 women, 57 men) aged 35 to 49 years (mean, 42.5 +/- 3.6 years) were recruited for the study. Sixty-seven healthy subjects were WNH and 51 were African. Visual acuity ranged from 20/20 to 20/16 in the study eye. Significant differences were found among MPDc between the group of WNH (MPDc, 0.36 +/- 0.13 density units [DU]; P < 0.0001) and African subjects (MPDc, 0.59 +/- 0.14 DU). A parafoveal ring was significantly more frequent in African subjects than in WNH subjects (86% [African] vs. 68% [WNH]; P < 0.0001). CONCLUSIONS: This study demonstrates that ethnicity plays a role in MPD values and in MP distribution. The association of different distribution patterns and their relevance as possible prognostic factors for diseases leading to oxidative retinal damage requires further studies.

Multimodal imaging in macular diagnostics: combined OCT-SLO improves therapeutical monitoring

BACKGROUND: Digital imaging methods are a centrepiece for diagnosis and management of macular disease. A recently developed imaging device is composed of simultaneous confocal scanning laser ophthalmoscopy (SLO) and optical coherence tomography (OCT). By means of clinical samples the benefit of this technique concerning diagnostic and therapeutic follow-up will be assessed. METHODS: The combined OCT-SLO-System (Ophthalmic Technologies Inc., Toronto, Canada) allows for confocal en-face fundus imaging and high resolution OCT scanning at the same time. OCT images are obtained from transversal line scans. One light source and the identical scanning rate yield a pixel-to-pixel correspondence of images. Three-dimensional thickness maps are derived from C-scan stacking. RESULTS: We followed-up patients with cystoid macular edema, pigment epithelium detachment, macular hole, venous branch occlusion, and vitreoretinal tractions during their course of therapy. The new imaging method illustrates the reduction of cystoid volume, e.g. after intravitreal injections of either angiostatic drugs or steroids. C-scans are used for appreciation of lesion diameters, visualisation of pathologies involving the vitreoretinal interface, and quantification of retinal thickness change. CONCLUSION: The combined OCT-SLO system creates both topographic and tomographic images of the retina. New therapeutic options can be followed-up closely by observing changes in lesion thickness and cyst volumes. For clinical use further studies are needed.