Competing demands for a complex system : photosystem II repair, photoprotection and quantum yield

Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge Photosynthesis in general is a key biological process on Earth and Photo system II (PSII) is an important component of this process. PSII is the only enzyme capable of oxidizing water and is largely responsible for the primordial build-up and present maintenance of the oxygen in the atmosphere. This thesis endeavoured to understand the link between structure and function in PSII with special focus on primary photochemistry, repair/photodamage and spectral characteristics. The deletion of the PsbU subunit ofPSII in cyanobacteria caused a decoupling of the Phycobilisomes (PBS) from PSII, likely as a result of increased rates of PSII photodamage with the PBS decoupling acting as a measure to protect PSII from further damage. Isolated fractions of spinach thylakoid membranes were utilized to characterize the heterogeneity present in the various compartments of the thylakoid membrane. It was found that the pooled PSIILHCII pigment populations were connected in the grana stack and there was also a progressive decrease in the reaction rates of primary photochemistry and antennae size of PSII as the sample origin moved from grana to stroma. The results were consistent with PSII complexes becoming damaged in the grana and being sent to the stroma for repair. The dramatic quenching of variable fluorescence and overall fluorescent yield of PSII in desiccated lichens was also studied in order to investigate the mechanism by which the quenching operated. It was determined that the source of the quenching was a novel long wavelength emitting external quencher. Point mutations to amino acids acting as ligands to chromophores of interest in PSII were utilized in cyanobacteria to determine the role of specific chromophores in energy transfer and primary photochemistry. These results indicated that the Hl14 ligated chlorophyll acts as the 'trap' chlorophyll in CP47 at low temperature and that the Q130E mutation imparts considerable changes to PSII electron transfer kinetics, essentially protecting the complex via increased non-radiative charge.

Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

Développement de méthodes d’analyse directe de polluants organiques volatils à l’état de traces dans l’air et les biogaz

Il est reconnu que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les isomères du xylène, composés organiques volatils (COVs) communément désignés BTEX, produisent des effets nocifs sur la santé humaine et sur les végétaux dépendamment de la durée et des niveaux d’exposition. Le benzène en particulier est classé cancérogène et une exposition à des concentrations supérieures à 64 g/m3 de benzène peut être fatale en 5–10 minutes. Par conséquent, la mesure en temps réel des BTEX dans l’air ambiant est essentielle pour détecter rapidement un danger associé à leur émission dans l’air et pour estimer les risques potentiels pour les êtres vivants et pour l’environnement. Dans cette thèse, une méthode d’analyse en temps réel des BTEX dans l’air ambiant a été développée et validée. La méthode est basée sur la technique d’échantillonnage direct de l’air couplée avec la spectrométrie de masse en tandem utilisant une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS/MS directe). La validation analytique a démontré la sensibilité (limite de détection LDM 1–2 μg/m3), la précision (coefficient de variation CV < 10%), l’exactitude (exactitude > 95%) et la sélectivité de la méthode. Des échantillons d’air ambiant provenant d’un site d’enfouissement de déchets industriels et de divers garages d’entretien automobile ont été analysés par la méthode développée. La comparaison des résultats avec ceux obtenus par la technique de chromatographie gazeuse on-line couplée avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a donné des résultats similaires. La capacité de la méthode pour l’évaluation rapide des risques potentiels associés à une exposition aux BTEX a été prouvée à travers une étude de terrain avec analyse de risque pour la santé des travailleurs dans trois garages d’entretien automobile et par des expériences sous atmosphères simulées. Les concentrations mesurées dans l’air ambiant des garages étaient de 8,9–25 µg/m3 pour le benzène, 119–1156 µg/m3 pour le toluène, 9–70 µg/m3 pour l’éthylbenzène et 45–347 µg/m3 pour les xylènes. Une dose quotidienne environnementale totale entre 1,46 10-3 et 2,52 10-3 mg/kg/jour a été déterminée pour le benzène. Le risque de cancer lié à l’exposition environnementale totale au benzène estimé pour les travailleurs étudiés se situait entre 1,1 10-5 et 1,8 10-5. Une nouvelle méthode APCI-MS/MS a été également développée et validée pour l’analyse directe de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) et le décaméthylcyclopentasiloxane (D5) dans l’air et les biogaz. Le D4 et le D5 sont des siloxanes cycliques volatils largement utilisés comme solvants dans les processus industriels et les produits de consommation à la place des COVs précurseurs d’ozone troposphérique tels que les BTEX. Leur présence ubiquitaire dans les échantillons d’air ambiant, due à l’utilisation massive, suscite un besoin d’études de toxicité. De telles études requièrent des analyses qualitatives et quantitatives de traces de ces composés. Par ailleurs, la présence de traces de ces substances dans un biogaz entrave son utilisation comme source d’énergie renouvelable en causant des dommages coûteux à l’équipement. L’analyse des siloxanes dans un biogaz s’avère donc essentielle pour déterminer si le biogaz nécessite une purification avant son utilisation pour la production d’énergie. La méthode développée dans cette étude possède une bonne sensibilité (LDM 4–6 μg/m3), une bonne précision (CV < 10%), une bonne exactitude (> 93%) et une grande sélectivité. Il a été également démontré qu’en utilisant cette méthode avec l’hexaméthyl-d18-disiloxane comme étalon interne, la détection et la quantification du D4 et du D5 dans des échantillons réels de biogaz peuvent être accomplies avec une meilleure sensibilité (LDM ~ 2 μg/m3), une grande précision (CV < 5%) et une grande exactitude (> 97%). Une variété d’échantillons de biogaz prélevés au site d’enfouissement sanitaire du Complexe Environnemental de Saint-Michel à Montréal a été analysée avec succès par cette nouvelle méthode. Les concentrations mesurées étaient de 131–1275 µg/m3 pour le D4 et 250–6226 µg/m3 pour le D5. Ces résultats représentent les premières données rapportées dans la littérature sur la concentration des siloxanes D4 et D5 dans les biogaz d’enfouissement en fonction de l’âge des déchets.

Réponse auditive oscillatoire chez le non-voyant : investigation par magnétoencéphalographie

Les personnes non-voyantes montrent dans les différents aspects de leurs vies qu’elles sont capables de s’adapter à la privation visuelle en utilisant les capacités intactes comme l’ouï ou le toucher. Elles montrent qu’elles peuvent bien évoluer dans leur environnement en absence de vision et démontrent même des fois des habiletés supérieures à celles des personnes voyantes. La recherche de ces dernières décennies s’est beaucoup intéressée aux capacités adaptatives des non-voyants surtout avec l’avènement des nouvelles techniques d’imagerie qui ont permis d’investiguer des domaines qui ne l’étaient pas ou l’étaient difficilement avant. Les capacités supérieures des non voyants dans l’utilisation plus efficace des informations auditives et tactiles semblent avoir leur base neuronale dans le dans le cortex visuel désafférenté, qui continu à être fonctionnel après la privation sensorielle et s’en trouve recruté pour le traitement de stimulations dites intermodales : auditives, tactiles et même montre une implication dans des processus de plus haut niveau, comme la mémoire ou le langage. Cette implication fonctionnelle intermodale résulte de la plasticité du cortex visuel c'est-à-dire sa capacité à changer sa structure, sa fonction et d’adapter ses interactions avec les autres systèmes en l’absence de vision. La plasticité corticale n’est pas exclusive au cortex visuel mais est un état permanent de tout le cerveau. Pour mesurer l’activité du cortex visuel des non voyants, une mesure d’excitabilité de ses neurones consiste à mesurer le temps de recouvrement de l’onde N1 en potentiels évoqués, qui est plus rapide chez les non voyants dans la modalité auditive. En effet, les réponses en potentiels et champs évoqués ont été utilisés en EEG/MEG pour mettre en évidence des changements plastiques dans le cortex visuel des non-voyants pour le traitement de stimuli dans les modalités auditives et tactiles. Ces réponses étaient localisées dans les régions postérieures chez les non voyants contrairement aux contrôles voyants. Un autre type de réponse auditive a reçu moins d’intérêt dans la recherche concernant la réorganisation fonctionnelle en relation avec la privation sensorielle, il s’agit de la réponse auditive oscillatoire (Auditory Steady-State Response ASSR). C’est une réponse qui a l’avantage d’osciller au rythme de stimulation et d’être caractérisé par une réponse des aires auditives étiquetée à la fréquence de stimulation. Cette étiquette se présente sous la forme qu’un pic d’énergie spectrale important qui culmine aux fréquences présentes dans la stimulation. Elle a également l’avantage d’être localisée dans les régions auditives primaires, de là tout changement de localisation de cette réponse chez des non voyants en faveur des régions visuelles pourrait être considéré comme une évidence de la réorganisation fonctionnelle qui s’opère après une privation sensorielle précoce. Le but de cette thèse est donc d’utiliser la réponse oscillatoire à l’écoute des sons modulés en amplitude (MA) pour mettre en évidence les corrélats de la réorganisation fonctionnelle dans le cortex visuel des non-voyants précoces. La modulation de la réponse auditive dans les régions visuelles nous permettra de montrer qu’une réorganisation est possible chez les non-voyants pour ce traitement intermodal. La première étude est une validation du paradigme expérimental «frequency tagged sounds». Il s’agit de montrer qu’une tâche de détection de changement dans la stimulation, permet de moduler la réponse ASSR aux sons modulés en amplitude en vue de l’utiliser dans les études chez les non voyants et dans les conditions d’une privation visuelle transitoire (avec les yeux bandés). Un groupe de sujets voyants ont réalisé une tâche de détection de changement dans la stimulation les yeux ouverts dans deux conditions : écoute active qui consiste à détecter un changement dans la fréquence porteuse de la modulation en appuyant avec l’index droit sur un bouton de réponse et une condition d’écoute passive. Les sons étaient présentés en écoute monaurale et dichotique. Les résultats ont montré une différence significative à l’occurrence du changement dans la stimulation en écoute dichotique seulement. Les schémas de plus grande réponse controlatérale et de suppression binaurale décrit dans la littérature ont été confirmés. La deuxième étude avait pour but de mettre en évidence une réorganisation rapide de la réponse ASSR chez un groupe de sujets voyants dans les conditions de privation visuelle transitoire de courte durée, par bandage des yeux pendant six heures. Le même protocole expérimental que la première étude a été utilisé en écoute active seulement. Les résultats montrent que dans ces conditions une modulation de la réponse corticale en écoute dichotique dans les régions visuelles est possible. Ces sources d’activité occipitale adoptent une propriété du cortex auditif qui est le battement binaural, c'est-à-dire l’oscillation de la réponse ASSR à la différence des fréquences présentées dans chaque oreille. Cet effet est présent chez la moitié des sujets testés. La représentation corticale des sources occipitales évolue durant la période de privation et montre un déplacement des sources d’activité dans la direction antéropostérieure à la fin de la période de privation. La troisième étude a permis de comparer le traitement de la réponse ASSR dans un groupe de non-voyants congénitaux à un groupe de voyants contrôles, pour investiguer les corrélats de la réorganisation fonctionnelle de cette réponse après une privation sensorielle de longue durée c'est-à-dire chez des non voyants congénitaux. Les résultats montrent des différences significatives dans la représentation spectrale de la réponse entre les deux groupes avec néanmoins des activations temporales importantes aussi bien chez les non voyants que chez les contrôles voyants. Des sources distribuées ont été localisées dans les régions associatives auditives dans les deux groupes à la différence des non voyants où il y avait en plus l’implication des régions temporales inférieures, connues comme étant activées par la vision des objets chez les voyants et font partie de la voie visuelle du quoi. Les résultats présentés dans le cadre de cette thèse vont dans le sens d’une réorganisation rapide de la réponse auditive oscillatoire après une privation visuelle transitoire de courte durée par l’implication des régions visuelles dans le traitement de la réponse ASSR par l’intermédiaire du démasquage de connections existantes entre le cortex visuel et le cortex auditif. La privation visuelle de longue durée, elle conduit à des changements plastiques, d’une part intra modaux par l’extension de l’activité aux régions temporales supérieures et médianes. D’autre part, elle induit des changements inter modaux par l’implication fonctionnelle des régions temporales inférieures visuelles dans le traitement des sons modulés en amplitude comme objets auditifs alors qu’elles sont normalement dédiées au traitement des objets visuels. Cette réorganisation passe probablement par les connections cortico-corticales.

Simulation de profils de gravure et de dépôt à l’échelle du motif pour l’étude des procédés de microfabrication utilisant une source plasma de haute densité à basse pression

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon.

Role Clarification Processes for Better Integration of Nurse Practitioners into Primary Healthcare Teams: A Multiple-Case Study

Cet article s'intéresse aux processus de clarification des rôles professionnels lors de l'intégration d'une infirmière praticienne spécialisée dans les équipes de première ligne au Québec.

Thermal lens technique to study the effect of pH on electronic energy transfer in organic dye mixtures.

The effect of pH on the fluorescence efficiency of fluorescein is evaluated using thermal lens technique. Fluorescence efficiency increases as the sample becomes more and more alkaline. But when fluorescein is mixed with rhodamine B fluorescence quenching of fluorescein takes place with the excitation of rhodamine B. The electronic energy transfer in this mixture is investigated using Optical Parametric Oscillator as the excitation source. The effect of pH on the efficiency of energy transfer in fluorescein–rhodamine B mixture is presented.

A comparative study of energy transfer in dye mixtures in monomer and polymer matrices under pulsed laser excitation

This study was conducted to identify the concentration dependence of the operating wavelengths and the relative intensities in which a dye mixture doped polymer optical fibre can operate. A comparative study of the radiative and Forster type energy transfer processes in Coumarin 540:Rhodamine 6G, Coumarin 540:Rhodamine B and Rhodamine 6G:Rhodamine B in methyl methacrylate (MMA) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) was done by fabricating a series of dye mixture doped polymer rods which have two emission peaks with varying relative intensities. These rods can be used as preforms for the fabrication of polymer optical fibre amplifiers operating in the multi-wavelength regime. The 445 nm line from an Nd:YAG pumped optical parametric oscillator (OPO) was used as the excitation source for the first two dye pairs and a frequency doubled Nd:YAG laser emitting at 532 nm was used to excite the Rh 6G:Rh B pair. The fluorescence lifetimes of the donor molecule in pure form as well as in the mixtures were experimentally measured in both monomer and polymer matrices by time-correlated single photon counting technique. The energy transfer rate constants and transfer efficiencies were calculated and their dependence on the acceptor concentration was analysed. It was found that radiative energy transfer mechanisms are more efficient in all the three dye pairs in liquid and solid matrices.

Photothermal Characterization of Nanogold Under Conditions of Resonant Excitation and Energy Transfer

We have performed thermal diffusion measurements of nanofluid containing gold and rhodamine 6G dye in various ratios. At certain concentrations, gold is nearly four times more efficient than water in dissipating small temperature fluctuations in a medium, and therefore it will find applications as heat transfer fluids. We have employed dual-beam mode-matched thermal lens technique for the present investigation. It is a sensitive technique in measuring photothermal parameters because of the use of a lowpower, stabilized laser source as the probe. We also present the results of fluorescence measurements of the dye in the nanogold environment.

Laser induced fluorescence of BaS: Sm phosphor and energy level splitting of Sm3+ ion

Fluorescence of BaS: Sm phosphor has been studied using a pulsed Nitrogen laser (337.1 nm) as the excitation source. The spectrum consists of a broad band in the region 540–660nm superposed by the characteristic Sm3+ lines. Energy level splitting pattern of Sm3+ due to crystal field effects has been calculated and relevent field parameters are evaluated. Analysis shows that Sm3+ takes up Ba2+ substitutional sites.

Contribution of size fractions of planktonic algae to primary organic productivity in the coastal waters of Cochin- south west coast of lndia

This thesis entitled “Contribution of size fractions of planktonic algae to primary organic productivity in the coastal waters of cochin,south west coast of india”. Marine ecosystems planktonic algae are the most important primary producers on wliich considerable attention is being given on account of their supreme status in the marine food chain.The study of primary production in the Indian Ocean started With DANA (I928-30),, John Murray t I933-34). Discovery ( I934) and Albatross (I947-48) expeditions which tried to evaluate productivity from nutrients and standing crop of phytoplankton .The bioproductivity of the marine environment is dependent on various primary producers. ranging in size from picoplankton to larger macro phytoplankton. The quantity and quality of various size fractions of planktonic algae at any locality depend mainly on the hydrographic conditions of the area .In the coastal waters of Cochin- south west coast of lndia. Planktonic algal community is composed mainly of the diatoms, the dinoflagellates, the blue-green algae and the silicoflagellates, the former two contributing the major flora and found distributed in the all size fractions. The maximum number of species of diatoms at station 1 and station 2 was found in the pre-monsoon season.. The size groups of planktonic algae greater than 53 um are dominated by filamentous- chain forming and colonial diatoms. The coastal waters of Cochin. planktonic algae less than 53 um in size contribute significantly to primary productivity and the biodiversity of the microflora, indicating the presence of rich fishery resources in the south west coast of india.The study of different size fractions of planktonic algae and their relative contribution to the primary organic production is a useful tool for the estimation of the quantity and quality of fisheries.A deeper investigation on the occurrence of these microalgae and proper identification of their species would be of immense help for the assessment of the specificity and magnitude of fishery resources.

Energy Efficient Cache Discovery in Wireless Mobile Ad oc Networks

Data caching is an attractive solution for reducing bandwidth demands and network latency in mobile ad hoc networks. Deploying caches in mobile nodes can reduce the overall traf c considerably. Cache hits eliminate the need to contact the data source frequently, which avoids additional network overhead. In this paper we propose a data discovery and cache management policy for cooperative caching, which reduces the power usage, caching overhead and delay by reducing the number of control messages flooded into the network .A cache discovery process based on position cordinates of neighboring nodes is developed for this .The stimulstion results gives a promising result based on the metrics of the studies.

New studies on the versatile roles of Polyaniline and its composites in polymer based optoelectronic and energy storage devices

From the early stages of the twentieth century, polyaniline (PANI), a well-known and extensively studied conducting polymer has captured the attention of scientific community owing to its interesting electrical and optical properties. Starting from its structural properties, to the currently pursued optical, electrical and electrochemical properties, extensive investigations on pure PANI and its composites are still much relevant to explore its potentialities to the maximum extent. The synthesis of highly crystalline PANI films with ordered structure and high electrical conductivity has not been pursued in depth yet. Recently, nanostructured PANI and the nanocomposites of PANI have attracted a great deal of research attention owing to the possibilities of applications in optical switching devices, optoelectronics and energy storage devices. The work presented in the thesis is centered around the realization of highly conducting and structurally ordered PANI and its composites for applications mainly in the areas of nonlinear optics and electrochemical energy storage. Out of the vast variety of application fields of PANI, these two areas are specifically selected for the present studies, because of the following observations. The non-linear optical properties and the energy storing properties of PANI depend quite sensitively on the extent of conjugation of the polymer structure, the type and concentration of the dopants added and the type and size of the nano particles selected for making the nanocomposites. The first phase of the work is devoted to the synthesis of highly ordered and conducting films of PANI doped with various dopants and the structural, morphological and electrical characterization followed by the synthesis of metal nanoparticles incorporated PANI samples and the detailed optical characterization in the linear and nonlinear regimes. The second phase of the work comprises the investigations on the prospects of PANI in realizing polymer based rechargeable lithium ion cells with the inherent structural flexibility of polymer systems and environmental safety and stability. Secondary battery systems have become an inevitable part of daily life. They can be found in most of the portable electronic gadgets and recently they have started powering automobiles, although the power generated is low. The efficient storage of electrical energy generated from solar cells is achieved by using suitable secondary battery systems. The development of rechargeable battery systems having excellent charge storage capacity, cyclability, environmental friendliness and flexibility has yet to be realized in practice. Rechargeable Li-ion cells employing cathode active materials like LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 have got remarkable charge storage capacity with least charge leakage when not in use. However, material toxicity, chance of cell explosion and lack of effective cell recycling mechanism pose significant risk factors which are to be addressed seriously. These cells also lack flexibility in their design due to the structural characteristics of the electrode materials. Global research is directed towards identifying new class of electrode materials with less risk factors and better structural stability and flexibility. Polymer based electrode materials with inherent flexibility, stability and eco-friendliness can be a suitable choice. One of the prime drawbacks of polymer based cathode materials is the low electronic conductivity. Hence the real task with this class of materials is to get better electronic conductivity with good electrical storage capability. Electronic conductivity can be enhanced by using proper dopants. In the designing of rechargeable Li-ion cells with polymer based cathode active materials, the key issue is to identify the optimum lithiation of the polymer cathode which can ensure the highest electronic conductivity and specific charge capacity possible The development of conducting polymer based rechargeable Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling characteristics is a highly competitive area among research and development groups, worldwide. Polymer based rechargeable batteries are specifically attractive due to the environmentally benign nature and the possible constructional flexibility they offer. Among polymers having electrical transport properties suitable for rechargeable battery applications, polyaniline is the most favoured one due to its tunable electrical conducting properties and the availability of cost effective precursor materials for its synthesis. The performance of a battery depends significantly on the characteristics of its integral parts, the cathode, anode and the electrolyte, which in turn depend on the materials used. Many research groups are involved in developing new electrode and electrolyte materials to enhance the overall performance efficiency of the battery. Currently explored electrolytes for Li ion battery applications are in liquid or gel form, which makes well-defined sealing essential. The use of solid electrolytes eliminates the need for containment of liquid electrolytes, which will certainly simplify the cell design and improve the safety and durability. The other advantages of polymer electrolytes include dimensional stability, safety and the ability to prevent lithium dendrite formation. One of the ultimate aims of the present work is to realize all solid state, flexible and environment friendly Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling stability. Part of the present work is hence focused on identifying good polymer based solid electrolytes essential for realizing all solid state polymer based Li ion cells.The present work is an attempt to study the versatile roles of polyaniline in two different fields of technological applications like nonlinear optics and energy storage. Conducting form of doped PANI films with good extent of crystallinity have been realized using a level surface assisted casting method in addition to the generally employed technique of spin coating. Metal nanoparticles embedded PANI offers a rich source for nonlinear optical studies and hence gold and silver nanoparticles have been used for making the nanocomposites in bulk and thin film forms. These PANI nanocomposites are found to exhibit quite dominant third order optical non-linearity. The highlight of these studies is the observation of the interesting phenomenon of the switching between saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA) in the films of Ag/PANI and Au/PANI nanocomposites, which offers prospects of applications in optical switching. The investigations on the energy storage prospects of PANI were carried out on Li enriched PANI which was used as the cathode active material for assembling rechargeable Li-ion cells. For Li enrichment or Li doping of PANI, n-Butyllithium (n-BuLi) in hexanes was used. The Li doping as well as the Li-ion cell assembling were carried out in an argon filled glove box. Coin cells were assembled with Li doped PANI with different doping concentrations, as the cathode, LiPF6 as the electrolyte and Li metal as the anode. These coin cells are found to show reasonably good specific capacity around 22mAh/g and excellent cycling stability and coulombic efficiency around 99%. To improve the specific capacity, composites of Li doped PANI with inorganic cathode active materials like LiFePO4 and LiMn2O4 were synthesized and coin cells were assembled as mentioned earlier to assess the electrochemical capability. The cells assembled using the composite cathodes are found to show significant enhancement in specific capacity to around 40mAh/g. One of the other interesting observations is the complete blocking of the adverse effects of Jahn-Teller distortion, when the composite cathode, PANI-LiMn2O4 is used for assembling the Li-ion cells. This distortion is generally observed, near room temperature, when LiMn2O4 is used as the cathode, which significantly reduces the cycling stability of the cells.

Femtosecond imaging-mode laser-induced breakdown spectroscopy

Many nonlinear optical microscopy techniques based on the high-intensity nonlinear phenomena were developed recent years. A new technique based on the minimal-invasive in-situ analysis of the specific bound elements in biological samples is described in the present work. The imaging-mode Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is proposed as a combination of LIBS, femtosecond laser material processing and microscopy. The Calcium distribution in the peripheral cell wall of the sunflower seedling (Helianthus Annuus L.) stem is studied as a first application of the imaging-mode LIBS. At first, several nonlinear optical microscopy techniques are overviewed. The spatial resolution of the imaging-mode LIBS microscope is discussed basing on the Point-Spread Function (PSF) concept. The primary processes of the Laser-Induced Breakdown (LIB) are overviewed. We consider ionization, breakdown, plasma formation and ablation processes. Water with defined Calcium salt concentration is used as a model of the biological object in the preliminary experiments. The transient LIB spectra are measured and analysed for both nanosecond and femtosecond laser excitation. The experiment on the local Calcium concentration measurements in the peripheral cell wall of the sunflower seedling stem employing nanosecond LIBS shows, that nanosecond laser is not a suitable excitation source for the biological applications. In case of the nanosecond laser the ablation craters have random shape and depth over 20 µm. The analysis of the femtosecond laser ablation craters shows the reproducible circle form. At 3.5 µJ laser pulse energy the diameter of the crater is 4 µm and depth 140 nm for single laser pulse, which results in 1 femtoliter analytical volume. The experimental result of the 2 dimensional and surface sectioning of the bound Calcium concentrations is presented in the work.

Determination of yield and quality parameters of energy crops applying laboratory and field spectroscopy

A real-time analysis of renewable energy sources, such as arable crops, is of great importance with regard to an optimised process management, since aspects of ecology and biodiversity are considered in crop production in order to provide a sustainable energy supply by biomass. This study was undertaken to explore the potential of spectroscopic measurement procedures for the prediction of potassium (K), chloride (Cl), and phosphate (P), of dry matter (DM) yield, metabolisable energy (ME), ash and crude fibre contents (ash, CF), crude lipid (EE), nitrate free extracts (NfE) as well as of crude protein (CP) and nitrogen (N), respectively in pretreated samples and undisturbed crops. Three experiments were conducted, one in a laboratory using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) and two field spectroscopic experiments. Laboratory NIRS measurements were conducted to evaluate to what extent a prediction of quality parameters is possible examining press cakes characterised by a wide heterogeneity of their parent material. 210 samples were analysed subsequent to a mechanical dehydration using a screw press. Press cakes serve as solid fuel for thermal conversion. Field spectroscopic measurements were carried out with regard to further technical development using different field grown crops. A one year lasting experiment over a binary mixture of grass and red clover examined the impact of different degrees of sky cover on prediction accuracies of distinct plant parameters. Furthermore, an artificial light source was used in order to evaluate to what extent such a light source is able to minimise cloud effects on prediction accuracies. A three years lasting experiment with maize was conducted in order to evaluate the potential of off-nadir measurements inside a canopy to predict different quality parameters in total biomass and DM yield using one sensor for a potential on-the-go application. This approach implements a measurement of the plants in 50 cm segments, since a sensor adjusted sideways is not able to record the entire plant height. Calibration results obtained by nadir top-of-canopy reflectance measurements were compared to calibration results obtained by off-nadir measurements. Results of all experiments approve the applicability of spectroscopic measurements for the prediction of distinct biophysical and biochemical parameters in the laboratory and under field conditions, respectively. The estimation of parameters could be conducted to a great extent with high accuracy. An enhanced basis of calibration for the laboratory study and the first field experiment (grass/clover-mixture) yields in improved robustness of calibration models and allows for an extended application of spectroscopic measurement techniques, even under varying conditions. Furthermore, off-nadir measurements inside a canopy yield in higher prediction accuracies, particularly for crops characterised by distinct height increment as observed for maize.