Structure and peroxidase activity of ferric Streptomyces clavuligerus orf10-encoded protein P450CLA: UV-visible, CD, MCD and EPR spectroscopic characterization

The present study reports the spectroscopic characterization by UV-visible absorption spectroscopy, magnetic circular dichroism (MCD) and electron paramagnetic resonance (EPR) of the recombinant orf10-encoded P450-camphor like protein (P450CLA)of Streptomyces clavuligerus expressed in Escherichia coli Rosetta in the native form and associated to external ligands containing the β-lactam, oxazole and alkylamine-derived (alcohol) moieties of the clavulamic acid. Considering the diversity of potential applications for the enzyme, the reactivity with tert-butylhydroperoxide (tert-BuOOH) was also characterized. P450CLA presents a covalently bound heme group and exhibited the UV-visible, CD and MCD spectral features of P450CAM including the fingerprint Soret band at 450 nm generated by the ferrous CO-complex. P450CLA was converted to high valence species by tert-BuOOH and promoted homolytic scission of the O-O bond. The radical profile of the reaction was tert-butyloxyl as primary and methyl and butylperoxyl as secondary radicals. The secondary methyl and butylperoxyl radicals resulted respectively from the β-scission of the alkoxyl radical and from the reaction of methyl radical with molecular oxygen.

Model for the Dynamics of the Cytoskeleton.

Particle tracking of microbeads attached to the cytoskeleton (CSK) reveals an intermittent dynamic. The mean squared displacement (MSD) is subdiffusive for small Δt and superdiffusive for large Δt, which are associated with periods of traps and periods of jumps respectively. The analysis of the displacements has shown a non-Gaussian behavior, what is indicative of an active motion, classifying the cells as a far from equilibrium material. Using Langevin dynamics, we reconstruct the dynamic of the CSK. The model is based on the bundles of actin filaments that link themself with the bead RGD coating, trapping it in an harmonic potential. We consider a one- dimensional motion of a particle, neglecting inertial effects (over-damped Langevin dynamics). The resultant force is decomposed in friction force, elastic force and random force, which is used as white noise representing the effect due to molecular agitation. These description until now shows a static situation where the bead performed a random walk in an elastic potential. In order to modeling the active remodeling of the CSK, we vary the equilibrium position of the potential. Inserting a motion in the well center, we change the equilibrium position linearly with time with constant velocity. The result found exhibits a MSD versus time ’tau’ with three regimes. The first regime is when ‘tau’ < ‘tau IND 0’, where ‘tau IND 0’ is the relaxation time, representing the thermal motion. At this regime the particle can diffuse freely. The second regime is a plateau, ‘tau IND 0’ < ‘tau’ < ‘tau IND 1’, representing the particle caged in the potential. Here, ‘tau IND 1’ is a characteristic time that limit the confinement period. And the third regime, ‘tau’ > ‘tau IND 1’, is when the particles are in the superdiffusive behavior. This is where most of the experiments are performed, under 20 frames per second (FPS), thus there is no experimental evidence that support the first regime. We are currently performing experiments with high frequency, up to 100 FPS, attempting to visualize this diffusive behavior. Beside the first regime, our simple model can reproduce MSD curves similar to what has been found experimentally, which can be helpful to understanding CSK structure and properties.

Molecular origin of charge traps in polyfluorene-based semiconductors

The comprehensive control of morphology and structure is of extreme importance in semiconducting polymers when used as active layers in optoelectronic devices. In the work reported here, a systematic investigation of the structural and dynamical properties of poly(9,9-di-n-octyl-fluorene-alt-benzothiadiazole), known as F8BT, and their correlation with electrical properties is presented when the material is used as an active layer in optoelectronic devices. By means of X-ray diffraction, one observes that in thick layer films (thickness of about 4 μm) grown by drop-cast deposition, a solvent induced crystalline phase exists which evolves to a stable phase as the temperature is raised. This was not observed in thin films (thickness of about 250 nm) prepared by spin-coating within the investigated temperature range. By modeling the current-voltages characteristics of both thick and thin film devices, important information on the influence of crystallization on the trapping states could be drawn. Furthermore, the temperature dependence of the charge carrier mobility was found to be closely related to that of the molecular relaxation processes. The understanding of the nature of such molecular relaxations, measured by solid-state nuclear magnetic resonance methods, allows one to understand the importance of molecular relaxations and microstructure changes on the trap states of the system.

Recycling of the high valence states of heme proteins by cysteine residues of thimet-oligopeptidase

The peptidolytic enzyme THIMET-oligopeptidase (TOP) is able to act as a reducing agent in the peroxidase cycle of myoglobin (Mb) and horseradish peroxidase (HRP). The TOP-promoted recycling of the high valence states of the peroxidases to the respective resting form was accompanied by a significant decrease in the thiol content of the peptidolytic enzyme. EPR (electron paramagnetic resonance) analysis using DBNBS spin trapping revealed that TOP also prevented the formation of tryptophanyl radical in Mb challenged by H2O2. The oxidation of TOP thiol groups by peroxidases did not promote the inactivating oligomerization observed in the oxidation promoted by the enzyme aging. These findings are discussed towards a possible occurrence of these reactions in cells.

Stellar Models in General Relativity

Neutron stars are some of the most fascinating objects in Nature. Essentially all aspects of physics seems to be represented inside them. Their cores are likely to contain deconfined quarks, hyperons and other exotic phases of matter in which the strong interaction is the dominant force. The inner region of their solid crust is penetrated by superfluid neutrons and their magnetic fields may reach well over 1012 Gauss. Moreover, their extreme mean densities, well above the densities of nuclei, and their rapid rotation rates makes them truly relativistic both in the special as well as in the general sense. This thesis deals with a small subset of these phenomena. In particular the exciting possibility of trapping of gravita-tional waves is examined from a theoretical point of view. It is shown that the standard condition R < 3M is not essential to the trapping mechanism. This point is illustrated using the elegant tool provided by the optical geometry. It is also shown that a realistic equation of state proposed in the literature allows stable neutron star models with closed circular null orbits, something which is closely related to trapped gravitational waves. Furthermore, the general relativistic theory of elasticity is reviewed and applied to stellar models. Both static equilibrium as well as radially oscillating configurations with elasticsources are examined. Finally, Killing tensors are considered and their applicability to modeling of stars is discussed

An evaluation of the distributions of polychlorinated biphenyls and organic matter in coastal sediments

The objective of this thesis is to improve the understanding of what processes and mechanism affects the distribution of polychlorinated biphenyls (PCBs) and organic carbon in coastal sediments. Because of the strong association of hydrophobic organic contaminants (HOCs) such as PCBs with organic matter in the aquatic environment, these two entities are naturally linked. The coastal environment is the most complex and dynamic part of the ocean when it comes to both cycling of organic matter and HOCs. This environment is characterised by the largest fluxes and most diverse sources of both entities. A wide array of methods was used to study these processes throughout this thesis. In the field sites in the Stockholm archipelago of the Baltic proper, bottom sediments and settling particulate matter were retrieved using sediment coring devices and sediment traps from morphometrically and seismically well-characterized locations. In the laboratory, the samples have been analysed for PCBs, stable carbon isotope ratios, carbon-nitrogen atom ratios as well as standard sediment properties. From the fieldwork in the Stockholm Archipelago and the following laboratory work it was concluded that the inner Stockholm archipelago has a low (≈ 4%) trapping efficiency for freshwater-derived organic carbon. The corollary is a large potential for long-range waterborne transport of OC and OC-associated nutrients and hydrophobic organic pollutants from urban Stockholm to more pristine offshore Baltic Sea ecosystems. Theoretical work has been carried out using Geographical Information Systems (GIS) and statistical methods on a database of 4214 individual sediment samples, each with reported individual PCB congener concentrations. From this work it was concluded that the continental shelf sediments are key global inventories and ultimate sinks of PCBs. Depending on congener, 10-80% of the cumulative historical emissions to the environment are accounted for in continental shelf sediments. Further it was concluded that the many infamous and highly contaminated surface sediments of urban harbours and estuaries of contaminated rivers cannot be of importance as a secondary source to sustain the concentrations observed in remote sediments. Of the global shelf PCB inventory < 1% are in sediments near population centres while ≥ 90% is in remote areas (> 10 km from any dwellings). The remote sub-basin of the North Atlantic Ocean contains approximately half of the global shelf sediment inventory for most of the PCBs studied.

Is there a seamount effect on microbial community structure and biomass?: the case study of Seine and Sedlo seamounts (Northeast Atlantic)

[EN] Seamounts are considered to be ??hotspots?? of marine life but, their role in oceans primary productivity is still under discussion. We have studied the microbial community structure and biomass of the epipelagic zone (0?150 m) at two northeast Atlantic seamounts (Seine and Sedlo) and compared those with the surrounding ocean. Results from two cruises to Sedlo and three to Seine are presented. Main results show large temporal and spatial microbial community variability on both seamounts. Both Seine and Sedlo heterotrophic community (abundance and biomass) dominate during winter and summer months, representing 75% (Sedlo, July) to 86% (Seine, November) of the total plankton biomass. In Seine, during springtime the contribution to total plankton biomass is similar (47% autotrophic and 53% heterotrophic). Both seamounts present an autotrophic community structure dominated by small cells (nano and picophytoplankton). It is also during spring that a relatively important contribution (26%) of large cells to total autotrophic biomass is found. In some cases, a ??seamount effect?? is observed on Seine and Sedlo microbial community structure and biomass. In Seine this is only observed during spring through enhancement of large autotrophic cells at the summit and seamount stations. In Sedlo, and despite the observed low biomasses, some clear peaks of picoplankton at the summit or at stations within the seamount area are also observed during summer. Our results suggest that the dominance of heterotrophs is presumably related to the trapping effect of organic matter by seamounts. Nevertheless, the complex circulation around both seamounts with the presence of different sources of mesoscale variability (e.g. presence of meddies, intrusion of African upwelling water) may have contributed to the different patterns of distribution, abundances and also changes observed in the microbial community.

Untersuchungen an gespeicherten 40 Ca +-Ionen in einer linearen Paulfalle

In Experimenten an lasergekühlten, in einer linearen Paulfalle gespeicherten $Ca^+$-Ionen wurde dieLebensdauer des metastabilen $3D_{5/2}$-Niveaus durch Beobachtung von Quantensprüngen einzelner Ionen zu 1100(18)msbestimmt. Systematische Fehler durch quenchende Stöße oder Stark-Mischen durch das Speicherfeld liegen unterhalb dererreichten Genauigkeit. Abweichungen von früheren Messungen konnten durch eine vernachlässigte Abhängigkeit derLebensdauer von der Laserleistung des Rückpumplasers erklärt werden. Das Endergebnis zeigt gute Übereinstimmung mitneueren theoretischen Werten. In weiteren Messungen an zehn Ionen wurde in einigen Messreihen eine deutliche Reduktionder Lebensdauer gegenüber einem einzelnen Ion festgestellt. Dabei wurden mehr koinzidente Zerfälle von zwei und dreiIonen beobachtet als für unabhängige Teilchen zu erwarten. In einem Ionenkristall wurde eine räumliche Trennung atomarer Zustände erreicht. Dabei wurde ein Teil der Ionen einesKristalls aus einigen hundert Ionen in den metastabilen Zustand gepumpt, der von den Kühllasern vollständig entkoppeltist. Durch sympathetische Kühlung werden diese Ionen weiterhin gekühlt und der Kristall schmilzt nicht. Durch denLichtdruck, den die Kühllaser ausgeüben, werden die Ionen nach atomaren Zuständen sortiert, weil die lasergekühltenIonen einen Rückstoß erfahren, die übrigen aber nicht. Für zukünftige Experimente wurden Verbesserungen des experimentellen Aufbaus auf den Weg gebracht. So wurden Methodenund Komponenten für eine verbesserte Frequenzstabilisierung der Diodenlaser entwickelt.

Synthese und radioaktive Markierung potentieller PET- bzw. SPECT-Liganden zur Quantifizierung und Visualisierung der pankreatischen beta-Zell-Masse

Abstract Due to the ongoing efforts in transplanting b-cell mass there is also a great medical interest in specific b-cell imaging agents to quantify the acceptance of transplanted islets in humans in vivo. Additionally, in the context of type 1 diabetes mellitus the chronic and progressive loss of b-cells caused by autoimmune destruction has led to concerted efforts to prevent further loss of b-cells by autoantigen-specific immunotherapy of pre-diabetic patients. nateglinide and glibenclamide are SUR1 ligands used to stimulate insulin secretion in type 2 diabetic patients. They bind to a class of molecules known as the ATP-sensitive potassium channels, located on the insulin producing b-cells of the islets of Langerhans and are therefore excellent candidates as b-cell specific tracers. To obtain a precursor for a direct labelling of nateglinide with [18F]fluoride, the aromatic system of the phenylalanine structure element was derivatised to obtain a phenolic OH-group in 4-position which is capable of further derivatisation. The formed phenylether N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-hydroxyethyl)-D-tyrosin benzylester was tried to be tosylated according to several literature procedures but none of them was applicable. The catalytic influence of ytterbium(III)triflate in the reaction of toluenesulfonic acid anhydride and the alcohol was investigated. It was found that Yb(III) facilitates the tosylation of the alcohol under non-basic conditions and was extended to the tosylation of a great variety of different alcohols to prove its applicability in general. The radioactive labelling of N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-O-(2-[18F]fluoroethyl)-D-tyrosine with [18F]F-/ Kryptofix® 222/ K2CO3-system was achieved in radiochemical yields (RCY) of 10 % after deprotection with Pd/ C and H2. In addition to the direct labelling approach, a labelling procedure applying 2[18F]fluoroethyltosylate and N-(trans-4-isopropyl-cyclohexanecarbonyl)-D-tyrosin was performed in 40 % RCY. Unfortunately the determination of the KD value of N-(trans-4-isopropylcyclohexanecarbonyl)-O-(2-fluoroethyl)-D-tyrosine revealed a significant decrease in affinity compared to original nateglinide. The in vivo evaluation of some 18F-labelled glibenclamide derivatives in humans and animals revealed that longer measuring times are warranted because a high liver uptake spoiles the data acquisition and the activity washout proceeds very slowly. Therefore glibenclamide was labelled with a radioisotope with a longer half life such as 99mTc (t1/2 = 6 h) to lengthen the possible time frame for image acquisition. The synthesis of a 99mTc labelled hydrophilic glibenclamide derivative was performed. It is hoped that gliben-clamide is internalised into the b-cell and there binds to the 95 % of intracellular SUR-1 receptors with eventual metablolisation and thus trapping in the cell. The KD-value of the corresponding Re-compound was determined to be 0.5 nM and the insulin secretion properties were similar to those of original glibenclamide. The labelling precursor N-{4-[N,N-bis-(carboxy-methyl)-aminoethyl)-5-chlorobenzene-carboxamido]-ethyl}-benzene-sulfonyl-N'-cyclohexyl urea tris sodium salt was reacted with [99mTc(I)(OH2)3(CO)3] Cl to yield the final N-{4-[99mTc(I)-tricarbonyl-N,N-bis-(carboxymethyl)-aminoethyl)-5-chloro-benzene-carboxamidoethyl]-benzene-sulfonyl}-N'-cyclo-hexyl-urea sodium salt in 70% RCY.

Electrothermal characterization and nonlinear modelling of GaN transistors for telecommunication circuit design

This thesis starts showing the main characteristics and application fields of the AlGaN/GaN HEMT technology, focusing on reliability aspects essentially due to the presence of low frequency dispersive phenomena which limit in several ways the microwave performance of this kind of devices. Based on an equivalent voltage approach, a new low frequency device model is presented where the dynamic nonlinearity of the trapping effect is taken into account for the first time allowing considerable improvements in the prediction of very important quantities for the design of power amplifier such as power added efficiency, dissipated power and internal device temperature. An innovative and low-cost measurement setup for the characterization of the device under low-frequency large-amplitude sinusoidal excitation is also presented. This setup allows the identification of the new low frequency model through suitable procedures explained in detail. In this thesis a new non-invasive empirical method for compact electrothermal modeling and thermal resistance extraction is also described. The new contribution of the proposed approach concerns the non linear dependence of the channel temperature on the dissipated power. This is very important for GaN devices since they are capable of operating at relatively high temperatures with high power densities and the dependence of the thermal resistance on the temperature is quite relevant. Finally a novel method for the device thermal simulation is investigated: based on the analytical solution of the tree-dimensional heat equation, a Visual Basic program has been developed to estimate, in real time, the temperature distribution on the hottest surface of planar multilayer structures. The developed solver is particularly useful for peak temperature estimation at the design stage when critical decisions about circuit design and packaging have to be made. It facilitates the layout optimization and reliability improvement, allowing the correct choice of the device geometry and configuration to achieve the best possible thermal performance.

Control of the long-range self-organization of polycyclic aromatic hydrocarbons for device applications

Electronic devices based on organic semiconductors have gained increased attention in nanotechnology, especially applicable to the field of field-effect transistors and photovoltaic. A promising class of materials in this reseach field are polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Alkyl substitution of these graphenes results in the selforganization into one-dimensional columnar superstructures and provides solubility and processibility. The nano-phase separation between the π-stacking aromatic cores and the disordered peripheral alkyl chains leads to the formation of thermotropic mesophases. Hexa-peri-hexabenzocoronenes (HBC), as an example for a PAH, exhibits some of the highest values for the charge carrier mobility for mesogens, which makes them promising candidates for electronic devices. Prerequisites for efficient charge carrier transport between electrodes are a high purity of the material to reduce possible trapping sites for charge carriers and a pronounced and defect-free, long-range order. Appropriate processing techniques are required to induce a high degree of aligned structures in the discotic material over macroscopic dimensions. Highly-ordered supramolecular structures of different discotics, in particular, of HBC derivatives have been obtained by solution processing using the zone-casting technique, zone-melting or simple extrusion. Simplicity and fabrication of highly oriented columnar structures over long-range are the most essential advantages of these zone-processing methods. A close relation between the molecular design, self-aggregation and the processing conditions has been revealed. The long-range order achieved by the zone-casting proved to be suitable for field effect transistors (FET).

Entwicklung der zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronenmikroskopie für die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von mikrostrukturierten magnetischen Schichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskopie (TR-PEEM) für die in-situ Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in dünnen mikrostrukturierten magnetischen Schichten während eines rasch verändernden externen Magnetfelds entwickelt. Das Experiment basiert auf der Nutzung des XMCD-Kontrasts (X-ray magnetic circular dichroism) mit Hilfe des zirkularpolarisierten Lichts von Synchrotronstrahlungsquellen (Elektronenspeicherringen BESSY II (Berlin) und ESRF (Grenoble)) für die dynamische Darstellung der magnetischen Domänen während ultraschneller Magnetisierungsvorgänge. Die hier entwickelte Methode wurde als erfolgreiche Kombination aus einer hohen Orts- und Zeitauflösung (weniger als 55 nm bzw. 15 ps) realisiert. Mit der hier beschriebenen Methode konnte nachgewiesen werden, dass die Magnetisierungsdynamik in großen Permalloy-Mikrostrukturen (40 µm x 80 µm und 20 µm x 80 µm, 40 nm dick) durch inkohärente Drehung der Magnetisierung und mit der Bildung von zeitlich abhängigen Übergangsdomänen einher geht, die den Ummagnetisierungsvorgang blockieren. Es wurden neue markante Differenzen zwischen der magnetischen Response einer vorgegebenen Dünnfilm-Mikrostruktur auf ein gepulstes externes Magnetfeld im Vergleich zu dem quasi-statischen Fall gefunden. Dies betrifft die Erscheinung von transienten raumzeitlichen Domänenmustern und besonderen Detailstrukturen in diesen Mustern, welche im quasi-statischen Fall nicht auftreten. Es wurden Beispiele solcher Domänenmuster in Permalloy-Mikrostrukturen verschiedener Formen und Größen untersucht und diskutiert. Insbesondere wurde die schnelle Verbreiterung von Domänenwänden infolge des präzessionalen Magnetisierungsvorgangs, die Ausbildung von transienten Domänenwänden und transienten Vortizes sowie die Erscheinung einer gestreiften Domänenphase aufgrund der inkohärenten Drehung der Magnetisierung diskutiert. Ferner wurde die Methode für die Untersuchung von stehenden Spinwellen auf ultradünnen (16 µm x 32 µm groß und 10 nm dick) Permalloy-Mikrostrukturen herangezogen. In einer zum periodischen Anregungsfeld senkrecht orientierten rechteckigen Mikrostruktur wurde ein induziertes magnetisches Moment gefunden. Dieses Phänomen wurde als „selbstfangende“ Spinwellenmode interpretiert. Es wurde gezeigt, dass sich eine erzwungene Normalmode durch Verschiebung einer 180°-Néelwand stabilisiert. Wird das System knapp unterhalb seiner Resonanzfrequenz angeregt, passt sich die Magnetisierungsverteilung derart an, dass ein möglichst großer Teil der durch das Anregungsfeld eingebrachten Energie im System verbleibt. Über einem bestimmten Grenzwert verursacht die Spinwellenmode nahe der Resonanzfrequenz eine effektive Kraft senkrecht zur 180°-Néel-Wand. Diese entsteht im Zentrum der Mikrostruktur und wird durch die streufeldinduzierte Kraft kompensiert. Als zusätzliche Möglichkeit wurden die Streufelder von magnetischen Mikrostrukturen während der dynamischen Prozesse quantitativ bestimmt und das genaue zeitliche Profil des Streufelds untersucht. Es wurde gezeigt, dass das zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskop als ultraschnelles oberflächensensitives Magnetometer eingesetzt werden kann.

Advanced Numerical Simulation of Silicon-Based Solar Cells

Photovoltaic (PV) conversion is the direct production of electrical energy from sun without involving the emission of polluting substances. In order to be competitive with other energy sources, cost of the PV technology must be reduced ensuring adequate conversion efficiencies. These goals have motivated the interest of researchers in investigating advanced designs of crystalline silicon solar (c-Si) cells. Since lowering the cost of PV devices involves the reduction of the volume of semiconductor, an effective light trapping strategy aimed at increasing the photon absorption is required. Modeling of solar cells by electro-optical numerical simulation is helpful to predict the performance of future generations devices exhibiting advanced light-trapping schemes and to provide new and more specific guidelines to industry. The approaches to optical simulation commonly adopted for c-Si solar cells may lead to inaccurate results in case of thin film and nano-stuctured solar cells. On the other hand, rigorous solvers of Maxwell equations are really cpu- and memory-intensive. Recently, in optical simulation of solar cells, the RCWA method has gained relevance, providing a good trade-off between accuracy and computational resources requirement. This thesis is a contribution to the numerical simulation of advanced silicon solar cells by means of a state-of-the-art numerical 2-D/3-D device simulator, that has been successfully applied to the simulation of selective emitter and the rear point contact solar cells, for which the multi-dimensionality of the transport model is required in order to properly account for all physical competing mechanisms. In the second part of the thesis, the optical problems is discussed. Two novel and computationally efficient RCWA implementations for 2-D simulation domains as well as a third RCWA for 3-D structures based on an eigenvalues calculation approach have been presented. The proposed simulators have been validated in terms of accuracy, numerical convergence, computation time and correctness of results.

Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung eines neuartigen Ionenfallen-Massenspektrometers für Aerosolpartikel (AIMS)

Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiges Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) aufgebaut und umfassend charakterisiert. Mit dem AIMS kann die chemische Zusammensetzung der verdampfbaren Komponente (bei etwa 600 °C) von Aerosolpartikeln quantitativ und on-line bestimmt werden. Die Durchmesser der Teilchen, die analysiert werden können, liegen zwischen etwa 30 und 500 nm. Der experimentelle Aufbau greift auf ein bereits gut charakterisiertes Einlasssystem des Aerodyne Aerosol-Massenspektrometers (AMS) zurück, das einen Partikeleinlass, bestehend aus einer kritischen Düse und einer aerodynamischen Linse, einen Verdampfer für die Aerosolteilchen und eine Elektronenstoß-Ionenquelle enthält. Das kommerzielle AMS verwendet entweder ein lineares Quadrupol-Massenfilter (Q-AMS) oder ein Flugzeit-Massenspektrometer (ToF-AMS). Im AIMS hingegen wird eine dreidimensionale Ionenfalle als Massenanalysator eingesetzt. Dadurch eröffnen sich unter anderem Möglichkeiten zur Durchführung von MSn-Studien und Ionen/Molekül-Reaktionsstudien. Das Massenspektrometer und wichtige Teile der Steuerungselektronik wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entworfen und hergestellt. Das AIMS wird von einem PC und einer Software, die in der Programmiersprache LabVIEW verfasst ist, gesteuert. Aufgrund seiner Kompaktheit ist das Instrument auch für den Feldeinsatz geeignet. Mit der Software Simion 7.0 wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt. Diese Studien beinhalten Simulationen zur Ermittlung der optimalen Spannungseinstellungen für den Ionentransfer von der Ionenquelle in die Ionenfalle und eine Abschätzung der Sammeleffizienz der Ionenfalle, die gut mit einem gemessenen Wert übereinstimmt. Charakterisierungsstudien zeigen einige instrumentelle Merkmale des AIMS auf. Es wurde beispielsweise ein Massenauflösungsvermögen von 807 für m/z 121 gefunden, wenn eine Analyserate von 1780 amu/s verwendet wird. Wird die Analyserate verringert, dann lässt sich das Massenauflösungsvermögen noch erheblich steigern. Bei m/z 43 kann dann ein Wert von > 1500 erzielt werden, wodurch sich Ionenfragmente wie C2H3O+ (m/z 43.0184) und C3H7+ (m/z 43.0548) voneinander trennen lassen. Der Massenbereich des AIMS lässt sich durch resonante Anregung erweitern; dies wurde bis zu einer Masse von 1000 amu getestet. Kalibrationsmessungen mit laborgenerierten Partikeln zeigen eine hervorragende Linearität zwischen gemessenen Signalstärken und erzeugten Aerosol-Massenkonzentrationen. Diese Studien belegen im Zusammenhang mit den gefundenen Nachweisgrenzen von Nitrat (0.16 μg/m³) und Sulfat (0.65 μg/m³) aus Aerosolpartikeln, dass das AIMS für quantitative Messungen von atmosphärischem Aerosol geeignet ist. Ein Vergleich zwischen dem AIMS und dem Q-AMS für Nitrat in städtischem Aerosol zeigt eine gute Übereinstimmung der gefundenen Messwerte. Für laborgenerierte Polystyren-Latexpartikel wurde eine MS/MS-Studie unter der Anwendung von collision induced dissociation (CID) durchgeführt. Das Verhältnis von Fragmentionen zu Analytionen wurde zu einem Wert von > 60% bestimmt. In der Zukunft können ähnliche MS/MS-Studien auch für atmosphärische Aerosolpartikel angewandt werden, wodurch sich neue Perspektiven für die Speziation von Aerosolbestandteilen eröffnen. Dann sollen vor allem Kondensationsprozesse, das heißt die Bildung von sekundärem Aerosol, detailliert untersucht werden.

Untersuchungen zur Lebensdauer von NEA-Photokathoden bei der Extraktion sehr hoher mittlerer Ströme

Die Produktion eines spinpolarisierten Strahls mit hohem mittleren Strom ist sowohl für den Betrieb von existierenden polarisierten Quellen als auch in noch stärkerem Maße für geplante zukünftige Projekte wichtig. Die Betriebszeit solcher Quellen wird durch die Abnahme der Quantenausbeute der Photokathode mit der Zeit begrenzt. Die Problematik der Abnahme der Quantenausbeute konnte durch die Reaktion der Kathodenoberfläche mit sauerstoffhaltigen Molekülen sowie durch Ionenbombardement geklärt werden. Im Laufe dieser Arbeit wurden, teilweise zum ersten Mal, Mechanismen untersucht, die zur Entstehung der chemisch aktiven Moleküle und der Ionen beitragen und weitere Effekte, die die Betriebszeit der polarisierten Quellen reduzieren. Die Experimente wurden an einer genauen Kopie der an MAMI vorhandenen polarisierten Quelle durchgeführt. Es wurde demonstriert, dass Erwärmung der Photokathode, Ioneneinfang und Strahlverlust aufgrund der Raumladungskräfte die Kathodenlebensdauer begrenzen können. Der erste Effekt ist Erwärmung der Photokathode. Die Laserleistung wird fast vollständig in Wärmeleistung umgesetzt, was zur Absenkung der Verfügbarkeit der polarisierten Quellen führen kann, und zwar unabhängig davon, ob der Photostrom produziert wird oder nicht. Der zweite Effekt ist Ionenbombardement mit den sowohl in der Beschleunigungsstrecke als auch in der Strahlführung entstehenden Ionen. Es wurde demonstriert, dass der in der Strahlführung entstehende Ionenstrom sogar größer ist als der in der Kanone. Unter bestimmten Bedingungen können die gebildeten Ionen durch das Potenzial des Elektronenstrahls eingefangen werden und die Kanone erreichen und damit zusätzlich zur Zerstörung der negativen Elektronenaffinität beitragen. Der dritte Effekt ist Strahlverlust. Es wurde demonstriert, dass die relativen Strahlverluste kleiner als 1*10-6 sein sollten, um eine Lebensdauer von mehr als 1000 Stunden beim Strom von 100 A zu erreichen, was für die vorhandene Apparatur möglich ist. Zur Erzeugung extrem hoher Ströme wurde zum ersten Mal im Bereich der spinpolarisierten Quellen das Prinzip der „Energierückgewinnung“ eingesetzt. Experimente bei einer mittleren Stromstärke von 11.4 mA und einer Spitzenstromstärke von 57 mA bei 1% Tastverhältnis wurden bereits durchgeführt.