Computational analyses on the structure-function relation in ion channels

Ion channels are protein molecules, embedded in the lipid bilayer of the cell membranes. They act as powerful sensing elements switching chemicalphysical stimuli into ion-fluxes. At a glance, ion channels are water-filled pores, which can open and close in response to different stimuli (gating), and one once open select the permeating ion species (selectivity). They play a crucial role in several physiological functions, like nerve transmission, muscular contraction, and secretion. Besides, ion channels can be used in technological applications for different purpose (sensing of organic molecules, DNA sequencing). As a result, there is remarkable interest in understanding the molecular determinants of the channel functioning. Nowadays, both the functional and the structural characteristics of ion channels can be experimentally solved. The purpose of this thesis was to investigate the structure-function relation in ion channels, by computational techniques. Most of the analyses focused on the mechanisms of ion conduction, and the numerical methodologies to compute the channel conductance. The standard techniques for atomistic simulation of complex molecular systems (Molecular Dynamics) cannot be routinely used to calculate ion fluxes in membrane channels, because of the high computational resources needed. The main step forward of the PhD research activity was the development of a computational algorithm for the calculation of ion fluxes in protein channels. The algorithm - based on the electrodiffusion theory - is computational inexpensive, and was used for an extensive analysis on the molecular determinants of the channel conductance. The first record of ion-fluxes through a single protein channel dates back to 1976, and since then measuring the single channel conductance has become a standard experimental procedure. Chapter 1 introduces ion channels, and the experimental techniques used to measure the channel currents. The abundance of functional data (channel currents) does not match with an equal abundance of structural data. The bacterial potassium channel KcsA was the first selective ion channels to be experimentally solved (1998), and after KcsA the structures of four different potassium channels were revealed. These experimental data inspired a new era in ion channel modeling. Once the atomic structures of channels are known, it is possible to define mathematical models based on physical descriptions of the molecular systems. These physically based models can provide an atomic description of ion channel functioning, and predict the effect of structural changes. Chapter 2 introduces the computation methods used throughout the thesis to model ion channels functioning at the atomic level. In Chapter 3 and Chapter 4 the ion conduction through potassium channels is analyzed, by an approach based on the Poisson-Nernst-Planck electrodiffusion theory. In the electrodiffusion theory ion conduction is modeled by the drift-diffusion equations, thus describing the ion distributions by continuum functions. The numerical solver of the Poisson- Nernst-Planck equations was tested in the KcsA potassium channel (Chapter 3), and then used to analyze how the atomic structure of the intracellular vestibule of potassium channels affects the conductance (Chapter 4). As a major result, a correlation between the channel conductance and the potassium concentration in the intracellular vestibule emerged. The atomic structure of the channel modulates the potassium concentration in the vestibule, thus its conductance. This mechanism explains the phenotype of the BK potassium channels, a sub-family of potassium channels with high single channel conductance. The functional role of the intracellular vestibule is also the subject of Chapter 5, where the affinity of the potassium channels hEag1 (involved in tumour-cell proliferation) and hErg (important in the cardiac cycle) for several pharmaceutical drugs was compared. Both experimental measurements and molecular modeling were used in order to identify differences in the blocking mechanism of the two channels, which could be exploited in the synthesis of selective blockers. The experimental data pointed out the different role of residue mutations in the blockage of hEag1 and hErg, and the molecular modeling provided a possible explanation based on different binding sites in the intracellular vestibule. Modeling ion channels at the molecular levels relates the functioning of a channel to its atomic structure (Chapters 3-5), and can also be useful to predict the structure of ion channels (Chapter 6-7). In Chapter 6 the structure of the KcsA potassium channel depleted from potassium ions is analyzed by molecular dynamics simulations. Recently, a surprisingly high osmotic permeability of the KcsA channel was experimentally measured. All the available crystallographic structure of KcsA refers to a channel occupied by potassium ions. To conduct water molecules potassium ions must be expelled from KcsA. The structure of the potassium-depleted KcsA channel and the mechanism of water permeation are still unknown, and have been investigated by numerical simulations. Molecular dynamics of KcsA identified a possible atomic structure of the potassium-depleted KcsA channel, and a mechanism for water permeation. The depletion from potassium ions is an extreme situation for potassium channels, unlikely in physiological conditions. However, the simulation of such an extreme condition could help to identify the structural conformations, so the functional states, accessible to potassium ion channels. The last chapter of the thesis deals with the atomic structure of the !- Hemolysin channel. !-Hemolysin is the major determinant of the Staphylococcus Aureus toxicity, and is also the prototype channel for a possible usage in technological applications. The atomic structure of !- Hemolysin was revealed by X-Ray crystallography, but several experimental evidences suggest the presence of an alternative atomic structure. This alternative structure was predicted, combining experimental measurements of single channel currents and numerical simulations. This thesis is organized in two parts, in the first part an overview on ion channels and on the numerical methods adopted throughout the thesis is provided, while the second part describes the research projects tackled in the course of the PhD programme. The aim of the research activity was to relate the functional characteristics of ion channels to their atomic structure. In presenting the different research projects, the role of numerical simulations to analyze the structure-function relation in ion channels is highlighted.

Pattern recognition analysis on heavy ion reaction data

One of the problems in the analysis of nucleus-nucleus collisions is to get information on the value of the impact parameter b. This work consists in the application of pattern recognition techniques aimed at associating values of b to groups of events. To this end, a support vec- tor machine (SVM) classifier is adopted to analyze multifragmentation reactions. This method allows to backtracing the values of b through a particular multidimensional analysis. The SVM classification con- sists of two main phase. In the first one, known as training phase, the classifier learns to discriminate the events that are generated by two different model:Classical Molecular Dynamics (CMD) and Heavy- Ion Phase-Space Exploration (HIPSE) for the reaction: 58Ni +48 Ca at 25 AMeV. To check the classification of events in the second one, known as test phase, what has been learned is tested on new events generated by the same models. These new results have been com- pared to the ones obtained through others techniques of backtracing the impact parameter. Our tests show that, following this approach, the central collisions and peripheral collisions, for the CMD events, are always better classified with respect to the classification by the others techniques of backtracing. We have finally performed the SVM classification on the experimental data measured by NUCL-EX col- laboration with CHIMERA apparatus for the previous reaction.

Analysis of ion channel stochastic signals for biosensing

In biological world, life of cells is guaranteed by their ability to sense and to respond to a large variety of internal and external stimuli. In particular, excitable cells, like muscle or nerve cells, produce quick depolarizations in response to electrical, mechanical or chemical stimuli: this means that they can change their internal potential through a quick exchange of ions between cytoplasm and the external environment. This can be done thanks to the presence of ion channels, proteins that span the lipid bilayer and act like switches, allowing ionic current to flow opening and shutting in a stochastic way. For a particular class of ion channels, ligand-gated ion channels, the gating processes is strongly influenced by binding between receptive sites located on the channel surface and specific target molecules. These channels, inserted in biomimetic membranes and in presence of a proper electronic system for acquiring and elaborating the electrical signal, could give us the possibility of detecting and quantifying concentrations of specific molecules in complex mixtures from ionic currents across the membrane; in this thesis work, this possibility is investigated. In particular, it reports a description of experiments focused on the creation and the characterization of artificial lipid membranes, the reconstitution of ion channels and the analysis of their electrical and statistical properties. Moreover, after a chapter about the basis of the modelling of the kinetic behaviour of ligand gated ion channels, a possible approach for the estimation of the target molecule concentration, based on a statistical analysis of the ion channel open probability, is proposed. The fifth chapter contains a description of the kinetic characterisation of a ligand gated ion channel: the homomeric α2 isoform of the glycine receptor. It involved both experimental acquisitions and signal analysis. The last chapter represents the conclusions of this thesis, with some remark on the effective performance that may be achieved using ligand gated ion channels as sensing elements.

Biomimetic Materials for Biomedical Applications

Objects with complex shape and functions have always attracted attention and interest. The morphological diversity and complexity of naturally occurring forms and patterns have been a motivation for humans to copy and adopt ideas from Nature to achieve functional, aesthetic and social value. Biomimetics is addressed to the design and development of new synthetic materials using strategies adopted by living organisms to produce biological materials. In particular, biomineralized tissues are often sophisticate composite materials, in which the components and the interfaces between them have been defined and optimized, and that present unusual and optimal chemical-physical, morphological and mechanical properties. Moreover, biominerals are generally produced by easily traceable raw materials, in aqueous media and at room pressure and temperature, that is through cheap process and materials. Thus, it is not surprising that the idea to mimic those strategies proper of Nature has been employed in several areas of applied sciences, such as for the preparation of liquid crystals, ceramic thin films computer switches and many other advanced materials. On this basis, this PhD thesis is focused on the investigation of the interaction of biologically active ions and molecules with calcium phosphates with the aim to develop new materials for the substitution and repair of skeletal tissue, according to the following lines: I. Modified calcium phosphates. A relevant part of this PhD thesis has been addressed to study the interaction of Strontium with calcium phosphates. It was demonstrated that strontium ion can substitute for calcium into hydroxyapatite, causing appreciable structural and morphological modifications. The detailed structural analysis carried out on the nanocrystals at different strontium content provided new insight into its interaction with the structure of hydroxyapatite. At variance with the behaviour of Sr towards HA, it was found that this ion inhibits the synthesis of octacalcium phosphate. However, it can substitute for calcium in this structure up to 15 atom %, in agreement with the increase of the cell parameters observed on increasing ion concentration. A similar behaviour was found for Magnesium ion, whereas Manganese inhibits the synthesis of octacalcium phosphate and it promotes the precipitation of dicalcium phosphate dehydrate. It was also found that Strontium affects the kinetics of the reaction of hydrolysis of α-TCP. It inhibits the conversion from α-TCP to hydroxyapatite. However, the resulting apatitic phase contains significant amounts of Sr2+ suggesting that the addition of Sr2+ to the composition of α-TCP bone cements could be successfully exploited for its local delivery in bone defects. The hydrolysis of α-TCP has been investigated also in the presence of increasing amounts of gelatin: the results indicated that this biopolymer accelerates the hydrolysis reaction and promotes the conversion of α-TCP into OCP, suggesting that its addition in the composition of calcium phosphate cements can be employed to modulate the OCP/HA ratio, and as a consequence the solubility, of the set cement. II. Deposition of modified calcium phosphates on metallic substrates. Coating with a thin film of calcium phosphates is frequently applied on the surface of metallic implants in order to combine the high mechanical strength of the metal with the excellent bioactivity of the calcium phosphates surface layers. During this PhD thesis, thank to the collaboration with prof. I.N. Mihailescu, head of the Laser-Surface-Plasma Interactions Laboratory (National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics – Laser Department, Bucharest) Pulsed Laser Deposition has been successfully applied to deposit thin films of Sr substituted HA on Titanium substrates. The synthesized coatings displayed a uniform Sr distribution, a granular surface and a good degree of crystallinity which slightly decreased on increasing Sr content. The results of in vitro tests carried out on osteoblast-like and osteoclast cells suggested that the presence of Sr in HA thin films can enhance the positive effect of HA coatings on osteointegration and bone regeneration, and prevent undesirable bone resorption. The possibility to introduce an active molecule in the implant site was explored using Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation to deposit hydroxyapatite nanocrystals at different content of alendronate, a bisphosphonate widely employed in the treatments of pathological diseases associated to bone loss. The coatings displayed a good degree of crystallinity, and the results of in vitro tests indicated that alendronate promotes proliferation and differentiation of osteoblasts even when incorporated into hydroxyapatite. III. Synthesis of drug carriers with a delayed release modulated by a calcium phosphate coating. A core-shell system for modulated drug delivery and release has been developed through optimization of the experimental conditions to cover gelatin microspheres with a uniform layer of calcium phosphate. The kinetics of the release from uncoated and coated microspheres was investigated using aspirin as a model drug. It was shown that the presence of the calcium phosphate shell delays the release of aspirin and allows to modulate its action.

Elf magnetic field influence on ION Channels studied by Patch Clamp Technique: exposure set up and "Whole Cell" measurements on Potassium currents

The aim of this thesis was to study the effects of extremely low frequency (ELF) electromagnetic magnetic fields on potassium currents in neural cell lines ( Neuroblastoma SK-N-BE ), using the whole-cell Patch Clamp technique. Such technique is a sophisticated tool capable to investigate the electrophysiological activity at a single cell, and even at single channel level. The total potassium ion currents through the cell membrane was measured while exposing the cells to a combination of static (DC) and alternate (AC) magnetic fields according to the prediction of the so-called ‘ Ion Resonance Hypothesis ’. For this purpose we have designed and fabricated a magnetic field exposure system reaching a good compromise between magnetic field homogeneity and accessibility to the biological sample under the microscope. The magnetic field exposure system consists of three large orthogonal pairs of square coils surrounding the patch clamp set up and connected to the signal generation unit, able to generate different combinations of static and/or alternate magnetic fields. Such system was characterized in term of field distribution and uniformity through computation and direct field measurements. No statistically significant changes in the potassium ion currents through cell membrane were reveled when the cells were exposed to AC/DC magnetic field combination according to the afore mentioned ‘Ion Resonance Hypothesis’.

Resonante Laserionisations-Massenspektrometrie an Gadolinium zur Isotopenhäufigkeitsanalyse mit geringsten Mengen

Resonante Laserionisations-Massenspektrometrie an Gadolinium zur Isotopenhäufigkeitsanalyse mit geringsten Mengen Die selektive Spuren- und Ultraspurenanalyse des Erdalkalielements Gadolinium eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen in der Biomedizin und Kosmochemie. Zum Erreichen der hohen Anforderungen bezüglich Isotopen- und Isobarenselektivität von S>10^7 sowie Gesamteffizienz von e>10^-6 wurde der Einsatz der resonanten Laserionisations-Massenspektrometrie untersucht. Dazu erfolgte die Weiterentwicklung und Anpassung des existierenden Diodenlaser-Quadrupolmassenspektrometersystems. Durch Ionenflugbahn-Simulationsrechnungen wurde für das Quadrupol-Massenspektrometer die erreichbare Nachbarmassenunterdrückung und Transmission in Abhängigkeit von der Auflösung theoretisch vorhergesagt. Die Werte wurden experimentell bestätigt. Aus der beobachteten Peakstruktur erfolgte die Ableitung einer Methode zur Bestimmung der Energieunschärfe des eingesetzten Ionisationsprozesses. Zum Auffinden eines effizienten dreifach resonanten Anregungsschemas wurden die Isotopieverschiebungen und Hyperfeinstrukturen aller stabilen Gadoliniumisotope in zahlreichen Übergängen für die einfach, zweifach und dreifach resonante Ionisation präzise vermessen. Das aufgenommene Spektrum autoionisierender Resonanzen zeigte etwa 150 bislang unbekannter Zustände mit Resonanzüberhöhungen von bis zu fünf Größenordnungen im Ionisationswirkungsquerschnitt. Die entwickelte Methode der Hyperfeinzustandsselektion ermöglichte die Bestimmung der Drehimpulsquantenzahl J der autoionisierenden Resonanzen. Die analytische Charakterisierung der dreistufig resonanten Ionisation von Gadolinium ergab eine Isotopen- und Isobarenselektivität von S(Isotop)>10^12 und S(Isobar)>10^7. Die mit dem Diodenlasersystem erreichte Nachweiseffizienz von e=1-3x10^-6 mit einer untergrundlimitierten Nachweisgrenze von wenigen 10^9 Atomen Gd-158 erlaubte erste Demonstrationsmessungen an medizinischen Gewebeproben.

Optical Microring Resonators based on ion-implanted LiNbO3 ridge waveguides

The growing interest for Integrated Optics for sensing, telecommunications and even electronics is driving research to find solutions to the new challenges issued by a more and more fast, connected and smart world. This thesis deals with the design, the fabrication and the characterisation of the first prototypes of Microring Resonators realised using ion implanted Lithium Niobate (LiNbO3) ridge waveguides. Optical Resonator is one among the most important devices for all tasks described above. LiNbO3 is the substrate commonly used to fabricate optical modulators thanks to its electro-optic characteristics. Since it is produced in high quantity, good quality and large wafers its price is low compared to other electro-optic substrate. We propose to use ion implantation as fabrication technology because in the other way standard optical waveguides realised in LiNbO3 by Proton Exchange (PE) or metal diffusion do not allow small bending radii, which are necessary to keep the circuit footprint small. We will show in fact that this approach allows to fabricate waveguides on Lithium Niobate that are better than PE or metal diffused waveguides as it allows smaller size devices and tailoring of the refractive index profile controlling the implantation parameters. Moreover, we will show that the ridge technology based on enhanced etching rate via ion implantation produces a waveguide with roughness lower than a dry etched one. Finally it has been assessed a complete technological process for fabrication of Microring Resonator devices in Lithium Niobate by ion implantation and the first prototypes have been produced.

REXTRAP - ion accumulation, cooling and bunching for REX-ISOLDE

REX-ISOLDE ist ein Pilotexperiment zur Nachbeschleunigung radioaktiver Ionenstrahlen am on-line Massenseparator ISOLDE am CERN. Ein wichtiges Teilprojekt war die Realisierung der effizienten Umwandlung des kontinuierlichen niederenergetischen Ionenstrahles in kurze Ionenpulse hoher Qualität. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit REXTRAP, eine gasgefüllte Penningfalle entwickelt, in Betrieb genommen und systematisch untersucht.

Spektroskopie und Ultraspurenanalyse von Plutonium mittels Resonanzionisations-Massenspektrometrie

Die Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) ist sowohl für spektroskopische Untersuchungen seltener Isotope als auch für den Ultraspurennachweis langlebiger radioaktiver Elemente einsetzbar. Durch die mehrstufige resonante Anregung atomarer Energieniveaus mit anschließender Ionisation mit Laserlicht wird eine sehr hohe Elementselektivität und Ionisationseffizienz erreicht. Der nachfolgende massenselektive Ionennachweis liefert eine gute Isotopenselektivität zusammen mit einer effektiven Untergrundunterdrückung. Ein wichtiger Bestandteil der RIMS-Apparatur ist ein zuverlässig arbeitendes, leistungsstarkes Lasersystem für die Resonanzionisation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein von einem hochrepetierenden Nd:YAG-Laser gepumptes, aus drei Titan-Saphir-Lasern bestehendes System fertig aufgebaut und in den Routinebetrieb überführt. Die Titan-Saphir-Laser liefern im Durchstimmbereich von 730 - 880 nm eine mittlere Leistung von bis zu 3 W pro Laser bei einer Linienbreite von 2 - 3 GHz. Sie lassen sich computergesteuert in ihren Wellenlängen durchstimmen. Die mittels Resonanzionisation erzeugten Ionen werden dann in einem Flugzeit-Massenspektrometer entsprechend ihrer Masse aufgetrennt und mit einem Kanalplattendetektor nachgewiesen.Als Voraussetzung für die isotopenselektive Ultraspurenanalyse von Plutonium wurden mit diesem Lasersystem die Isotopieverschiebungen eines effizienten, dreistufigen Anregungsschema für Plutonium bestimmt. Die Laserleistungen reichen zur vielfachen Sättigung der ersten beiden Anregungsschritte und zur zweifachen Sättigung des dritten Anregungsschritts aus.Außerdem wurden die Ionisationsenergien von Pu-239 und Pu-244 zur Untersuchung ihrer Isotopenabhängigkeit bestimmt. Die beiden Ionisationsenergien sind im Rahmen der erreichten Genauigkeit bei einem Meßwert von IP239-IP244 = 0,24(82) cm^-1 gleich.Die Nachweiseffizienz der RIMS-Apparatur für Plutonium wurde in Effizienzmessungen zu 10^-5 bestimmt. Durch die gute Untergrundunterdrückung ergab sich daraus eine Nachweisgrenze von 10^6 Atomen bei der Messung eines Plutoniumisotops. Die Bestimmung der Isotopenverhältnisse von Proben mit einer zertifizierten Isotopenzusammensetzung lieferte eine gute Übereinstimmung der Meßwerte mit den angegebenen Zusammensetzungen.Die RIMS-Apparatur wurde zur Bestimmung des Gehalts und der Isotopenzusammensetzung von Plutonium in Meerwasser- und Staubproben eingesetzt.Auf Grund der Isotopenzusammensetzung konnte gezeigt werden, daß das Plutonium bei den meisten Proben aus dem Fallout von oberirdischen Kernwaffentests stammte. Des weiteren wurde Plutonium in Urinproben bestimmt. Die Nachweisgrenzen lagen bei diesen Umweltproben bei 10^6 bis 10^7 Atomen Plutonium und damit um zwei Größenordnungen niedriger als die Nachweisgrenze für Pu-239 bei der alpha-Spektroskopie, der Standardmethode für den Plutoniumnachweis.

Doppelresonanzmessungen an in einer Penningfalle gespeicherten Europium-Ionen zur Bestimmung des Kern-g-Faktors

Die differentielle Hyperfeinanomalie beschreibt den Isotopieeffekt der magnetischen Hyperfeinwechselwirkung und stellt eine Testmöglichkeit für Kernmodelle dar. Nachdem in einer Reihe von Messungen die A-Faktoren der Hyperfeinwechselwirkung im Grundzustand von zwei stabilen und fünf instabilen Europium-Isotopen bestimmt wurden, sollen nun die Kern-g-Faktoren der gleichen Isotope bestimmt werden.Um die Kern-g-Faktoren zu bestimmen, wurden zunächst die Termschemata des Grundzustandesder stabilen Isotope 151,153Eu+ simuliert. Wegen der hohen Kern- und Hüllenspins I=5/2, J=4 ergeben sich 54 Zeemanzustände und ein komplexes optisches Spektrum.Etwa 10^6 Ionen der beiden stabilen Isotope 151,153Eu+ werden in einer Penningfalle beieinem Magnetfeld von ca. 1.5T gespeichert. Durch Puffergas und Anregung einer Seitenbandfrequenzder Ionenbewegung wird optisches Pumpen in metastabile D-Zustände bei gleichzeitiger Kühlung der Ionenwolke verhindert.Bei Verstimmung eines frequenzverdoppelten Ti:Sa-Lasers wurde die Ionenfluoreszenz aufgenommen. Durch die Simulation der optischen Spektren gelang es, einzelne Übergänge des Isotopes 151Eu+ zu identifizieren. Mit Laser/Mikrowellen-Doppelresonanzmessungen erhält man ein in erster Ordnung dopplerfreies Mikrowellenspektren eines Überganges zwischen zwei Zeemanzuständen im Grundzustand.Durch Messung der Übergangsfrequenzen von insgesamt fünf Delta mI=+1 Übergängen und Bestimmung des Magnetfeldes durch Messung der Zyklotronfrequenz gespeicherter Elektronen konnte der gI-Faktor des Isotopes151Eu zu 151gI = 1.37734(6) bestimmt werden.

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.

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle

Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen an schweren Elementen in einer Puffergaszelle Die vorgelegte Arbeit beschreibt vorbereitende Untersuchungen zu ionenchemischen Reaktionen und Mobilitätsmessungen schwerer Elemente (Z>100) in einer mit Argon gefüllten Puffergaszelle. Dazu wurden am Element Erbium (Z=68), dem chemischen Homolog von Fermium (Z=100), zunächst in einem Fourier-Transformations-Massenspektrometer (FT/MS) Reaktionen mit Sauerstoff (O₂), Methan (CH₄) und Butylen (C₄H₈) untersucht und deren Reaktionskonstanten zu k(Er+O2)=(3,6±0,3)•10^-10cm³/s, k(Er+C4H8)=(1,3±0,1)•10^-10cm³/s gemessen. Für die Reaktion Er⁺+CH₄ wurde eine Obergrenze der Reaktionskonstante von k(Er+CH4)?,3•10^-15cm³/s bestimmt. Dieselben Reaktionen wurden anschließend in einer mit 60 mbar Argon gefüllten Puffergaszelle am Tandembeschleuniger des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg studiert.Das in die Zelle eingeschossene Erbium wurde nach der Thermalisierung in einem zweistufigen Laserprozess resonant ionisiert. Diese Messungen führten zu gleichen Ergebnissen wie die FT/MS-Messungen (k(Er+O2)=3,3±0,4)•10^-10cm³/s, k(Er+CH4)?2•10^-17cm³/s). Die Reaktion von Erbium mit Butylen wurde ebenfalls beobachtet, eine Reaktionskonstante konnte jedoch nicht bestimmt werden. Die Reaktion von Erbium mit Sauerstoff wurde auch mit den direkt in die Puffergaszelle eingeschossenen Ionen ohne Laserionisation untersucht. Eine reproduzierbare Reaktionskonstante konnte nicht bestimmt werden, mögliche Ursachen werden diskutiert.Aus der Driftzeit der Ionen im Puffergas können Ionenmobilitäten bestimmt werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Ionenradien und damit auch auf Bindungslängen in Molekülen. Zwischen Plutonium und Americium wurde bei einer Driftzeit von (1,88±0,01) ms ein Driftzeitunterschied von (0,07±0,02) ms gemessen und daraus eine relative Verringerung des Ionenradius von Americium gegenüber dem von Plutonium um (3,1±1,3)% bestimmt. Relativistische Rechnungen sagen für den atomaren Radius von Americium gegenüber Plutonium eine Kontraktion in gleicher Größenordnung voraus; für Ionenradien existieren zur Zeit noch keine Rechnungen. Aus den gemessenen Driftzeiten des Plutoniums von (1,85±0,01) ms und Plutoniumoxids von (2,38±0,01) ms wurde eine Zunahme des Ionenradius des Plutoniumoxids gegenüber dem Plutonium um (28±2)% bestimmt.Außerdem wurden Reaktionen von Ruthenium (Z=44) und Osmium (Z=76), beides chemische Homologe von Hassium (Z=108), mit Sauerstoff in der FT/MS-Apparatur untersucht, mit dem Ziel widersprüchliche Messungen der Reaktionskonstanten aufzuklären.

Optische Spektroskopie an Fermium (Z=100)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals Laser-Atomspektroskopie an einem Element durchgeführt, für das bisher keine atomaren Niveaus bekannt waren. Die Experimente wurden am Element Fermium mit der Ordnungszahl Z=100 mit der Resonanzionisationsspektroskopie (RIS) in einer Puffergaszelle durchgeführt. Verwendet wurde das Isotop 255Fm mit einer Halbwertszeit von 20.1 h, das im Hochflusskernreaktor des ORNL, Oak Ridge, USA, hergestellt wurde. Die von einem elektrochemischen Filament in das Argon-Puffergas bei einer Temperatur von 960(20)°C abgedampften Fm-Atome wurden mit Lasern in einem Zweistufenprozess resonant ionisiert. Dazu wurde das Licht eines Excimerlaser gepumpten Farbstofflasers für den ersten Anregungsschritt um die Wellenlänge 400 nm durchgestimmt. Ein Teil des Excimer (XeF) Laser Pumplichtes mit den Wellenlänge 351/353 nm wurde für die nicht-resonante Ionisation verwendet. Die Ionen wurden mit Hilfe elektrischer Felder aus der optischen Zelle extrahiert und nach einem Quadrupol Massenfilter mit einem Channeltron-Detektor massenselektiv nachgewiesen. Trotz der geringen Probenmenge von 2.7 x 10^10 eingesetzten Atomen wurden zwei atomare Resonanzen bei Energien von 25099.8(2) cm-1 und 25111.8(2) cm-1 gefunden und das Sättigungsverhalten dieser Linien gemessen. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl das spektrale Profil der sättigungsverbreiterten Linien als auch die Sättigungskurven beschreibt. Durch Anpassung an die Messdaten konnten die partiellen Übergangsraten in den 3H6 Grundzustand Aki=3.6(7) x 10^6/s und Aki=3.6(6) x 10^6/s bestimmt werden. Der Vergleich der Niveauenergien und Übergangsraten mit Multikonfigurations Dirac-Fock Rechnungen legt die spektroskopische Klassifizierung der beobachteten Niveaus als 5f12 7s7p 5I6 und 5G6 Terme nahe. Weiterhin wurde ein Übergang bei 25740 cm-1 gefunden, der aufgrund der beobachteten Linienbreite von 1000 GHz als Rydbergzustand Zustand mit der Niveauenergie 51480 cm-1 interpretiert wurde und über einen Zweiphotonen Prozess angeregt werden kann. Basierend auf dieser Annahme wurde die Obergrenze für die Ionisationsenergie IP = 52140 cm-1 = 6.5 eV abgeschätzt. In den Messungen wurden Verschiebungen in den Zeitverteilungsspektren zwischen den mono-atomaren Ionen Fm+ und Cf+ und dem Molekül-Ion UO+ festgestellt und auf Driftzeitunterschiede im elektrischen Feld der gasgefüllten optischen Zelle zurückgeführt. Unter einfachen Modellannahmen wurde daraus auf die relativen Unterschiede Delta_r(Fm+,Cf+)/r(Cf+) ˜ -0.2 % und Delta_r(UO+,Cf+)/r(Cf+) ˜ 20 % in den Ionenradien geschlossen. Über die Bestimmung der Abnahme der Fm-a Aktivität des Filamentes auf der einen Seite und die Messung der Resonanzzählrate auf der anderen Seite, wurde die Nachweiseffizienz der Apparatur zu 4.5(3) x 10^-4 bestimmt. Die Nachweisapparatur wurde mit dem Ziel weiterentwickelt, Laserspektroskopie am Isotop 251Fm durchzuführen, das über die Reaktion 249Cf(a,2n)251Fm direkt in der optischen Zelle erzeugt werden soll. Das Verfahren wurde am chemischen Homolog Erbium getestet. Dabei wurde das Isotop 163Er über die Reaktion 161Dy(a,2n)163Er erzeugt und nach Resonanzionisation nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Methode wurde zu 1 x 10^-4 bestimmt.

Numerical simulation of ion transport through ion channels and solid-state nanopores

Ion channels are pore-forming proteins that regulate the flow of ions across biological cell membranes. Ion channels are fundamental in generating and regulating the electrical activity of cells in the nervous system and the contraction of muscolar cells. Solid-state nanopores are nanometer-scale pores located in electrically insulating membranes. They can be adopted as detectors of specific molecules in electrolytic solutions. Permeation of ions from one electrolytic solution to another, through a protein channel or a synthetic pore is a process of considerable importance and realistic analysis of the main dependencies of ion current on the geometrical and compositional characteristics of these structures are highly required. The project described by this thesis is an effort to improve the understanding of ion channels by devising methods for computer simulation that can predict channel conductance from channel structure. This project describes theory, algorithms and implementation techniques used to develop a novel 3-D numerical simulator of ion channels and synthetic nanopores based on the Brownian Dynamics technique. This numerical simulator could represent a valid tool for the study of protein ion channel and synthetic nanopores, allowing to investigate at the atomic-level the complex electrostatic interactions that determine channel conductance and ion selectivity. Moreover it will provide insights on how parameters like temperature, applied voltage, and pore shape could influence ion translocation dynamics. Furthermore it will help making predictions of conductance of given channel structures and it will add information like electrostatic potential or ionic concentrations throughout the simulation domain helping the understanding of ion flow through membrane pores.

Cellulose based Lithium ion polymer electrolytes for Lithium batteries

The separator membrane in batteries and fuel cells is of crucial importance for the function of these devices. In lithium ion batteries the separator membrane as well as the polymer matrix of the electrodes consists of polymer electrolytes which are lithium ion conductors. To overcome the disadvantage of currently used polymer electrolytes which are highly swollen with liquids and thus mechanically and electrochemically unstable, the goal of this work is a new generation of solid polymer electrolytes with a rigid backbone and a soft side chain structure. Moreover the novel material should be based on cheap substrates and its synthesis should not be complicated aiming at low overall costs. The new materials are based on hydroxypropylcellulose and oligoethyleneoxide derivatives as starting materials. The grafting of the oligoethyleneoxide side chains onto the cellulose was carried out following two synthetic methods. One is based on a bromide derivative and another based on p-toluolsulfonyl as a leaving group. The side chain reagents were prepared form tri(ethylene glycol) monoethyl ether. In order to improve the mechanical properties the materials were crosslinked. Two different conceptions have been engaged based on either urethane chemistry or photosensitive dimethyl-maleinimide derivatives. PEO - graft - cellulose derivatives with a high degree of substitution between 2,9 and 3,0 were blended with lithium trifluoromethane-sulfonate, lithium bis(trifluorosulfone)imide and lithium tetrafluoroborate. The molar ratios were in the range from 0,02 to 0,2 [Li]/[O]. The products have been characterized with nuclear magnetic resonance (NMR), gel permeation chromatography (GPC) and laserlight scattering (LS) with respect to their degree of substitution and molecular weight. The effect of salt concentration on ionic conductivity, thermal behaviour and morphology has been investiga-ted with impedance spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA). The crosslinking reactions were controlled with dynamic mechanical analysis (DMS). The degree of substitution of our products is varying between 2,8 and 3,0 as determined by NMR. PEO - graft - cellulose derivatives are highly viscous liquids at room temperature with glass transition temperatures around 215 K. The glass transition temperature for the Lithium salt complexes of PEO - graft - cellulose deri-vatives increase with increasing salt content. The maximum conductivity at room temperature is about 10-4 and at 100°C around 10-3 Scm-1. The presence of lithium salt decreases the thermal stability of the complexes in comparison to pure PEO - graft - cellulose derivatives. Complexes heated over 140 – 150°C completely lose their ionic conductivity. The temperature dependence of the conductivity presented as Arrhenius-type plots for all samples is similar in shape and follows a VTF behaviour. This proofs that the ionic transport is closely related to the segmental motions of the polymer chains. Novel cellulose derivatives with grafted oligoethylen-oxide side chains with well-defined chemical structure and high side chain grafting density have been synthesized. Cellulose was chosen as stiff, rod like macromolecule for the backbone while oligoethylen-oxides are chosen as flexible side chains. A maximum grafting density of 3.0 have been obtained. The best conductivity reaches 10-3 Scm-1 at 100°C for a Li-triflate salt complex with a [Li]/[O] ratio of 0.8. The cross-linked complexes containing the lithium salts form elastomeric films with convenient mechanical stability. Our method of cellulose modification is based on relatively cheap and commercially available substrates and as such appears to be a promising alternative for industrial applications.