Inverse problems in classical and quantum physics

The subject of this thesis is in the area of Applied Mathematics known as Inverse Problems. Inverse problems are those where a set of measured data is analysed in order to get as much information as possible on a model which is assumed to represent a system in the real world. We study two inverse problems in the fields of classical and quantum physics: QCD condensates from tau-decay data and the inverse conductivity problem. Despite a concentrated effort by physicists extending over many years, an understanding of QCD from first principles continues to be elusive. Fortunately, data continues to appear which provide a rather direct probe of the inner workings of the strong interactions. We use a functional method which allows us to extract within rather general assumptions phenomenological parameters of QCD (the condensates) from a comparison of the time-like experimental data with asymptotic space-like results from theory. The price to be paid for the generality of assumptions is relatively large errors in the values of the extracted parameters. Although we do not claim that our method is superior to other approaches, we hope that our results lend additional confidence to the numerical results obtained with the help of methods based on QCD sum rules. EIT is a technology developed to image the electrical conductivity distribution of a conductive medium. The technique works by performing simultaneous measurements of direct or alternating electric currents and voltages on the boundary of an object. These are the data used by an image reconstruction algorithm to determine the electrical conductivity distribution within the object. In this thesis, two approaches of EIT image reconstruction are proposed. The first is based on reformulating the inverse problem in terms of integral equations. This method uses only a single set of measurements for the reconstruction. The second approach is an algorithm based on linearisation which uses more then one set of measurements. A promising result is that one can qualitatively reconstruct the conductivity inside the cross-section of a human chest. Even though the human volunteer is neither two-dimensional nor circular, such reconstructions can be useful in medical applications: monitoring for lung problems such as accumulating fluid or a collapsed lung and noninvasive monitoring of heart function and blood flow.

NMR spectroscopy and imaging of hyperpolarized gases

Since the discovery of the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon, countless NMR techniques have been developed that are today indispensable tools in physics, chemistry, biology, and medicine. As one of the main obstacles in NMR is its notorious lack of sensitivity, different hyperpolarization (HP) methods have been established to increase signals up to several orders of magnitude. In this work, different aspects of magnetic resonance, using HP noble gases, are studied, hereby combining different disciplines of research. The first part examines new fundamental effects in NMR of HP gases, in theory and experiment. The spin echo phenomenon, which provides the basis of numerous modern experiments, is studied in detail in the gas phase. The changes of the echo signal in terms of amplitude, shape, and position, due to the fast translational motion, are described by an extension of the existing theory and computer simulations. With this knowledge as a prerequisite, the detection of intermolecular double-quantum coherences was accomplished for the first time in the gas phase. The second part of this thesis focuses on the development of a practical method to enhance the dissolution process of HP 129Xe, without loss of polarization or shortening of T1. Two different setups for application in NMR spectroscopy and magnetic resonance imaging (MRI) are presented. The continuous operation allows biological and multidimensional spectroscopy in solutions. Also, first in vitro MRI images with dissolved HP 129Xe as contrast agent were obtained at a clinical scanner.

Study of the helicity dependence of single pion photoproduction on the deuteron

Der erste experimentelle Test der GDH-Summenregel für das Proton wurde 1998 am MAMI-Beschleuniger der Universität Mainz durchgeführt. Ferner wurde ein Pilot-Experiment mit einem polarisierten Deuteron-Target vorgenommen. Dieselbe Kollaboration führte 2003 ein auf das Deuteron ausgerichtetes Experiment durch mit der Absicht, die GDH-Summenregel für das Neutron zu untersuchen. Der in beiden Experimenten verwendete Aufbau erlaubt nicht nur die Messung des totalen Wirkungsquerschnitts, sondern auch gleichzeitig einzelne Teilreaktionen zu studieren. In dieser Arbeit werden die Daten des Deuteron-Pilot-Experiments von 1998 analysiert. Desweiteren wird eine Studie der Helizitätsabhängigkeit der differenziellen Wirkungsquerschnitte für drei Pion-Photoproduktionskanäle des Deuterons in der oberen Hälfte der Delta-Resonanz präsentiert. Diese Ergebnisse werden mit einem theoretischen Modell verglichen. Dabei wurde eine hinreichend gute Übereinstimmung für die unpolarisierten Reaktionen gefunden, während für die polarisierten Kanäle kleinere Diskrepanzen beobachtet wurden. Der Targetpolarisationsgrad ist einer der relevanten Parameter, der für eine absolute Normalisierung der Wirkungsquerschnitte notwendig ist. Die Analyse dieses Parameters für die 2003er Daten wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Zur Zeit ist in Mainz ein Frozen-Spin-Target im Bau. Es wird als Target für polarisierte Protonen oder polarisierte Deuteronen für zukünftige Experimente mit dem Crystal Ball zur Verfügung stehen. Die Vorbereitungen der verschiedenen Subsysteme dieses Aufbaus stellten einen wichtigen Teil dieser Arbeit dar. Die fundamentalen Grundlagen der Methode und deren technische Umsetzung, sowie der momentane Status der Aufbauarbeiten am Target werden im Detail präsentiert.

Higher-order calculations in manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory

This thesis is concerned with calculations in manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory beyond order D=4. We investigate two different methods. The first approach consists of the inclusion of additional particles besides pions and nucleons as explicit degrees of freedom. This results in the resummation of an infinite number of higher-order terms which contribute to higher-order low-energy constants in the standard formulation. In this thesis the nucleon axial, induced pseudoscalar, and pion-nucleon form factors are investigated. They are first calculated in the standard approach up to order D=4. Next, the inclusion of the axial-vector meson a_1(1260) is considered. We find three diagrams with an axial-vector meson which are relevant to the form factors. Due to the applied renormalization scheme, however, the contributions of the two loop diagrams vanish and only a tree diagram contributes explicitly. The appearing coupling constant is fitted to experimental data of the axial form factor. The inclusion of the axial-vector meson results in an improved description of the axial form factor for higher values of momentum transfer. The contributions to the induced pseudoscalar form factor, however, are negligible for the considered momentum transfer, and the axial-vector meson does not contribute to the pion-nucleon form factor. The second method consists in the explicit calculation of higher-order diagrams. This thesis describes the applied renormalization scheme and shows that all symmetries and the power counting are preserved. As an application we determine the nucleon mass up to order D=6 which includes the evaluation of two-loop diagrams. This is the first complete calculation in manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory at the two-loop level. The numerical contributions of the terms of order D=5 and D=6 are estimated, and we investigate their pion-mass dependence. Furthermore, the higher-order terms of the nucleon sigma term are determined with the help of the Feynman-Hellmann theorem.

Regulation der Sphingosinkinase 1 und 2 und der neutralen Ceramidase in renalen Mesangiumzellen der Ratte

In den letzten Jahren gewann die Erforschung des Sphingolipidstoffwechsels in den verschiedensten Zellsystemen immer mehr an Bedeutung, da es sich zeigte, dass einige Sphingolipidspezies, vor allem Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat, als wichtige intra- und extrazelluläre Botenstoffe wirken und bei einer Vielzahl unterschiedlicher zellulärer Antworten, wie Apoptose, Proliferation und Migration, eine wichtige Rolle spielen. Während Ceramid eher pro-apoptotisch und wachstumshemmend wirkt, begünstigt Sphingosin-1-Phosphat als „Gegenspieler“ eher die Proliferation und das Zellwachstum. Ceramid kann relativ schnell in Sphingosin-1-Phosphat umgewandelt werden durch die Wirkung zweier Enzymklassen, den Ceramidasen und den Sphingosinkinasen. Konsequenterweise ist die Regulation dieser Enzyme von entscheidender Bedeutung für das zelluläre Gleichgewicht zwischen Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Wirkung von extrazellulären Nukleotiden, die ebenfalls als Regulatoren zahlreicher zellulärer Antworten, wie z.B. Proliferation und Migration, bekannt sind und über entsprechende Oberflächenrezeptoren, die Purinrezeptoren, wirken, auf die Aktivität besonders der Sphingosinkinasen 1 und 2 näher untersucht. Es sollte geklärt werden, ob die Sphingosinkinasen an einigen durch extrazelluläre Nukleotide induzierbaren zellulären Antworten, in diesem Falle der Migration und der Proliferation von Zellen, beteiligt sind. Als Zellsystem wurden Nierenmesangiumzellen verwendet, da diese Zellen bei verschiedenen entzündlichen Nierenerkrankungen (Glomerulonephritiden) eine wichtige Rolle spielen. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass extrazelluläre Nukleotide die Aktivität der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen stimulieren können. Zu beobachten ist dabei eine biphasische Aktivitätssteigerung der Sphingosinkinase 1. Die erste Aktivitätssteigerung nach einer Kurzzeitstimulation ist dabei auf eine Phosphorylierung des Enzyms zurückzuführen, während die zweite Aktivitätssteigerung mit einer Aktivierung des Sphingosinkinase 1-Promotors, einer verstärkten mRNA-Expression und einer de novo Proteinsynthese zu erklären ist. Diese Induktion kann durch die Verwendung von Hemmstoffen des PKC- und MAPK-Signalweges, sowie durch Verwendung eines Transkriptions- (Actinomycin D) oder eines Translationsinhibitors (Cycloheximid) blockiert werden. Die Halbwertszeit der mRNA der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen konnte auf ca. 20 Minuten bestimmt werden. Im Gegensatz dazu ist die Sphingosinkinase 2 nicht durch ATP aktivierbar, wohl aber durch diverse Abbauprodukte von ATP, wie AMP und Adenosin, sowie durch UTP und seine Abbauprodukten UDP und UMP. Die neutrale Ceramidase kann nicht durch ATP und UTP aktiviert werden, wohl aber durch P2X7-Rezeptoragonisten (Bz-ATP, αβ-Me-ATP, γS-ATP) und TPA. In einem zweiten Schritt wurde die Rolle der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase bei der durch extrazelluläre Nukleotide induzierten Migration und Proliferation untersucht. Es zeigte sich mit Hilfe von genspezifischer siRNA zur Depletion der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase, sowie durch Verwendung von Kinase-Hemmstoffen und damit einhergehend der Inhibierung der Signalwege und mit Hilfe von verschiedenen Zelllinien isoliert aus Wildtyp-, SPHK 1-überexprimierenden und mSPHK1-defizienten Mäusen, dass die Aktivierung der Sphingosinkinase 1 durch extrazelluläre Nukleotide von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen ist, jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Proliferationsrate der Mesangiumzellen hat. Auch die Aktivität der neutralen Ceramidase ist von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen. Durch Depletion der neutralen Ceramidase scheint Ceramid in den Zellen zu akkumulieren, was die Proliferationsrate reduziert. Für die Proliferation der Mesangiumzellen könnte die Sphingosinkinase 2 als negativer Regulator fungieren, wie die Experimente mit der genspezifischen siRNA unter UTP-Stimulation gezeigt haben. Für die Migration der Mesangiumzellen gilt darüber hinaus, dass auch das Produkt der Sphingosinkinase 1, Sphingosin-1-Phosphat, in der Lage ist, die Migration zu stimulieren. Im Gegensatz dazu spielt Sphingosin-1-Phosphat für die Induktion der Proliferation der hier verwendeten Zellen keine wesentliche Rolle. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass die Sphingosinkinase 1 und vorgeschaltet auch die neutrale Ceramidase bei der Migration von Mesangiumzellen eine zentrale Rolle spielen und damit als therapeutische Angriffspunkte bei der Behandlung von Krankheiten, die durch eine vermehrte Migration gekennzeichnet sind, in Frage kommen.

Diffusivity and enzymatic activity control the exchange of carbonyl sulfide (COS) between soils and the atmosphere

Carbonylsulfid (COS) ist eines der stabilsten reduzierten schwefelhaltigen Spurengase in der Atmosphäre. In der gut durchmischten Troposphäre bewegt sich seine Konzentration um 500 ppt. COS spielt eine wichtige Rolle in der Produktion von stratosphärischem Aerosol und im Ozon Zyklus. Dieses Spurengas hat eine Vielfalt an natürlichen und anthropogenen Quellen, denen gleichstarke Senken, darunter die dominanten wie Vegetation und Boden, gegenüber stehen. Die Stärke der Senken ist trotz langjähriger Forschungen immer noch Gegenstand der Diskussionen. Daher ist es wichtig die kontrollierenden Parameter zu charakterisieren. Alle Austauschmessungen vor 1990 vermuteten Böden als Quelle von COS, was aber durch Castro and Galloway (1991) klar widerlegt wurde. Heute werden Böden in Ergänzung zur Vegetation grundsätzlich als Senke betrachtet. Vor diesem Hintergrund wurden Bodenproben auf den Austausch von Carbonylsulfid mit der Atmosphäre unter verschiedenen Umgebungsbedingungen untersucht. Drei Ackerböden aus Deutschland, China und Finnland und zwei Waldböden aus Sibirien und Surinam konnten parametrisiert werden in Relation zur atmosphärischen Umgebungskonzentration, Temperatur und Bodenfeuchte (WC). Neben Umgebungskonzentration und Bodenfeuchte, scheinen Bodenstruktur und enzymatische Aktivität die Richtung und Größe des Austauschflusses zu kontrollieren. Die übereinstimmenden Optima für boreale Böden in Relation zum wassergefüllten Porenvolumen des Bodens (WFPS) und die Linearität zwischen Depositionsgeschwindigkeit (Vd) und Bulk density lassen auf eine Dominanz der Abhängigkeit der COS-Aufnahme von der durch WFPS bestimmten Diffusionsfähigkeit schließen. WFPS ist abhängig von WC, Bodenstruktur und Bodenporosität. In Ergänzung zu diesen eher physikalischen Parametern konnte die Carboanhydrase (CA) als kontrollierendes Enzym in Böden identifiziert werden. Erste Versuche zur direkten Bestimmung der CA in den untersuchten Böden erlaubten eine erste, aber noch sehr ungenaue Abschätzung der Enzymaktivität.

Partial melting within the lower crust – Constraints from bulk rock geochemical data and trace element mineral analyses of granulites and migmatites from Central Finland

This PhD thesis concerns geochemical constraints on recycling and partial melting of Archean continental crust. A natural example of such processes was found in the Iisalmi area of Central Finland. The rocks from this area are Middle to Late Archean in age and experienced metamorphism and partial melting between 2.7-2.63 Ga. The work is based on extensive field work. It is furthermore founded on bulk rock geochemical data as well as in-situ analyses of minerals. All geochemical data were obtained at the Institute of Geosciences, University of Mainz using X-ray fluorescence, solution ICP-MS and laser ablation-ICP-MS for bulk rock geochemical analyses. Mineral analyses were accomplished by electron microprobe and laser ablation ICP-MS. Fluid inclusions were studied by microscope on a heating-freezing-stage at the Geoscience Center, University Göttingen. Part I focuses on the development of a new analytical method for bulk rock trace element determination by laser ablation-ICP-MS using homogeneous glasses fused from rock powder on an Iridium strip heater. This method is applicable for mafic rock samples whose melts have low viscosities and homogenize quickly at temperatures of ~1200°C. Highly viscous melts of felsic samples prevent melting and homogenization at comparable temperatures. Fusion of felsic samples can be enabled by addition of MgO to the rock powder and adjustment of melting temperature and melting duration to the rock composition. Advantages of the fusion method are low detection limits compared to XRF analyses and avoidance of wet-chemical processing and use of strong acids as in solution ICP-MS as well as smaller sample volumes compared to the other methods. Part II of the thesis uses bulk rock geochemical data and results from fluid inclusion studies for discrimination of melting processes observed in different rock types. Fluid inclusion studies demonstrate a major change in fluid composition from CO2-dominated fluids in granulites to aqueous fluids in TTG gneisses and amphibolites. Partial melts were generated in the dry, CO2-rich environment by dehydration melting reactions of amphibole which in addition to tonalitic melts produced the anhydrous mineral assemblages of granulites (grt + cpx + pl ± amph or opx + cpx + pl + amph). Trace element modeling showed that mafic granulites are residues of 10-30 % melt extraction from amphibolitic precursor rocks. The maximum degree of melting in intermediate granulites was ~10 % as inferred from modal abundances of amphibole, clinopyroxene and orthopyroxene. Carbonic inclusions are absent in upper-amphibolite facies migmatites whereas aqueous inclusion with up to 20 wt% NaCl are abundant. This suggests that melting within TTG gneisses and amphibolites took place in the presence of an aqueous fluid phase that enabled melting at the wet solidus at temperatures of 700-750°C. The strong disruption of pre-metamorphic structures in some outcrops suggests that the maximum amount of melt in TTG gneisses was ~25 vol%. The presence of leucosomes in all rock types is taken as the principle evidence for melt formation. However, mineralogical appearance as well as major and trace element composition of many leucosomes imply that leucosomes seldom represent frozen in-situ melts. They are better considered as remnants of the melt channel network, e.g. ways on which melts escaped from the system. Part III of the thesis describes how analyses of minerals from a specific rock type (granulite) can be used to determine partition coefficients between different minerals and between minerals and melt suitable for lower crustal conditions. The trace element analyses by laser ablation-ICP-MS show coherent distribution among the principal mineral phases independent of rock composition. REE contents in amphibole are about 3 times higher than REE contents in clinopyroxene from the same sample. This consistency has to be taken into consideration in models of lower crustal melting where amphibole is replaced by clinopyroxene in the course of melting. A lack of equilibrium is observed between matrix clinopyroxene / amphibole and garnet porphyroblasts which suggests a late stage growth of garnet and slow diffusion and equilibration of the REE during metamorphism. The data provide a first set of distribution coefficients of the transition metals (Sc, V, Cr, Ni) in the lower crust. In addition, analyses of ilmenite and apatite demonstrate the strong influence of accessory phases on trace element distribution. Apatite contains high amounts of REE and Sr while ilmenite incorporates about 20-30 times higher amounts of Nb and Ta than amphibole. Furthermore, trace element mineral analyses provide evidence for magmatic processes such as melt depletion, melt segregation, accumulation and fractionation as well as metasomatism having operated in this high-grade anatectic area.

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.

Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden und Bronzen für die Nanostrukturierung

Ausgehend von der Entdeckung der reversiblen Strukturierung mittels Rastersondenmethoden im Phasensystem Na2O/V2O5/P2O5 wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Ansatzpunkte verfolgt. Einerseits sollten mittels der Schmelzflußelektrolyse einige bereits existierende niederdimensionale Molybdänbronzen mit bekannten elektronischen Übergängen in ausreichend großen Kristallen gezüchtet werden, um sie auf ihre Strukturierungseigenschaften hin zu untersuchen. Gleichzeitig sollte durch Variation versucht werden, neue, bisher unbekannte Bronzen oder reduzierte Oxide zu synthetisieren und charakterisieren. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden, bestehend aus einem Seltenerdmetall und einem 3d-Metall von Titan bis hin zu den mittleren Übergangsmetallen. Diese Verbindungen können durch die Kombination der jeweiligen Eigenschaften der oxidischen und chalkogeniden Teilstrukturen völlig neue elektronische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Mögliche auftretende Phasenübergänge sind wiederum für Strukturierungsversuche interessant. Die zu den Oxidchalkogeniden durchgeführten Untersuchungen ergaben im Phasensystem Ln/Ti/S/O (Ln = Lanthanoide) insgesamt sechs Verbindungen. Zwei von ihnen, La8Ti9S24O4 und Nd20Ti11S44O6, besitzen als gemeinsames Strukturelement tetranukleare [Ti4(u4-S)2(u2-O)4]-Cluster, bestehend aus vier miteinander über gemeinsame Flächen kondensierte TiS4O2-Oktaeder. Die Titanpositionen innerhalb der Cluster sind mit Ti+3-Ionen besetzt. Beide Verbindungen weisen in einem Temperaturbereich zwischen 150 K und 250 K eine deutlich ausgeprägte Hysterese der magnetischen Suszeptibilität auf, die sich im Falle von La8Ti9S24O4 auf einen Jahn-Teller-Übergang zurückführen läßt. Daneben konnte erstmals eine Serie oxidisch/sulfidisch gemischter Ruddlesden-Popper-Verbindungen mit Ln2Ti2S2O5 (Ln = Pr, Nd, Sm) synthetisiert und charakterisiert werden. Titan liegt als vierwertiges Ion in aus TiSO5-Oktaedern gebildeten Perowskit-Doppelschichten vor. Die neunfach koordinierten Positionen sind mit den Seltenerdmetallionen gefüllt, die zwölffach koordinierten Lagen sind unbesetzt. Bei dem sechsten erhaltene Titanoxidsulfid, La4TiS6.5O1.5, handelt es sich um einen Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 2 eV. Weiterhin gelang es, die Serie Ln2M3S2O8 (Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm; M = Nb, Ta) zu synthetisieren und in ihren physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Es handelt sich ausnahmslos um Halbleiter mit Bandlücken zwischen E=0.125 eV für La2Nb3S2O8 und E=0.222 eV für Pr2Ta3S2O8. Die Struktur der Oxidsulfide Ce2Ta3S2O8, Pr2Ta3S2O8, Nd2Nb3S2O8 sowie Sm2Ta3S2O8 weist im Gegensatz zu den anderen Verbindungen eine Fehlordnung eines der beiden kristallographisch unabhängigen Nb- bzw. Ta-Atome auf. Daraus resultiert eine Symmetrieerniedrigung von Pnma zu Pbam. Der Einsatz von Europium führte zu einer neuen Modifikation des bronzoiden Oxids EuTa2O6, in der das Europium als Eu+2 vorliegt, wie 151Eu-Mößbauer-Untersuchungen bestätigten. Vor der Durchführung der Kristallzüchtungen mittels der Schmelzflußelektrolysen mußten die benutzen Öfen und Elektrolysezellen geplant und angefertigt werden. Es konnten dann verschiedene blaue, rote und violette Moybdänbronzen (sowie La2Mo2O7) in Kristallen bis zu 25 mm Länge dargestellt werden. Ferner gelang die erste exakte Einkristalluntersuchung der roten Bronze Rb0.33MoO3. Sie verfügt über die höchste d-Elektronen-Lokalisierungsrate aller bekannten roten Bronzen. Die erhaltenen Bronzen wurden teilweise von der Arbeitsgruppe Fuchs, Physikalisches Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, auf ihre Nanostrukturierbarkeit hin untersucht. Dabei ergaben sich zwei verschiedene Strukturierungsmechanismen. Sind es im Fall der blauen Alkalimetall-Molybdänbronzen ausschließlich Lochstrukturen, die entstehen, handelt es sich bei La2Mo2O7 um Hügelstrukturen. Mittels der Schmelzflußelektrolyse konnte auch das gemischtvalente Alkalimetall-Eisenmolybdat NaFe2(MoO4)3 synthetisiert werden. Daneben gelang die Synthese dreier weiterer Alkalimetall-Eisenmolybdate: Cs2Fe2(MoO4)3, NaFe4(MoO4)5 und CsFe5(MoO4)7. Bis auf Cs2Fe2(MoO4)3, welches in der bekannten Langbeinit-Struktur kristallisiert, handelt es sich bei den übrigen Alkalimetall-Eisenmolybdaten um völlig neuartige Käfigverbindungen, bzw. bei CsFe5(MoO4)7 um eine Tunnelverbindung. Die Kristallstrukturen beinhalten kondensierte FeO6-Oktaeder. Im Fall von NaFe2(MoO4)3 lassen sich [Fe2O10]-Einheiten, für NaFe4(MoO4)5 [Fe2O10]- sowie [Fe3O14]-Einheiten, und für CsFe5(MoO4)7 [Fe4O18]-Baueinheiten beobachten. Die Positionen der Fe+2- und Fe+3-Atome in NaFe4(MoO4)5 wurden mit Hilfe einer 57Fe-Mößbauer-Untersuchung bestimmt.

Constructing correlated spin states with neutral atoms in optical lattices

This thesis reports on the experimental investigation of controlled spin dependent interactions in a sample of ultracold Rubidium atoms trapped in a periodic optical potential. In such a situation, the most basic interaction between only two atoms at one common potential well, forming a micro laboratory for this atom pair, can be investigated. Spin dependent interactions between the atoms can lead to an intriguing time evolution of the system. In this work, we present two examples of such spin interaction induced dynamics. First, we have been able to observe and control a coherent spin changing interaction. Second, we have achieved to examine and manipulate an interaction induced time evolution of the relative phase of a spin 1/2-system, both in the case of particle pairs and in the more general case of N interacting particles. The first part of this thesis elucidates the spin-changing interaction mechanism underlying many fascinating effects resulting from interacting spins at ultracold temperatures. This process changes the spin states of two colliding particles, while preserving total magnetization. If initial and final states have almost equal energy, this process is resonant and leads to large amplitude oscillations between different spin states. The measured coupling parameters of such a process allow to precisely infer atomic scattering length differences, that e.g. determine the nature of the magnetic ground state of the hyperfine states in Rubidium. Moreover, a method to tune the spin oscillations at will based on the AC-Zeeman effect has been implemented. This allowed us to use resonant spin changing collisions as a quantitative and non-destructive particle pair probe in the optical lattice. This led to a series of experiments shedding light on the Bosonic superfluid to Mott insulator transition. In a second series of experiments we have been able to coherently manipulate the interaction induced time evolution of the relative phase in an ensemble of spin 1/2-systems. For two particles, interactions can lead to an entanglement oscillation of the particle pair. For the general case of N interacting particles, the ideal time evolution leads to the creation of spin squeezed states and even Schrödinger cat states. In the experiment we have been able to control the underlying interactions by a Feshbach resonance. For particle pairs we could directly observe the entanglement oscillations. For the many particle case we have been able to observe and reverse the interaction induced dispersion of the relative phase. The presented results demonstrate how correlated spin states can be engineered through control of atomic interactions. Moreover, the results point towards the possibility to simulate quantum magnetism phenomena with ultracold atoms in optical traps, and to realize and analyze many novel quantum spin states which have not been experimentally realized so far.

Oxidierte Kohlenwasserstoffe in der oberen Troposphäre: Kinetische Untersuchungen zum Abbau und Einfluss auf HO x und Ozon-Chemie

Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Kinetik der Reaktion des OH-Radikals mit Glykolaldehyd (HOCH2CHO). Die Geschwindigkeitskonstante k1 wurde für diese Reaktion temperaturabhängig bestimmt. Durch gepulste Photolyse wurden OH-Radikale erzeugt. Anschließend wurde die laserinduzierte Fluoreszenz der OH-Radikale bei 309 nm detektiert. Die ermittelte Geschwindigkeitskonstante k1 für die Reaktion von OH mit HOCH2CHO von (8,0 ± 0,8) x 10-12 cm3 Teilchen-1 s-1 erweist sich für den Temperaturbereich von 240 K < T < 362 K als temperaturunabhängig. Zwischen 60 und 250 Torr kann zudem keine Druckabhängigkeit für k1 beobachtet werden. Die unerwartet niedrigere Geschwindigkeitskonstante für die betrachtete Reaktion im Vergleich zur Reaktion von OH mit CH3CHO konnte anhand von Überlegungen zur Korrelation zwischen der C-H-Bindungsstärke und dem H-Abstraktionskanal erklärt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Photochemie von Aceton (CH3C(O)CH3), Methylethylketon (C2H5C(O)CH3, MEK) und Acetylbromid (CH3C(O)Br) betrachtet. Für die Photolyse von Aceton (bei 248 nm und 266 nm), MEK (bei 248 nm) und Acetylbromid (bei 248 nm) wurden bei 298 ± 3 K druckabhängig zwischen 5 und 1600 Torr N2 Quantenausbeuten für die Methylbildung (Phi(CH3)) bestimmt. Nach gepulster Photolyse der betrachteten Moleküle wurden die transienten Absorptionssignale der Methylradikale bei 216,4 nm verfolgt. Die Quantenausbeuten wurden relativ zur Photolyse von Methyliodid (CH3I) unter gleichen Reaktionsbedingungen ermittelt. Die erhaltenen Quantenausbeuten für CH3-Radikale nehmen für die beiden Systeme Aceton / 248 nm (Phi(CH3, Aceton) = 1,42 – 0,99) und MEK / 248 nm (Phi(CH3, MEK) = 0,45 – 0,19) druckabhängig zu hohen Drücken ab. Die Druckabhängigkeit von Phi(CH3) wird auf die Konkurrenz zwischen Stoßrelaxation und Dissoziation der schwingungsangeregten Acetylradikale (CH3CO#) zurückgeführt. Für das System Aceton / 266 nm wird keine Druckabhängigkeit von Phi(CH3) = 0,93 ± 0,1 beobachtet. Dies wird damit erklärt, dass CH3CO# nicht genügend Energie besitzt, um die Barriere zur Dissoziation zu überschreiten. Bei der Photolyse von Acetylbromid bei 248 nm wird druckunabhängig Phi(CH3) = 0,92 ± 0,10 bestimmt. In diesem System dissoziieren die schwingungsangeregten Acetylradikale bei allen Drücken vollständig. Bei 266 nm wurde die Gesamtquantenausbeute für die Photodissoziation von Aceton (Phi(diss, 266nm)) bestimmt. Die nach Photolyse erhaltenen Methyl - und Acetylradikale wurden nach Titration mit Br2 durch die Resonanzfluoreszenz der Bromatome detektiert. Phi(diss, 266nm) wurde mit 0,92 ± 0,07 bestimmt.

Funktionelle Analyse der beiden Zinkfinger-Homöodomänentranskriptionsfaktoren Zfh-1 und Zfh-2 während der Entwicklung des Nervensystems von Drosophila melanogaster

Diese Arbeit charakterisiert die Funktion und das Expressionmuster der beiden Zinkfinger-Homöodomänentranskriptionsfaktoren zfh1 und zfh2 von Drosophila melanogaster. Das zfh2 Gen wurde hierbei vor allem molekular charakterisiert. Es wurden eine Vielzahl möglicher Spleißformen identifiziert, welche das regulatorische Potential von Zfh2 enorm erweitern. Für Überexpressionsexperimente wurde zudem erstmalig die cDNA des längsten zfh2-Transkriptes kloniert. Durch Analysen an zfh1 Mutanten konnte gezeigt werden, dass zfh1 sowohl notwendig ist für die embryonale Entwicklung von Motoneuronen, als auch das larvale Wachstum motoneuronaler Endplatten reguliert. Wegen weit reichender pleiotroper Effekte, die zfh1 Funktionsverlustmutanten haben, war es notwendig, neben dem Einsatz hypomorpher Allele auf die Analyse genetischer Mosaike auszuweichen. Die als MARCM-Technik (Lee und Luo, 1999) bezeichnete Methode zur Erzeugung genetischer Mosaike wurde modifiziert um in dieser Arbeit erstmals für die Analyse mutanter larvaler Motoneurone eingesetzt werden zu können. Weitergehend konnte gezeigt werden, dass Zfh1 notwendig ist für die larvale Expression des Neuropeptides FMRFamid. Anhand von Sequenzvergleichen und durch Verwendung eines fmrfamid-Promoterkonstruktes (Benveniste et al., 1998) konnten Hinweise dafür gesammelt werden, dass die Zfh1-abhängige Regulation sehr wahrscheinlich direkter Natur ist. Bei fmrfamid handelt es sich somit um das erste identifizierte neurale Zielgen von Zfh1, an dem sich zudem modellhaft der molekulare Wirkmechanismus von Zfh1 erforschen lässt.

Conditional and transgenic mouse models as tools to study the role of TGFbeta, BMP signaling in skeletal development

Die TGFbeta/BMP Signaltransduktionskaskade ist wichtig für viele Entwicklungsprozesse fast aller embryonaler sowie extraembryonaler Gewebe und sie ist ebenso essentiell bei der Aufrechterhaltung der Homöostase im adulten Organismus. In vielen Mausmodellen und Zellkulturversuchen wurde gezeigt, dass Liganden dieses Signalweges in verschiedene Stadien der Knorpel- und Knochenentwicklung involviert sind. BMPs sind beispielsweise maßgeblich an der frühen Kondensation und Bildung des Knorpels und später an Proliferation und Hypertrophie der Chondrozyten beteiligt. BMPs können ektopisch Knochenbildung auslösen und das Expressionsmuster der Liganden und spezifischen Rezeptoren in der Wachstumsfuge lässt auf eine wichtige Rolle der BMPs in der Wachstumsfuge schließen. Der gezielte knock out der BMP-Rezeptoren Bmpr1a und Bmpr1b in proliferierenden Chondrozyten führt zur Ausbildung einer generellen Chondrodysplasie. Smad1, Smad5 und Smad8 sind die Mediatoren der BMP-Signalkaskade. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Rolle und Funktion der Smad1- und Smad5-Proteine in der Wachstumsfuge untersucht werden. Hierzu wurden konditionale Smad1-knock out-Mäuse mit einer transgenen Mauslinie gekreuzt, die die Cre-Rekombinase spezifisch in proliferierenden Chondrozyten exprimiert. Diese Mäuse wurden mit und ohne heterozygotem Smad5-Hintergrund charakterisiert. Bei einem knock out von Smad1 allein konnte ein leichte Verkürzung der Wachstumsfuge beobachtet werden, wobei prähypertrophe und hypertrophe Zone gleichermaßen betroffen waren. Dieser Phänotyp war verstärkt in Mäusen mit zusätzlichem heterozygotem Smad5-Hintergrund. Eine Verringerung der Proliferationsrate konnte zusammen mit einer verminderten Ihh-Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte anhand von Röntgenaufnahmen eine Dysorganisation der nasalen Region und ein fehlendes nasales Septum beobachtet werden. Produktion und Mineralisation der extrazellulären Matrix waren nicht beeinträchtigt. Um die Rolle der BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden während der endochondralen Ossifikation zu vergleichen, wurden transgene Mäuse generiert, in denen die TGFbeta-Signalkaskade spezifisch in proliferierenden Chondrozyten gestört war. Zwei Mauslinien, die ähnliche Phänotypen zeigten, wurden untersucht. Esl1 ist ein TGFbeta-bindendes Protein, von dem man annimmt, dass es die TGFbeta-Signalkaskade inhibieren kann. Esl1-knock out-Mäuse sind kleiner als Wildtypmäuse und die Überexpression von Esl1 in proliferierenden Chondrozyten führt zu einer Verlängerung der Wachstumsfuge und einer verstärkten Proliferationsrate. Knorpelmarker, wie Col2a1 und Sox9 sind in diesen Mäusen herunterreguliert, während Col10a1 und Ihh als Marker für die hypertrophe und prähypertrophe Zone herunterreguliert waren. Dies führt zu der Annahme, dass mehr Zellen in die terminale Differenzierung eintreten. Bei transgenen Mäusen, in denen ein dominant-negativer (dn) TGFbeta-Rezeptor in proliferierenden Chondrozyten überexprimiert wurde, konnte eine verlängerte prähypertrophe Zone, eine erhöhte Ihh-Expression, sowie eine verstärkte Proliferationsrate beobachtet werden. Zusätzlich konnte in homozygoten Tieren ein craniofacialer Phänotyp beschrieben werden, der zu Problemen bei der Nahrungsaufnahme und damit zu einer starken Wachstumsbeeinträchtigung führte. Die BMP- und TGFbeta-Signalkaskaden haben möglicherweise antagonistische Effekte in der Wachstumsfuge. Während der Ausfall von BMP in proliferierenden Chondrozyten aufgrund einer gesunkenen Proliferationsrate zu einer Verkürzung der Wachstumsfuge führte, kann man in Mäusen mit einer Störung der TGFbeta-Signalkaskade eine verstärkte Proliferation in einer daher verlängerten Wachstumsfuge beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Generation einer transgenen Mauslinie, die die Cre-Rekombinase spezifisch in hypertrophen Chondrozyten exprimiert. Promoterstudien mit transgenen Mäusen weisen darauf hin, dass ein putatives AP1-Element, etwa 4 kb vor dem ersten Exon des Col10a1 gelegen, wichtig für die spezifische Expression in hypertrophen Chondrozyten ist. Ein Konstrukt, dass vier Kopien dieses Elements und den basalen Promoter enthält, wurde benutzt, um die Cre-Rekombinase spezifisch zu exprimieren. Diese Mauslinie befindet sich in der Testphase und erste Daten deuten auf eine spezifische Expression der Cre-Rekombinase in hypertrophen Chondrozyten hin.

Virus-Wirt-Interaktionen bei Hepatitis-B-Virus-Infektionen: Die Rolle von Gamma2-Adaptin

Mit etwa 350 Millionen chronisch-infizierten Menschen gehört die Hepatitis-B neben der Tuberkulose und AIDS zu den häufigsten Infektionskrankheiten der Welt. Der einzig sichere Schutz vor dem bis zur Leberzirrhose persistierenden Virus bietet eine vorbeugende Impfung. Eine angemessene Therapie chronisch-erkrankter Patienten ist durch die Unkenntnis über viele Bereiche des HBV-Lebenszyklus nur eingeschränkt möglich. Gegenstand dieser Arbeit war vor allem etwas Licht in das Wechselspiel zwischen HBV und der Wirtszelle zu bringen und zelluläre Komponenten und Mechanismen zu identifizieren, die am Sortierungs- und Transportmechanismus viraler Substrukturen zur sogenannten Assembly-Plattform beteiligt sind, um dort die Freisetzung des Virus zu initiieren. Mit der vorliegenden Arbeit habe ich Methoden der Zellbiologie, Mikrobiologie, Molekularbiologie und Virologie vereint, um neue Einblicke in den HBV-Lebenszyklus zu gewinnen. Für die Ausschleusung von HBV wird seither der konstitutive Weg der Sekretion angenommen. In Anlehnung an den Mechanismus umhüllter RNA-Viren kann die Hypothese aufgestellt werden, dass das MVB (Multivesicular Body) im Prozess der HBV-Freisetzung beteiligt sein könnte. Die Freisetzung des Hepatitis-B-Virus aus einer infizierten Zelle ist ein streng organisierter Prozess, der sowohl das HBV-Coreprotein als auch die HBV-Hüllproteine zu benötigen scheint. (max. 5.000 Zeichen)Inhaltszusammenfassung in einer weiteren Sprache deutschenglischfranzösischrussischmehrsprachigsonst.Ausgangspunkt der Arbeit war eine spezifische Interaktion des großen HBV-Hüllproteins (L) mit einem neuen Mitglied der Adaptor-Protein-Komplex-Familie (AP-Komplex), dem g2?Adaptin (Hartmann-Stühler und Prange, 2001), das mutmaßlich an endosomalen Sortierungs- und Transportprozessen beteiligt ist. In Analogie zur Funktionsweise von Adaptin-Molekülen wurde vom g2-Adaptin eine Rolle in der Initiation und Steuerung der Sprossung und Freisetzung von HBV vermutet. Die im Rahmen dieser Arbeit erweiterte Charakterisierung der g2/L-Interaktion zeigte zum einen, dass die Ohrdomäne des Adaptins für die Interaktion essentiell ist und zum anderen, dass die Rekrutierung des Adaptins durch das L-Protein zu cis-Golgi-Strukturen innerhalb kleiner Transportvesikel entlang des Nukleus (perinukleär) erfolgt. Erste Ergebnisse dieser Arbeit deuteten bereits an, dass das virale Coreprotein mit demselben Adaptorprotein zu interagieren vermag. Für die g2/Core-Interaktion erwies sich in Folgearbeiten die Kopfregion des g2-Adaptins als die entscheidende Bindungsdomäne (Rost et al., 2006). Sowohl eine funktionelle Inaktivierung des g2-Adaptins durch RNA-Interferenz als auch eine g2-Adaptin- Überexpression störten die Virusmontage in späten Phasen der Morphogenese. Während ein g2-Adaptin-Überschuss die HBV-Produktion indirekt durch die Induktion dysfunktioneller endosomaler Kompartimente blockierte, verhinderte der siRNA-induzierte g2-Adaptin-Verlust die späte Ausschleusung des Virus aus der Zelle. Das Silencing von g2-Adaptin zeigte dabei weder einen Einfluss auf endosomale Strukturen noch auf die Freisetzung subviraler Partikel (Viren ohne Genom). Demzufolge scheinen sich die Mechanismen der Produktion von subviralen und viralen HBV-Partikeln bezüglich ihrer Anforderungen an Zellfunktionen und Transportwegen deutlich voneinander zu unterscheiden. Es konnten erste Hinweise darauf gefunden werden, dass die Virusmontage an endosomalen Kompartimenten (zum Beispiel dem MVB) erfolgen könnte, was durch bereits weitergeführte Untersuchungen bestätigt werden konnte (Lambert et al., J Virol, epub ahead of print). Darüber hinaus ist inzwischen bekannt, dass das Hepatitis-B-Virus für den Zusammenbau und die Freisetzung nicht nur das Adaptor-verwandte g2-Adaptin, sondern auch die endosomale Ubiquitin Ligase Nedd4, wahrscheinlich in Zusammenhang mit Ubiquitin selbst (Rost et al., 2006), benötigt. Eine Untersuchung dieser weiterführenden Aspekte war jedoch nicht mehr Inhalt dieser Arbeit. Insgesamt weisen die Daten darauf hin, dass die Sortierung und der Transport der Substrukturen des Hepatitis-B-Virus durch den MVB-Komplex zu erfolgen scheint. Dabei könnte das g2-Adaptin mit Hilfe einer Reihe von Kofaktoren (wie zum Beispiel Nedd4, Ubiquitin, etc.) eine entscheidende Rolle an der Sortierung und Anbindung des viralen L- und Coreproteins an die Assembly-Plattform spielen. Doch der genaue Mechanismus, welcher große Ähnlichkeit mit dem umhüllter RNA-Viren (wie zum Beispiel HIV-1) aufweist, bleibt noch ungeklärt. Ob weitere zelluläre Kofaktoren an der HBV-Sprossung und Freisetzung beteiligt sind, bleibt ebenfalls unbekannt und bedarf weiterer Untersuchungen.

Elaeocarpacae-Alkaloide: flexible Synthese optisch aktiver (-) Elaeokanin C Schlüsselbausteine

Kurzzusammenfassung Elaeocarpacae-Alkaloide: flexible Synthesen optisch aktiver (-) Elaeokanin C Schlüsselbausteine Im Tier- und Pflanzenreich sind Alkaloide weit verbreitet und werden von der Biogenese her als Produkte des Aminosäure-Stoffwechsels angesehen. Die Elaeocarpacae-Alkaloide zählen zu den Indolizidinen, welche durch ein Azabicyclo-[4.3.0]-nonan Grundgerüst charakterisiert sind und erstmals Ende der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts aus den Blättern der in Neu Guinea beheimateten Ölbaumgewächse isoliert wurden. Für verschiedene Vertreter dieses Alkaloid-Typs wurden sowohl racemische als auch asymmetrische Totalsynthesen entwickelt. Während für das (+) Elaeokanin C bereits Totalsynthesen existieren, gibt es für das (-) Elaeokanin C bis heute keine asymmetrische Synthese. Als Fernziel der vorliegenden Arbeit wurde die erste Totalsynthese von (-) Elaeokanin C ausgewählt. Der Syntheseplan sieht zunächst den diastereoselektiven Aufbau eines optisch aktiven Schlüsselbausteins mit Naturstoff-Stereotriade im Sinne einer konvergenten ex-chiral-pool Synthese vor. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dies durch die Aza-Claisen-Umlagerung realisiert werden. Ausgehend von diesem Schlüsselbaustein wurden verschiedene Synthesewege verfolgt um sowohl das Substitutionsmuster der Seitenkette als auch das des Piperidinsegments vielfältig variieren zu können. Die Einführung der Seitenkette erwies sich durch vielfältige Nachbargruppeneffekte wie die unerwünschte 5-exo-trig Cyclisierung zu einem Pyrrolizidin Derivat als große Hürde. Eine geänderte Synthesestrategie mit einem schrittweisen Aufbau der Kette lieferte schließlich den Baustein, aus dem nun in wenigen Stufen das (-) Elaeokanin C sowie vielfältige Analoga herzustellen sein sollten.