Interplay of pi–pi stacking and hydrogen bonding in conjugated supramolecular systems studied by solid-state NMR

In this work supramolecular organic systems based on rigid pi-conjugated building blocks and flexible side chains were studied via solid-state NMR spectroscopy. Specifically, these studies focussed on phenylene ethynylene based macrocycles, polymer systems including polythiophenes, and rod-coil copolymers of oligo(p-benzamide) and poly(ethylene glycol). All systems were studied in terms of the local order and mobility. The central topic of this dissertation was to elucidate the role of the flexible side chains in interplay of different non-covalent interactions, like pi-pi-stacking and hydrogen bonding.Combining the results of this work, it can be concluded that the ratio of the rigid block and the attached alkyl side chains can be crucial for the design of an ordered pi-conjugated supramolecular system. Through alkyl side chains, it is also possible to introduce liquid-crystalline phases in the system, which can foster the local order of the system. Moreover in the studied system longer, unbranched alkyl side chains are better suited to stabilize the corresponding aggregation than shorter, branched ones.The combination of non-covalent interactions such as pi-pi-stacking and hydrogen bonding play an important role for structure formation. However, the effect of pi-pi-stacking interaction is much weaker than the effect of hydrogen bonding and is only observed in systems with a suitable local order. Hence, they are often not strong enough to control the local order. In contrast, hydrogen bonds predominantly influence the structural organization and packing. In comparison the size of the alkyl side chains is only of minor importance. The suppression of certain hydrogen bonds can lead to completely different structures and can induce a specific aggregation behavior. Thus, for the design of a supramolecular ordered system the presence of hydrogen bonding efficiently stabilizes the corresponding structure, but the ratio of hydrogen bond forming groups should be kept low to be able to influence the structure selectively.

Computational strategies to include protein flexibility in Ligand Docking and Virtual Screening

The dynamic character of proteins strongly influences biomolecular recognition mechanisms. With the development of the main models of ligand recognition (lock-and-key, induced fit, conformational selection theories), the role of protein plasticity has become increasingly relevant. In particular, major structural changes concerning large deviations of protein backbones, and slight movements such as side chain rotations are now carefully considered in drug discovery and development. It is of great interest to identify multiple protein conformations as preliminary step in a screening campaign. Protein flexibility has been widely investigated, in terms of both local and global motions, in two diverse biological systems. On one side, Replica Exchange Molecular Dynamics has been exploited as enhanced sampling method to collect multiple conformations of Lactate Dehydrogenase A (LDHA), an emerging anticancer target. The aim of this project was the development of an Ensemble-based Virtual Screening protocol, in order to find novel potent inhibitors. On the other side, a preliminary study concerning the local flexibility of Opioid Receptors has been carried out through ALiBERO approach, an iterative method based on Elastic Network-Normal Mode Analysis and Monte Carlo sampling. Comparison of the Virtual Screening performances by using single or multiple conformations confirmed that the inclusion of protein flexibility in screening protocols has a positive effect on the probability to early recognize novel or known active compounds.

Theoretical study of correlated systems using hybrid functionals

Diese Arbeit unterstreicht das Potential von Hybridfunktionalen (B3LYP) für die Untersuchung einer großen Bandbreite von Systemen. Durch die Einbeziehung der exakten Hartree-Fock Austauschenergie kann B3LYP für molekulare und kristalline Systeme eingesetzt werden. Zum Beispiel können stark korrelierte Systeme mit B3LYP erfolgreich erforscht werden. Die elektronische Struktur von PAHs wurde mit B3LYP Hybriddichtefunktionalen untersucht. Mit der ∆SCF-Methode wurden Elektronenbindungsenergien bestimmt, welche die mit UPS gewonnenen experimentellen Resultate bestätigen und ergänzen. Symmetrieeigenschaften der molekularen Orbitale wurden analysiert, um eine Zuordnung und Einschätzung der zugehörigen Signalstärke zu ermöglichen. Während σ-artige Orbitale nur schwer durch UPS-Messungen an dünnen Filmen detektiert werden können, bieten Rechnungen eine detaillierte Einsicht in die verborgenen Teile der Spektren.rnWeiterhin wurden π−π-Komplexe untersucht, welche von verschiedenen Donor- und Akzeptor-Molekülen gebildet werden. Die Moleküle basieren auf polyzyklischen, aromatischen Kohlenwasserstoffen. Für Ladungstransferkomplexe finden DFT Rechnungen ein Minimum in der Oberfläche der potentiellen Energie. Diese attraktive Wechselwirkung wird durch Coulombanziehung verursacht. Allerdings ist die Coulombanziehung nicht die stärkste Wechselwirkung in Ladungstransferkomplexen. Die Einbeziehung von van der Waals-Korrekturen verbessert den intermolekularen Abstand und die Bindungsenergie.rnEine Verkleinerung der intermolekularen Abstände führt zu einer großen Verschiebung der HOMO- und LUMO-Energie.rnAus der Klasse der kristallinen korrelierten Systeme wurden Rb4O6 und FeSe untersucht. Im Falle von Rb4O6 führen Ladungsordnung und Korrelationen zu einem isolierenden Grundzustand. Das hypothetische druckabhängige Phasendiagramm wurde untersucht. Eine Erhöhung des Drucks führt zu einer vergrößerten Bandlücke. Bei etwa 75 GPa wird die Bandbreite W größer als der Bandabstand U und das System nimmt einen homogen gemischt valenten Zustand mit teilweise besetzten π−π-Orbitalen an. Für Drücke ab 160 GPa wird W sehr viel größer als U und das System wird metallisch.rnIm Fall von FeSe finden wir eine korrelierte und isolierende Phase bei hohen Drücken, während das System bei niedrigen Drücken supraleitendes Verhalten zeigt. Die Berechnungen der Elektronenstruktur mit dem Hybridfunktional B3LYP führt zum korrekten halbleitenden Grundzustand in der NiAs- und MnP-Struktur von FeSe. Die Rolle der Korrelationen, der Stöchiometrie und der Nähe zum Magnetismus wird besprochen. Im Speziellen wird gezeigt, dass die Phase mit NiAs-Struktur starke lokale Korrelationen aufweist, was zu einem halbleitenden Zustand in einem weiten Druckbereich führt.

Physico-chemical and microstructural properties of food dispersions

The macroscopic properties of oily food dispersions, such as rheology, mechanical strength, sensory attributes (e.g. mouth feel, texture and even flavour release) and as well as engineering properties are strongly determined by their microstructure, that is considered a key parameter in the understanding of the foods behaviour . In particular the rheological properties of these matrices are largely influenced by their processing techniques, particle size distribution and composition of ingredients. During chocolate manufacturing, mixtures of sugar, cocoa and fat are heated, cooled, pressurized and refined. These steps not only affect particle size reduction, but also break agglomerates and distribute lipid and lecithin-coated particles through the continuous phase, this considerably modify the microstructure of final chocolate. The interactions between the suspended particles and the continuous phase provide information about the existing network and consequently can be associated to the properties and characteristics of the final dispersions. Moreover since the macroscopic properties of food materials, are strongly determined by their microstructure, the evaluation and study of the microstructural characteristics, can be very important for a through understanding of the food matrices characteristics and to get detailed information on their complexity. The aim of this study was investigate the influence of formulation and each process step on the microstructural properties of: chocolate type model systems, dark milk and white chocolate types, and cocoa creams. At the same time the relationships between microstructural changes and the resulting physico-chemical properties of: chocolate type dispersions model systems dark milk and white chocolate were investigated.

Type Systems for Distributed Programs: Components and Sessions

Modern software systems, in particular distributed ones, are everywhere around us and are at the basis of our everyday activities. Hence, guaranteeing their cor- rectness, consistency and safety is of paramount importance. Their complexity makes the verification of such properties a very challenging task. It is natural to expect that these systems are reliable and above all usable. i) In order to be reliable, compositional models of software systems need to account for consistent dynamic reconfiguration, i.e., changing at runtime the communication patterns of a program. ii) In order to be useful, compositional models of software systems need to account for interaction, which can be seen as communication patterns among components which collaborate together to achieve a common task. The aim of the Ph.D. was to develop powerful techniques based on formal methods for the verification of correctness, consistency and safety properties related to dynamic reconfiguration and communication in complex distributed systems. In particular, static analysis techniques based on types and type systems appeared to be an adequate methodology, considering their success in guaranteeing not only basic safety properties, but also more sophisticated ones like, deadlock or livelock freedom in a concurrent setting. The main contributions of this dissertation are twofold. i) On the components side: we design types and a type system for a concurrent object-oriented calculus to statically ensure consistency of dynamic reconfigurations related to modifications of communication patterns in a program during execution time. ii) On the communication side: we study advanced safety properties related to communication in complex distributed systems like deadlock-freedom, livelock- freedom and progress. Most importantly, we exploit an encoding of types and terms of a typical distributed language, session π-calculus, into the standard typed π- calculus, in order to understand their expressive power.

Phasenverhalten, Kristallisation und Morphologie ladungsstabilisierter kolloidaler Mischungen

Die vorliegende Arbeit möchte die Anwendbarkeit ladungsstabilisierter kolloidaler Systeme als Modellsysteme für fundamentale Fragen der Festkörperphysik und Thermodynamik auf binäre Mischungen erweitern. In diesem Kontext untersucht sie das Phasenverhalten und mit ihm im Zusammenhang stehende Eigenschaften von binären Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer kolloidaler Partikel in wässriger Suspension. Da das Verhalten hartkugelähnlicher Systeme durch hohe Fremdionenkonzentrationen bereits gut bekannt ist, konzentriert sich diese Arbeit auf sehr langreichweitig repulsive Systeme unter deionisierten Bedingungen. Neben etablierten Methoden der Mikroskopie und statischer Lichtstreuung zur Phasendiagrammsbestimmung wird auch die Beobachtung der zeitabhängigen Entwicklung des Schermoduls verwendet, um eine langsame Erstarrungskinetik zu studieren. Es werden insbesondere Mischungen aus Komponenten unterschiedlicher Größe und Ladung der Größenverhältnisse 0,9, 0,82, 0,57, 0,39 und 0,37 untersucht. Diese zeigen in dieser Reihenfolge Phasendiagramme mit spindelförmigem fluid/kristallinen Koexistenzbereich wie auch azeotrope und eutektische Phasendiagramme. Die Strukturuntersuchungen aus der statischen Lichtstreuung stehen in praktisch allen Fällen im Einklang mit ungeordneten bcc- Substitutionskristallen, was über Modelle zu Schermodulmessungen bestätigt wird. Für das spindelförmige System wird ein überraschend weiter Koexistenzbereich beobachtet, wie er nicht von der Theorie erwartet wird. Die Lage, aber nicht die Form des Solidus stimmt quantitativ mit Simulationsvorhersagen zu einkomponentigen Systemen überein. Für das eutektische System bei einem Radienverhältnis von 0,57 wird der Einfluss der Schwerkraft auf das Phasenverhalten und die Erstarrungskinetik untersucht. Die der Kristallisation der kleineren Majoritätskomponente vorgelagerte gravitativ unterstützte Entmischung begünstigt hier die Verfestigung. Beobachtet werden Morphologien, die aus anderen Systemen bekannt sind (Facetten, Dendriten), wie auch erstmals eine kollumnare eutektische Morphologie. Aus den Ergebnissen wird der erste umfassende Überblick über das Phasenverhalten deionisierter Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer Partikel erstellt, die eine Diskussion der Daten anderer Autoren und unserer Gruppe über fluid-fluider Phasenseparation und einem System mit oberem azeotropen Punkt mit einschließt. Die meisten metallspezifischen Phasendiagrammtypen können mit ladungsstabilisierten kolloidalen Partikeln reproduziert werden. Die langreichweitig wechselwirkenden Partikel zeigt eine wesentlich verbesserte substitutionelle Mischbarkeit im Vergleich mit Hartkugel- und Metallsystemen. Das Größenverhältnis der sphärischen Partikel nimmt dabei die bestimmende Rolle für den Phasendiagrammtyp ein.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Interacting bosons and fermions in three-dimensional optical lattice potentials

This thesis reports on the realization, characterization and analysis of ultracold bosonic and fermionic atoms in three-dimensional optical lattice potentials. Ultracold quantum gases in optical lattices can be regarded as ideal model systems to investigate quantum many-body physics. In this work interacting ensembles of bosonic 87Rb and fermionic 40K atoms are employed to study equilibrium phases and nonequilibrium dynamics. The investigations are enabled by a versatile experimental setup, whose core feature is a blue-detuned optical lattice that is combined with Feshbach resonances and a red-detuned dipole trap to allow for independent control of tunneling, interactions and external confinement. The Fermi-Hubbard model, which plays a central role in the theoretical description of strongly correlated electrons, is experimentally realized by loading interacting fermionic spin mixtures into the optical lattice. Using phase-contrast imaging the in-situ size of the atomic density distribution is measured, which allows to extract the global compressibility of the many-body state as a function of interaction and external confinement. Thereby, metallic and insulating phases are clearly identified. At strongly repulsive interaction, a vanishing compressibility and suppression of doubly occupied lattice sites signal the emergence of a fermionic Mott insulator. In a second series of experiments interaction effects in bosonic lattice quantum gases are analyzed. Typically, interactions between microscopic particles are described as two-body interactions. As such they are also contained in the single-band Bose-Hubbard model. However, our measurements demonstrate the presence of multi-body interactions that effectively emerge via virtual transitions of atoms to higher lattice bands. These findings are enabled by the development of a novel atom optical measurement technique: In quantum phase revival spectroscopy periodic collapse and revival dynamics of the bosonic matter wave field are induced. The frequencies of the dynamics are directly related to the on-site interaction energies of atomic Fock states and can be read out with high precision. The third part of this work deals with mixtures of bosons and fermions in optical lattices, in which the interspecies interactions are accurately controlled by means of a Feshbach resonance. Studies of the equilibrium phases show that the bosonic superfluid to Mott insulator transition is shifted towards lower lattice depths when bosons and fermions interact attractively. This observation is further analyzed by applying quantum phase revival spectroscopy to few-body systems consisting of a single fermion and a coherent bosonic field on individual lattice sites. In addition to the direct measurement of Bose-Fermi interaction energies, Bose-Bose interactions are proven to be modified by the presence of a fermion. This renormalization of bosonic interaction energies can explain the shift of the Mott insulator transition. The experiments of this thesis lay important foundations for future studies of quantum magnetism with fermionic spin mixtures as well as for the realization of complex quantum phases with Bose-Fermi mixtures. They furthermore point towards physics that reaches beyond the single-band Hubbard model.

Starch distribution in pear tree organs in relation to training systems, rootstocks and fruit quality

Starch is the main form in which plants store carbohydrates reserves, both in terms of amounts and distribution among different plant species. Carbohydrates are direct products of photosynthetic activity, and it is well know that yield efficiency and production are directly correlated to the amount of carbohydrates synthesized and how these are distributed among vegetative and reproductive organs. Nowadays, in pear trees, due to the modernization of orchards, through the introduction of new rootstocks and the development of new training systems, the understanding and the development of new approaches regarding the distribution and storage of carbohydrates, are required. The objective of this research work was to study the behavior of carbohydrate reserves, mainly starch, in different pear tree organs and tissues: i.e., fruits, leaves, woody organs, roots and flower buds, at different physiological stages during the season. Starch in fruit is accumulated at early stages, and reached a maximum concentration during the middle phase of fruit development; after that, its degradation begins with a rise in soluble carbohydrates. Moreover, relationships between fruit starch degradation and different fruit traits, soluble sugars and organic acids were established. In woody organs and roots, an interconversion between starch and soluble carbohydrates was observed during the dormancy period that confirms its main function in supporting the growth and development of new tissues during the following spring. Factors as training systems, rootstocks, types of bearing wood, and their position on the canopy, influenced the concentrations of starch and soluble carbohydrates at different sampling dates. Also, environmental conditions and cultural practices must be considered to better explain these results. Thus, a deeper understanding of the dynamics of carbohydrates reserves within the plant could provide relevant information to improve several management practices to increase crop yield efficiency.

Massenspektrometrische Wasserdampfmessung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des flugzeuggetragenen Atmosphärischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS-H2O zur Messung von Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) und erste Flugzeugmessungen mit dem Instrument. Wasserdampf beeinflusst das Klima in der UTLS aufgrund seiner Strahlungseigenschaften und agiert als wichtiger Parameter bei der Bildung von Zirruswolken und Kondensstreifen. Deshalb sind genaue Wasserdampfmessungen für das Verständnis vieler atmosphärischer Prozesse unerlässlich. Instrumentenvergleiche wie sie im SPARC Report No. 2 und dem Bericht der AUQAVIT Kampagne zusammengefasst sind, haben gezeigt, dass große Abweichungen zwischen einzelnen Methoden und Instrumenten bestehen. Diese Unsicherheiten limitieren das Verständnis des Einflusses von Wasserdampf auf die Dynamik und die Strahlungseigenschaften in der UTLS. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung einer neuen Messmethode für Wasserdampf mit dem Massenspektrometer AIMS-H2O ist deshalb auf die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen in der UTLS fokussiert. Mit AIMS H2O wird Umgebungsluft in einer neu entwickelten Gasentladungsquelle ionisiert. Durch eine Reihe von Ionen-Molekül-Reaktionen entstehen H3O+(H2O) und H3O+(H2O)2 Ionen. Diese Ionen werden genutzt, um die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre zu bestimmen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erzielen, wird AIMS H2O im Flug kalibriert. In dem zu diesem Zweck aufgebauten Kalibrationsmodul wird die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einer Platinoberfläche genutzt, um definierte Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibration im Flug zu erzeugen. Bei ersten Messungen auf der Falcon während der Kampagne CONCERT 2011 konnte dabei eine Genauigkeit von 8 bis 15% für die Messung der Wasserdampfkonzentration in einem Messbereich von 0,5 bis 250 ppmv erreicht werden. Die Messfrequenz betrug 4 Hz, was einer räumlichen Auflösung von etwa 50 m entspricht. Der Vergleich der Messung des Massenspektrometers mit dem Laserhygrometer Waran zeigt eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Unsicherheiten. Anhand zweier Fallstudien werden die Messungen von AIMS H2O während CONCERT 2011 detailliert analysiert. In der ersten Studie werden zwei Flüge in eine stratosphärische Intrusion über Nordeuropa untersucht. In dieser Situation wurde stratosphärische Luft bis hinunter auf 6 km Höhe transportiert und war dadurch mit der Falcon erreichbar. Es konnte gezeigt werden, dass AIMS-H2O sehr gut für die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen, in diesem Fall bis etwa 3,5 ppmv, geeignet ist. Der Vergleich der Messung mit Analysen des ECMWF Integrated Forecast Systems zeigt eine gute Übereinstimmung der gemessenen Wasserdampfstrukturen mit der dynamischen Tropopause. Unterschiede tauchen dagegen beim Vergleich der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre auf. Hier prognostiziert das Modell deutlich höhere Feuchten. Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Verteilung der relativen Feuchte in jungen Kondensstreifen im Vergleich zu ihrer direkten Umgebung. Dabei wurde für drei Messsequenzen im Abgasstrahl von Flugzeugen beobachtet, dass die relative Feuchte innerhalb des Kondensstreifens im Vergleich zur Umgebung sowohl bei unter- als auch übersättigten Umgebungsbedingungen in Richtung Sättigung verschoben ist. Die hohe Anzahl an Eispartikeln und die damit verbundene große Eisoberfläche in jungen Kondensstreifen führt also zu einer schnellen Relaxation von Gasphase und Eis in Richtung Gleichgewicht. In der Zukunft soll AIMS-H2O auch auf HALO für die genaue Messung von Wasserdampf bei ML-CIRRUS und weiteren Kampagnen eingesetzt werden.

Volatile organic compounds at the air-sea interface : gas exchange rates, oceanic emissions and the effect of ocean acidification

Oceans are key sources and sinks in the global budgets of significant atmospheric trace gases, termed Volatile Organic Compounds (VOCs). Despite their low concentrations, these species have an important role in the atmosphere, influencing ozone photochemistry and aerosol physics. Surprisingly, little work has been done on assessing their emissions or transport mechanisms and rates between ocean and atmosphere, all of which are important when modelling the atmosphere accurately.rnA new Needle Trap Device (NTD) - GC-MS method was developed for the effective sampling and analysis of VOCs in seawater. Good repeatability (RSDs <16 %), linearity (R2 = 0.96 - 0.99) and limits of detection in the range of pM were obtained for DMS, isoprene, benzene, toluene, p-xylene, (+)-α-pinene and (-)-α-pinene. Laboratory evaluation and subsequent field application indicated that the proposed method can be used successfully in place of the more usually applied extraction techniques (P&T, SPME) to extend the suite of species typically measured in the ocean and improve detection limits. rnDuring a mesocosm CO2 enrichment study, DMS, isoprene and α-pinene were identified and quantified in seawater samples, using the above mentioned method. Based on correlations with available biological datasets, the effects of ocean acidification as well as possible ocean biological sources were investigated for all examined compounds. Future ocean's acidity was shown to decrease oceanic DMS production, possibly impact isoprene emissions but not affect the production of α-pinene. rnIn a separate activity, ocean - atmosphere interactions were simulated in a large scale wind-wave canal facility, in order to investigate the gas exchange process and its controlling mechanisms. Air-water exchange rates of 14 chemical species (of which 11 VOCs) spanning a wide range of solubility (dimensionless solubility, α = 0:4 to 5470) and diffusivity (Schmidt number in water, Scw = 594 to 1194) were obtained under various turbulent (wind speed at ten meters height, u10 = 0:8 to 15ms-1) and surfactant modulated (two different sized Triton X-100 layers) surface conditions. Reliable and reproducible total gas transfer velocities were obtained and the derived values and trends were comparable to previous investigations. Through this study, a much better and more comprehensive understanding of the gas exchange process was accomplished. The role of friction velocity, uw* and mean square slope, σs2 in defining phenomena such as waves and wave breaking, near surface turbulence, bubbles and surface films was recognized as very significant. uw* was determined as the ideal turbulent parameter while σs2 described best the related surface conditions. A combination of both uw* and σs2 variables, was found to reproduce faithfully the air-water gas exchange process. rnA Total Transfer Velocity (TTV) model provided by a compilation of 14 tracers and a combination of both uw* and σs2 parameters, is proposed for the first time. Through the proposed TTV parameterization, a new physical perspective is presented which provides an accurate TTV for any tracer within the examined solubility range. rnThe development of such a comprehensive air-sea gas exchange parameterization represents a highly useful tool for regional and global models, providing accurate total transfer velocity estimations for any tracer and any sea-surface status, simplifying the calculation process and eliminating inevitable calculation uncertainty connected with the selection or combination of different parameterizations.rnrn

Single- and double-electron transfer reactions of ground and metastable state Ar2+ ions

Electron transfer cross sections have been measured for reactions of Ar2+ ions with Ar, N2, O2, CO2, CH4 and C2H6. Time-of-flight techniques have been used to measure both fast neutral Ar0 and fast Ar+ products from single- and double-electron transfer processes involving Ar2+ ions with 4.0 to 7.0 keV impact energies. Incident Ar2+ ions have produced by controlled electron impact ionisation of argon atoms. Reactions have been examined as a function of ionising electron energy and cross sections determined for ground state Ar2+(3P) ions. Charge transfer cross sections have been determined to be in the range of 3*10-16 cm2 for the systems examined. Double-electron transfer cross sections are the same order of magnitude as those measured for the corresponding single-electron transfer reactions. The state distribution of the reactant ion beam has been estimated and electron transfer cross sections obtained for single- and double-electron transfer reactions of metastable Ar2+ions. The magnitudes of electron transfer cross sections in individual systems are similar for both ground and metastable state Ar2+ reactions.

Observations of middle atmospheric H2O and O3 during the 2010 major sudden stratospheric warming by a network of microwave radiometers

In this study, we present middle atmospheric water vapor (H2O) and ozone (O3) measurements obtained by ground-based microwave radiometers at three European locations in Bern (47° N), Onsala (57° N) and Sodankylä (67° N) during Northern winter 2009/2010. In January 2010, a major sudden stratospheric warming (SSW) occurred in the Northern Hemisphere whose signatures are evident in the ground-based observations of H2O and O3. The observed anomalies in H2O and O3 are mostly explained by the relative location of the polar vortex with respect to the measurement locations. The SSW started on 26 January 2010 and was most pronounced by the end of January. The zonal mean temperature in the middle stratosphere (10 hPa) increased by approximately 25 Kelvin within a few days. The stratospheric vortex weakened during the SSW and shifted towards Europe. In the mesosphere, the vortex broke down, which lead to large scale mixing of polar and midlatitudinal air. After the warming, the polar vortex in the stratosphere split into two weaker vortices and in the mesosphere, a new, pole-centered vortex formed with maximum wind speed of 70 m s−1 at approximately 40° N. The shift of the stratospheric vortex towards Europe was observed in Bern as an increase in stratospheric H2O and a decrease in O3. The breakdown of the mesospheric vortex during the SSW was observed at Onsala and Sodankylä as a sudden increase in mesospheric H2O. The following large-scale descent inside the newly formed mesospheric vortex was well captured by the H2O observations in Sodankylä. In order to combine the H2O observations from the three different locations, we applied the trajectory mapping technique on our H2O observations to derive synoptic scale maps of the H2O distribution. Based on our observations and the 3-D wind field, this method allows determining the approximate development of the stratospheric and mesospheric polar vortex and demonstrates the potential of a network of ground-based instruments.

Pulmonary surfactant coating of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) influences their oxidative and pro-inflammatory potential in vitro

Background Increasing concern has been expressed regarding the potential adverse health effects that may be associated with human exposure to inhaled multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). Thus it is imperative that an understanding as to the underlying mechanisms and the identification of the key factors involved in adverse effects are gained. In the alveoli, MWCNTs first interact with the pulmonary surfactant. At this interface, proteins and lipids of the pulmonary surfactant bind to MWCNTs, affecting their surface characteristics. Aim of the present study was to investigate if the pre-coating of MWCNTs with pulmonary surfactant has an influence on potential adverse effects, upon both (i) human monocyte derived macrophages (MDM) monocultures, and (ii) a sophisticated in vitro model of the human epithelial airway barrier. Both in vitro systems were exposed to MWCNTs either pre-coated with a porcine pulmonary surfactant (Curosurf) or not. The effect of MWCNTs surface charge was also investigated in terms of amino (−NH2) and carboxyl (−COOH) surface modifications. Results Pre-coating of MWCNTs with Curosurf affects their oxidative potential by increasing the reactive oxygen species levels and decreasing intracellular glutathione depletion in MDM as well as decreases the release of Tumour necrosis factor alpha (TNF-α). In addition, an induction of apoptosis was observed after exposure to Curosurf pre-coated MWCNTs. In triple cell-co cultures the release of Interleukin-8 (IL-8) was increased after exposure to Curosurf pre-coated MWCNTs. Effects of the MWCNTs functionalizations were minor in both MDM and triple cell co-cultures. Conclusions The present study clearly indicates that the pre-coating of MWCNTs with pulmonary surfactant more than the functionalization of the tubes is a key factor in determining their ability to cause oxidative stress, cytokine/chemokine release and apoptosis. Thus the coating of nano-objects with pulmonary surfactant should be considered for future lung in vitro risk assessment studies. Keywords: Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs); Pulmonary surfactant (Curosurf); Macrophages; Epithelial cells; Dendritic cells; Triple cell co-culture; Pro-inflammatory and oxidative reactions

Effects of flame made zinc oxide particles in human lung cells - a comparison of aerosol and suspension exposures

Background Predominantly, studies of nanoparticle (NPs) toxicology in vitro are based upon the exposure of submerged cell cultures to particle suspensions. Such an approach however, does not reflect particle inhalation. As a more realistic simulation of such a scenario, efforts were made towards direct delivery of aerosols to air-liquid-interface cultivated cell cultures by the use of aerosol exposure systems. This study aims to provide a direct comparison of the effects of zinc oxide (ZnO) NPs when delivered as either an aerosol, or in suspension to a triple cell co-culture model of the epithelial airway barrier. To ensure dose–equivalence, ZnO-deposition was determined in each exposure scenario by atomic absorption spectroscopy. Biological endpoints being investigated after 4 or 24h incubation include cytotoxicity, total reduced glutathione, induction of antioxidative genes such as heme-oxygenase 1 (HO–1) as well as the release of the (pro)-inflammatory cytokine TNFα. Results Off-gases released as by-product of flame ZnO synthesis caused a significant decrease of total reduced GSH and induced further the release of the cytokine TNFα, demonstrating the influence of the gas phase on aerosol toxicology. No direct effects could be attributed to ZnO particles. By performing suspension exposure to avoid the factor “flame-gases”, particle specific effects become apparent. Other parameters such as LDH and HO–1 were not influenced by gaseous compounds: Following aerosol exposure, LDH levels appeared elevated at both timepoints and the HO–1 transcript correlated positively with deposited ZnO-dose. Under submerged conditions, the HO–1 induction scheme deviated for 4 and 24h and increased extracellular LDH was found following 24h exposure. Conclusion In the current study, aerosol and suspension-exposure has been compared by exposing cell cultures to equivalent amounts of ZnO. Both exposure strategies differ fundamentally in their dose–response pattern. Additional differences can be found for the factor time: In the aerosol scenario, parameters tend to their maximum already after 4h of exposure, whereas under submerged conditions, effects appear most pronounced mainly after 24h. Aerosol exposure provides information about the synergistic interplay of gaseous and particulate phase of an aerosol in the context of inhalation toxicology. Exposure to suspensions represents a valuable complementary method and allows investigations on particle-associated toxicity by excluding all gas–derived effects.