High temperature thermal stability investigations of ammonium sulphide passivated InGaAs and interface formation with Al2O3 studied by synchrotron radiation based photoemission

High resolution synchrotron radiation core level photoemission measurements have been used to undertake a comparative study ofthe high temperature thermal stability ofthe ammonium sulphide passivated InGaAs surface and the same surface following the atomic layer deposition (ALD) of an ultrathin (∼1 nm) Al2O3 layer. The solution based ex situ sulphur passivation was found to be effective at removing a significant amount of the native oxides and protecting the surface against re-oxidation upon air exposure. The residual interfacial oxides which form between sulphur passivated InGaAs and the ultrathin Al2O3 layer can be substantially removed at high temperature (up to 700 ◦C) without impacting on the InGaAs stoichiometry while significant loss of indium was recorded at this temperature on the uncovered sulphur passivated InGaAs surface.

High temperature thermal stability of the HfO2/Ge (100) interface as a function of surface preparation studied by synchrotron radiation core level photo emission

High resolution soft x-ray photoemission spectroscopy (SXPS) have been used to study the high temperature thermal stability of ultra-thin atomic layer deposited (ALD) HfO2 layers (∼1 nm) on sulphur passivated and hydrofluoric acid (HF) treated germanium surfaces. The interfacial oxides which are detected for both surface preparations following HfO2 deposition can be effectively removed by annealing upto 700 °C without any evidence of chemical interaction at the HfO2/Ge interface. The estimated valence and conduction band offsets for the HfO2/Ge abrupt interface indicated that effective barriers exist to inhibit carrier injection.

High-temperature stability study of 1 nm Al2O3 deposited on InAs surfaces investigated by synchrotron radiation based photoemission spectroscopy

High-resolution soft x-ray photoemission spectroscopy (SXPS) has been used to study the high-temperature thermal stability of ultra-thin atomic layer deposited (ALD) Al2O3 layers (~1 nm) on sulfur passivated and native oxide covered InAs surfaces. While the arsenic oxides were removed from both interfaces following a 600 °C anneal, a residual indium oxide signal remained. No significant differences were observed between the sulfur passivated and native oxide surfaces other than the thickness of the interfacial oxide layer while the Al2O3 stoichiometry remained unaffected by the anneals. The energy band offsets were determined for the Al2O3 on the sulfur passivated InAs surface using both valence band edge and shallow core-level photoemission measurements.

PTEN deficiency promotes macrophage infiltration and hypersensitivity of prostate cancer to IAP antagonist/radiation combination therapy

PTEN loss is prognostic for patient relapse post-radiotherapy in prostate cancer (CaP). Infiltration of tumor-associated macrophages (TAMs) is associated with reduced disease-free survival following radical prostatectomy. However, the association between PTEN loss, TAM infiltration and radiotherapy response of CaP cells remains to be evaluated. Immunohistochemical and molecular analysis of surgically-resected Gleason 7 tumors confirmed that PTEN loss correlated with increased CXCL8 expression and macrophage infiltration. However PTEN status had no discernable correlation with expression of other inflammatory markers by CaP cells, including TNF-α. In vitro, exposure to conditioned media harvested from irradiated PTEN null CaP cells induced chemotaxis of macrophage-like THP-1 cells, a response partially attenuated by CXCL8 inhibition. Co-culture with THP-1 cells resulted in a modest reduction in the radio-sensitivity of DU145 cells. Cytokine profiling revealed constitutive secretion of TNF-α from CaP cells irrespective of PTEN status and IR-induced TNF-α secretion from THP-1 cells. THP-1-derived TNF-α increased NFκB pro-survival activity and elevated expression of anti-apoptotic proteins including cellular inhibitor of apoptosis protein-1 (cIAP-1) in CaP cells, which could be attenuated by pre-treatment with a TNF-α neutralizing antibody. Treatment with a novel IAP antagonist, AT-IAP, decreased basal and TNF-α-induced cIAP-1 expression in CaP cells, switched TNF-α signaling from pro-survival to pro-apoptotic and increased radiation sensitivity of CaP cells in co-culture with THP-1 cells. We conclude that targeting cIAP-1 can overcome apoptosis resistance of CaP cells and is an ideal approach to exploit high TNF-α signals within the TAM-rich microenvironment of PTEN-deficient CaP cells to enhance response to radiotherapy.

Imaging and radiation effects of gold nanoparticles in tumour cells

Gold nanoparticle radiosensitization represents a novel technique in enhancement of ionising radiation dose and its effect on biological systems. Variation between theoretical predictions and experimental measurement is significant enough that the mechanism leading to an increase in cell killing and DNA damage is still not clear. We present the first experimental results that take into account both the measured biodistribution of gold nanoparticles at the cellular level and the range of the product electrons responsible for energy deposition. Combining synchrotron-generated monoenergetic X-rays, intracellular gold particle imaging and DNA damage assays, has enabled a DNA damage model to be generated that includes the production of intermediate electrons. We can therefore show for the first time good agreement between the prediction of biological outcomes from both the Local Effect Model and a DNA damage model with experimentally observed cell killing and DNA damage induction via the combination of X-rays and GNPs. However, the requirement of two distinct models as indicated by this mechanistic study, one for short-term DNA damage and another for cell survival, indicates that, at least for nanoparticle enhancement, it is not safe to equate the lethal lesions invoked in the local effect model with DNA damage events.

The effect of pantethine and ultraviolet-B radiation on the development of lenticular opacity in the emory mouse.

PURPOSE: Few studies have examined the impact of long-term treatments or exposures on the development of cataract in maturity-onset animal models. We studied the effect of treatment with D-pantethine and exposure to ultraviolet-B (UVB) radiation on the development of lenticular opacity in the Emory mouse. METHODS: A total of 164 Emory mice were randomized by litter at weaning to exposure to UVB light at 12 mJ/cm(2) for 6 hr/day (UV) or usual room light (A), and within litter, were further randomized to bi-weekly intra-peritoneal injections of 0.8 g/kg pantethine (T) or no treatment (C). Retro illumination lens photos were taken at 2, 4, 6, 8, and 10 months after weaning, and graded in masked fashion. The animals were sacrificed at 10 months and the lenses analyzed for total pantethine and total cysteamine. RESULTS: Lens pantethine and cysteamine levels were significantly (P < 0.001) higher for the T as compared to C litters. Mean cataract grade increased monotonically over time for all four groups. Unadjusted mean grade for the AT group at 8 (1.32) and 10 (1.86) months appeared lower than for the other groups (AC: 2.17, 2.39; UVC: 1.77, 2.40; UVT: 1.88, 2.37). However, the mean grade for the pantethine-treated litters did not differ significantly from the untreated litters except at 2 months (when untreated litters had significantly lower grades), when adjusting for UV treatment, gender and litter effect. No significant difference in cataract score existed between UV-exposed and ambient litters. Mortality was higher among pantethine-treated (hazard ratio = 1.8, p = 0.05) and UV-exposed animals (hazard ratio = 1.8, p = 0. 03) than among the untreated and unexposed litters. CONCLUSION: Significantly increased lens levels of pantethine are achieved with long-term intra-peritoneal dosing. The impact of pantethine on the progression of lenticular opacity in the Emory mouse is less than has been reported in other models. This level of chronic UVB exposure appeared to have no effect on the development of cataract in this model.

Fractionated Radiation Exposure of Rat Spinal Cords Leads to Latent Neuro- Inflammation in Brain, Cognitive Deficits,and Alterations in Apurinic Endonuclease 1

Ionizing radiation causes degeneration of myelin, the insulating sheaths of neuronal axons, leading to neurological impairment. As radiation research on the central nervous system has predominantly focused on neurons, with few studies addressing the role of glial cells, we have focused our present research on identifying the latent effects of single/ fractionated -low dose of low/ high energy radiation on the role of base excision repair protein Apurinic Endonuclease-1, in the rat spinal cords oligodendrocyte progenitor cells’ differentiation. Apurinic endonuclease-1 is predominantly upregulated in response to oxidative stress by low- energy radiation, and previous studies show significant induction of Apurinic Endonuclease-1 in neurons and astrocytes. Our studies show for the first time, that fractionation of protons cause latent damage to spinal cord architecture while fractionation of HZE (28Si) induce increase in APE1 with single dose, which then decreased with fractionation. The oligodendrocyte progenitor cells differentiation was skewed with increase in immature oligodendrocytes and astrocytes, which likely cause the observed decrease in white matter, increased neuro-inflammation, together leading to the observed significant cognitive defects.

A radiation-damped R -matrix approach to the electron-impact excitation of helium-like ions for diagnostic application to fusion and astrophysical plasmas

Electron-impact excitation collision strengths for transitions between all singly excited levels up to the n = 4 shell of helium-Eke argon and the n = 4 and 5 shells of helium-like iron have been calculated using a radiation-damped R-matrix approach. The theoretical collision strengths have been examined and associated with their infinite-energy limit values to allow the preparation of Maxwell-averaged effective collision strengths. These are conservatively considered to be accurate to within 20% at all temperatures, 3 x 10(5)-3 x 10(8) K forAr(16+) and 10(6)-10(9) K for Fe24+. They have been compared with the results of previous studies, where possible, and we find a broad accord. The corresponding rate coefficients are required for use in the calculation of derived, collisional-radiative, effective emission coefficients for helium-like lines for diagnostic application to fusion and astrophysical plasmas. The uncertainties in the fundamental collision data have been used to provide a critical assessment of the expected resultant uncertainties in such derived data, including redistributive and cascade collisional-radiative effects. The consequential uncertainties in the parts of the effective emission coefficients driven by excitation from the ground levels for the key w, x, y and z lines vary between 5% and 10%. Our results remove an uncertainty in the reaction rates of a key class of atomic processes governing the spectral emission of helium-like ions in plasmas.

Protein disulphide isomerase as a target for nanoparticle-mediated sensitisation of cancer cells to radiation

Radiation resistance and toxicity in normal tissues are limiting factors in the efficacy of radiotherapy. Gold nanoparticles (GNPs) have been shown to be effective at enhancing radiation-induced cell death, and were initially proposed to physically enhance the radiation dose deposited. However, biological responses of GNP radiosensitization based on physical assumptions alone are not predictive of radiosensitisation and therefore there is a fundamental research need to determine biological mechanisms of response to GNPs alone and in combination with ionising radiation. This study aimed to identify novel mechanisms of cancer cell radiosensitisation through the use of GNPs, focusing on their ability to induce cellular oxidative stress and disrupt mitochondrial function. Using N-acetyl-cysteine, we found mitochondrial oxidation to be a key event prior to radiation for the radiosensitisation of cancer cells and suggests the overall cellular effects of GNP radiosensitisation are a result of their interaction with protein disulphide isomerase (PDI). This investigation identifies PDI and mitochondrial oxidation as novel targets for radiosensitisation.

Radiation-induced defects in quantum-size structures of A3B5 semiconductors

As estruturas quânticas de semicondutores, nomeadamente baseadas em GaAs, têm tido nos últimos vinte anos um claro desenvolvimento. Este desenvolvimento deve-se principalmente ao potencial tecnológico que estas estruturas apresentam. As aplicações espaciais, em ambientes agressivos do ponto de vista do nível de radiação a que os dispositivos estão sujeitos, motivaram todo o desenrolar de estudos na área dos defeitos induzidos pela radiação. As propriedades dos semicondutores e dos dispositivos de semicondutores são altamente influenciadas pela presença de defeitos estruturais, em particular os induzidos pela radiação. As propriedades dos defeitos, os processos de criação e transformação de defeitos devem ser fortemente alterados quando se efectua a transição entre o semicondutor volúmico e as heteroestruturas de baixa dimensão. Este trabalho teve como principal objectivo o estudo de defeitos induzidos pela radiação em estruturas quânticas baseadas em GaAs e InAs. Foram avaliadas as alterações introduzidas pelos defeitos em estruturas de poços quânticos e de pontos quânticos irradiadas com electrões e com protões. A utilização de várias técnicas de espectroscopia óptica, fotoluminescência, excitação de fotoluminescência e fotoluminescência resolvida no tempo, permitiu caracterizar as diferentes estruturas antes e após a irradiação. Foi inequivocamente constatada uma maior resistência à radiação dos pontos quânticos quando comparados com os poços quânticos e os materiais volúmicos. Esta resistência deve-se principalmente a uma maior localização da função de onda dos portadores com o aumento do confinamento dos mesmos. Outra razão provável é a expulsão dos defeitos dos pontos quânticos para a matriz. No entanto, a existência de defeitos na vizinhança dos pontos quânticos promove a fuga dos portadores dos níveis excitados, cujas funções de onda são menos localizadas, provocando um aumento da recombinação nãoradiativa e, consequentemente, uma diminuição da intensidade de luminescência dos dispositivos. O desenvolvimento de um modelo bastante simples para a estatística de portadores fora de equilíbrio permitiu reproduzir os resultados de luminescência em função da temperatura. Os resultados demonstraram que a extinção da luminescência com o aumento da temperatura é determinada por dois factores: a redistribuição dos portadores minoritários entre os pontos quânticos, o poço quântico e as barreiras de GaAs e a diminuição na taxa de recombinação radiativa relacionada com a dependência, na temperatura, do nível de Fermi dos portadores maioritários.

Polarization effects in fiber-optic communication systems

In this thesis we perform a detailed analysis of the state of polarization (SOP) of light scattering process using a concatenation of ber-coil based polarization controllers (PCs). We propose a polarization-mode dispersion (PMD) emulator, built through the concatenation of bercoil based PCs and polarization-maintaining bers (PMFs), capable of generate accurate rst- and second-order PMD statistics. We analyze the co-propagation of two optical waves inside a highbirefringence ber. The evolution along the ber of the relative SOP between the two signals is modeled by the de nition of the degree of co-polarization parameter. We validate the model for the degree of co-polarization experimentally, exploring the polarization dependence of the four-wave mixing e ect into a ber with high birefringence. We also study the interaction between signal and noise mediated by Kerr e ect in optical bers. A model accurately describing ampli ed spontaneous emission noise in systems with distributed Raman gain is derived. We show that the noise statistics depends on the propagation distance and on the signal power, and that for distances longer than 120 km and signal powers higher than 6 mW it deviates signi catively from the Gaussian distribution. We explore the all-optical polarization control process based on the stimulated Raman scattering e ect. Mapping parameters like the degree of polarization (DOP), we show that the preferred ampli cation of one particular polarization component of the signal allows a polarization pulling over a wavelength range of 60 nm. The e ciency of the process is higher close to the maximum Raman gain wavelength, where the DOP is roughly constant for a wavelength range of 15 nm. Finally, we study the polarization control in quantum key distribution (QKD) systems with polarization encoding. A model for the quantum bit error rate estimation in QKD systems with time-division multiplexing and wavelength-division multiplexing based polarization control schemes is derived.

MPGDs based radiation imaging devices and applications

Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de sistemas baseados em detetores gasosos microestruturados, para imagiologia de fluorescência de raios-X por dispersão em energia (EDXRF). A técnica de imagiologia por fluorescência de raios-X assume-se como uma técnica poderosa, não-destrutiva, em análises da distribuição espacial de elementos em materiais. Os sistemas para imagiologia de EDXRF desenvolvidos são constituídos por: um tubo de raios-X, usado para excitar os elementos da amostra; um detetor gasoso microestruturado; e uma lente pinhole que foca a radiação de fluorescência no plano do detetor formando assim a imagem e permitindo a sua ampliação. Por outro lado é estudada a influência do diâmetro da abertura do pinhole bem como do fator de ampliação obtido para a imagem, na resolução em posição do sistema. Foram usados dois conceitos diferentes de detetores gasosos microestruturados. O primeiro, baseado na microestrutura designada por 2D-Micro-Hole & Strip Plate (2D-MHSP) com uma área ativa de 3 3 cm2, enquanto que o segundo, baseado na estrutura 2D-Thick-COBRA (2D-THCOBRA) apresenta uma área ativa de deteção de 10 10 cm2. Estes detetores de raios-X de baixo custo têm a particularidade de funcionar em regime de fotão único permitindo a determinação da energia e posição de interação de cada fotão que chega ao detetor. Deste modo permitem detetar a energia dos fotões X de fluorescência, bem como obter imagens 2D da distribuição desses fotões X para o intervalo de energias desejado. São por isso adequados a aplicações de imagiologia de EDXRF. Os detetores desenvolvidos mostraram resoluções em energia de 17% e 22% para fotões incidentes com uma energia de 5.9 keV, respectivamente para o detetor 2D-MHSP e 2D-THCOBRA e resoluções em posição adequadas para um vasto número de aplicações. Ao longo deste trabalho é detalhado o desenvolvimento, o estudo das características e do desempenho de cada um dos detetores, e sua influência na performance final de cada sistema proposto. Numa fase mais avançada apresentam-se os resultados correspondentes à aplicação dos dois sistemas a diversas amostras, incluindo algumas do nosso património cultural e também uma amostra biológica.

Fiber optic sensors for the biomechanical study of the intervertebral disc

O presente trabalho teve como objetivo principal estudar o comportamento mecânico do disco intervertebral recorrendo a sensores em fibra ótica. Na expetativa de efetuar o melhor enquadramento do tema foi efetuada uma revisão exaustiva das várias configurações de sensores em fibra ótica que têm vindo a ser utilizadas em aplicações biomédicas e biomecânicas, nomeadamente para medição de temperatura, deformação, força e pressão. Nesse âmbito, procurou-se destacar as potencialidades dos sensores em fibra ótica e apresentá-los como uma tecnologia alternativa ou até de substituição das tecnologias associadas a sensores convencionais. Tendo em vista a aplicação de sensores em fibra ótica no estudo do comportamento do disco intervertebral efetuou-se também uma revisão exaustiva da coluna vertebral e, particularmente, do conceito de unidade funcional. A par de uma descrição anatómica e funcional centrada no disco intervertebral, vértebras adjacentes e ligamentos espinais foram ainda destacadas as suas propriedades mecânicas e descritos os procedimentos mais usuais no estudo dessas propriedades. A componente experimental do presente trabalho descreve um conjunto de experiências efetuadas com unidades funcionais cadavéricas utilizando sensores convencionais e sensores em fibra ótica com vista à medição da deformação do disco intervertebral sob cargas compressivas uniaxiais. Inclui ainda a medição in vivo da pressão intradiscal num disco lombar de uma ovelha sob efeito de anestesia. Para esse efeito utilizou-se um sensor comercial em fibra ótica e desenvolveu-se a respetiva unidade de interrogação. Finalmente apresenta-se os resultados da investigação em curso que tem como objetivo propor e desenvolver protótipos de sensores em fibra ótica para aplicações biomédicas e biomecânicas. Nesse sentido, são apresentadas duas soluções de sensores interferométricos para medição da pressão em fluídos corporais.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.