Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Automated tertiary structure prediction with accurate local model quality assessment using the IntFOLD-TS method

The IntFOLD-TS method was developed according to the guiding principle that the model quality assessment would be the most critical stage for our template based modelling pipeline. Thus, the IntFOLD-TS method firstly generates numerous alternative models, using in-house versions of several different sequence-structure alignment methods, which are then ranked in terms of global quality using our top performing quality assessment method – ModFOLDclust2. In addition to the predicted global quality scores, the predictions of local errors are also provided in the resulting coordinate files, using scores that represent the predicted deviation of each residue in the model from the equivalent residue in the native structure. The IntFOLD-TS method was found to generate high quality 3D models for many of the CASP9 targets, whilst also providing highly accurate predictions of their per-residue errors. This important information may help to make the 3D models that are produced by the IntFOLD-TS method more useful for guiding future experimental work

Benchmarking secondary structure prediction for fold recognition

If secondary structure predictions are to be incorporated into fold recognition methods, an assessment of the effect of specific types of errors in predicted secondary structures on the sensitivity of fold recognition should be carried out. Here, we present a systematic comparison of different secondary structure prediction methods by measuring frequencies of specific types of error. We carry out an evaluation of the effect of specific types of error on secondary structure element alignment (SSEA), a baseline fold recognition method. The results of this evaluation indicate that missing out whole helix or strand elements, or predicting the wrong type of element, is more detrimental than predicting the wrong lengths of elements or overpredicting helix or strand. We also suggest that SSEA scoring is an effective method for assessing accuracy of secondary structure prediction and perhaps may also provide a more appropriate assessment of the “usefulness” and quality of predicted secondary structure, if secondary structure alignments are to be used in fold recognition.

Insights into the role of oligomeric state on the biological activities of crotoxin: crystal structure of a tetrameric phospholipase A(2) formed by two isoforms of crotoxin B from Cratalus durissus terrificus venom

Crotoxin B (CB or Cdt PLA(2)) is a basic Asp49-PLA(2) found in the venom of Crotalus durissus terrificus and it is one of the subunits that constitute the crotoxin (Cro). This heterodimeric toxin, main component of the C. d. terrificus venom, is completed by an acidic, nontoxic, and nonenzymatic component (crotoxin A, CA or crotapotin), and it is related to important envenomation effects such as neurological disorders, myotoxicity, and renal failure. Although Cro has been crystallized since 1938, no crystal structure of this toxin or its subunits is currently available. In this work, the authors present the crystal structure of novel tetrameric complex formed by two dimers of crotoxin B isoforms (CB1 and CB2). The results suggest that these assemblies are stable in solution and show that Ser1 and Glu92 of CB1 and CB2, respectively, play an important role in the oligomerization. The tetrameric and dimeric conformations resulting from the association of the isoforms may increase the neurotoxicity of the toxin CB by the creation of new binding sites, which could improve the affinity of the molecular complexes to the presynaptic membrane.

Structural basis for branching-enzyme activity of glycoside hydrolase family 57: Structure and stability studies of a novel branching enzyme from the hyperthermophilic archaeon Thermococcus Kodakaraensis KOD1

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ab initio protein folding simulations using atomic burials as informational intermediates between sequence and structure

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Juniperus navicularis - a study of Portuguese population structure and fitness

Juniperus navicularis Gand. is a dioecious endemic conifer that constitutes the understory of seaside pine forests in Portugal, areas currently threatened by increasing urban expansion. The aim of this study is to assess the conservation status of previously known populations of this species located on its core area of distribution. The study was performed in south-west coast of Portugal. Three populations varying in size and pine density were analyzed. Number of individuals, population density, spatial distribution and individual characteristics of junipers were estimated. Female cone, seed characteristics and seed viability were also evaluated. Results suggest that J. navicularis populations are vulnerable because seminal recruitment is scarce, what may lead to a reduction of genetic variability due solely to vegetative propagation. This vulnerability seems to be strongly determined by climatic constraints toward increasing aridity. Ratio between male and female shrubs did not differ from 1:1 in any population. Deviations from 1:1 between mature and non-mature plants were found in all populations, denoting population ageing. Very low seed viability was observed. A major part of described Juniperus navicularis populations have disappeared through direct habitat loss to urban development, loss of fitness in drier and warmer locations and low seed viability. This study is the first to address J. navicularis conservation, and represents a valuable first step toward this species preservation. 

Changes In Chromatin Structure In Nih 3t3 Cells Induced By Valproic Acid And Trichostatin A.

Valproic acid (VPA) and trichostatin A (TSA) are known histone deacetylase inhibitors (HDACIs) with epigenetic activity that affect chromatin supra-organization, nuclear architecture, and cellular proliferation, particularly in tumor cells. In this study, chromatin remodeling with effects extending to heterochromatic areas was investigated by image analysis in non-transformed NIH 3T3 cells treated for different periods with different doses of VPA and TSA under conditions that indicated no loss of cell viability. Image analysis revealed chromatin decondensation that affected not only euchromatin but also heterochromatin, concomitant with a decreased activity of histone deacetylases and a general increase in histone H3 acetylation. Heterochromatin protein 1-α (HP1-α), identified immunocytochemically, was depleted from the pericentromeric heterochromatin following exposure to both HDACIs. Drastic changes affecting cell proliferation and micronucleation but not alteration in CCND2 expression and in ratios of Bcl-2/Bax expression and cell death occurred following a 48-h exposure of the NIH 3T3 cells particularly in response to higher doses of VPA. Our results demonstrated that even low doses of VPA (0.05 mM) and TSA (10 ng/ml) treatments for 1 h can affect chromatin structure, including that of the heterochromatin areas, in non-transformed cells. HP1-α depletion, probably related to histone demethylation at H3K9me3, in addition to the effect of VPA and TSA on histone H3 acetylation, is induced on NIH 3T3 cells. Despite these facts, alterations in cell proliferation and micronucleation, possibly depending on mitotic spindle defects, require a longer exposure to higher doses of VPA and TSA.

Matrix Metalloproteinases And Left Ventricular Function And Structure In Spinal Cord Injured Subjects.

Subjects with spinal cord injury (SCI) exhibit impaired left ventricular (LV) diastolic function, which has been reported to be attenuated by regular physical activity. This study investigated the relationship between circulating matrix metalloproteinases (MMPs) and tissue inhibitors of MMPs (TIMPs) and echocardiographic parameters in SCI subjects and the role of physical activity in this regard. Forty-two men with SCI [19 sedentary (S-SCI) and 23 physically-active (PA-SCI)] were evaluated by clinical, anthropometric, laboratory, and echocardiographic analysis. Plasmatic pro-MMP-2, MMP-2, MMP-8, pro-MMP-9, MMP-9, TIMP-1 and TIMP-2 levels were determined by enzyme-linked immunosorbent assay and zymography. PA-SCI subjects presented lower pro-MMP-2 and pro-MMP-2/TIMP-2 levels and improved markers of LV diastolic function (lower E/Em and higher Em and E/A values) than S-SCI ones. Bivariate analysis showed that pro-MMP-2 correlated inversely with Em and directly with E/Em, while MMP-9 correlated directly with LV mass index and LV end-diastolic diameter in the whole sample. Following multiple regression analysis, pro-MMP-2, but not physical activity, remained associated with Em, while MMP-9 was associated with LV mass index in the whole sample. These findings suggest differing roles for MMPs in LV structure and function regulation and an interaction among pro-MMP-2, diastolic function and physical activity in SCI subjects.

Growth Factor Stimulation Improves The Structure And Properties Of Scaffold-free Engineered Auricular Cartilage Constructs.

The reconstruction of the external ear to correct congenital deformities or repair following trauma remains a significant challenge in reconstructive surgery. Previously, we have developed a novel approach to create scaffold-free, tissue engineering elastic cartilage constructs directly from a small population of donor cells. Although the developed constructs appeared to adopt the structural appearance of native auricular cartilage, the constructs displayed limited expression and poor localization of elastin. In the present study, the effect of growth factor supplementation (insulin, IGF-1, or TGF-β1) was investigated to stimulate elastogenesis as well as to improve overall tissue formation. Using rabbit auricular chondrocytes, bioreactor-cultivated constructs supplemented with either insulin or IGF-1 displayed increased deposition of cartilaginous ECM, improved mechanical properties, and thicknesses comparable to native auricular cartilage after 4 weeks of growth. Similarly, growth factor supplementation resulted in increased expression and improved localization of elastin, primarily restricted within the cartilaginous region of the tissue construct. Additional studies were conducted to determine whether scaffold-free engineered auricular cartilage constructs could be developed in the 3D shape of the external ear. Isolated auricular chondrocytes were grown in rapid-prototyped tissue culture molds with additional insulin or IGF-1 supplementation during bioreactor cultivation. Using this approach, the developed tissue constructs were flexible and had a 3D shape in very good agreement to the culture mold (average error <400 µm). While scaffold-free, engineered auricular cartilage constructs can be created with both the appropriate tissue structure and 3D shape of the external ear, future studies will be aimed assessing potential changes in construct shape and properties after subcutaneous implantation.

Ssr-based Genetic Diversity And Structure Of Garlic Accessions From Brazil.

Garlic is a spice and a medicinal plant; hence, there is an increasing interest in 'developing' new varieties with different culinary properties or with high content of nutraceutical compounds. Phenotypic traits and dominant molecular markers are predominantly used to evaluate the genetic diversity of garlic clones. However, 24 SSR markers (codominant) specific for garlic are available in the literature, fostering germplasm researches. In this study, we genotyped 130 garlic accessions from Brazil and abroad using 17 polymorphic SSR markers to assess the genetic diversity and structure. This is the first attempt to evaluate a large set of accessions maintained by Brazilian institutions. A high level of redundancy was detected in the collection (50 % of the accessions represented eight haplotypes). However, non-redundant accessions presented high genetic diversity. We detected on average five alleles per locus, Shannon index of 1.2, HO of 0.5, and HE of 0.6. A core collection was set with 17 accessions, covering 100 % of the alleles with minimum redundancy. Overall FST and D values indicate a strong genetic structure within accessions. Two major groups identified by both model-based (Bayesian approach) and hierarchical clustering (UPGMA dendrogram) techniques were coherent with the classification of accessions according to maturity time (growth cycle): early-late and midseason accessions. Assessing genetic diversity and structure of garlic collections is the first step towards an efficient management and conservation of accessions in genebanks, as well as to advance future genetic studies and improvement of garlic worldwide.