Linear readout of dynamic phase modulation index in an optical voltage sensor using the new J(1) ... J(3) spectral method

The J(1)...J(3) is a recent optical method for linear readout of dynamic phase modulation index in homodyne interferometers. In this work, the J(1)... J(3) method is applied to measure voltage in an optical voltage sensor. Based on the classical J(1)...J(4) method, the J(1)... J(3) technique shows to be more stable to phase drift and simpler for implementation than the original one. The sensor dynamic range is enhanced. The agreement between theoretical and experimental results, based on 1/f noise, is demonstrated.

Online two-section PV array fault diagnosis with optimized voltage sensor locations

Photovoltaic (PV) stations have been widely built in the world to utilize solar energy directly. In order to reduce the capital and operational costs, early fault diagnosis is playing an increasingly important role by enabling the long effective operation of PV arrays. This paper analyzes the terminal characteristics of faulty PV strings and arrays, and it develops a PV array fault diagnosis technique. The terminal current-voltage curve of a faulty PV array is divided into two sections, i.e., high-voltage and low-voltage fault diagnosis sections. The corresponding working points of healthy string modules and of healthy and faulty modules in an unhealthy string are then analyzed for each section. By probing into different working points, a faulty PV module can be located. The fault information is of critical importance for the maximum power point tracking and the array dynamical reconfiguration. Furthermore, the string current sensors can be eliminated, and the number of voltage sensors can be reduced by optimizing voltage sensor locations. Typical fault scenarios including monostring, multistring, and a partial shadow for a 1.6-kW 3 $times$ 3 PV array are presented and experimentally tested to confirm the effectiveness of the proposed fault diagnosis method.

The insecticidal spider toxin SFI1 is a knottin peptide that blocks the pore of insect voltage-gated sodium channels via a large β-hairpin loop

Spider venoms contain a plethora of insecticidal peptides that act on neuronal ion channels and receptors. Because of their high specificity, potency and stability, these peptides have attracted much attention as potential environmentally friendly insecticides. Although many insecticidal spider venom peptides have been isolated, the molecular target, mode of action and structure of only a small minority have been explored. Sf1a, a 46-residue peptide isolated from the venom of the tube-web spider Segesteria florentina, is insecticidal to a wide range of insects, but nontoxic to vertebrates. In order to investigate its structure and mode of action, we developed an efficient bacterial expression system for the production of Sf1a. We determined a high-resolution solution structure of Sf1a using multidimensional 3D/4D NMR spectroscopy. This revealed that Sf1a is a knottin peptide with an unusually large β-hairpin loop that accounts for a third of the peptide length. This loop is delimited by a fourth disulfide bond that is not commonly found in knottin peptides. We showed, through mutagenesis, that this large loop is functionally critical for insecticidal activity. Sf1a was further shown to be a selective inhibitor of insect voltage-gated sodium channels, consistent with its 'depressant' paralytic phenotype in insects. However, in contrast to the majority of spider-derived sodium channel toxins that function as gating modifiers via interaction with one or more of the voltage-sensor domains, Sf1a appears to act as a pore blocker.

Single sensor boost converter-based maximum power point tracking algorithms

Two new maximum power point tracking algorithms are presented: the input voltage sensor, and duty ratio maximum power point tracking algorithm (ViSD algorithm); and the output voltage sensor, and duty ratio maximum power point tracking algorithm (VoSD algorithm). The ViSD and VoSD algorithms have the features, characteristics and advantages of the incremental conductance algorithm (INC); but, unlike the incremental conductance algorithm which requires two sensors (the voltage sensor and current sensor), the two algorithms are more desirable because they require only one sensor: the voltage sensor. Moreover, the VoSD technique is less complex; hence, it requires less computational processing. Both the ViSD and the VoSD techniques operate by maximising power at the converter output, instead of the input. The ViSD algorithm uses a voltage sensor placed at the input of a boost converter, while the VoSD algorithm uses a voltage sensor placed at the output of a boost converter. © 2011 IEEE.

Single-sensor maximum power point tracking algorithms

Single-sensor maximum power point tracking algorithms for photovoltaic systems are presented. The algorithms have the features, characteristics and advantages of the widely used incremental conductance (INC) algorithm. However; unlike the INC algorithm which requires two sensors (the voltage sensor and the current sensor), the single-sensor algorithms are more desirable because they require only one sensor: the voltage sensor. The algorithms operate by maximising power at the DC-DC converter output, instead of the input. © 2013 The Institution of Engineering and Technology.

Voltage Sensing Using an Asynchronous Charge-to-Digital Converter for Energy-Autonomous Environments

In future systems with relatively unreliable and unpredictable energy sources such as harvesters, the system power supply may become non-deterministic. For energy effective operations, Vdd is an important parameter in any meaningful system control mechanism. Reliable and accurate on-chip voltage sensors are therefore indispensible for the power and computation management of such systems. Existing voltage sensing methods are not suitable because they usually require a stable and known reference (voltage, current, time, frequency, etc.), which is difficult to obtain in this environment. This paper describes an autonomous reference-free voltage sensor designed using an asynchronous counter powered by the charge on a capacitor and a small controller. Unlike existing methods, the voltage information is directly generated as a digital code. The sensor, fabricated in the 180 nm technology node, was tested successfully through performing measurements over the voltage range from 1.8 V down to 0.8 V.

Influence des glycines du lien S4-S5 sur le couplage électromécanique des canaux ioniques dépendants du voltage

Les canaux potassiques dépendants du voltage sont formés de quatre sous-unités, chacune possédant six segments transmembranaires (S1-S6) et une boucle (p-loop) qui se trouve entre le cinquième et le sixième segment au niveau du pore. Il est connu que le segment senseur du voltage (S1-S4) subit un mouvement lorsque le potentiel membranaire change. Pour ouvrir le canal, il est nécessaire de transférer l'énergie du senseur du voltage (généré par le mouvement des charges positives de S4) au pore. Le mécanisme exact de ce couplage électromécanique est encore sous étude. Un des points de liaison entre le senseur de voltage et le pore est le lien physique fait par le segment S4-S5 (S45L). Le but de cette étude est de déterminer l'influence de la flexibilité du segment S45L sur le processus de couplage. Dans le S45L, trois glycines sont distribuées dans des positions différentes. Elles sont responsables de la flexibilité des hélices-alpha. Ces glycines (mais pas leurs positions exactes) sont conservées pour tous les canaux potassiques dépendants de potentiel. En utilisant la technique de mutagènes dirigé, la glycine a été remplacée dans chacune de ces différentes positions par une alanine et dans une deuxième étape, par une proline (pour introduire un angle dans l'hélice). Pour étudier le comportement des canaux dans cette nouvelle conformation, on a appliqué la technique de « patch clamp » pour déterminer les effets lors de l'ouverture du pore (courant ionique). Avec le « cut-open oocyte voltage-clamp », nous avons étudié les effets sur le mouvement du senseur de voltage (courant “gating”) et la coordination temporelle avec l'ouverture du pore (courant ionique). Les données ont montré qu’en réduisant la flexibilité dans le S45L, il faut avoir plus d'énergie pour faire ouvrir le canal. Le changement pour une proline suggère que le mouvement du senseur est indépendant du pore pendant l'ouverture du canal.

Études de type structure fonction des mutations causant l’ataxie épisodique de type I sur les canaux potassiques dépendants du voltage

Les ataxies épisodiques (EA) d’origine génétique sont un groupe de maladies possédant un phénotype et génotype hétérogènes, mais ont en commun la caractéristique d’un dysfonctionnement cérébelleux intermittent. Les EA de type 1 et 2 sont les plus largement reconnues des ataxies épisodiques autosomiques dominantes et sont causées par un dysfonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants dans les neurones. La présente étude se concentrera sur les mutations causant l'EA-1, retrouvées dans le senseur de voltage (VSD) de Kv1.1, un canal très proche de la famille des canaux Shaker. Nous avons caractérisé les propriétés électrophysiologiques de six mutations différentes à la position F244 et partiellement celles des mutations T284 A/M, R297 K/Q/A/H, I320T, L375F, L399I et S412 C/I dans la séquence du Shaker grâce à la technique du ‘’cut open voltage clamp’’ (COVC). Les mutations de la position F244 situées sur le S1 du canal Shaker sont caractérisées par un décalement des courbes QV et GV vers des potentiels dépolarisants et modifient le couplage fonctionnel entre le domaine VSD et le pore. Un courant de fuite est observé durant la phase d'activation des courants transitoires et peut être éliminé par l'application du 4-AP (4-aminopyridine) ou la réinsertion de l'inactivation de type N mais pas par le TEA (tétraéthylamonium). Dans le but de mieux comprendre les mécanismes moléculaires responsables de la stabilisation d’un état intermédiaire, nous avons étudié séparément la neutralisation des trois premières charges positives du S4 (R1Q, R2Q et R3Q). Il en est ressorti l’existence d’une interaction entre R2 et F244. Une seconde interface entre S1 et le pore proche de la surface extracellulaire agissant comme un second point d'ancrage et responsable des courants de fuite a été mis en lumière. Les résultats suggèrent une anomalie du fonctionnement du VSD empêchant la repolarisation normale de la membrane des cellules nerveuses affectées à la suite d'un potentiel d'action.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Demodulação de sinais interferométricos de saída de sensor eletro-óptico de tensões elevadas utilizando processador digital de sinais

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Outward Rectification of Voltage-Gated K+ Channels Evolved at Least Twice in Life History

Voltage-gated potassium (K+) channels are present in all living systems. Despite high structural similarities in the transmembrane domains (TMD), this K+ channel type segregates into at least two main functional categories—hyperpolarization-activated, inward-rectifying (Kin) and depolarization-activated, outward-rectifying (Kout) channels. Voltage-gated K+ channels sense the membrane voltage via a voltage-sensing domain that is connected to the conduction pathway of the channel. It has been shown that the voltage-sensing mechanism is the same in Kin and Kout channels, but its performance results in opposite pore conformations. It is not known how the different coupling of voltage-sensor and pore is implemented. Here, we studied sequence and structural data of voltage-gated K+ channels from animals and plants with emphasis on the property of opposite rectification. We identified structural hotspots that alone allow already the distinction between Kin and Kout channels. Among them is a loop between TMD S5 and the pore that is very short in animal Kout, longer in plant and animal Kin and the longest in plant Kout channels. In combination with further structural and phylogenetic analyses this finding suggests that outward-rectification evolved twice and independently in the animal and plant kingdom.

Voltage-controlled gating in a large conductance Ca2+-sensitive K+channel (hslo)

Large conductance calcium- and voltage-sensitive K+ (MaxiK) channels share properties of voltage- and ligand-gated ion channels. In voltage-gated channels, membrane depolarization promotes the displacement of charged residues contained in the voltage sensor (S4 region) inducing gating currents and pore opening. In MaxiK channels, both voltage and micromolar internal Ca2+ favor pore opening. We demonstrate the presence of voltage sensor rearrangements with voltage (gating currents) whose movement and associated pore opening is triggered by voltage and facilitated by micromolar internal Ca2+ concentration. In contrast to other voltage-gated channels, in MaxiK channels there is charge movement at potentials where the pore is open and the total charge per channel is 4–5 elementary charges.

Changes in voltage activation, Cs+ sensitivity, and ion permeability in H5 mutants of the plant K+ channel KAT1.

KAT1 is a voltage-dependent inward rectifying K+ channel cloned from the higher plant Arabidopsis thaliana [Anderson, J. A., Huprikar, S. S., Kochian, L. V., Lucas, W. J. & Gaber, R. F. (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 3736-3740]. It is related to the Shaker superfamily of K+ channels characterized by six transmembrane spanning domains (S1-S6) and a putative pore-forming region between S5 and S6 (H5). The 115 region between Pro-247 and Pro-271 in KAT1 contains 14 additional amino acids when compared with Shaker [Aldrich, R. W. (1993) Nature (London) 362, 107-108]. We studied various point mutations introduced into H5 to determine whether voltage-dependent plant and animal K+ channels share similar pore structures. Through heterologous expression in Xenopus oocytes and voltage-clamp analysis combined with phenotypic analysis involving a potassium transport-defective Saccharomyces cerevisiae strain, we investigated the selectivity filter of the mutants and their susceptibility toward inhibition by cesium and calcium ions. With respect to electrophysiological properties, KAT1 mutants segregated into three groups: (i) wild-type-like channels, (ii) channels modified in selectivity and Cs+ or Ca2+ sensitivity, and (iii) a group that was additionally affected in its voltage dependence. Despite the additional 14 amino acids in H5, this motif in KAT1 is also involved in the formation of the ion-conducting pore because amino acid substitutions at Leu-251, Thr-256, Thr-259, and Thr-260 resulted in functional channels with modified ionic selectivity and inhibition. Creation of Ca2+ sensitivity and an increased susceptibility to Cs+ block through mutations within the narrow pore might indicate that both blockers move deeply into the channel. Furthermore, mutations close to the rim of the pore affecting the half-activation potential (U1/2) indicate that amino acids within the pore either interact with the voltage sensor or ion permeation feeds back on gating.

Genetically engineered sensors of cell signaling

Measuring electrical activity in large numbers of cells with high spatial and temporal resolution is a fundamental problem for the study of neural development and information processing. To address this problem, we have constructed FlaSh: a novel, genetically-encoded probe that can be used to measure trans-membrane voltage in single cells. We fused a modified green fluorescent protein (GFP) into a voltage-sensitive potassium channel so that voltage dependent rearrangements in the potassium channel induce changes in the fluorescence of GFP. A voltage sensor encoded into DNA has the advantage that it may be introduced into an organism non-invasively and targeted to specific developmental stages, brain regions, cell types, and sub-cellular compartments.

We also describe modifications to FlaSh that shift its color, kinetics, and dynamic range. We used multiple green fluorescent proteins to produce variants of the FlaSh sensor that generate ratiometric signal output via fluorescence resonance energy transfer (FRET). Finally, we describe initial work toward FlaSh variants that are sensitive to G-protein coupled receptor (GPCR) activation. These sensors can be used to design functional assays for receptor activation in living cells.