Fungal infection and mycotoxin contamination in agricultural products are a serious food safety issue. The detection of fungal infection and mycotoxin contamination in food products should be in a rapid way. A Near-infrared (NIR) hyperspectral imaging system was used to detect fungal infection in 2013 crop year canola, wheat, and barley at different periods after inoculation and different concentration levels of ochratoxin A in wheat and barley. Artificially fungal infected (Fungi: Aspergillus glaucus, Penicillium spp.) kernels of canola, wheat and barley, were subjected to single kernel imaging after 2, 4, 6, 8, and 10 weeks post inoculation in the NIR region from 1000 to 1600 nm at 61 evenly distributed wavelengths at 10 nm intervals. The acquired image data were in the three-dimensional hypercube forms, and these were transformed into two-dimensional data. The two-dimensional data were subjected to principal component analysis to identify significant wavelengths based on the highest principal component factor loadings. Wavelengths 1100, 1130, 1250, and 1300 nm were identified as significant for detection of fungal infection in canola kernels, wavelengths 1280, 1300, and 1350 nm were identified as significant for detection of fungal infection in wheat kernels, and wavelengths 1260, 1310, and 1360 nm were identified as significant for detection of fungal infection in barley kernels. The linear, quadratic and Mahalanobis statistical discriminant classifiers differentiated healthy canola kernels with > 95% and fungal infected canola kernels with > 90% classification accuracy. All the three classifiers discriminated healthy wheat and barley kernels with > 90% and fungal infected wheat and barley kernels with > 80% classification accuracy. The wavelengths 1300, 1350, and 1480 nm were identified as significant for detection of ochratoxin A contaminated wheat kernels, and wavelengths 1310, 1360, 1480 nm were identified as significant for detection of ochratoxin A contaminated barley kernels. All the three statistical classifiers differentiated healthy wheat and barley kernels and ochratoxin A contaminated wheat and barley kernels with a classification accuracy of 100%. The classifiers were able to discriminate between different durations of fungal infections in canola, wheat, and barley kernels with classification accuracy of more than 80% at initial periods (2 weeks) of fungal infection and 100% at the later periods of fungal infection. Different concentration levels of ochratoxin A contamination in wheat and barley kernels were discriminated with a classification accuracy of > 98% at ochratoxin A concentration level of ≤ 72 ppb in wheat kernels and ≤ 140 ppb in barley kernels and with 100% classification accuracy at higher concentration levels. / May 2016

Humans and other animals share choice preference for smaller-but-sooner over later-but-larger rewards, indicating that the subjective value of a reward is discounted as a function of time. This phenomenon referred to as delay discounting (DD), represents one facet of impulsivity which is inherently connected with reward processing and, within a certain range, adaptive. Maladaptive levels, however, can lead to suboptimal decision-making and represent important characteristics of psychopathologies such as attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). In line with a proposed influence of dysregulated dopamine (DA) levels on impulsivity, neural structures involved in DD (the ventral-striatum [VS]; orbitofrontal cortex [OFC]) are highly innervated by dopaminergic neurons. However, studies explicitly testing the triadic interplay of dopaminergic neurotransmission, impulsivity and brain activation during intertemporal choice are missing. Therefore, the first study of the thesis examined the effect of different DA-bioavailability levels, indicated by a genetic polymorphism (Val158Met) in the gene of the catechol-O-methyltransferase, on the association of delay discounting and OFC activation. OFC response to monetary rewards that varied by delay-to-delivery was recorded with functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a sample of 49 healthy human subjects. The results suggest a DA-related enhancement in OFC function from low (low DA level) to partial (intermediate DA level) and full (high DA level) reward delay sensitivity. Furthermore, DA-bioavailability was shown to moderate the association of neural reward delay sensitivity and impulsivity: OFC reward delay sensitivity was strongly correlated with impulsivity at intermediate DA-levels, but not at low or high DA-levels where impulsivity was related to delay-independent OFC amplitudes. It is concluded that DA-level should be considered as a crucial factor whenever impulsivity-related brain activation, in particular to reward delay, is examined in healthy subjects. Dysfunctional reward processing, accompanied by a limited ability to tolerate reward delays (delay aversion), has been proposed as an important feature in ADHD putatively caused by striatal hypo-dopaminergia. Therefore, the aim of the second study of this thesis was to examine subcortical processing of reward delays and to test for neural indicators of a negative emotional response to delay periods. Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), brain activation in adult patients with ADHD (n=14) and healthy control subjects (n=12) was recorded during the processing of immediate and delayed rewards. Compared with healthy control subjects, hyporesponsiveness of the VS reward system was evident in patients with ADHD for both immediate and delayed rewards. In contrast, delayed rewards evoked hyperactivation in the dorsal caudate nucleus and the amygdala of ADHD patients, corroborating the central predictions of the delay aversion hypothesis. In combination both studies support the conception of a close link between delay discounting, brain activation and dopaminergic neurotransmission. The results implicate that studies on neural correlates of DD have to account for the DA-bioavailability level and for a negative emotional response to reward delays. / Menschen und andere Spezies zeigen eine Präferenz für sofortige Belohnung mit geringerem Wert gegenüber zeitlich verzögerter Belohnung mit höherem Wert. Dies weist darauf hin, dass der subjektiv empfundene Wert einer Belohnung in Abhängigkeit der Verzögerung bis zur Aushändigung abnimmt. Dieses Phänomen wird als Delay Discounting (DD) bezeichnet und stellt eine Facette von Impulsivität dar, die direkt mit Belohnungsverarbeitung verknüpft und innerhalb eines bestimmten Rahmens adaptiv ist. Ein maladaptives Ausmaß an DD hingegen kann zu suboptimaler Entscheidungsfindung führen und repräsentiert eine wichtige Eigenschaft psychischer Erkrankungen wie der Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitäts-störung (ADHS). In Einklang mit der Annahme eines Zusammenhangs von dysreguliertem Dopaminhaushalt und Impulsivität sind neuronale Strukturen, die während DD aktiv sind (Ventrales Striatum [VS]; Orbitofrontaler Cortex [OFC]) stark durch dopaminerge Neurone innerviert. Bislang fehlen allerdings Studien, die explizit Interaktionen von dopaminerger Neurotransmission, Impulsivität und Hirnaktivierung während intertemporaler Entscheidungsaufgaben untersuchen. Studie I der vorliegenden Promotionsschrift untersucht daher den Einfluss unterschiedlicher Dopamin (DA)-Bioverfügbarkeit (anhand eines genetischen Polymorphismus (Val158Met) im Gen der Catechol-O-Methyltransferase) auf den Zusammenhang von DD und OFC Aktivierung. Mittels funktioneller Nah-Infrarot Spektroskopie (fNIRS) wurde in einer Gruppe von 49 gesunden Versuchspersonen die OFC Aktivität bei sofortiger und verzögerter Belohnung aufgezeichnet. Die Ergebnisse zeigen eine DA-abhängige Erweiterung der Funktion des OFC von schwacher (niedrige DA Verfügbarkeit), über eine partielle (mittlere DA Verfügbarkeit) bis hin zu starker (hohe DA Verfügbarkeit) Sensitivität für Belohnungsverzögerungen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die DA-Verfügbarkeit den Zusammenhang von neuronaler Sensitivität für Belohnungsverzögerungen und Impulsivität moderiert: ein starker Zusammenhang konnte bei mittlerer DA-Verfügbarkeit gezeigt werden, nicht aber bei niedriger oder hoher DA-Verfügbarkeit. Bei letzteren korrelierte Impulsivität mit der Höhe der OFC-Aktivität unabhängig von Belohnungsverzögerungen. Die DA-Verfügbarkeit sollte demnach als ein wichtiger Faktor berücksichtigt werden, wenn impulsivitätsabhängige Hirnaktivierung, insbesondere die Verarbeitung von Belohnungsverzögerungen betreffend, untersucht wird. Eine dysfunktionale Belohnungsverarbeitung, verbunden mit einer eingeschränkten Toleranz von Belohnungsverzögerungen, wird als ein wichtiges Merkmal von ADHS angenommen, dessen Ursache möglicherweise eine verminderte DA-Konzentration im Striatum ist. Das Ziel von Studie II der vorliegenden Promotionsschrift ist daher, subkortikale Verarbeitung von Belohnungsverzögerung zu untersuchen und Hinweise für eine negative emotionale Reaktion auf Verzögerung zu prüfen. Mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) wurde die Hirnaktivierung adulter Patienten mit ADHS (n=14) und gesunder Kontrollpersonen (n=12) während der Verarbeitung von sofortiger und verzögerter Belohnung aufgezeichnet. Im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen zeigte sich bei Patienten mit ADHS eine Minderaktivierung auf sofortige und verzögerte Belohnung im ventral-striatalen Belohnungssystem. Im Gegensatz dazu führte verzögerte Belohnung bei Patienten mit ADHS zu einer Überaktivierung im dorsalen Nucleus Caudatum sowie in der Amygdala. Diese Ergebnisse stützen die zentrale Annahme der Verzögerungsaversions-Hypothese bei ADHS. Gemeinsam weisen beide Studien auf eine enge Verbindung von DD, Hirnaktivierung und dopaminerger Neurotransmission hin. Die Ergebnisse implizieren, dass Untersuchungen der neuronalen Korrelate von DD sowohl die DA-Bioverfügbarkeit, als auch negative emotionale Reaktionen auf Belohnungsverzögerung berücksichtigen sollten.

Hintergrund: Das visuelle Arbeitsgedächtnis ist eine Leistung des präfrontalen Kortex (PFC) und dient der kurzfristigen Speicherung und Manipulation visueller Information. Ein aufgabenspezifisches Modell des visuellen Arbeitsgedächtnisses unterteilt zwei inhaltlich und örtlich getrennte Subsysteme: Das visuell-räumliche Arbeitsgedächtnis (SWM) scheint vor allem im dorsolateralen PFC (DLPFC) und das visuell-bildliche (OWM) im ventrolateralen PFC (VLPFC) lokalisiert zu sein. Der Dopaminabbau im PFC wird entscheidend von dem Enzym Catechol-O-Methyltransferase (COMT) bestimmt. Es existiert ein funktioneller COMT-Val158Met-Polymorphismus, der aufgrund veränderter Enzymaktivität mit unterschiedlicher dopaminerger Aktivität im PFC verbunden ist. Ziele: Das Aufgabendesign zielte darauf ab, die funktionelle Trennung von SWM und OWM im PFC nachzuweisen und die aufgabenspezifische Hypothese zu testen. Als zweites Ziel der Studie sollte der mögliche Einfluss des COMT-Val158Met-Polymorphismus auf die Arbeitsgedächtnisleistung getestet werden. Methoden: Es wurden 100 körperlich und psychisch gesunde Probanden in einer funktionellen Nah-Infrarot Spektroskopie-Studie (fNIRS-Studie) mit einem visuellen Arbeitsgedächtnisparadigma untersucht. Die NIRS-Messung beruht auf dem Prinzip der neurovaskulären Kopplung. Es wurde eine rechteckige 30*6 cm große Messhaube über dem frontalen Kortex platziert und die Veränderungen von O2Hb und HHb während des Paradigmas bestimmt. Anschließend wurde eine Genotypisierung durchgeführt. Ergebnisse und Diskussion: Zwischen den Arbeitsgedächtnisaufgaben zeigte sich ein deutlicher linearer Zusammenhang für die Verhaltensdaten. Das SWM-Paradigma führte zu einem O2Hb-Anstieg und HHb-Abfall im DLPFC, womit sich eine selektive Aktivierung dieses Areals bestätigte. OWM-Aufgaben hingegen führten zu einem parallelen Anstieg von O2Hb und HHb im VLPFC. Mit der fNIRS-Untersuchung konnten Vorbefunde der funktionellen Bildgebung bestätigt werden, die eine aufgabenspezifische Gliederung des visuellen Arbeitsgedächtnisses postulieren. Ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem COMT-Val158Met-Polymorphismus und dem Arbeitsgedächtnis konnte weder in den Verhaltensdaten noch in den Bildgebungsdaten nachgewiesen werden. Falls ein solcher Zusammenhang besteht, lag der fehlende Nachweis am ehesten in Task-Switching-Effekten des Studiendesigns begründet. / Objective: Visual working memory is an accomplishment of the prefrontal cortex (PFC), which serves the maintenance and manipulation of visual information over a short period of time. A ‘domain-specific’ model of visual working memory divides it into two functionally and spatially separated subsystems: Visual location-based memory (SWM) seems to be located in the dorsolateral PFC (DLPFC), visual objective-based memory (OWM) to be located in the ventrolateral PFC (VLPFC). The turnover of dopamine is critically tuned by the enzyme catechol-o-methyl-transferasis (COMT). There is a functional COMT-Val158Met-polymorphism which is associated with different dopaminergic levels in PFC due to a change in enzyme-activity. Aim: The task design was conceived to evaluate the functional dissociation of SWM and OWM in the PFC and to test the ‘dopamin-specific’ hypothesis. Secondly the study aims at testing the possible contribution of COMT-Val158Met-polymorphism to working memory. Methods: Therefore 100 somatically and mentally healthy subjects were assessed by an event-related functional near-infrared-study (fNIRS) with a visual working memory paradigm. The NIRS relies on the principle of neurovascular coupling. A 30*6 cm rectangle probeset was applied on the frontal cortex and changes in O2Hb and HHb were measured during the paradigms. After that, genotyping of the COMT-polymorphism was conformed. Results and Discussion: There was a significant linear dependence of working memory task in regard of behavioral data. SWM paradigm was accompanied by some increase in O2Hb and parallel decrease of HHb in the DLPFC which is in line with a selective activity of this area in SWM. OWM paradigm led to a parallel increase of O2Hb and HHb in the VLPFC. With the NIRS technique it was possible to replicate prior findings of functional imaging studies which postulated a ‘domain specific’ organization of the visual working memory. It was not possible however, to determine any connection between the COMT-Val158Met-polymorphism and the working memory in behavioral or functional imaging data. If there is such an interaction, the missing proof might be due to task-switching-effects in the design of the study.

A técnica de polimerização em emulsão tem sido usada cada vez mais na indústria de tintas, resinas, plásticos, entre outros. Esse crescimento se deve as razões ambientais (uma vez que se utiliza água como fase contínua desta reação), também a versatilidade e a capacidade de produzir látex com diferentes propriedades para diferentes aplicações. Polímeros em emulsão são produtos por processo, isto é, suas propriedades são definidas durante a polimerização. Por isso, é importante o adequado monitoramento da reação de modo a permitir o controle das propriedades desejadas. A técnica de espectroscopia na região do infravermelho próximo (NIR), combinada com o uso de fibras óticas, é muito promissora para o monitoramento multivariável, em linha e em tempo real do processo de polimerização. O objetivo deste trabalho foi o de estudar o uso de espectroscopia NIR para o monitoramento em linha e em tempo real das concentrações de monômero e de não- voláteis (conhecido também como teor de sólidos) e da evolução do tamanho médio das partículas de látex (Dp) durante a reação de polimerização em emulsão de metacrilato de metila (MMA), em escala de laboratório e processo semi-batelada. Os modelos de calibração para estas variáveis foram obtidos experimentalmente empregando o método de regressão por mínimos quadrados parciais, PLS. Os resultados obtidos confirmaram algumas regiões espectrais do NIR indicadas em literatura como sendo adequadas na predição de monômero e Dp e revelaram -1 comportamentos espectrais ainda não explicados na região entre 10.475 e 13.000 cm , relacionados às variações no tamanho das partículas. Os resultados mostram também que é possível monitorar em linha e em tempo real a evolução do Dp e dos teores de monômero (MMA) e de não voláteis, simultaneamente em um único instrumento, utilizando modelos de calibração com bandas espectrais e pré-tratamentos distintos. / Emulsion polymerization is a largely and increasingly used technique in industrial production of paints, resins, plastics among others. This increase is due to environmental reasons (since water, rather than organic solvents is used as dispersing medium), as well as to the versatility and capacity of producing products with different properties for different applications. Emulsion polymers are products by process, i.e., the properties are mainly defined during the polymerization process. Thus, the adequate process monitoring is important for achieving the target properties. The NIR spectroscopy combined with optical fibers is a promising technique for the task of multivariable, real-time, in-line monitoring of polymerization processes. The aim of this work is the study of use of NIR spectroscopy for in-line, real time monitoring of the monomer and solids content, as well as the evolution of average size of the polymer particles (Dp), during semi-batch emulsion polymerization of methyl methacrylate in laboratory reactor. The calibration models for each of the monitored variables were obtained by applying the partial least squares regression method (PLS). The results confirmed that some NIR spectral ranges recommended in the literature are appropriate for the prediction of monomer content and Dp, and that there are spectral -1 . The results behaviors not yet explained in the region between 10475 and 13000cm also show that the in-line, the changes in Dp, monomer and polymer content can be simultaneously monitored in-line and in real time by NIR spectroscopy by using calibration models based on adequate spectral regions and distinct data pretreatments.

Este estudo tem como objetivo analisar a qualidade do lenho das árvores de eucalipto geneticamente modificadas e seus respectivos controles (clones convencionais). Foram selecionadas 70 árvores de eucalipto, ao 12º mês de 14 tratamentos (10 eventos modificados e 4 clones convencionais) representando 5 árvores/tratamento. As amostras do lenho foram coletadas do tronco das árvores com sonda de Pressler para análise das suas características anatômicas, densidade aparente do lenho (microdensitometria dos raios X) e propriedades químicas (espectroscopia no infravermelho próximo). As propriedades anatômicas e a densidade aparente do lenho indicaram poucas diferenças significativas entre as árvores dos tratamentos. Nas análises da espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) foram encontrados modelos satisfatórios para a densidade aparente do lenho, a fração parede e para o teor de celulose. O lenho das árvores dos eventos modificados e dos clones convencionais mostrou pequenas diferenças nas características anatômicas e físicas, sendo caracterizado como lenho juvenil; assim as árvores devem ser analisadas em idades mais avançadas, com lenho de transição e adulto. Os resultados constituem-se parte da análise das árvores de eucalipto geneticamente modificadas, subsidiando os estudos genéticos visando obter altos níveis de produtividade. / This study aims to analyze the quality of the wood of genetically modified eucalyptus trees and their respective controls (conventional clones). 70 eucalyptus trees were selected at 12 months of 14 treatments (10 modified events and 4 conventional clones) representing 5 trees / treatment. The wood samples were collected of the trunk of the eucalyptus trees with Pressler increment borer for the analysis of their anatomical features, density of wood (microdensitometry of X-rays) and chemical properties (near infrared spectroscopy). The anatomical properties and wood density of eucalypts trees showed few significant differences between treatments. In the analysis of near infrared spectroscopy (NIR) have been found satisfactory models for the apparent density of the wood, the wall portion and the cellulose content. The wood from the trees of the modified events and conventional clones showed small differences in the anatomical and physical characteristics, being characterized as juvenile wood; so the trees must be analyzed at older ages, with wood transition and adult. The results are a part of the analysis of genetically modified eucalyptus trees, supporting genetic studies to obtain high levels of productivity.

Nos últimos anos, a espectroscopia no infravermelho (IR) ganhou grande aceitação em diversas áreas de pesquisa por ser uma técnica rápida, simples e não destrutiva que permite a quantificação de diversos componentes químicos em amostras. Apesar de a IR resultar em valores de absorbância que auxiliam na caracterização da amostra, tal técnica acaba por gerar bancos de dados compostos por centenas, ou até milhares, de variáveis altamente correlacionadas e ruidosas, comprometendo o resultado de diversas técnicas de análise multivariada. Dentro deste cenário, esta Tese apresenta novas metodologias para seleção de variáveis, também chamada de seleção de comprimentos de onda quando aplicados em dados de IR, com o intuito de auxiliar o reconhecimento de padrões para o controle de qualidade em diversas áreas. Tais metodologias são apresentadas em três artigos onde as proposições visam à solução de problemas específicos: no primeiro artigo, amostras de erva mate são categorizadas de acordo com seu país de origem através de uma nova metodologia para seleção de variáveis Para tanto, um problema de Programação Quadrática, combinado com a Informação Mútua entre as variáveis, é utilizado para reduzir a redundância entre as variáveis retidas e maximizar sua relação com o local de origem da amostra; por sua vez, o segundo artigo adequa as proposições do primeiro artigo para um problema de predição, onde o objetivo é determinar a concentração de cocaína e adulterantes em amostras de cocaína laboratoriais e apreendidas; por fim, o terceiro artigo utiliza a estatística do teste de Kolmogorov-Smirnov para duas amostras em uma abordagem de seleção de intervalos de comprimentos de onda com o intuito de identificar falsificações em medicamentos para disfunção erétil. A aplicação dos métodos em bancos de dados com distintas características e a validação dos resultados corrobora a adequabilidade das proposições desta tese. / Over the last few years infrared (IR) spectroscopy gained wide acceptance in many research fields as a quick, simple and non-destructive technique allowing the quantification of many chemical compounds. Although IR provide many absorbance values that helps the sample characterization, this technique also generate databases comprised by hundreds, or even thousands, of highly noisy and correlated wavenumbers, jeopardizing the results of many multivariate analysis techniques. Under such scenario, this thesis presents new variables selection methodologies (also called wavenumber selection when applied in IR data) aimed to recognize patterns for quality control in many areas. Such methodologies are presented in three papers where the propositions are tailored for the solution of specific problems: on the first paper, yerba mate samples are categorized according to their country of origin through a novel variable selection methodology. Thereunto a quadratic programming problem, combined with the Mutual Information among variables, is utilized to reduce the redundancy among variables and increase their relationship with the samples’ place of origin; the second paper adequate the first paper propositions for a prediction method which aims to determine cocaine and adulterants concentration in laboratorial and seized cocaine samples; lastly, the third paper uses the two-samples Kolmogorov-Smirnov statistic in an wavenumber interval selection method aimed for the identification of counterfeit erectile dysfunction medicines. The application of the methods in databases with distinct characteristics and the results validation corroborates the suitability of this thesis propositions.

Seizures containing large numbers of units of narcotics, goods dangerous to health and doping are often sent to the Swedish National Forensic Centre (NFC). Only a fraction of these capsules or tablets can be analyzed, therefore the samples need to represent the whole seizure. If the samples show content variations, Near Infrared (NIR) spectroscopy in combination with hyperspectral imaging has been shown to be a promising tool to gauge the homogeneity in the seizures based on chemical content. The objective of this thesis was to further develop and then validate a method for the separation of pregabalin and gabapentin capsules using NIR hyperspectral imaging and Principal Component Analysis (PCA). Capsules containing different amounts of pregabalin and gabapentin were prepared and analyzed. Additionally, authentic seizures were analyzed to confirm that the method fulfilled its purpose. The result of this study showed that use of hyperspectral data in the wavelength range 1650-1750 nm gave the best differentiation between pregabalin and gabapentin capsules. Capsules containing the ratio 70-30 % gabapentin and pregabalin could be separated distinctively from capsules containing pure gabapentin. Multiple authentic seizures could be separated into groups correctly depending on the capsules or tablets content.

Einzelstrang-DNA-dispergierte und individualisierte (6,5)-chirale Kohlenstoffnanoröhren bilden als Konjugatsystem den Ausgangspunkt dieser Dissertation. Im Vordergrund stehen dabei Untersuchungen zur Biokompatibilität dieser ssDNA-SWNT-Konjugate sowie deren Verhalten nach Zellpenetration und eine Funktionalisierbarkeit zum Wirkstofftransportsystem. Das erste Projekt widmet sich in Kapitel 4 dem Studium der Konjugatstabilität unter physiologischen Bedingungen und einer Verträglichkeit gegenüber zellulären Systemen. Experimente zur Biokompatibilität werden erstmals an Nanorohrkonjugaten durchgeführt, welche nach Ultrazentrifugation im Dichtegradienten sorgfältig individualisiert vorliegen. Die umgebungssensitiven photophysikalischen Charakteristika vereinzelter (6,5)-SWNTs können zu einer Beurteilung der Konjugatintegrität in physiologischem Milieu genutzt werden. Die Stabilität von ssDNA-SWNT-Strukturen wird in Anwesenheit des Restriktionsenzyms DNase I und dem in Zellnährmedien enthaltenen protein- und nukleasereichem Serum FBS auf die Probe gestellt. In beiden Fällen kann eine ausreichende ssDNA-SWNT-Integrität attestiert werden, die eine Verwendung unter Zellkultivierungsbedingungen erlaubt. Unter Berücksichtigung verschiedener in Zellen vorliegender pH-Umgebungen werden die Konjugate ebenfalls dieser Variation ausgesetzt. Bei Vorliegen stark saurer und basischer pH-Werte kann die Integrität von ssDNA-SWNT-Konjugaten nicht gewährleistet werden, was sich durch Aggregation bemerkbar macht. Innerhalb des breiten pH-Bereichs zwischen den Werten 3 und 11 hingegen kann eine gute Stabilität bestätigt werden. Für zelluläre Anwendungen bedeutet dieser Befund keine Einschränkung, da in Kulturen lediglich neutrale bis schwach saure pH-Werte oberhalb von 4.5 zu finden sind. Nachdem die Biostabilität der ssDNA-SWNT-Konjugate gewährleistet ist, kann in Zytotoxizitätsstudien eine ex vivo-Verträglichkeit des Nanomaterials getestet werden. Erste Untersuchungen mit der Mausmakrophagenlinie J774.1 weisen wie auch ausführliche Studien gegenüber menschlichen Epithelzellen HeLa auf eine uneingeschränkte Kompatibilität in den eingesetzten Konzentrationen hin. HeLa-Zellen, die mit DGU-gereinigten Nanorohrproben behandelt werden, zeigen eine geringfügig höhere Vitalität als nach Inkubation mit einer Rohdispersion undefinierter SWNT-Bündel. Im Gesamtbild ergibt sich somit eine zufriedenstellende Biokompatibilität individualisierter ssDNA-SWNT-Konjugate, womit das in dieser Arbeit zentrale Kohlenstoffnanorohrsystem den Anforderungen für dessen biomedizinische Verwendbarkeit gerecht wird. Der Schwerpunkt weiterer Untersuchungen liegt im zweiten Projekt aus Kapitel 5 auf dem Verhalten von ssDNA-SWNT-Konjugaten nach deren Aufnahme in HeLa-Zellen. Auch hier kann die starke Sensitivität der optischen Eigenschaften individualisierter (6,5)-Kohlenstoffnanoröhren gegenüber Umgebungseinflüssen genutzt werden, um Veränderungen im Emissionsverhalten von SWNTs nach deren zellulärer Aufnahme gegenüber dem Ausgangszustand zu beobachten. Nach ausführlicher Weißlicht-, Fluoreszenz- und SWNT-Photolumineszenzmikroskopie, aus deren Resultaten eine erfolgreiche Internalisierung von ssDNA-SWNTs in HeLa-Zellen eindeutig hervorgeht, stehen PL-spektroskopische Untersuchungen der Kohlenstoffnanoröhren im Vordergrund. Durch einen Vergleich des Emissionsverhaltens der ssDNA-SWNT-Konjugate in und außerhalb von Zellen können spektrale Verschiebungen, Linienverbreiterungen und verkürzte Fluoreszenzlebensdauern nach zellulärer Aufnahme festgestellt werden. Sowohl eine Aggregation von SWNTs als auch eine Beeinflussung durch die pH-Umgebung reichen nicht für eine vollständige Erklärung des Befunds aus. Vielmehr kann die in endosomalen Kompartimenten durch das Größenverhältnis von Endosomen zu SWNTs entstehende räumliche Nähe einer großen Nanorohrmenge untereinander als Ursache für eine Veränderung der dielektrischen Umgebung und folglich des Emissionsverhaltens betrachtet werden. Durch Verwendung der Kohlenstoffnanoröhren als Marker und Sensor können ssDNA-SWNT-Konjugate in Zellen somit nicht nur lokalisiert, sondern darüber hinaus hinsichtlich einer möglichen Aggregation untersucht werden. Aus den in dieser Arbeit vorgestellten Daten kann zwar eine vollständige Aggregation der SWNTs durch deren Aufnahme in Zellen ausgeschlossen werden, sie muss jedoch in geringfügigem Ausmaß neben einer Beeinflussung durch die pH-Umgebung und die große räumliche Nähe durchaus in Betracht gezogen werden. Individualisierte ssDNA-SWNT-Konjugate können damit erstmals zeitaufgelöst PL-mikrospektroskopisch in HeLa-Zellen charakterisiert werden. Für das letzte Projekt werden in Kapitel 6 neuartige Funktionalisierungsmöglichkeiten von ssDNA-SWNT-Konjugaten zu zellulären Transportsystemen unter Erhalt der photophysikalischen Eigenschaften erforscht. Dazu soll das Dispergiermittel DNA als Kupplungsstelle für eine kovalente Anbindung eines Agenz genutzt werden. Anstelle eines Wirkstoffes werden die Untersuchungen mit einem Fluorophor als Modellverbindung durchgeführt, welcher den Vorteil einer einfachen Detektierbarkeit liefert. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, das Oligomer mit dem Fluorophor vorzufunktionalisieren und anschließend auf die Oberfläche der SWNTs zu bringen. Als effektiver erweist sich die Methode der direkten Kupplung des Farbstoffs an bereits DNA-dispergierte SWNTs. Der Erfolg in der Präparation von FluorophorssDNA- SWNT-Konjugaten wird über die Emission des Fluorophors mit entsprechenden Referenzexperimenten gemessen. Der Versuch einer Quantifizierung liefert jedoch sehr hohe Werte, die lediglich als eine obere Grenze für die gefundene Anzahl gebundener Fluorophore pro Nanoröhre angesehen werden können. Im Verlauf des Projekts kann eine Funktionalisierbarkeit der Nanoröhren über das Dispergieradditiv DNA als neue Strategie aufgezeigt werden. Im Gegensatz zu bekannten Wirkstofftransportsystemen bietet dieser Funktionalisierungsansatz den Vorteil, dass die optischen Eigenschaften der individualisierten ssDNA-SWNT-Konjugate erhalten bleiben, welche wieder um einen gleichzeitigen Einsatz der Nanoröhren als Transporter und Marker bzw. Sensor erlauben. Die vorliegende Dissertation liefert neben dieser bisher unbekannten Funktionalisierungsstrategie neue Erkenntnisse über die Biokompatibilität speziell von individualisierten ssDNA-SWNT-Konjugaten und deren Verhalten in HeLa-Zellen. Mit diesem Wissen kann der gezielte Wirkstofftransport durch Kohlenstoffnanoröhren als biokompatibles und zellgängiges Trägersystem anvisiert werden. / The key element of this thesis is a conjugate system of single-stranded DNA and individualized (6,5) single-wall carbon nanotubes. The investigations are mainly focused on the biocompatibility of ssDNA-SWNT conjugates, as well as their behavior after cell penetration and general ability to be functionalized for drug delivery. Within the first project, chapter 4 contributes to the study the conjugate stability under physiological conditions and compatibility towards cellular structures. For the first time, such biocompatibility experiments are carried out with nanotube conjugates, which are thoroughly individualized by ultracentrifugation assisted density gradient. The photophysical characteristics of isolated (6,5) SWNTs are highly sensitive towards their environment and can thus be used to evaluate the state of conjugate integrity in a physiological milieu. The stability of ssDNA-SWNT structures is tested in the presence of restriction enzyme DNase I and FBS serum, an important nutrient medium ingredient rich in proteins and nucleases. In either case, the integrity of ssDNA-SWNT conjugates is not affected. With respect to the pH variety occuring in cell structures, the conjugate stability is also investigated in acid and base milieu. Both strong acid and alkaline pH environments influence the integrity of ssDNA-SWNT, leading to aggregation of nanotubes. Conversely, good conjugate stability can be evaluated in a wide pH range between 3 and 11, revealing unlimited applicability towards cells, where the pH environment is known to vary between neutral and weakly acid pH values above 4.5. After evaluation of the biostability of ssDNA-SWNT conjugates, they have to be tested in ex vivo cytotoxicity assays. Studies are primarily carried out with murine macrophage-like cells J774.1 and in more detail with the human cervix carcinoma cell line HeLa. Both indicate no cytotoxic effects with applied SWNT concentrations. Within the HeLa cell studies, the impact of DGU preparation on SWNT cytotoxicity is a further point of interest. As a result, slightly enhanced cell viability can be observed with DGU purified samples as compared to raw dispersion consisting of non-defined SWNT bundles. Overall, ssDNA-SWNT conjugates can be assumed to be sufficiently biostable and thus suitable for biomedical applications. Further investigations in the second part of this work in chapter 5 are focused on the behavior of ssDNA-SWNT conjugates after cellular uptake. Again, the strong environmental sensitivity of optical properties of individualized (6,5) carbon nanotubes can be used to detect changes of the SWNT emission after internalization. Different techniques have been employed to visualize ssDNA-SWNT structures in HeLa cells using white light, fluorescence, and SWNT photoluminescence microscopy. By PL spectroscopy of ssDNA-SWNTs in cells spectral shifts, line-broadening and shortened lifetimes are observed when comparing SWNT emission inside and outside of cell culture. Neither nanotube aggregation nor the influence of the cell-specific pH environment are sufficient explanations for such spectral behavior. Indeed, the spatial proximity of SWNTs with each other in small sized endosomal cell compartiments is supposed to cause nanotube-nanotube interactions that change the dielectric environment and thus the emission behavior of SWNTs. Within the use of carbon nanotubes as marker and sensor, ssDNA-SWNT conjugates cannot only be localized, but also characterized, with regard to possible nanotube aggregation. The data presented in this work can, on the one hand, exclude a total aggregation of SWNTs within their cellular uptake. But, on the other hand, a small extent of aggregation, pH environmental effects, and the spatial proximity of a high amount of SWNTs in comparatively small endosomes have to be considered as factors that influence SWNT emission properties. In this study, individualized ssDNA-SWNT conjugates can be characterized via time-resolved PL microspectroscopy for the first time. The last project in chapter 6 addresses to new functionalization routes of ssDNA-SWNT conjugate with respect to drug delivery applications while retaining the photophysical characteristics. The SWNT dispersion additive DNA serves as binding site for covalent attachment of agents. For a convenient sample characterization, a fluorophor is used as model compound instead of a specific drug. In general, fluorophor-ssDNA-SWNT systems can be obtained by pre-functionalization of oligomers with dye, followed by attachment of the modified DNA on the nanotube surface. More promising, however, is the route via a direct coupling reaction of activated fluorophor molecules with specific ssDNA-SWNT conjugates. The successful sample functionalization can be evaluated from the fluorescence of the dye in comparision with corresponding control experiments. An attempt for quantification of functionalization is found to be problematic as the revealed values are too high and can thus only be regarded as upper limits for the number of fluorophors per nanotube. A new functionalization method for SWNTs can be established using noncovalently bound DNA as the coupling point. Compared to well-known drug delivery systems, the optical properties of SWNTs can be retained with this procedure, allowing the simultaneous use of nanotubes as cellular transporter and marker or sensor. In addition to the new functionalization strategy, further knowledge about biocompatibility of well-isolated ssDNA-SWNT conjugates and their behavior after cellular uptake can be obtained through this thesis. Thus, a targeted drug delivery with isolated carbon nanotubes as biocompatible and a cell penetrating carrier system could be aimed for future work.

Ziel der vorliegenden, experimentellen Arbeit war die Untersuchung der Persönlichkeitseigenschaft der Impulsivität bei adulten Patienten mit ADHS und vergleichbaren Versuchspersonen. Da die Ätiopathogenese erhöhter Impulsivität bei Patienten mit ADHS bislang ungeklärt ist, eine Beeinflussung des dopaminergen Systems durch vorausgehende Studien allerdings nahe liegt, wurden die verwendeten Impulsivitätsmessungen zusätzlich bezüglich einer möglichen Beeinflussung durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus analysiert. Die Untersuchung beinhaltet mit 71 adulten Patienten mit ADHS und 54 gesunden Kontrollpersonen, die nach Alter, Geschlecht, IQ, Kopfumfang und Händigkeit vergleichbar waren, eine der aktuell größten Stichproben adulter Patienten mit ADHS. Während einer Stoppsignal-Aufgabe zur Erfassung der Antworthemmungsfähigkeit als Korrelat der Impulsivität wurden die Verhaltensdaten der Stichproben sowie die hirnphysiologischen Veränderungen mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie aufgezeichnet und ausgewertet. Die erhobenen experimentellen Daten wurden anschließend mit selbstbewerteter Impulsivität des I7-Impulsivitätsfragebogens nach Eysenck verglichen und auf mögliche Zusammenhänge überprüft. Zudem wurden die beobachteten Ergebnisse der vorliegenden Arbeit auf einen möglichen Einfluss durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus untersucht. Auf der Verhaltensebene zeigten Patienten mit ADHS im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen sowohl für die SSRZ als auch für die Go-RZ signifikant langsamere Reaktionszeiten. Im Vergleich der funktionellen Daten konnten für Patienten mit ADHS während der erfolgreichen Stopp-Trials signifikant bzw. tendenziell verminderte Aktivierungen im Bereich des IFC und DLPFC in beiden Hemisphären festgestellt werden. Die Untersuchung der selbstbewerteten Impulsivität anhand des I7-Fragebogens ergab ebenfalls einen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Stichproben. Bezüglich der Zusammenhänge zwischen den einzelnen Impulsivitätsmessungen konnten für Patienten mit ADHS signifikant bzw. tendenziell negative Zusammenhänge zwischen SSRZ und Oxygenierung im rechten IFC sowie zwischen SSRZ bzw. Go-RZ und I7-Impulsivitätswerten festgestellt werden. In der Untersuchung des Einflusses durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus ergab sich ein sehr heterogenes Bild, in dem sich keine eindeutig systematischen Genotyp- oder Interaktionseffekte zeigten. Während die beobachteten Befunde auf Verhaltensebene auf eine generelle Verlangsamung adulter Patienten mit ADHS im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen hindeuten, könnte das verminderte Aktivierungsmuster im Bereich des IFC und DLPFC während der erfolgreichen Stopp-Trials bei Patienten mit ADHS möglicherweise das zugrundeliegende funktionelle Korrelat zu den beobachteten Reaktionsunterschieden zwischen den beiden Stichproben darstellen. Obwohl Patienten mit ADHS im Vergleich zu gesunden Kontrollen aufgrund ihrer erhöhten Impulsivität defizitär erscheinen, deuten die Befunde bezüglich des Zusammenhangs zwischen selbstbewerteter und experimentell erhobener Impulsivität innerhalb der Patientengruppe einen möglichen Vorteil erhöhter I7-Impulsivitätswerte für die Reaktionsfähigkeit in der Stoppsignal-Aufgabe an. Bezüglich der Beeinflussung der erhobenen Daten durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus lassen sich anhand der Befunde dieser Arbeit keine klaren Schlussfolgerungen ziehen. / The aim of this study was to investigate impulsivity in adult patients with Attention Deficit-/Hyperactivity Disorder (ADHD) and healthy controls, on the one hand self-rated impulsivity operationalized by the I7 questionnaire of Eysenck and on the other the executive function response inhibition as an objective correlate of impulsivity operationalized by a stop signal task. During the stop signal task the changes of oxygenated (O2Hb) and desoxygenated haemoglobin (HHb) in prefrontal cortical areas were recorded by functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Because the pathophysiology of ADHD seems to involve alterations in the dopaminergic neurotransmitter system, this study also investigated the possible influence of the catechol-O-methyltransferase (COMT) Val158Met polymorphism, which modulates the degradation of prefrontal dopamine. Compared to the healthy controls, patients with ADHD showed both SSRT as well as Go-RT significantly slower reaction times during the stop signal task and significantly higher values for impulsivity and empathy in the I7 questionnaire. They also showed significantly reduced increases in O2Hb in bilateral IFC for successful stop trials and a statistical trend for a reduced increase in bilateral DLPFC. For patients with ADHD the investigation of the relationship between behavioral data and self-rated impulsivity showed a significant negative association, concerning the relationship of behavioral data and functional brain data a significant negative association between SSRT and the right IFC. The investigation of the influence of the COMT Val158Met polymorphism showed no systematic genotype or interaction effects.

Le développement de sources lasers monomodes et accordables constitue un enjeu important dans plusieurs domaines en fort développement telle que la métrologie, les senseurs optiques, la spectroscopie, le traitement optique de l'information ou la médecine. Dans cette thèse nous faisons le point sur les limites des technologies actuelles, puis nous montrons comment les surpasser à travers la conception et l'étude physique de lasers à semiconducteur de haute cohérence émettant dans l'infrarouge. Nous nous intéressons particulièrement aux VECSEL dans le but d'obtenir un fonctionnement monofréquence accordables et robustes. Nous traitons de la conception et de la caractérisation de ces lasers, depuis l'optimisation du milieu à gain jusqu'à l'élaboration de prototypes laser fonctionnels. Nous effectuons ensuite une étude approfondie des propriétés physiques de la source. Les différents sujets abordés traitent de nombreux aspects de l'optoélectronique tels que la physique du solide, l'optique traditionnelle et quantique, la technologie des matériaux, la thermique, ect. Les travaux présentés ici ouvrent la voie à de nombreux développements liés aux VECSEL et à leurs applications.