Η φασματοσκοπία Raman είναι τεχνική ανελαστικής σκέδασης φωτός, ικανή να ανιχνεύει και να χαρακτηρίζει μόρια σε ποικιλία υδατικών διαλυμάτων. Σκοπός της εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας μη επεμβατικής, μη καταστροφικής φασματοσκοπικής μεθόδου για την ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό τόσο φαρμακευτικών ουσιών (π.χ αντιβιοτικών) όσο και φυσιολογικών ουσιών (π.χ γλυκόζη) στο υδατοειδές υγρό οφθαλμού. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας αναπτύχθηκε μια νέα γεωμετρική οπτική διάταξη για την καθοδήγηση της δέσμης του laser στον οφθαλμό, που προσαρμόζεται σε φασματοσκόπιο Raman με ανιχνευτή CCD, δίνει τη δυνατότητα επιλεκτικής συλλογής του σκεδαζόμενου φωτός, σαρώνοντας τον εμπρόσθιο θάλαμο, σε γεωμετρία σκέδασης 90 μοιρών. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν (α) σε χοιρινούς οφθαλμούς in-vitro, max 24 ώρες μετά τη θανάτωση των ζώων και την αφαίρεση του βολβού, μετά την έγχυση στον εμπρόσθιο θάλαμο μορίων κεφταζιδίμης, αμφοτερισίνης Β και γλυκόζης και (β) σε μοντέλο πρόσθιου θαλάμου (AAC) σε συνδυασμό με κερατοειδή χιτώνα χοιρινών οφθαλμών μετά την έγχυση μορίων κεφταζιδίμης, αμφοτερισίνης, θειικής αμικασίνης και σιπροφλοξασίνης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε χημειομετρικός αλγόριθμος μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS) για να προβλέψει τη συγκέντρωση των αντιβιοτικών στο μοντέλο του πρόσθιου θαλάμου. Με τον νεό αυτό σχεδιασμό αποφεύγεται η απευθείας έκθεση βασικών οφθαλμικών ιστών, όπως του φακού και του αμφιβληστροειδούς, στη δέσμη του laser, ενώ παράλληλα επιτυγχάνονται βέλτιστες συνθήκες συλλογής του σκεδαζόμενου φωτός βελτιώνοντας το λόγο σήματος/θορύβου των φασμάτων. Ανιχνεύτηκαν συγκεντρώσεις στην περιοχή της μέσης ανασταλτικής πυκνότητας για τα αντιβιοτικά τόσο στο υδατοειδές υγρό χοιρινών οφθαλμών όσο και στο μοντέλο του πρόσθιου θαλάμουֹ η γλυκόζη ανιχνεύτηκε σε συγκέντρωση κοντά στα παθολογικά επίπεδα των διαβητικών ασθενών. Με βάση και το σφάλμα RMS της ποσοτικής ανάλυσης PLS, προσδοκάται βάσιμα ότι η μέθοδος είναι δυνατό χρησιμοποιηθεί στον τομέα της οφθαλμολογίας για τη μελέτη της φαρμακοκινητικής καθώς και για την έγκαιρη διάγνωση ασθενειών (π.χ. σακχαρώδης διαβήτης). / Laser Raman spectroscopy is an inelastic light scattering technique able to characterize molecules in aqueous environments. The purpose of this work is to develop a non-contact and non-invasive spectroscopic method to identify and eventually quantify the presence of medicines (e.g. antibiotics) and physiological substances (e.g. glucose) in the aqueous humor of the eye. Α new laser light delivery probe has been developed and adapted to a Raman spectroscopic system with the ability of favorable collection of the Raman light at 90o scattering geometry while scanning the anterior chamber of the eye. The technique is applied both, to porcine eyes in-vitro, max. 24 hours after death and extraction, for ceftazidime, amphotericin B and glucose and to a commercially available artificial anterior chamber (AAC) fitted with corneas of porcine eyes for ceftazidime, amphotericin B, amikacin sulphate and ciprofloxacin. Finally, a PLS chemometric algorithm has been developed to predict the concentration of antibiotics in AAC. This special illumination design gives the opportunity of reducing the direct exposure of the basic cordial ocular tissues, like lens and retina, to the laser beam, while at the same time an optimum collection of scattered light is accomplished. Concentrations close to the minimum inhibitory concentration (MIC) have been detected for antibiotics both in porcine eyes and AAC; the detection of glucose has been realized at concentrations close to the early pathological levels of patients with diabetes. Furthermore, the quantification of concentration of antibiotics in AAC is accomplished by a partial least-squares (PLS) chemometric regression algorithm and the RMS error of the validation procedure further emphasize the promising prospect of the application of the Raman spectroscopy to the Ophthalmology.

Η ανάγκη για ολοκληρωμένα κυκλώματα που λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες/ταχύτητες πηγάζει από το γεγονός ότι οι τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές νέας γενιάς βασίζονται στη μετάδοση και τη λήψη δεδομένων με πολύ μεγάλους ρυθμούς. Οι υλοποιήσεις των εφαρμογών αυτών σε τεχνολογίες πυριτίου παρουσιάζουν μεγάλες σχεδιαστικές προκλήσεις. Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής, έχοντας κατά νου τις παραπάνω προκλήσεις, αρχικά παρουσιάζεται μια αναλυτική διαδικασία για την εξαγωγή των παραμέτρων μετάδοσης διαφορικών γραμμών μεταφοράς υλοποιημένων σε τεχνολογία πυριτίου. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη χρήση των παραμέτρων σκέδασης μεικτού ρυθμού και έχει το πλεονέκτημα ότι εξάγει τα χαρακτηριστικά των διαφορικών γραμμών μεταφοράς χωρίς τη χρήση επαναληπτικών μεθόδων. Ένα άλλο θέμα που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή είναι μια μεθοδολογία βαθμονόμησης (calibration) για την αύξηση της ακρίβειας ηλεκτρομαγνητικού εξομοιωτή στην εξαγωγή των παραμέτρων που έχουν παθητικά στοιχεία (γραμμές μεταφοράς και σπειροειδείς επαγωγοί υλοποιημένα σε τεχνολογία πυριτίου). Οι δύο παραπάνω μεθοδολογίες χρησιμοποιήθηκαν για τη σχεδίαση και την υλοποίηση πλήρως διαφορικού κατανεμημένου ταλαντωτή ελεγχόμενου από τάση σε τεχνολογία πυριτίου 0.35μm SiGe BiCMOS. Για τη ρύθμιση της συχνότητας χρησιμοποιείται η τεχνική της μεταβολής καθυστέρησης με την αρωγή θετικής ανάδρασης. Η συνεισφορά της παρούσης διδακτορικής διατριβής είναι ότι ο παραπάνω ταλαντωτής είναι ο πρώτος πλήρως ολοκληρωμένος κατανεμημένος διαφορικός ταλαντωτής. / The demand for high speed/high frequency integrated circuits stems from the fact that modern communication applications require high bit rate data transfer. The implementations of these applications on silicon based technologies impose several design challenges. This dissertation tries to address some of these issues. First, we propose a direct parameter extraction procedure for the case of symmetrical differential transmission lines. This method is based on the mixed-mode S-parameter theory and its main advantage is the fact that it doesn’t use any kind repetitive algorithms. Another issue that this dissertation addresses is a calibration methodology for the augmentation of the parameter extraction accuracy of high frequency passive elements (transmission lines and spiral inductors) when an electromagnetic simulator is used. The abovementioned methodologies were utilized in the design and implementation of a fully integrated differential distributed voltage controlled oscillator in a 0.35 μm SiGe BiCMOS technology. As a frequency tuning technique the delay variation by positive feedback is used. The main contribution of this dissertation is the fact that this oscillator is the first fully integrated differential distributed oscillator.

Η χρήση των πολυμερών στον τομέα της ιατρικής βιομηχανίας κερδίζει ολοένα και μεγαλύτερο έδαφος τα τελευταία χρόνια έχοντας ήδη κάνει ισχυρή την παρουσία τους σε ένα ευρύ πεδίο κλάδων της βιοϊατρικής όπως στη μηχανική ιστών, στην εμφύτευση ιατρικών συσκευών και τεχνητών οργάνων, στην προσθετική και την οφθαλμολογία, στην οδοντιατρική και την αποκατάσταση οστών, στη χημειοθεραπεία και σε ποικιλία άλλων ιατρικών εφαρμογών. Με τη χρήση πολυμερικών συστημάτων μεταφοράς δραστικών ουσιών καθίσταται ικανή η ελεγχόμενη αργή αποδέσμευση φαρμάκων στο σώμα καθώς και η στοχευμένη απελευθέρωσή τους σε σημεία όπου υπάρχουν φλεγμονές ή όγκοι. Τοιουτοτρόπως, χημειοθεραπείες με χρήση βιοπολυμερών ως διαμεσολαβητές, προβάλλουν ως δυνητικές υποψήφιοι στην αντιμετώπιση του καρκίνου του εγκεφάλου με ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Συγκρινόμενη με την τυπική συστημική χημειοθεραπεία, η ενδοογκική απελευθέρωση φαρμάκου με τη χρήση βιοπολυμερών θεωρητικώς παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα: τα βιοπολυμερή μπορούν να μεταφέρουν το φάρμακο απευθείας στον όγκο-στόχο αυξάνοντας τη συγκέντρωση τοπικά και παράλληλα μειώνοντας τη συστημική τοξικότητα· μπορούν έτσι να χρησιμοποιούνται στη θεραπεία ανοσοκατασταλμένων ασθενών που δεν μπορούν να υποβληθούν σε συστημική χημειοθεραπεία. Από τη στιγμή που είναι απαραίτητη η ποσοτικοποίηση των φαρμάκων για τον χαρακτηρισμό των συστημάτων αποδέσμευσης και για μελέτες φαρμακοκινητικής, θα πρέπει να επιλέγεται η καταλληλότερη μέθοδος ποσοτικοποίησης παρέχοντας υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια, εξασφαλίζοντας μεγάλη ανιχνευτική ικανότητα ακόμη και για πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Στην παρούσα εργασία δύο αναλυτικές τεχνικές, η απορρόφηση υπεριώδους-ορατού και η επιφανειακή ενίσχυση της σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Scattering, SERS), χρησιμοποιήθηκαν για την ποσοτική εκτίμηση του αντινεοπλασματικού φαρμάκου Mitoxantrone και του αντιμυκητιακού παράγοντα Ambisome (Αμφοτερισίνη Β) που αποδεσμεύτηκαν από βιοσυμβατές πολυμερικές μήτρες συμπολυμερούς αιθυλενίου-οξικού βινυλεστέρα, συμπολυμερούς γλυκολικού-γαλακτικού οξέος και πολυπροπυλενίου. Το SERS είναι ένα νέο, εναλλακτικό, ταχύ και μη καταστροφικό εργαλείο που μπορεί να βρεί εφαρμογή και στην ποσοτική εκτίμηση ουσιών πάρα πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων. Χάρις στην ενίσχυση που παρέχεται στο σήμα Raman από τα νανο-εκτραχυμένα υποστρώματα ευγενών μετάλλων ή τα νανο-συσσωματώματα κολλοειδών διαλυμάτων ευγενών μετάλλων, έχει αναφερθεί ακόμη και συλλογή φάσματος SERS από ένα μόνο μόριο. Συνεπώς, η εφαρμογή του SERS σε μελέτες ουσιών εξαιρετικά χαμηλών συγκεντρώσεων φαίνεται να είναι πολύ ενδιαφέρουσα. Κατασκευάστηκαν πολυμερικά υμένια με εγκλωβισμένες τις δραστικές ουσίες και η μελέτη αποδέσμευσης πραγματοποιήθηκε σε νερό. Ποσοτικές μετρήσεις με τη χρήση του SERS σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις έδειξαν μεγαλύτερη ανιχνευτική ευαισθησία σε σχέση με αυτές που πραγματοποιήθηκαν με την απορρόφηση UV-Vis. Συμπερασματικά, το SERS δείχνει ικανό στον ποσοτικό προσδιορισμό ενεργών ουσιών που αποδεσμεύονται από βιοσυμβατά πολυμερικά συστήματα μεταφοράς δραστικών ουσιών σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. / The application of polymeric materials for medical purposes is growing very fast. Polymers have found applications in such diverse biomedical fields as tissue engineering, implantation of medical devices and artificial organs, prosthesis, ophthalmology, dentistry, bone repair, chemotherapy and many other medical fields. Polymer-based delivery systems enable controlled slow release of drugs into the body and also they make possible targeting of drugs into sites of inflammation or tumors. Thus, biopolymer-mediated chemotherapy has shown promising results in the treatment of brain tumors. When compared to conventional systemic chemotherapy, intratumoral biopolymer-mediated drug delivery has several theoretical advantages: Biopolymers can deliver drugs into the tumor bed, thus maximizing local concentration while minimizing systemic toxicity. They may therefore be employed in the treatment of immunodepressed patients etc. Since drugs need to be quantified for drug delivery system characterization, intracellular distribution studies, free or vehicular, and for pharmacokinetic assays, the most suitable quantification method must be chosen. It should have a high sensitivity, specificity and reproducibility and should be capable of measuring at very low concentration range, as well. In the present study, two analytical techniques are utilized to quantitatively evaluate the antineoplastic drug Mitoxantrone and the antifungal agent Ambisome (Amphotericin b) released from active agents-loaded biocompatible polymer matrices poly(propylene), poly(ethylene-co-vinyl acetate), poly(lactic-co-glycolic acid); the UV-Vis absorption and the Surface Enhance Raman Scattering (SERS). SERS is a new, versatile, fast and non destructive tool for the estimation of extremely small amounts of substances. Due to the enhancement provided to the Raman signal by the nano-rough noble-metal substrates or the nano-structured colloidal clusters of noble metals, even single molecule detection has been reported. Therefore, applying SERS to extremely low concentration measurements proves to be challenging. Drug loaded polymer specimens were prepared and the in vitro drug release was determined in water. Fast SERS quantitative measurements showed enhanced sensitivity compared to the UV-Vis absorption; SERS may enable low concentration quantitative assessment of controlled release of drugs from biopolymer-based delivery systems.

Η θεωρία σκέδασης καλύπτει ένα μεγάλο φάσμα επιστημονικών και τεχνολογικών εφαρμογών, όπως μη καταστρεπτικός έλεγχος, ραντάρ, σόναρ, γεωφυσική έρευνα, απομακρυσμένη καταγραφή, ιατρική απεικόνιση, υποθαλάσσια ακουστική, σεισμολογία, αναγνώριση βιολογικών προτύπων και ειδικές τεχνικές που εφαρμόζονται στη διαγνωστική ιατρική. Στις περισσότερες από τις παραπάνω περιπτώσεις η υπόθεση πως το υλικό είναι ισότροπο δεν αρκεί και προκειμένου τα αποτελέσματα να προσεγγίζουν ικανοποιητικά την πραγματικότητα, θα πρέπει να γίνει η παραδοχή πως ο χώρος είναι ανισότροπος, πως οι ιδιότητές του εξαρτώνται δηλαδή από την κατεύθυνση. Παρόλο που η ιδιότητα της ανισοτροπίας ήταν ήδη γνωστή από την εποχή του Green (μέσα 19ου αιώνα), λόγω της αυξημένης μαθηματικής πολυπλοκότητας που παρουσιάζει, μόνο τα τελευταία χρόνια εμφανίζεται σημαντικός αριθμός δημοσιεύσεων που ασχολούνται με την ανισότροπη σκέδαση, οι οποίες στην πλειοψηφία τους αναφέρονται μόνο σε ανισότροπο σκεδαστή. Η παρούσα διατριβή ερευνά το πρόβλημα ανισότροπης σκέδασης βαθμωτών πεδίων για τη γενική περίπτωση, όπου όχι μόνο ο σκεδαστής αλλά και ο χώρος σκέδασης είναι ανισότροποι χώροι και μάλιστα έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά. Όπως προκύπτει, τα χαρακτηριστικά του ανισότροπου μέσου μεταφέρονται πλήρως από έναν τροποποιημένο τελεστή κλίσης, ο οποίος εμφανίζεται σε κάθε περίπτωση ανισοτροπίας και μας επιτρέπει να βρούμε τη θεμελιώδη λύση της τροποποιημένης εξίσωσης Helmholtz. Δεδομένης της θεμελιώδους λύσης, τοποθετείται το βασικό πρόβλημα σκέδασης σε ανισότροπα μέσα όπως και οι συνθήκες διαπερατότητας καθώς και οι συνοριακές συνθήκες. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μορφή και οι ιδιότητες των προσπίπτοντων πεδίων και παράγονται τα συναρτησιακά ενέργειας για αυτό το πρόβλημα σκέδασης. Αναπτύσσονται οι ολοκληρωτικές αναπαραστάσεις για το σκεδαζόμενο, το ολικό και το εσωτερικό πεδίο, ενώ παράλληλα προκύπτει η τροποποιημένη συνθήκη ακτινοβολίας και με αυτό τον τρόπο ολοκληρώνεται η βασική θεωρία. Με ασυμπτωτική ανάλυση προκύπτει το ανισότροπο πλάτος σκέδασης και έπειτα ορίζονται οι ενεργειακές διατομές που αντιστοιχούν στην περίπτωση που εξετάζεται. Ακολούθως αποδεικνύονται τα θεωρήματα αμοιβαιότητας, το γενικευμένο και το οπτικό θεώρημα σκέδασης για τα ανισότροπα μέσα. Ως εφαρμογή παρουσιάζεται το πρόβλημα σκέδασης χαμηλών συχνοτήτων για έναν ανισότροπο διαπερατό σκεδαστή. Τέλος, όλο το πρόβλημα ανισότροπης σκέδασης ανάγεται στο αντίστοιχο του ισότροπου χώρου, προς επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. / Scattering theory covers a large spectrum of scientific and technological applications such as non destructive control, radars, sonar, geophysical exploration, remote sensing, medical imaging, under-water acoustics, seismology, biological pattern recognition and special techniques in medical diagnostics. In most of the above cases the assumption that the material is isotropic is inadequate. Therefore, in order to conform to reality, we have to accept that the space is anisotropic, i.e. its properties depend on the direction. Although the anisotropic property was already known, since Green’s era, only a few publications have appeared, due to the mathematical complexity related with the anisotropic property. It was during the last years that more references considered the anisotropic scattering, while most of them regarded only anisotropic scatterers. The thesis examines the problem of scalar field anisotropic scattering for the general case, where not only the scatterer but also the propagation space are anisotropic and they do not have the same characteristics. It comes out that the characteristics of an anisotropic medium are being fully carried by a modified gradient operator which appears in any case of anisotropy and allows the calculation of the fundamental solution for the modified Helmholtz’ equation. Once the fundamental solution is known, the basic problem of anisotropic scattering is postulated as well as the transmission and the boundary conditions. Incident fields’ forms and characteristics are being presented and the energy functional for this scattering problem is being produced. The integral representations for the scattered, total and internal field are also developed, while at the same time arises the modified radiation condition. Asymptotic analysis produces the anisotropic scattering amplitude and afterwards follows the definition of the energy functionals that correspond to our case. The reciprocity theorems, the general scattering, as well as the optical theorem for anisotropic medium are also proved. As an example, the theory developed in this thesis is applied to the low frequency problem for an anisotropic scatterrer. Finally, the results are verified by reducing the whole problem of anisotropic scattering to its equivalent of isotropic space.

Η φασματοσκοπία Raman θεωρείται αξιόπιστη μέθοδος χαρακτηρισμού της μοριακής δομής της ύλης. Τελευταία δε καταβάλλεται μεγάλη προσπάθεια να αναδειχθεί και ως μη επεμβατική τεχνική ανίχνευσης ουσιών φαρμακευτικού και βιολογικού ενδιαφέροντος. Επειδή όμως το φαινόμενο Raman είναι ασθενές και τα όρια ανίχνευσης των ουσιών αυτών ιδιαίτερα χαμηλά, η συμβατική φασματοσκοπία Raman ανταποκρίνεται με μεγάλη δυσκολία στις απαιτήσεις μιας μη επεμβατικής τεχνικής. Τα τελευταία χρόνια με την ανακάλυψη της επιφανειακής ενίσχυσης της σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Scattering) και την ανάπτυξη της ομώνυμης τεχνικής SERS αυξήθηκε η πιθανότητα του φαινομένου κατά τάξεις μεγέθους. Στο πλαίσιο αυτό, έχουν αναφερθεί και μελέτες SERS με ανίχνευση σκέδασης Raman ακόμη και από ένα μόνο μόριο (single molecule detection). Προϋπόθεση όμως ανάπτυξης φαινομένου SERS είναι η γειτνίαση της εξεταζόμενης ουσίας με νανοσωματίδια αργύρου (Ag) ή χρυσού (Au). Τα νανοσωματίδια αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως είτε υπό μορφή κολλοειδών διαλυμάτων είτε υπό την μορφή νανοδομημένων επιφανειών. Μια επιπλέον παράμετρος που πρέπει να συνυπολογισθεί ώστε η μέθοδος αυτή να χαρακτηριστεί αναλυτική είναι η δυνατότητα πραγματοποίησης με SERS ποσοτικών μετρήσεων. Στην παρούσα εργασία ως “υπόστρωμα” εμφάνισης του φαινομένου SERS χρησιμοποιήθηκαν κολλοειδή διαλύματα Au και Ag (~2 mL), στα οποία προστίθεντο 25-100 μL διαλύματος της προς ανίχνευσης ουσίας. Η χρησιμοποίηση της γεωμετρίας σκέδασης 90ο, της πλέον ενδεδειγμένης για λήψη φασμάτων Raman από υγρά και κολλοειδή διαλύματα νανομετρικής κλίμακας (10-100 nm), έδωσε τη δυνατότητα ανίχνευσης συγκεντρώσεων ουσιών-στόχων ακόμη και της τάξης των fg/mL. Επιπλέον, η χρησιμοποίηση μιας κυψελίδας με συνεχή ταλάντωση σε κάθετη ως προς το επίπεδο σκέδασης διεύθυνση (oscillating or shaking cell), επέτρεψε την πραγματοποίηση ποσοτικών μετρήσεων SERS σε συγκεντρώσεις της τάξης των (sub)-ng & (sub)-pg/mL. Η διάταξη αυτή φωταψίας δείγματος και συλλογής σκεδαζόμενης ακτινοβολίας εφαρμόστηκε σε αντικαρκινικά φάρμακα (Novantrone® & Doxorubicin), αντιβιοτικό (Ciproxin®) και βάσεις του DNA. Στην περίπτωση του αντιβιοτικού με ενεργή ουσία το Ciprofloxacin ελήφθησαν ποσοτικά αποτελέσματα σε διαλύματα τεχνητών δακρύων της τάξης των ng/mL, κάτω από την συνολική κλίμακα της μέσης ανασταλτικής πυκνότητας (minimum inhibitory concentration range) του φαρμάκου. Στόχος και φιλοδοξία είναι η τεχνική αυτή να αναδειχθεί ως μια ταχεία μη επεμβατική αναλυτική μέθοδος μέτρησης φαρμακευτικών ή/και βιολογικών ουσιών σε σωματικά υγρά (π.χ. σίελος, δάκρυα, …), για την μελέτη της φαρμακοκινητικής, την έγκαιρη διάγνωση ασθενειών καθώς και τη μελέτη ελεγχόμενης αποδέσμευσης ενεργών ουσιών από πολυμερικές μήτρες σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Επιπλέον, έγινε προσπάθεια μελέτης/ανίχνευσης μορίων Ε18 primary rat cortical cells με την χρήση του SERS σε συνθήκες προσομοίωσης ηλεκτροχημικού εμφυτεύματος. Για τον λόγο αυτό σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένας μικρο-επωαστής (micro-incubator) που επιτρέπει αφ’ ενός μεν τη συντήρηση των κυττάρων σε περιβάλλον κατάλληλο για τη μελέτη τους (layer of Neurobasal-culture medium with a 95% air & 5% CO2 gas flow at 37oC), αφ’ ετέρου δε την προσαρμογή του σε χώρο υποδοχής δείγματος ενός φασματοφωτόμετρου μικρο-Raman για τη λήψη φασματοηλεκτροχημικών μετρήσεων Raman/SERS. Το κύριο σημείο ενδιαφέροντος στο οποίο εστιάσαμε στην παρούσα εργασία αναφέρεται στην διερεύνηση ανίχνευσης βασικών/θεμελιωδών μορίων των κυττάρων στo θρεπτικό υγρό του πειράματος για την ταχεία εκτίμηση ενδεχόμενης αποδέσμευσης DNA που θα αντικατόπτριζε την κατάσταση των κυττάρων. / Laser Raman spectroscopy plays an increasing important role in polymer science, biophysics/biochemistry and life science. Based on vibrational transitions, it has long been regarded as a valuable non destructive tool for the identification of chemical and biological samples as well as the elucidation of molecular structure, surface processes and interface reactions. Spontaneous Raman scattering is however an inherently weak process characterized by extremely small cross sections. Even so, the Raman signal can be highly enhanced when the analyte is placed on or near either to nano-rough noble-metal substrates or to nano-structured colloidal clusters of noble metals. This nano-enhanced scattering process is known as Surface Enhanced Raman Scattering, SERS. With SERS, extremely small amounts of substances can be detected; even single molecule detection has been reported. This constitutes a challenge of applying SERS to extremely low concentration measurements. Nevertheless, the quantitative evaluation by means of SERS was proved difficult, due largely to lack of nano-sized noble metal structures with analytically suitable stability and reproducibility. The commonly used SERS substrates are nanostructured colloids or roughened surfaces of mainly silver and gold undergoing visible or NIR excitation. A note is made of the fact that the Raman scattering geometry that is actually largely used is the backscattering geometry. For solids this is better achieved via a microscope objective, while for liquids via a macro lens. However, the best scattering geometry for Raman light collection from liquids and nanostructured colloids is the right angle scattering; that is, the scattered light is collected at 90o from the excitation light. Having all above in mind, in order to perform quantitative SERS measurements we have designed and developed an oscillating cell making use of the right angle Raman scattering geometry. Originally, the development of the oscillating or “shaking” cell allows large sample sectional surface monitoring, better mixing and homogeneity giving rise to SERS signal reproducibility. In addition, the application of the advantageous for nanocolloidal solutions right angle Raman scattering collection geometry enables SERS measurements at extremely low concentrations. We demonstrated the use this new surface enhanced Raman scattering excitation/collection configuration to monitor the level of the antitumor drugs mitoxantrone and doxorubicin as well as the antibiotic ciprofloxacin at very low concentrations performing fast SERS & SERRS measurements. We have also quantified the concentration of the active agents in aqueous solutions as well as in artificial tears by a partial least-squares (PLS) chemo metric regression algorithm. All above reveal the potential of this technique in the monitoring of the controlled release of active agents from polymeric matrices as well as in the quantitative analysis of drugs in corporal fluids. The only need is to add in a test tube containing 0.5 mL of a nanocolloidal noble metal solution3 about 25-100 μL of a sampling fluid. Finally, in an attempt to detect “living” cells by SERS, to identify DNA components released in a cell culture medium as a “touch mark” of cell death and to perform even single molecule detection, a home-made micro-incubator was designed to allow Raman measurements of neuron cells under the microscope. Commercial micro incubators feature higher optical path between coverslips than the required (<1-1,5 cm) for typical micro-Raman systems even bearing long working distance objectives. It was at that sense a prerequisite to design, construct and optimize a micro-incubator to fit a conventional micro-Raman configuration. The designed micro-incubator meets well-defined stable conditions (temperature, culture solution and atmosphere).

Μελετήθηκαν με μία σειρά από επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές δύο πρότυπα συστήματα με ενδιαφέρον για την ετερογενή κατάλυση. (Α) Στο διμεταλλικό σύστημα Sn/Ni διερευνήθηκαν οι συνθήκες και ο μηχανισμός κραματοποίησης του Sn στην επιφάνεια Ni(111). Το πλήρες επιφανειακό κράμα με δομή (√3×√3)R30°(από περίθλαση ηλεκτρονίων) σχηματίζεται θερμαίνοντας στους 7000C πάνω από 1,2 μονοστρώματα Sn. Οι διατεταγμένες δομές c(4x2) και c(2x2) αποτελούν ένα ενδιάμεσο στάδιο της κραματοποίησης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Με θερμοπρογραμματισμένη εκρόφηση CO διαπιστώθηκε η βαθμιαία παρεμπόδιση της ρόφησης κατά το σχηματισμό του κράματος. Η διεπιφανειακή αλληλεπίδραση Sn/Ni(111) διερευνήθηκε τόσο με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων, όσο και με θεωρητικούς υπολογισμούς από πρώτες αρχές. (Β) Μελετήθηκαν με φασματοσκοπίες ηλεκτρονίων και σκέδαση ιόντων He ρεαλιστικά πρόδρομα καταλυτικά συστήματα Ziegler – Natta (ZN), παρασκευάζοντας διάφορες σχετικές διεπιφάνειες με εξάχνωση MgCl2 σε υποστρώματα Si(111)7×7, Ti(0001) και SiO2. Η ασθενής αλληλεπίδραση μεταξύ MgCl2 και Si(111)7×7 γίνεται κυρίως μέσω των ατόμων Mg, τα οποία σε χαμηλές καλύψεις συμμετέχουν στη δημιουργία της υπερδομής (√3×√3)R30°. Η αλληλεπίδραση ενισχύεται μετά από θέρμανση, οπότε παραμένει στην επιφάνεια υπομονοστρωματική ποσότητα Mg. Από την άλλη πλευρά, το MgCl2, ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου αλληλεπιδρά ισχυρά με το Ti(0001), κυρίως μέσω των ατόμων Cl. Μετά από θέρμανση, ποσότητα Cl παραμένει συνδεδεμένη με το Ti ενώ απομακρύνεται από την επιφάνεια το Mg. Ασθενής αλληλεπίδραση παρατηρήθηκε μεταξύ MgCl2 και SiO2, ενώ η θέρμανση άφησε στην επιφάνεια υπομονοστρωματική ποσότητα οξειδωμένου Mg. Τέλος, μεταλλικό Ti που αποτέθηκε σε μικτό υπόστρωμα MgCl2 /SiO2 παρουσιάζει οξειδωτικές καταστάσεις οφειλόμενες στην ύπαρξη ατόμων Cl και O στην επιφάνεια, ενώ η θέρμανση οδηγεί στη δημιουργία επιφανειακών συμπλόκων, τα οποία είναι πιθανόν να προσομοιάζουν αντίστοιχα είδη στους πρακτικούς καταλύτες. / Two model systems, important in heterogeneous catalysis, where investigated using surface sensitive spectroscopies. (A) In the bi-metallic system Sn/Ni, the formation conditions and the mechanism of Sn surface alloying on Ni(111) were initially studied. The epitaxial surface alloy formation with LEED structure(√3×√3)R30°, requires annealing at 7000C of more than 1.2 monolayers Sn. The c(4x2) and c(2x2) structures were found to be an intermediate step of surface alloying. Temperature-programmed desorption showed a gradual blocking of CO adsorption with progressing alloying. The interfacial interactions in Sn /Ni(111) were demonstrated both by electron spectrosopies and via first principle calculations. (B) Surface science compatible model catalysts of the Ziegler-Natta (ZN) system were investigated by electron spectroscopies and He ion scattering on relevant interfaces formed via evaporation of MgCl2 on Si(111)7×7, Ti(0001) and SiO2 and upon evaporation of Ti on a MgCl2 /SiO2 mixed substrate.. The weak interaction between MgCl2 and Si(111)7×7 takes place through the Mg atoms, which at low coverage form a new surface structure, namely (√3×√3)R30°. The interaction was stronger after annealing, whereby a submonolayer coverage of Mg atoms remain on the surface. On the other hand, MgCl2 interacts strongly with the Ti substrate even at room temperature via the Cl atoms. Annealing causes the desorption of MgCl2 followed by decomposition, that leaves on the surface only Cl atoms attached to Ti, while no Mg atoms remain on the surface. Only a weak interaction was observed between MgCl2 and SiO2, while annealing resulted in the desorption and decomposition of MgCl2 leaving on the surface a sub-monolayer coverage of oxidized Mg. Upon Ti metal evaporation on the mixed MgCl2 / SiO2 support at room temperature, Ti appears at higher oxidation states, due to reaction with Cl and O atoms at the surface. Annealing causes the formation of surface complexes, which are very likely similar to species formed on practical ZN catalysts.