Ο βασικός στόχος της συγκεκριμένης διατριβής ήταν να εξεταστεί η δυνατότητα της τεχνικής LIBS όσον σφορά την ταχεία ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της μεταλλουργικής σκωρίας (σε στερεή και υγρή μορφή) σε εργαστηριακή και βιομηχανική κλίμακα. Η τεχνική εφαρμόστηκε αρχικά σε καθαρά μέταλλα και έπειτα σε πρότυπα δείγματα τα οποία περιείχαν τα αντίστοιχα στοιχεία σε μήτρα CaO. Μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά του πλάσματος που παράγεται από παλμούς διάρκειας των τάξεων nsec και psec. Η θερμοκρασία πλάσματος και η ηλεκτρονική πυκνότητα μειώνονται παρόμοια ενώ υπολογίστηκαν ελαφρώς υψηλότερες τιμές στην περίπτωση του ns λέιζερ. Οι καμπύλες βαθμονόμησης έδειξαν πως η ευαισθησία της μεθόδου παραμένει σχεδόν η ίδια ανεξαρτήτως της διάρκειας παλμού. Τα όρια ανίχνευσης κυμάνθηκαν στην τάξη μερικών μερών του εκατομμυρίου (ppm). Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι δυνατότητες της τεχνικής για on-line ανάλυση της σκωρίας. Ο δυνατότητες της τεχνικής εξαρτώνται κυρίως από τον λόγο (κρατήρας λέιζερ, ΚΛ)/(μέγεθος σχηματιζόμενης φάσης, ΜΣΦ), οι επιφανειακές ανωμαλίες στην στερεοποιημένη σκωρία καθώς και από την κατανομή του κάθε στοιχείου στην μήτρα. Διαπιστώθηκε πως ο βαθμός ανομοιογένειας της σκωρίας δεν επιδρά σημαντικά στην ακρίβεια της μεθόδου όταν ο λόγος ΚΛ/ΜΣΦ είναι μεγάλος. Σημαντική παράμετρος αποτελεί το γεγονός εάν τα στοιχεία βρίσκονται κατανεμημένα στην μήτρα της σκωρίας ή σε κάποια κρυσταλλική φάση. Η επίδραση των επιφανειακών ανωμαλιών στην ακρίβεια της μεθόδου μειώθηκε με την θραύση και πελλετοποίηση της σκωρίας αλλά, κυρίως για τα στοιχεία τα οποία βρίσκονται κατανεμημένα στην μήτρα της σκωρίας, προτείνεται η αποφυγή της πελλετοποίησης για ανάλυση με χρήση της μεθόδου LIBS. Η ακρίβεια της τεχνικής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα πρότυπα δείγματα που θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των καμπύλων βαθμονόμησης. Οι καμπύλες βαθμονόμησης της υγρής σκωρίας εμφάνισαν ικανοποιητική γραμμική εξάρτηση μεταξύ της έντασης των γραμμών εκπομπής των στοιχείων με τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις ενώ παρατηρήθηκε μικρή αύξηση όσον αφορά τις τιμές των εντάσεων της υγρής σκωρίας σε σχέση με αυτές της στερεάς σκωρίας κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες. Επίσης παρατηρήθηκε μεγαλύτερη διαπλάτυνση στις γραμμές κάποιων στοιχείων στην υγρή σκωρία. Για συγκεντρώσεις >4-5% παρατηρήθηκε επίσης αύξηση στην κλίση των καμπύλων για την περίπτωση της υγρής σκωρίας. Τέλος, κάθε στοιχείο συμπεριφέρεται διαφορετικά σε σχέση με τα υπόλοιπα, από δείγμα σε δείγμα αλλά και από φάση σε φάση. / To investigate the ability of LIBS technique considering the rapid qualitative and quantitative analysis of metallurgic slag was the main objective of the particular thesis. Firstly, the LIBS technique applied on pure metals and then on samples containing the same metals in CaO matrix and the time-resolved characteristics of the plasmas produced by nsec and psec pulses were studied. Both the plasma temperature and electron density are decaying similarly and the space-averaged values determined in the nanosecond case are slightly higher than for the picosecond one. Moreover, the calibration curves obtained, show that the inherent sensitivity of the technique remains almost unaltered independently of the pulse duration. The detection limits were found to be few ppm. Then, the potentiality of LIBS method for quantitative on-line, multi-element slag analysis on plant scale was examined. Further, in order to examine more closely the produced slag, slag samples were analysed in the laboratory. The measurements were performed on solidified slag samples in a pelletized form and on as delivered solidified slag samples. The limits of the accuracy of this technique depend mainly on the laser spot/phase size ratio, the level of surface abnormalities and the distribution of each element in the matrix. The non-homogeneity level of the slag product seems to be not important in LIBS analysis, when the above ratio is quite large. It is of great importance whether the element is embedded in the matrix or in a specific crystallized phase. The influence of surface abnormalities is reduced in the case of pressed slag, but primarily for the elements distributed in the matrix, fragmentation of the slag should be avoided. The accuracy of LIBS quantitative slag analysis is strongly dependent on the standard samples that are used Regarding the liquid slag analysis, the calibration curves presented satisfactory linear dependence between the intensity of analytic lines with the corresponding concentrations while the intensity values of liquid slag appeared to be relatively increased with regard to the intensity values of solid slag under the same experimental conditions. Widening phenomena were characterized the lines of certain elements in liquid slag. For concentrations >4-5% an increased slope in calibration curves of liquid slag was observed. Finally, it was observed that each element behaves in a different way from sample in sample but also from phase in phase.

Συστηματική μελέτη πυριτικών, πυριτίου-ασβεστίου και φωσφοπυριτικών γυαλιών, με σύσταση 80 SiO2 - (20-x) Na2O - x Me2O (όπου x=0, 10 και Me=Li ή K), 48.7SiO2 - 26.9CaO - (24.4-x) Na2O - x Me2O (όπου x=0, 12.2 και Me=Li ή K) και 46.1 SiO2 - 2.6 P2O5 - 26.9 CaO - (24.4-x) Na2O - x Me2O (όπου x=0, 12.2 και Me=Li ή K), γίνεται με φασματοσκοπικές τεχνικές πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού MAS NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) και MQ–MAS NMR (Multiple Quantum-MAS NMR). Η 29Si MAS NMR ανάλυση του Na2O πυριτικού γυαλιού έδειξε την ύπαρξη δύο κορυφών, οι οποίες αποδίδονται σε Q3 και Q4 πυριτικές δομές. Η υποκατάσταση Na από Κ διατηρεί τις Q3 και Q4 δομές ενώ στο Na2O-Li2O γυαλί, παρατηρήθηκαν τρεις κορυφές, οι οποίες αποδίδονται σε Q3, Q4-3 και Q4-4 πυριτικές δομές. H Q4-4 είναι σχετικά στενή και υποδηλώνει έναρξη κρυστάλλωσης του δικτύου λόγω της μικρής έντασης του σήματος. Στο γυαλί Na2O πυριτίου-ασβεστίου, η ανάλυση οδήγησε σε δυο κορυφές οι οποίες αποδίδονται σε Q1 και Q2 δομές, ενώ στο Na2O-K2O γυαλί, το φάσμα αναλύθηκε μόνο μια κορυφή που αντιπροσωπεύει Q2 πυριτικές δομές. Από την άλλη, στο γυαλί Na2O-Li2O, παρατηρήθηκαν δύο κορυφές οι οποίες αντιστοιχούν σε Q2 και Q3 δομές. Στο Na2O φωσφοπυριτικό γυαλί, η ανάλυση οδήγησε στις κορυφές που αποδίδονται σε Q2 και Q3 δομές. Η 23Na MQ-MAS NMR ανάλυση στο Na2O πυριτικό γυαλί οδήγησε στην παρουσία δύο ιοντικών περιοχών νατρίου (site 1: δiso= 5.1 ppm, CQ= 0.96 MHz, ΔCS= 20 ppm και site 2: δiso= 1.9 ppm, CQ= 3.06 MHz, ΔCS= 20 ppm). Η υποκατάσταση Na από Li ή Κ διατηρεί τις δύο ιοντικές περιοχές στα γυαλιά. Στο γυαλί Na2O πυριτίου-ασβεστίου, η ανάλυση οδήγησε μόνο σε μια ιοντική περιοχή η οποία είναι η site 2 (δiso= 5.4 ppm, CQ= 2.83 MHz, ΔCS= 17 ppm). Στα υπόλοιπα γυαλιά δεν παρατηρούνται διαφορές κατά την υποκατάσταση Na από Li ή Κ. Στο 24.4 Na2O φωσφοπυριτικό γυαλί παρατηρήθηκαν τρεις ιοντικές περιοχές (site 1: δiso= 6.0 ppm, CQ= 1.4 MHz, ΔCS= 20 ppm, site 2: δiso= 6.8 ppm, CQ= 2.6 MHz, ΔCS= 20 ppm, και site 3: δiso= 6.6 ppm, CQ= 1.2 MHz, ΔCS= 1 ppm). Η υποκατάσταση Na από Li ή Κ οδήγησε στην απουσία της τρίτης και πιο ισχυρής ιοντικής περιοχής (site 3). Πιθανολογούμε ότι η απουσία της σχετίζεται με την τροποποίηση του δικτύου που προέρχεται από την εισαγωγή του φωσφόρου στο υαλώδες δίκτυο. Η μελέτη μας επεκτάθηκε και στην μοριακή προσομοίωση των γυαλιών των τριών οικογενειών με την βοήθεια του προγράμματος Gaussian 03W. Πρώτα έγινε η γεωμετρική προσομοίωση του πλέγματος και μετά η προσομοίωση των NMR παραμέτρων με την χρήση της DFT μεθόδου (Density Functional Theory) και με τις βάσεις 6-311++G, 6-31G και 3-21++G. Οι δομές που προέκυψαν έδωσαν μια εικόνα του πυριτικού, πυριτίου-ασβεστίου και φωσφοπυριτικού υαλώδους δικτύου. Οι δομές των αλκαλίων αποτελούνται από τετραεδρικής, εξαεδρικής και οκταεδρικής συμμετρίας κυψελίδες. Μετά από υπολογισμούς διαφόρων πιθανών δομών καταλήξαμε στις δομές για την ερμηνεία των φασμάτων σε εκείνες που υπάρχει καλή συμφωνία μεταξύ των θεωρητικών και πειραματικών 23Na NMR αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα, η site 2 προέρχεται από ένα 23Na σε XXX-εδρικό περιβάλλον. Η site 3 μπορεί να προέρχεται από οκταεδρικούς σχηματισμούς υψηλής συμμετρίας των ιόντων Na γιατί αυτές οι περιοχές οδηγούν με βάση τους υπολογισμούς μας σε περιβάλλον με αυξημένη ιοντική ισχύ και συμμετρία. / Silicate, calcium-silicate and phosphosilicate glasses of the composition 80 SiO2 - (20-x) Na2O - x Me2O (where x=0, 10 and Me=Li or K), 48.7SiO2 - 26.9CaO - (24.4-x) Na2O - xMe2O (where x=0, 12.2 and Me=Li or K) and 46.1 SiO2 - 2.6 P2O5 - 26.9 CaO - (24.4-x) Na2O - x Me2O (where x=0, 12.2 and Me=Li or K), have been investigated using the advanced NMR methods of MAS NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) and MQ-MAS NMR (Multiple Quantum-MAS NMR). The 29Si MAS NMR analysis of the sodium silicate glass revealed two lines attributed to Q3 and Q4 silicate species. Substitution of Na with K conserves the Q3 and Q4 species while in the Na2O-Li2O glass, three lines were obtained attributed to Q3, Q4-3 and Q4-4 species. The Q4-4 signal is attributed to initial stage of crystallization due to the narrow size distribution and low intensity. In the sodium calcium-silicate glass, two lines were resolved assigned to Q1 and Q2, while in the Na2O-K2O glass, only one line was resolved attributed to Q2 species. For the Na2O-Li2O glass, two lines were revealed assigned to Q2 and Q3. In the sodium phosphosilicate glass, the analysis revealed two lines ascribed to Q2 and Q3. The 23Na MQ-MAS NMR analysis in the sodium silicate glass exhibits two Na ionic sites (site 1: δiso= 5.1 ppm, CQ= 0.96 MHz, ΔCS= 20 ppm and site 2: δiso= 1.9 ppm, CQ= 3.06 MHz, ΔCS= 20 ppm). Substitution of Na with Li or K conserves the two sites in the glasses. For the sodium calcium-silicate glass, the analysis revealed only one site (site 2: δiso= 5.4 ppm, CQ= 2.83 MHz, ΔCS= 17 ppm). No difference was observed by the substitution of Na with Li or K in the glasses. In the 24.4 Na2O phosphosilicate glass three sites were obtained with: site 1 (δiso= 6.0 ppm, CQ= 1.4 MHz, ΔCS= 20 ppm), site 2 (δiso= 6.8 ppm, CQ= 2.6 MHz, ΔCS= 20 ppm), site 3 (δiso= 6.6 ppm, CQ= 1.2 MHz, ΔCS= 1 ppm). The substitution of Na with Li or K resulted in the absence of the third and most ionic site, which is probably associated with the presence of phosphorus in the glassy network. Our study was completed by the molecular simulation of the three types of glasses, for which the Gaussian 03W program was used. For the geometrical optimization and the optimization of the NMR parameters was used the DFT (Density Functional Theory) method and the 6-311++G, 6-31G, and 3-21++G basis sets. The resulting structures gave an insight into the silicate, calcium-silicate and phosphosilicate glassy network. These structures consist of tetrahedral, hexahedral, and octahedral symmetry shells which enclose the alkali ions. The good agreement between the theoretical and experimental 23Na NMR results leads to the depiction of the Na ionic sites and especially of site 2. This site was attributed to sodium in XXX-coordination. Concerning site 3, was observed that the increased ionic strength of the site could possible be ascribed to high symmetry octahedral configurations of Na ions.

Η εισαγωγή της Μαγνητικής Τομογραφίας (ΜΤ) στην κλινική πρακτική και η συμπληρωματική πληροφορία που δίνει η Φασματοσκοπία Μαγνητικού Συντονισμού (ΦΜΣ) συνιστά μια από τις πιο σημαντικές εξελίξεις στη διάγνωση ασθενών με καρκίνο εγκεφάλου [1]. Παρ’ όλα αυτά, οι εικόνες ΜΤ είναι συχνά δύσκολο να ερμηνευθούν από τους ειδικούς λόγω [2] α/ της υποκειμενικότητας και περιορισμένης εμπειρίας του παρατηρητή στην εκτίμηση εικόνων που παράγει η σχετικά νέα αυτή τεχνολογία, β/ των ποικίλων κλινικών χαρακτηριστικών των όγκων (π.χ. τύπος, διαβάθμιση κακοήθειας κλπ.) και γ/ της ιδιαιτερότητας των όγκων στην αντίθεση που παρουσιάζουν με τον περιβάλλοντα ιστό. Μόνο λιγοστές μελέτες έχουν διεξαχθεί για να χαρακτηρίσουν ιστούς εγκεφάλου μέσω της ανάλυσης ποσοτικών χαρακτηριστικών από εικόνες εγκεφάλου ΜΤ [3, 4]. Ενώ έχει ήδη τονιστεί η αναγκαιότητα συσχετισμού της διαγνωστικής και προγνωστικής πληροφορίας που προέρχεται από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ στη διεθνή βιβλιογραφία [5], υπάρχουν λιγοστές ανάλογες αναφορές για τον σχεδιασμό και υλοποίηση συστήματος Η/Υ αυτόματης διάγνωσης όγκων εγκεφάλου κάνοντας συνδυασμό ποσοτικής πληροφορίας προερχόμενης από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ [6, 7]. Οι στόχοι της παρούσας διατριβής εστιάζονται στα παρακάτω: - στη μελέτη, ανάπτυξη και η υλοποίηση υπολογιστικού συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου μέσω της ποσοτικής ανάλυσης εικόνων ΜΤ το οποίο θα βελτιώνει την ακρίβεια ταξινόμησης σε σχέση με ήδη υπάρχοντα συστήματα [4, 8, 9], όπως αυτά περιγράφονται στην διεθνή βιβλιογραφία μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου καθώς και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων με την χρήση δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων. Επιπλέον, στην ανάδειξη πως η χρήση ενός μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων των χαρακτηριστικών υφής έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης του ταξινομητή πιθανοκρατικού νευρωνικού δικτύου. - στην επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας α/ ογκομετρικές ποσοτικές παραμέτρους εικόνων ΜΤ, β/ ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης μαζί με τη μεθοδολογία συνάθροισης αποτελεσμάτων ταξινόμησης από τυχαιοποιημένα δείγματα κατηγοριών δημιουργημένων με επαναδειγματοληψία για κάθε κόμβο δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων όπου στο πρώτο επίπεδο πραγματοποιήθηκε διαχωρισμός μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου και στο δεύτερο και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων και γ/ έναν τροποποιημένο πυρήνα ακτινικής συνάρτησης βάσης για τον ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης ο οποίος περιλαμβάνει την τεχνική μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων με στόχο την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης. - στην περαιτέρω επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης με την εισαγωγή χαρακτηριστικών προερχόμενων από σήματα ΦΜΣ ώστε να διερευνηθεί εάν η χρήση του μπορεί να βελτιώσει τα αποτελέσματα ταξινόμησης μεταξύ μηνιγγιωμάτων και μονήρων μεταστάσεων. Τέλος κάνοντας μια περίληψη, η παρούσα διατριβή διαπραγματεύεται τον σχεδιασμό, ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων και αλγορίθμων για την επεξεργασία και ανάλυση ιατρικών εικόνων, επικεντρώνοντας ειδικότερα στην εφαρμογή των μεθόδων αυτών για την διάγνωση του τύπου των όγκων εγκεφάλου. Τα πιο βασικά συμπεράσματα που απορρέουν από την παρούσα διατριβή είναι τα ακόλουθα: α/ Το σύστημα ταξινόμησης των τύπων των όγκων εγκεφάλου που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε αυξάνει τα ποσοστά ορθής ταξινόμησης σε σχέση με τα υπάρχοντα. β/ Η κωδικοποίηση των ιδιοτήτων της υφής που προέρχεται από τον σύνολο του όγκου παρέχει επιπρόσθετη πληροφορία στο σύστημα ταξινόμησης αυξάνοντας τα ποσοστά επιτυχούς διαχωρισμού. γ/ Τα χαρακτηριστικά φασματοσκοπίας μαγνητικού συντονισμού αποτελούν επιπρόσθετη αξία στο χαρακτηρισμό του τύπου των όγκων εγκεφάλου μιας και οδήγησαν στην αύξηση του ποσοστού επιτυχούς διαχωρισμού του συστήματος ταξινόμησης. / The process of brain tumor characterization requires a rather intricate assessment of the various Magnetic Resonance (MR) image and spectroscopic features and is typically performed by experienced radiologists. Despite the inherently subjective nature of many of the decisions associated with this process, an expert radiologist is able to perform this task with a significant degree of precision and accuracy. However, in the effort to deliver more effective treatment, clinicians are continuously seeking for greater accuracy in the pathological characterization of brain tissues. The aim of the present thesis was to design, implement, and evaluate a software classification system for discriminating between different brain tumor types on Magnetic Resonance Imaging (MRI), employing textural and spectroscopic features. The clinical material consisted of sixty seven T1-weighted post-contrast MR brain images (21 metastases, 19 meningiomas, and 27 gliomas), obtained from patients with verified and untreated intracranial tumors. Thirty-six 2-dimensional textural features (2D), from the image histogram and the co-occurrence and run-length matrices, were extracted from each one of 67 MR-images. Similarly, an equal number of 3-dimensional textural features (3D) were also calculated in the attempt to maximize classification performances. Finally, MR-spectroscopy features were also incorporated for improving classification accuracies. Classification methods employed included i/ a modified Probabilistic Neural Network (PNN) and Support Vector Machines (SVM) algorithms, incorporating a non-linear Least Squares Features Transformation (LSFT) into the classifiers and ii/ an ensemble classification scheme employing the LSFT-SVM classifier. The LSFT improved classifiers’ performances, increased class separability, and resulted in dimensionality reduction. For evaluating the performance of the designed classification schemes, evaluations were performed by means of the external cross validation process, which is considered indicative of the generalization performance of the designed classification system to ‘unseen’ cases. It was found that the LSFT features transformation enhanced the performance of the PNN and SVM algorithms, achieving classification accuracies of 73.48 % in distinguishing metastatic from primary tumors and 88.67% in discriminating gliomas from meningiomas. When volumetric 3-dimensional features were employed, these results improved to 88.18% for discriminating between metastatic and primary tumors and 97.33% for distinguishing gliomas from meningiomas. The textural features employed in the design of the optimum classification scheme were associated primarily with image texture homogeneity. Finally, when MR-spectroscopy features were also incorporated, classification accuracy was boosted up from 95% in discriminating meningiomas from metastasis to 100%. The MR-image features that participated in the optimum feature vector were related to the degree of homogeneity, the amount of randomness and the dispersion of the gray-tone intensity values within the texture of the tumor. These textural characteristics are related to textural parameters that physicians employ in diagnosis and they were proportional to the textural imprint of brain tumors, i.e. gliomas have heterogeneous texture while meningiomas appear to be homogeneous in MR imaging. The MR-spectroscopy feature that participated in the optimum feature vector was the Choline (Cho) / N-Acetyl Aspartate (NAA) metabolite integral ratio. It was found that both meningiomas and metastases are characterized from low concentrations of NAA while meningiomas exhibit higher concentrations of Cho than metastases, which could be attributed to increased synthesis of tumor cell membranes. Finally, the proposed system might be of value as an assisting tool for brain tumor characterization on volumetric MRI series.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα σύστημα ελέγχου ενός φασματοσκοπίου εκπομπής υψηλής φασματικής ανάλυσης. Η συσκευή αυτή, γνωστή και ως μονοχρωμάτορας, χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή φασμάτων εκπομπής από μία εκκένωση αίγλης σε διάκενο ακίδα-πλάκα σε συνθήκες χαμηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Ο μονοχρωμάτορας χρησιμοποιεί ένα διάφραγμα περίθλασης που αναλύει μια πολυχρωματική δέσμη που προσπίπτει σε αυτό, στα επιμέρους μήκη κύματος Ο έλεγχος του συνόλου των λειτουργιών του συστήματος καθώς και η καταγραφή των φασμάτων πραγματοποιείται με τη χρήση λογισμικού που αναπτύχθηκε υπό την πλατφόρμα Labview. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας υλοποιήθηκε: Η σύνδεση της συσκευής οδήγησης του βηματικού κινητήρα που περιστρέφει το διάφραγμα με κατάλληλο τροφοδοτικό. Η ενίσχυση των σημάτων ελέγχου της συσκευής οδήγησης. Η ενίσχυση και καταγραφή του ρεύματος του φωτοπολλαπλασιαστή που καταγράφει τη φωτεινή δραστηριότητα. Η βαθμονόμηση του μονοχρωμάτορα. Η ανάπτυξη λογισμικού, φιλικού προς τον χρήστη, με το οποίο ελέγχεται ο μονοχρωμάτορας, καταγράφεται το φάσμα και αποθηκεύεται σε αρχείο για περαιτέρω επεξεργασία. Η συγκέντρωση του φωτός που εκπέμπεται από την εκκένωση και η οδήγησή του στην είσοδο του μονοχρωμάτορα με τη χρήση κατάλληλης οπτικής διάταξης. Η καταγραφή φασμάτων του παραγόμενου πλάσματος της εκκένωσης κατά μήκος του διακένου. Η μελέτη και ανάλυση των καταγεγραμμένων φασμάτων. / The main purpose of this thesis was to construct a control system for a high precision spectrometer. Using this spectrometer, also known as monochromator, spectra was recorded from a low temperature – low pressure, pin to plate, glow discharge. The monochromator uses a diffraction grating to separate spatially a polychromatic beam of light available at its input. The stepper motor control, along with the recording of spectra, is being conducted by suitable software developed under the Labview platform. Among the challenges of the thesis was to: Αssemble a stepper motor controller which rotates the diffraction grating with a suitable power supply. Αmplify the control signals of the controller. Αmplify the photomultiplier signals which records the luminous intensity. Calibrate the monochromator. Develop a user-friendly software which can control the monochromator, record spectra and export a file with the recorded spectra for further use. Concentrate the emitted light of the discharge and guide it to the monochromator's input slit, using a UV lens and an optical fiber. Capture emitted spectra of the produced plasma, at different positions along the pin to plate gap. Analyze the recorded spectra.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν λεπτά υμένια οξειδίου του αλουμινίου (Al2O3) και οζειδίου του ζιρκονίου (ZrO2). Η ανάπτυξη των οξειδίων έγινε πάνω σε υπόστρωμα γερμανίου (Ge) με την τεχνική εναπόθεσης ατομικού στρώματος (Atomic Layer Deposition, ALD). Επίσης μελετήθηκαν υμένια οξειδίου του βολφραμίου (WO3), των οποίων η εναπόθεση έγινε με δυο διαφορετικές τεχνικές, πάνω σε υπόστρωμα P3HT:PCBM. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε συνθήκες υπερυψηλού κενού (Ultra High Vacuum, UHV) με επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές. Κύριος στόχος αυτής της εργασίας, είναι για τα οξείδια αλουμινίου και ζιρκονίου η διερεύνηση της χημικής σύστασης και της ηλεκτρονιακής δομής ενώ θα γίνει μια εκτίμηση του πάχους των υμενίων καθώς και σύγκριση με την αναμενόμενη τιμή συμφωνα με την διαδικασία παρασκευής. Για οξείδια του βολφραμίου έγινε μελέτη τόσο της επιφανειακής χημικής σύστασης όσο και της ηλεκτρονιακής δομής της διεπιφάνειας του οξειδίου του βολφραμίου (WO3) με το υπόστρωμα P3HT:PCBM καθώς και μία σύγκριση των αποτελεσμάτων ανάμεσα στην εξάχνωση με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron Beam Evaporation) και τη μέθοδο διαλύματος-πηκτώματος (Sol-Gel) τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για την εναπόθεση των υμενίων οξειδίου του βολφραμίου. / In the present work,studied thin films of aluminum oxide (Al2O3) and zirconium oxide (ZrO2) thin films. Atomic Layer Deposition technique (ALD) was used for the growth of oxide on the germanium (Ge) substrate. Also studied films of tungsten oxide (WO3), which were deposited with two different techniques, onto P3HT:PCBM substrate. The study was conducted under conditions of UHV (Ultra High Vacuum) using surface sensitive techniques. The main objective of this work was to investigate the chemical composition and electronic structure and make an estimate of the thickness of aluminum oxide and zirconium oxide thin films. The thickness was compared with the expected value according to the manufacturing process. For the tungsten oxides were studied the surface chemical composition and the electronic structure of the WO3/P3HT:PCBM interface as well as a comparison of results between the Electron Beam Evaporation and Sol-Gel method, techniques which were used for the deposition of thin films of tungsten oxide.

Η αποικοδόμηση των πρωτεϊνών είναι μια διαδικασία απαραίτητη για τη διατήρηση της ομοιόστασης του κυττάρου. Ένας από τους κύριους μηχανισμούς αποικοδόμησης των βραχύβιων πρωτεϊνών καθώς και όσων εμφανίζουν λανθασμένη αναδίπλωση, χωρεί μέσω του μονοπατιού ουβικιτίνης- πρωτεασώματος. Η ουβικιτινίωση είναι μια μετα-μεταφραστική διαδικασία, η οποία έγκειται στη σηματοδότηση των υποψήφιων για αποικοδόμηση πρωτεϊνών με ουβικιτίνη και περιλαμβάνει τρεις ενζυμικές ενεργότητες: Ε1 (εκκινητής ουβικιτίνης), Ε2(μεταφορέας ουβικιτίνης) και Ε3 (λιγάση ουβικιτίνης). Η πρωτεΐνη Arkadia (Rnf11) είναι μια Ε3 λιγάση ουβικιτίνης με συνολικό μήκος 994 αμινοξέα. Σε μοριακό επίπεδο, ενισχύει το TGF-β σηματοδοτικό μονοπάτι, διαμεσολαβώντας την εξαρτώμενη από το πρωτεάσωμα αποικοδόμηση των αρνητικών ρυθμιστών του, c-Ski και Sno-N. Η δραστικότητα Ε3 λιγάσης ουβικιτίνης εδράζεται στον C΄-τελικό RING-H2 τομέα, που σχηματίζεται από τα τελευταία 60 περίπου αμινοξέα της ακολουθίας. Η δομή και η σταθερότητα του RING τομέα εξαρτώνται από την πρόσδεση δύο ιόντων Zn μέσω ενός χαρακτηριστικού μοτίβου, που περιλαμβάνει 6 κυστεϊνικά και 2 ιστιδινικά κατάλοιπα. Στην προσπάθεια αποσαφήνισης της σχέσης δομής-δράσης της πρωτεΐνης Arkadia, ένα από τα κατάλοιπα που συναρμόζονται με Zn -συγκεκριμένα η His965- αντικαταστάθηκε από κυστεΐνη μέσω κατευθυνόμενης μεταλλαξιγένεσης. Η μετάλλαξη αυτή, με την οποία, ουσιαστικά, μετατρέψαμε τον RING-H2 σε RING-HC τομέα, μελετήθηκε με χρήση πολυπυρηνικής/πολυδιάστατης φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). H NMR δομή του RING-H2 τομέα της Η965C Arkadia επιλύθηκε σε υψηλή διακριτικότητα (tf=0.94±7.53*10-2, RMSD=0.75±0.20 και RMSD=1.45±0.24 για τα άτομα του πολυπεπτιδικού σκελετού και τα βαρέα άτομα αντίστοιχα) και αποκάλυψε μια ββαββ τοπολογία. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε μελέτη κινητικότητας, από την οποία προέκυψε ότι η εν λόγω μετάλλαξη υφίσταται ως μονομερές και διαθέτει έναν συμπαγή πυρήνα, που περικλείεται μεταξύ δύο ευκίνητων άκρων. / Protein degradation is necessary for the maintenance of cell homeostasis. A major mechanism for the degradation of short-lived as well as misfolded proteins involves the ubiquitin-proteasome pathway. Ubiquitination is a post translational modification, which targets the proteins to be degraded through the covalent attachment of a ubiquitin tag and consists of three enzyme activities: Ε1 (ubiquitin activator), E2 (ubiquitin carrier) and E3 (ubiquitin ligase). Arkadia (Rnf11) is a 994 amino acid protein, which acts as an E3 ubiquitin ligase. On a molecular level, Arkadia enhances TGF-β signaling by mediating the proteasome-dependent degradation of its negative regulators, c-Ski and Sno-N. Its E3 ubiquitin ligase activity lies on a C΄-terminal RING-H2 domain, formed by the last 60 residues. The structure as well as stability of the RING finger domain depend strongly on the binding of two zinc ions in a unique ΄΄cross-brace΄΄ arrangement through a defined motif of six cysteines and two histidines. Trying to elucidate the structure-activity relationship in the case of Arkadia, one of the amino acid ligands –specifically His965- was replaced by cysteine through site-directed mutagenesis. This particular mutation, which, in reality, transformed the RING-H2 to a RING-HC domain, was studied with the use of multinuclear/multidimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). The NMR solution structure of the H965 Arkadia RING-H2 domain was determined in high resolution (tf=0.94±7.53*10-2, RMSD=0.75±0.20 και RMSD=1.45±0.24 for backbone and heavy atoms respectively) and revealed a ββαββ topology. Furthermore, a mobility study was conducted with the following results: the mutated protein is not expected to form dimers and shows a compact core region including the four metal binding motifs flanked by two flexibly disordered termini.

Η οστεοαρθρίτιδα αποτελεί μια συχνά εμφανιζόμενη εκφυλιστική ασθένεια. Εντοπίζεται κυρίως στις μεγάλες αρθρώσεις (πχ ισχύο και γόνατο) και χαρακτηρίζεται από προοδευτική φθορά του αρθρικού χόνδρου. Στην παρούσα εργασία έγινε χαρτογράφηση του υγιούς και του οστεοαρθριτικού τμήματος ανθρώπινης κεφαλής μηριαίου οστού η οποία αφαιρέθηκε κατά τη διάρκεια αρθροπλαστικής επέμβασης. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε ήταν η φασματοσκοπία micro-Raman η οποία παρέχει πληροφορίες που αφορούν στις δονήσεις μορίων. Συγκεκριμένα έγινε δυνατή η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη διαφοροποίηση κολλαγόνου Ι (οστό) και κολλαγόνου ΙΙ (χόνδρος) εξετάζοντας τις φασματικές περιοχές της προλίνης και υδροξυπρολίνης, κάμψεων CH2, CH3 και των αμιδίων Ι και ΙΙΙ. Επίσης η μελέτη των δονήσεων των φωσφορικών ιόντων και των ανθρακικών υποκατασταστατών τους έκανε δυνατή τη διαφοροποίηση του βιοαπατίτη του οστού από τον ασβεστοποιημένο χόνδρο. Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε την απουσία αρθρικού χόνδρου στο κέντρο της κεφαλής, που υφίσταται το μέγιστο φορτίο, και την πλήρη αποκάλυψη του υποχόνδρινου οστού. Την εικόνα αυτή διαδέχονται, καθώς κινούμαστε περιμετρικά προς τα άκρα, περιοχές όπου κυριαρχεί ασβεστοποιημένος χόνδρος ή και συνύπαρξη οστού και χόνδρου σαν ένα ενδιάμεσο στάδιο οστεοαρθρίτιδας. Υγιείς περιοχές με εμφανές στρώμα αρθρικού χόνδρου δεν εντοπίζονται παρά μόνο πολύ μακριά από το κέντρο της κεφαλής του μηριαίου οστού. Η χαρτογράφηση περιοχών εσωτερικά, στην επιφάνεια μιας τομής, έδειξε μια σχετικά απότομη μετάβαση από το χόνδρο στο υποχόνδρινο οστό στις υγιείς περιοχές, εικόνα που συνάδει με τα όσα είναι γνωστά για τη δομή της άρθρωσης. Αντίθετα, οι οστεοαρθριτικές περιοχές χαρακτηρίζονταν από την απουσία των φασματικών περιοχών του κολλαγόνου τύπου ΙΙ (χόνδρος) στα εξωτερικά στρώματα αλλά και τη συνύπαρξη των δύο τύπων κολλαγόνου Ι και ΙΙ (οστού και χόνδρου) ή την παρουσία ασβεστοποιημένου κολλαγόνου ΙΙ σε διαδοχικές ζώνες και σε βάθος αρκετών χιλιοστών σε αρκετές περιπτώσεις προς το εσωτερικό της τομής. Τα φασματοσκοπικά αποτελέσματα, τέλος, επιβεβαιώθηκαν από ιστολογική εξέταση με χρώση safranin O της κάθε χαρτογραφημένης περιοχής στην εξεταζόμενη τομή οστεοαρθριτικής κεφαλής μηριαίου οστού. / Osteoarthritis is a very common degenerative disease, characterized by gradual degeneration of the articular cartilage and mainly affecting knees and hip joints. In the present work, a human osteoarthritic femoral head, removed during replacement surgery, was used for the mapping of its healthy and osteoarthritic areas. Laser Raman microscopy, a technique that provides information on molecules’ vibrations, was employed for the study. The development of a methodology for the distinction between collagen I (bone) and collagen II (cartilage) was accomplished through the study of proline, hydroxyproline, CH2, CH3 bending and amide I and III bands. On the other hand, the study of phosphate and carbonate substituents made the distinction between bone bioapatite and calcified cartilage feasible. Data analysis revealed the absence of articular cartilage and the full exposure of subchondral bone in the middle of the outer surface of femoral head section, where maximum friction due to movement is observed. Moving perimetrically from the middle of the outer surface to the rims of the section, areas of calcified cartilage and coexistence of bone and cartilage are observed, possibly as an intermediate disease stage. Healthy areas with distinct layer of articular cartilage are located only on the extreme rims of the section. Mapping of areas in depth of the femoral head section, revealed a relatively abrupt transition from cartilage to subchondral bone in healthy areas, which is consistent with our knowledge about joint structure. On the contrary, osteoarthritic areas were characterized by the absence of collagen II (cartilage) characteristic bands on the outer layers and in the same time by the coexistence of collagen I and II (bone and cartilage) or the presence of calcified collagen II through successive layers in some millimeters depth towards the interior of the femoral head section. Finally, spectroscopic results were confirmed by histological examination and Safranin O histochemical staining of each area mapped of the human femoral head section.

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με ευαισθητοποίηση χρωστικής (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs) κίνησαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας ύστερα από την πρωτότυπη δημοσίευση του 1991 των Grätzel και O' Regan. Προτάθηκαν ως μία φθηνή εναλλακτική λύση σε σύγκριση με τα συμβατικά ηλιακά στοιχεία από άμορφο πυρίτιο (amorphous silicon). Οι κύριοι παράγοντες που οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα να στραφεί προς αυτή την κατεύθυνση ήταν η ευκολία σύνθεσης των χρωστικών με σχετικά απλές χημικές διαδικασίες και η λειτουργία των νέων αυτών φωτοβολταϊκών στοιχείων υπό συνθήκες διάχυτου φωτός. Γενικά, ένα τέτοιο φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από μία φωτοάνοδο (photoanode), ένα πορώδες υπόστρωμα από ημιαγώγιμο οξείδιο μετάλλου (metal oxide semiconducting film), μία χρωστική που χρησιμοποιείται ως φωτοευαισθητοποιητής (sensitizer), έναν ηλεκτρολύτη (electrolyte) και ένα αντιηλεκτρόδιο (counter electrode), το οποίο, συνήθως, επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα από πλατίνα (Pt). Η κύρια διεργασία που λαμβάνει μέρος σε ένα DSSC, μετά από την απορρόφηση φωτός, είναι μία διεπιφανειακή μεταφορά φορτίου (interfacial electron transfer IET) από την ηλεκτρονιακά διεγερμένη στάθμη της χρωστικής προς τη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Η χρονική της διάρκεια είναι της τάξεως των μερικών εκατοντάδων fs και κατατάσσεται στα υπερταχέα φαινόμενα. Ο όρος που έχει επικρατήσει, για τη διεργασία αυτή στα DSSCs, είναι έκχυση ηλεκτρονίων (electron injection) και χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Η τεχνική της φασματοσκοπίας φθορισμού χρονικής ανάλυσης με παλμούς διάρκειας μερικών δεκάδων fs, αποτελεί μία από τις πιο αξιόπιστες και άμεσες τεχνικές για την καλύτερη δυνατή καταγραφή υπερταχέων φαινομένων, όπως η έκχυση ηλεκτρονίων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της έκχυσης ηλεκτρονίων με τη χρήση δύο νέων οργανικών χρωστικών, της μορφής D-π-A, ως φωτοευαισθητοποιητές σε DSSCs με την τεχνική αυτή.Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία γενική επισκόπηση των βασικών αρχών που διέπουν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με ευαισθητοποίηση χρωστικής. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα μέρη που αποτελούν ένα τέτοιο φωτοβολταϊκό στοιχείο και ακολούθως στα υλικά και στις διεργασίες οι οποίες συμμετέχουν σε ένα ολοκληρωμένο DSSC.Στο δεύτερο κεφάλαιο επιχειρείται, στο πρώτο σκέλος, μία γενική ανασκόπηση της θεωρίας του Markus για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων (Markus Theory). Έπειτα, πραγματοποιείται μία αναλυτική επισκόπηση της δυναμικής και κινηματικής των διεργασιών που συντελούνται στα DSSCs. Συνεχίζοντας στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται πληροφορίες σχετικές με τα υποστρώματα και τις χρωστικές που χρησιμοποιούνται στα DSSCs. Το κεφάλαιο επικεντρώνεται στην περιγραφή των υποστρωμάτων TiO2 και ΖnO, τα οποία αποτελούν τα κύρια υποστρώματα που χρησιμοποιούνται στα DSSCs. Στο δεύτερο σκέλος του κεφαλαίου, πραγματοποιείται αναφορά στις ιδιότητες που οφείλουν να πληρούν οι χρωστικές, για τη χρήση τους στα DSSCs, καθώς και εκτενής ανασκόπηση των χρωστικών, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί, μέχρι σήμερα, ως φωτοευαισθητοποιητές. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που συμμετέχουν κατά την αποδιέγερση ενός οργανικού μορίου και οι χρονικές κλίμακες, που αυτοί εμφανίζονται (διάγραμμα Jablonski). Επίσης, γίνεται αναφορά στις πληροφορίες που εξάγονται από τα φάσματα σταθερής κατάστασης (steady state spectra) και χρονικής ανάλυσης (time-resolved spectra), καθώς και η μεταξύ τους σύγκριση. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία αναλυτική περιγραφή της πειραματικής διάταξης, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή των πειραματικών δεδομένων. Τέλος, στα τελευταία δύο κεφάλαια (πέμπτο και έκτο) περιγράφεται, στο πρώτο, ο φωτοφυσικός χαρακτηρισμός των δύο νέων οργανικών χρωστικών, ΜΖ-173 και ΜΖ-175, της δομής D-π-Α, σε διάλυμα THF και σε στερεό υπόστρωμα TiO2 αντίστοιχα, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως το υπόστρωμα προσρόφησης των χρωστικών. Ακολούθως, μελετήθηκε η δυναμική και η απόδοση της έκχυσης των ηλεκτρονίων από τις χρωστικές αυτές προς το ημιαγώγιμο υπόστρωμα TiO2, με χρήση της τεχνικής της φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης φθορισμού με παλμούς διάρκειας μερικών δεκάδων fs (femtosecond time resolved fluorescence spectroscopy). Ως δείγμα αναφοράς, για την εύρεση της απόδοσης της έκχυσης των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού, χρησιμοποιήθηκε νανοκρυσταλλικό υπόστρωμα Al2O3. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η μελέτη της δυναμικής της έκχυσης των ηλεκτρονίων με τη χρήση του μορίου CDCA, ως συνπροσροφητή στην επιφάνεια των υποστρωμάτων TiO2 και Al2O3, μαζί με χρωστική ΜΖ-173, σε διάφορες συγκεντρώσεις. Αυτή η μελέτη έγινε με σκοπό τη μείωση της συσσωμάτωσης των μορίων της χρωστικής, αφού το μόριο CDCA έχει την ιδιότητα, λόγω της δομής του, να κρατά σε απόσταση τα μόρια της χρωστικής. / Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have attracted great scientific interest after the first demonstration of Grätzel and O’Regan in 1991. They were proposed as low cost alternatives to the conventional amorphous silicon solar cells. The key factors which led the scientific community to this direction are the simplicity of their fabrication procedures with mild chemical processes and their operation under ambient conditions of diffused light. Generally, a DSSC consists of a photoanode, a nanostructured metal oxide semiconducting film, a dye sensitizer, an electrolyte and a counter electrode which is usually coated with Pt. The fundamental process that takes place in a DSSC, after the absorption of a photon by the dye, is an interfacial electron transfer (IET) from the dye’s electronically excited state to the semiconductor’s conduction band (CB), taking place within a few hundred femtoseconds. The term which is generally used for this process in DSSCs is electron injection. Ultrafast fluorescence upconversion spectroscopy is one of the most precise and direct techniques for the study and interpretation of such phenomena. The main subject of this master thesis is the presentation of two novel synthesized organic dyes with D-π-A structure and their study as photosensitizers for DSSCs. It is focused on the photophycical properties of these two dyes in solution and on titanium dioxide (TiO2) substrate, which is used as the metal oxide semiconducting film, and especially on the dynamics of electron injection process from the dye’s excited state to the conduction band of the TiO2 with the aforementioned technique. Finally, the electron injection dynamics of one of dyes with coadsorption of co-adsorbers also investigated. This type of molecules can decrease the amount of aggregates penetrating among the dye molecules but on the same time they cause a decrease of the total amount of the adsorbed dye molecules.

Δύο από τα σημαντικότερα δομικά και λειτουργικά βιομόρια του εξωκυττάριου χώρου είναι το κολλαγόνο και οι γλυκοζαμινογλυκάνες (GAGs), ανιοντικοί πολυσακχαρίτες που αποτελούν το βασικό δομικό συστατικό των πρωτεογλυκανών. Οι κύριοι τύποι γλυκοζαμινογλυκανών είναι η θειική χονδροϊτίνη, η θειική δερματάνη, η ηπαρίνη, η θειική ηπαράνη, η θειική κερατάνη και το υαλουρονικό οξύ. Το κολλαγόνο τύπου Ι είναι η πιο άφθονη πρωτεΐνη στους ιστούς των θηλαστικών. Το κολλαγόνο τύπου ΙΙ αποτελεί το κύριο συστατικό του εξωκυττάριου χώρου του αρθρικού χόνδρου και άλλων ιστών. Τα παραπάνω μακρομόρια είναι υπεύθυνα για τη ρύθμιση διαφόρων διεργασιών των κυττάρων τόσο σε φυσιολογικές όσο και σε παθολογικές καταστάσεις, όπως παθήσεις των αρθρώσεων και νεοπλασματικές ασθένειες. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτέλεσε η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τον προσδιορισμό των αλληλεπιδράσεων μεταξύ γλυκοζαμινογλυκανών και των δύο τύπων κολλαγόνου, η οποία θα συνεισφέρει στη βαθύτερη κατανόηση της βιολογικής τους λειτουργίας. Μερικές από τις τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί για το συγκεκριμένο σκοπό είναι η χρωματογραφία συγγένειας, η ηλεκτροφόρηση και η φασματοσκοπία φθορισμού. Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), η περίθλαση ακτίνων-Χ και ο κυκλικός διχρωισμός (Circular Dichroism, CD) προσφέρουν δομικές πληροφορίες για τις αλλαγές στη διαμόρφωση και τα σημεία πρόσδεσης μεταξύ γλυκοζαμινογλυκανών και πρωτεϊνών. Θερμοδυναμικές πληροφορίες για τις αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνών-γλυκοζαμινογλυκανών αντλούνται από τη θερμιδομετρία ισόθερμης τιτλοδότησης (Isothermal Titration Calorimetry, ITC), ενώ με την τεχνική της διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων (Surface Plasmon Resonance, SPR) μελετώνται η σταθερά σύνδεσης και η σταθερά διάστασης της αλληλεπίδρασης σε πραγματικό χρόνο. Το κυριότερο μειονέκτημα των παραπάνω τεχνικών είναι το ότι δεν προσφέρουν πληροφορίες για χημικούς δεσμούς, ενώ ο χρόνος ανάλυσης είναι μεγάλος και απαιτούνται μεγάλες ποσότητες δειγμάτων. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε ήταν εκείνη της φασματοσκοπίας micro-Raman, μια μη καταστρεπτική τεχνική, η οποία προσφέρει πληροφορίες για τη χημική δομή του εξεταζόμενου δείγματος, ενώ παράλληλα είναι γρήγορη και ακριβής. Παρασκευάστηκαν δύο είδη μιγμάτων γλυκοζαμινογλυκανών με κολλαγόνο. Στην πρώτη περίπτωση, κολλαγόνο τύπου Ι ή τύπου ΙΙ εμβαπτίστηκε σε διάλυμα θειικής χονδροϊτίνης, ηπαρίνης ή μίγμα τους που παρασκευάστηκε με αναλογία όγκων 1:1. Στη δεύτερη περίπτωση, μίγματα των δύο ουσιών προέκυψαν με ανάμιξη ίσων ποσοτήτων των δύο ουσιών. Τα παραπάνω μίγματα μελετήθηκαν με φασματοσκοπία Raman και με την τεχνική της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) και συγκρίθηκαν με τα φάσματα των προτύπων ουσιών. Κάθε ουσία έχει ένα χαρακτηριστικό φάσμα Raman, η ερμηνεία του οποίου οδήγησε στην ταυτοποίηση χαρακτηριστικών ομάδων των μορίων, όπως οι δεσμοί C-OH, οι θειικές ομάδες (O-SO3-, N-SO3-), η Ν-ακετυλομάδα, οι δεσμοί C=O και οι δεσμοί C-Ν. Οι φασματικές περιοχές που παρουσιάζουν τα πιο έντονα χαρακτηριστικά στα φάσματα Raman των μιγμάτων GAG-κολλαγόνου είναι οι εξής: 800-920 cm-1, 900-1000 cm-1 και 980-1170 cm-1. Όσον αφορά στην τελευταία φασματική περιοχή, παρατηρήθηκε σημαντική μετατόπιση της χαρακτηριστικής κορυφής της δόνησης έκτασης των θειομάδων προς χαμηλότερους κυματάριθμους (από τους 1070 cm-1 περίπου στους 1062-1064 cm-1) και η εμφάνιση μιας κορυφής στους 1072 cm-1, σε σχέση με τα αντίστοιχα φάσματα των προτύπων ουσιών, στα φάσματα όλων των μιγμάτων που μελετήθηκαν. Η μετατόπιση της συγκεκριμένης κορυφής αποτελεί ένδειξη αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο ουσιών και καταδεικνύει το σημαντικό ρόλο των θειομάδων των γλυκοζαμινογλυκανών στις αλληλεπιδράσεις τους με τη συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας Raman βρίσκονται σε συμφωνία με εκείνα που προκύπτουν από την τεχνική της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC), καθώς τα θερμογραφήματα DSC των μιγμάτων θειικής χονδροϊτίνης-κολλαγόνου τύπου Ι είναι διαφορετικά από εκείνο του μίγματος που προέκυψε από την ανάμιξη των δύο συστατικών, υποδεικνύοντας την ύπαρξη αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο ουσιών. Με την τεχνική της φασματοσκοπίας Raman διαπιστώθηκε ότι το κολλαγόνο τύπου Ι έδειξε μεγαλύτερη «χημική προτίμηση» προς την ηπαρίνη σε σχέση με τη θειική χονδροϊτίνη, ενώ το κολλαγόνο τύπου ΙΙ προτίμησε να αλληλεπιδράσει με τη θειική χονδροϊτίνη. / Collagen and glycosaminoglycans (GAGs) co-exist as major constituents of the extracellular matrix (ECM) in a variety of tissues. Collagen type I is the most abundant protein in the human body, whereas another important type of collagen is type II, which forms the extracellular matrix of cartilage and other tissues. Glycosaminoglycans are negatively charged polysaccharides that occur as a structural component of proteoglycans and can be divided in four major groups: i) chondroitin sulfate and dermatan sulfate, ii) heparin and heparin sulfate, iii) keratan sulfate, and iv) hyaluronic acid. Both GAGs and collagen not only regulate a variety of cellular functions but they also seem to be involved in many pathological conditions, including cancer and joint diseases. Therefore, a more detailed investigation of the interactions between them will result in a deeper understanding of their biological function. Most common methods for identifying GAG-collagen interactions include affinity chromatography, affinity electrophoresis and fluorescence spectroscopy. Nuclear Magnetic Resonance (NMR), X-ray diffraction and Circular Dichroism (CD) provide structural data characterizing conformational changes and contact points between the interacting species. Using Isothermal Titration Calorimetry (ITC), information on the thermodynamics of glycosaminoglycan-protein interactions can be obtained. Surface Plasmon Resonance (SPR) allows the measurement of association and dissociation constants of glycosaminoglycan-protein interactions in real time. The major disadvantage of the techniques described above is the inability to identify specific chemical bonds. Other disadvantages are the long analysis time and that large amounts of the interacting substances are required. In the present work, Raman spectroscopy, a non-destructive, vibrational technique which yields information on the chemical composition of the specimen, was employed for the exploration of the interactions between collagen type I and type II and two glycosaminoglycans, chondroitin sulfate and heparin. Two sets of mixtures composed of glycosaminoglycans and each type of collagen were prepared: i) collagen type I or type II was immersed in aqueous solutions of chondroitin sulfate, heparin and a 1:1 mixture of both GAGs, and ii) GAG-collagen mixtures were obtained by blending suitable amounts of the two substances. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was also applied on the latter mixtures. From the Raman spectra identification of vibrational frequencies of the functional groups of the above molecules, such as C-OH linkages, sulfate groups (O-SO3-, N-SO3-), N-acetyl group, carboxyl group and C-Ν linkages is possible. The prominent features arising from the Raman spectra of GAG-collagen interactions are found in the regions 800-920 cm-1, 900-1000 cm-1 and 980-1170 cm-1. Processing of the spectra of all GAG-collagen mixtures has revealed that a shift of the most characteristic vibration of chondroitin sulfate’s and heparin’s spectrum from 1070 cm-1 to 1062-1064 cm-1, while a vibration at approximately 1072 cm-1 emerges. The sulfate band shift is indicative of an interaction between collagen and glycosaminoglycans and depicts the important role of the sulfate group of glycosaminoglycans in the interactions with the protein. This observation was in accordance with the results from Differential Scanning Calorimetry (DSC), which demonstrated an interaction between collagen and chondroitin sulfate. A stronger preference of collagen type I to interact with heparin rather than chondroitin sulfate and of collagen type II to interact with chondroitin sulfate was also observed.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή ασχολείται με τη σύνθεση καθώς και τον δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των έξης υαλωδών συστημάτων: (α) του δυαδικού συστήματος xMgO – (1 – x)SiO2, με 0.50 ≤ x ≤ 0.667, (β) του ψευδοδυαδικού συστήματος (1 – x)[CaO:MgO] – xSiO2, με 0.333 ≤ x ≤ 0.27 και (γ) του δυαδικού συστήματος xY2O3 – (1 – x)Al2O3, με 0.24 ≤ x ≤ 0.41 και x σε mol %. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν σημαντικές δυσκολίες στο να σχηματίσουν υάλους με κλασικές μεθόδους υαλοποίησης και ως εκ' τούτου τα διαθέσιμα δεδομένα αναφορικά με τα δομικά και φυσικοχημικά τους χαρακτηριστικά είναι περιορισμένα. Η σύνθεση των υάλων αυτών κατέστη δυνατή με τη μέθοδο της αεροδυναμικής ανύψωσης και της τήξης των οξειδίων με Laser CO2 (Aerodynamic levitation/CO2 laser melting techniques). Αυτή η σχετικά νέα και μη συμβατική τεχνική υαλοποίησης είναι και η μόνη διαθέσιμη έως σήμερα μέθοδος με την οποία μπορούν να συντεθούν οι περισσότεροι από τους ανωτέρω υάλους. Για το δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των ανωτέρω συστημάτων, χρησιμοποιήθηκαν οι φασματοσκοπικές τεχνικές Raman και NMR, ενώ ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Φαινομένου Σήραγγας και πυκνομετρίας, καθώς και Μοριακών Προσομοιώσεων. Τα δύο πρώτα συστήματα (α-β) ανήκουν στην ευρεία οικογένεια των ανόργανων υάλων του Πυριτίου με Οξείδια των Αλκαλικών Γαιών σε συστάσεις εξαιρετικά φτωχές σε οξείδιο του Πυριτίου. Το τελευταίο αυτό χαρακτηριστικό είναι και το πιο ενδιαφέρον από πλευράς δομής και Φυσικοχημικών διεργασιών, καθώς οι ύαλοι αυτοί χαρακτηρίζονται ως «φτωχοί σχηματιστές υάλων» με αποτέλεσμα η δομή τους να χαρακτηρίζεται από ακραίο αποπολυμερισμό. Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής κατέστη δυνατή η σύνθεση των υάλων αυτών σε συστάσεις οι οποίες για πρώτη φορά συντίθενται σε εργαστήριο και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τον δομικό και φυσικοχημικό τους χαρακτηρισμό, παρουσιάζονται επίσης για πρώτη φορά. Οι εξαιρετικά αποπολυμερισμένες δομές των υάλων αυτών - τους οποίους ονομάζουμε «υπο-ορθο-πυριτικούς» εξαιτίας της σύστασης τους η οποία περιέχει ποσοστό Πυριτίας λιγότερο από την Ορθο-Πυριτική σύσταση (33.3 mol % SiO2) - βρέθηκε ότι χαρακτηρίζονται από τετράεδρα πυριτίας με διαφορετικό αριθμό γεφυρωτικών οξυγόνων, με τα ελεύθερα τετράεδρα πυριτίας να κυριαρχούν στις δομές καθώς μειώνεται σταδιακά το ποσοστό του SiO2. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν αναφορικά με τα δύο πρώτα συστήματα, δίνουν για πρώτη φορά, μια εικόνα αναφορικά με την δομική και φυσικοχημική συμπεριφορά Πυριτικών υάλων με οξείδια των Αλκαλικών Γαιών, όταν το ποσοστό του κλασικού υαλοσχηματιστή φτάνει στα όρια της δυνατότητας σχηματισμού υάλων. Το τελευταίο σύστημα (γ) το οποίο μελετήθηκε στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής, αφορά στην σύνθεση και τον δομικό-Φυσικοχημικό χαρακτηρισμό υάλων Υττρίου-Αλουμίνας σε σχέση με το εξαιρετικά ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που παρουσιάζει το σύστημα αυτό, το οποίο αναφέρεται ευρέως ως «πολυαμορφισμός». Στο σύστημα αυτό, μελετήθηκε και παρουσιάζεται για πρώτη φορά το περιβάλλον συναρμογής των ατόμων του Υττρίου, ενώ παρέχονται επιχειρήματα ότι το φαινόμενο του πολυαμορφισμού είναι παρόν σε όλους τους υάλους που σχηματίζονται εντός του δυαδικού συστήματος αυτού. Επίσης συσχετίζονται τα δομικά χαρακτηριστικά των υάλων αυτών με την εμφάνιση του πολυαμορφισμού ενώ για πρώτη επίσης φορά μελετώνται συστηματικά οι διεγέρσεις χαμηλών συχνοτήτων, σε σχέση με την μεταβολή της σύστασης και της θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των διεγέρσεων χαμηλών συχνοτήτων για τα φάσματα Raman των υάλων αυτών, δείχνουν για πρώτη φορά σημαντικές εντάσεις για την κορυφή που παρατηρείται στις χαμηλές συχνότητες, ενώ αυτή παραμένει ανεπηρέαστη της σύστασης και της θερμοκρασίας. Τέλος, θα πρέπει να επισημανθεί ότι τα οξείδια τα οποία συναποτελούν το συγκεκριμένο σύστημα, δεν έχουν την δυνατότητα να σχηματίσουν υάλους αυτόνομα. / We present results from glass synthesis and the structural/physicochemical characterization from a series of glass forming systems and more specifically: (a) xMgO – (1 – x)SiO2 with 0.50 ≤ x ≤ 0.667, (b) the pseudobinary system (1 – x)[CaO:MgO] – xSiO2 with 0.333 ≤ x ≤ 0.27 and (c) the binary system xY2O3 – (1 – x)Al2O3 with 0.24 ≤ x ≤ 0.41, and x being the mol fraction. These systems exhibit significant difficulties regarding their ability to form glasses and hence the available data describing their structural and physicochemical characteristics are limited. Nevertheless, by using non-conventional glass forming techniques such as “Aerodynamic levitation/CO2 laser melting” we were able to synthesize these glasses and it is worth pointing out that this technique is the only available technique so far that glasses that belong to the above mentioned systems can be formed. For the structural and physicochemical characterization of the above mentioned systems, we used two spectroscopic techniques Raman and NMR whilst experiments using DSC, SEM, TEM, Densitometry and Molecular Dynamics simulations were also performed. The first two systems (a-b) belong in the greater family of silicate inorganic glasses mixed with Alkaline Earth oxides, in compositions significantly depleted in Silicon oxide. This last feature is the most interesting one structurally and physic-chemically wise, as these glasses are widely termed as “poor glass formers” having as a consequence their structure to be described by extreme depolymerization. In this work we were able to synthesize these glasses in a compositional range that is achieved for the very first time and the results derived from their structural and physicochemical characterization also presented for the very first time. These extensively depolymerized glass structures-whom we have termed as “Sub-Ortho-Silicates” due to their Silicate compound which is less than the Ortho-Silicate composition (33.3 mol % SiO2)-were found to be characterized by Silicate tetrahedral, having a varying number of bridging oxygens, with the “free” tetrahedral dominating the structures as the SiO2 content gradually diminishes. The conclusions derived from the first two systems, give for the first time an insight in relation with the structural and physicochemical behavior of Alkaline Earth oxide Silicate glasses when the percentage of the “classic” glassformer reaches the limits of glass formation. The last system we investigated (c) has to do with glass synthesis and structural/physicochemical characterization of Yttrium-Aluminate glasses in relation with an extremely interesting characteristic that this system exhibits, which is widely known as “polyamorphism”. In this system we investigated and present results for the very first time that reveal the coordination environment of Yttrium atoms, while we are also providing evidence that the phenomenon of polyamorphism is present in all glasses, formed within this binary system. Additionally we correlate the structural characteristics of these glasses with the appearance of polyamorphism while also for the very first time we have systematically investigated the low frequency vibrations, in relation with the variation of composition and temperature. The results derived from the analysis of the low frequency excitations exhibited in the Raman spectra of these glasses, show for the first time that the peak that makes its appearance in the low frequency region is characterized by significantly great intensity, while it also remains uninfluenced from the variation of composition and temperature. Finally, we must stress out that the oxides that constitute this specific system cannot form glasses independently.