Th. doct.-ing.--Électrotech.--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 15.

Les performances des techniques de bioimagerie et de biodétection peuvent être améliorées grâce aux nanoparticules fluorescentes (NPs) permettant un transfert d’énergie résonante de type Förster (FRET) efficace. Le but de mon projet de thèse est le développement de NPs polymériques brillantes et ultrastables encapsulant des fluorophores, capables de produire un FRET au-delà du rayon de Förster. Il a été montré que les groupements encombrés sont essentiels pour minimiser l’auto-extinction et le blanchiment des fluorophores encapsulés. Par ailleurs, la matrice polymérique joue un rôle crucial dans le contrôle de l’effet collaboratif entre fluorophores du au transfert d’énergie d’excitation. Puis, en utilisant cet effet collaboratif entre fluorophores, nous avons conçu des NPs présentant une photocommutation efficace, ainsi qu'un phénomène de "light harvesting" très important. Enfin, de très petites NPs avec un FRET efficace à leur surface ont été élaborées et appliquées pour la détection ultra-sensible de protéines. Les résultats obtenus fournissent de nouvelles perspectives dans le développement des nanoparticules brillantes avec un transfert d'énergie efficace, ainsi que des nano-sondes pour la détection de molécules uniques. / Performance of biosensing and bioimaging techniques can be improved by fluorescent nanoparticles (NPs) capable of efficient Förster resonance energy transfer (FRET). The aim of my PhD project is to develop bright and photostable dye-loaded polymer NPs capable to undergo efficient FRET beyond the Förster radius. We showed that bulky groups are essential for minimizing self-quenching and bleaching of encapsulated dyes. Moreover, polymer matrix plays a crucial role in controlling the inter-fluorophore communication by excitation energy transfer. Then, by exploiting communication of dyes, we designed NPs exhibiting efficient photoswitching as well as giant light-harvesting. Finally, very small NPs with efficient FRET to their surface were developed and applied for ultra-sensitive molecule detection of proteins. The obtained results provide new insights in the development of bright nanoparticles with efficient energy transfer as well as nano-probes for single-molecule detection.

Title: Optimization of surface-enhanced Raman scattering spectroscopy for study of biologically important biomolecules and their interactions Author: Natália Šmídová Department: Institute of Physics of Charles University Supervisor of the doctoral thesis: Doc. RNDr. Marek Procházka, PhD. Abstract: The main goal of this thesis was to optimize surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy for study of biologically important biomolecules. For that purpose we focused on substrates based on gold colloidal nanoparticles immobilized to silanized glass plates. Stable, uniform and highly reproducible SERS-active substrates have been prepared by using aminopropyltrimethoxysilane and citrate- reduced gold nanoparticles thermally stabilized after their immobilization. Model biomolecules 5,10,15,20-tetrakis(1-methyl-4-pyridyl)porphyrin (TMPyP) and 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin (TSPP) were studied on these substrates by using a classical Raman spectrometer in macro-mode and a confocal Raman microspectrometer. Conditions for SERS spectroscopy of porphyrins were optimized with respect to sensitivity and reproducibility. SERS microspectroscopy showed several advantages over SERS measurements in macromode: possibility of surface spectral mapping, easier manipulation with samples, shorter...

Neste trabalho, uma análise quantitativa e qualitativa para a estabilização dinâmica de um pêndulo invertido com uma força externa senoidal aplicada no ponto de suspensão é feita. Inicialmente, a perturbação externa é composta de um único cosseno, então uma generalização é feita, usando uma soma de N cossenos com diferentes amplitudes e frequências. Aproximações são testadas e o tempo durante o qual o pêndulo invertido permanece estável é explorado quando N é grande, a fim de recuperar o padrão do caso onde N = 1. O caso específico de oscilações periódicas e quase periódicas, quando N = 2, é analisado e diagramas de estabilidade considerando diferentes frequências e amplitudes são estudados. Depois, um ruído Gaussiano additivo é adicionado ao sistema para que a degradação dos diagramas de estabilidade gerados por variâncias diferentes possam ser estudados. Todos os pontos deste trabalho são corroborados por simulações, as quais integram numericamente as equações de movimento do sistema através do método de Runge-Kutta de quarta ordem. Os algoritmos e detalhes extras dos métodos de integração usados são explorados numa publicação deste trabalho, a qual está apresentada, nesta dissertação, como um apêndice. / In this work a quantitative and qualitative analysis of the dynamical stabilization of an inverted pendulum with a sinusoidal external perturbation applied at the suspension point is made. Initially, the external perturbation is composed of a single cosine, then a generalization is made using a sum of N cosines with different amplitudes and frequencies. Approximations are tested, and the time for which the inverted pendulum remains stable is explored when N is large, in order to recover the pattern of the case when N = 1. The specific case of periodic and almost periodic oscillations, when N = 2, is analysed and stability diagrams considering different frequencies and amplitudes are studied. Later, an additive Gaussian noise is added to the system so the degradation of the stability diagrams generated by different variances can be studied. All points of this work are corroborated by simulations, which numerically integrate the system’s equation of motion through a fourth order Runge-Kutta method. Algorithms and extra details on the integration methods used are explored in a publication of this work, which is presented in this thesis as an appendix.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The induction generator has characteristics making it interesting for alternative sources of energy, such as low cost, ruggedness, low maintenance, high availability and good dynamic behavior. So, it is very much applied in alternative energy systems, where low cost, low maintenance and easy availability are essential characteristics. Although this generator is very attractive, its operation presents problems related to a poor voltage regulation, load dependent variable frequency, and the need of large size self-excitation capacitors, for standalone induction generator systems. In order to minimize these problems, this study proposes a sparse matrix converter associated to an induction generator as a way to regulate the generated voltage, fix the frequency and increase the system reliability. Moreover, it allows the reduction of the self-excitation capacitors by draining out of the generator, mostly resistive current thus, reducing capacitor costs and of the whole system size. In this dissertation is presented some simulation and practical results of a sparse matrix converter connected to the induction generator prototype developed in CEEMA laboratories. These results confirm the here presented theory and validate this work. / O Gerador de Indução é atrativo para geração de energia elétrica com fontes alternativas por apresentar baixo custo, robustez, baixo índice de manutenção, grande disponibilidade e bom comportamento dinâmico. Por isso, ele é muito aplicado em sistemas alternativos de geração de energia onde o baixo custo, baixo índice de manutenção, disponibilidade e facilidade de substituição do gerador, são características bastante apreciadas. Particularmente, no caso dos geradores de indução auto-excitados por bancos de capacitores, apesar de também eles serem atrativos, sua operação isolada apresenta problemas relacionados à regulação de tensão insatisfatória e freqüência variável dependentes da carga, e pela necessidade de capacitores de auto-excitação de tamanho e custo elevados. Os custos elevados dos bancos de capacitores ainda limitam o uso isolado do gerador de indução a pequenas unidades apenas, com potência inferior à 50kW. Esta dissertação propõe o uso do Conversor Matricial Esparso como forma de regular a tensão no gerador de indução e fixar a freqüência na carga. Além disso, o uso deste conversor possibilita drenar uma corrente do gerador em fase com sua respectiva tensão, reduzindo assim o custo dos capacitores e do sistema como um todo. São apresentados resultados de simulação e resultados práticos de um protótipo do conversor matricial esparso, desenvolvido nos laboratórios do CEEMA-UFSM para conexão ao gerador de indução. Estes resultados servem de base para a comprovação e validação da teoria desenvolvida para a integração do gerador de indução auto-excitado e do conversor matricial esparso apresentada nesta dissertação.

Neste trabalho, uma análise quantitativa e qualitativa para a estabilização dinâmica de um pêndulo invertido com uma força externa senoidal aplicada no ponto de suspensão é feita. Inicialmente, a perturbação externa é composta de um único cosseno, então uma generalização é feita, usando uma soma de N cossenos com diferentes amplitudes e frequências. Aproximações são testadas e o tempo durante o qual o pêndulo invertido permanece estável é explorado quando N é grande, a fim de recuperar o padrão do caso onde N = 1. O caso específico de oscilações periódicas e quase periódicas, quando N = 2, é analisado e diagramas de estabilidade considerando diferentes frequências e amplitudes são estudados. Depois, um ruído Gaussiano additivo é adicionado ao sistema para que a degradação dos diagramas de estabilidade gerados por variâncias diferentes possam ser estudados. Todos os pontos deste trabalho são corroborados por simulações, as quais integram numericamente as equações de movimento do sistema através do método de Runge-Kutta de quarta ordem. Os algoritmos e detalhes extras dos métodos de integração usados são explorados numa publicação deste trabalho, a qual está apresentada, nesta dissertação, como um apêndice. / In this work a quantitative and qualitative analysis of the dynamical stabilization of an inverted pendulum with a sinusoidal external perturbation applied at the suspension point is made. Initially, the external perturbation is composed of a single cosine, then a generalization is made using a sum of N cosines with different amplitudes and frequencies. Approximations are tested, and the time for which the inverted pendulum remains stable is explored when N is large, in order to recover the pattern of the case when N = 1. The specific case of periodic and almost periodic oscillations, when N = 2, is analysed and stability diagrams considering different frequencies and amplitudes are studied. Later, an additive Gaussian noise is added to the system so the degradation of the stability diagrams generated by different variances can be studied. All points of this work are corroborated by simulations, which numerically integrate the system’s equation of motion through a fourth order Runge-Kutta method. Algorithms and extra details on the integration methods used are explored in a publication of this work, which is presented in this thesis as an appendix.

A otimização de amortecedores é uma área nova que vem sendo explorada nos últimos anos. Existem vários métodos clássicos e outros mais recentes que estão disputando em confiabilidade, eficiência e rapidez na obtenção de um resultado ótimo. Os algoritmos de otimização são classificados em determinísticos, que utilizam a informação do gradiente, ou seja, usam os valores das funções e suas derivadas, e os meta-heurísticos são algoritmos aleatórios que são métodos probabilísticos não baseados em gradiente, utilizando somente a avaliação da função objetivo. O Firefly Algorithm é um algoritmo meta-heurístico relativamente recente inspirado no comportamento da luz dos vagalumes. Este trabalho propõe um método para a otimização de amortecedores por atrito utilizando algoritmo meta-heurístico. O método proposto é testado em dois edifícios, de nove e dezesseis andares, submetidos a duas excitações sísmicas cada. A otimização tem um objetivo principal: diminuir a resposta dinâmica em termos do deslocamento máximo no topo das estruturas obtido através de um algoritmo programado baseado no método das diferenças finitas centrais, otimizando o local de um número máximo de amortecedores e as forças de atrito dos mesmos. Para o caso da estrutura de nove andares o número máximo de amortecedores é de quatro e para o caso da estrutura de dezesseis andares o número máximo é seis. Os resultados demostraram que, para os dois casos estudados, o deslocamento no topo da estrutura diminui em mais de 50%, concluindo-se que o método programado é eficaz assim como o Firefly Algorithm é adequado para obter as posições e as forças de atrito ótimas. Portanto, acredita-se que o método proposto poderá ser utilizado como uma ferramenta útil para auxiliar no projeto de amortecedores por atrito. / The damper’s optimization is a new area that has been explored in recent years. There are several classics and newer methods that are competing in reliability, efficiency and speed in achieving a great result. The algorithms are classified as deterministic, using gradient information, or use the function values and their derivatives, and meta- heuristic optimization algorithms are random probabilistic methods that are not based on gradient using only the evaluation of the objective function. The Firefly Algorithm is a relatively new meta-heuristic algorithm inspired on the behavior of the light of fireflies. This work proposes a method for the friction damper’s optimization using meta-heuristic algorithm. The proposed method is tested in two structures: a nine story building and a sixteen story building. They were submitted to two seismic excitations each. The optimization has one main goal: to reduce the dynamic response in terms of the maximum displacement at the top of the structures obtained by a programmed algorithm based on the central finite difference method, optimizing the location of a maximum number of dampers and their friction’s forces. In the case of the nine story building, the maximum number of dampers is four, and in the case of the sixteen story building the maximum number is six. The results showed that for the two cases studied, the displacement at the top of the structure decreases by more than 50%, concluding that the programmed method is effective and the Firefly Algorithm is appropriate to get the positions and friction’s forces optimal. Therefore, it is believed that the proposed method can be used as a tool to aid in the design of friction dampers.

As vibrações em máquinas estão relacionadas à transferência de energia associada a dois efeitos devido ao atrito: a dissipação de energia e a auto-excitação. A dissipação de energia reduz e a auto-excitação aumenta a quantidade de energia de um sistema. Na dinâmica dos sistemas com atrito ocorrem os ciclos limite adere-desliza e movimentos caóticos que podem prejudicar o funcionamento das máquinas. Para o controle desses sistemas torna-se necessária uma estratégia de compensação do atrito. Em geral, não considera-se a influência da dinâmica do sistema oscilante sobre sua fonte de energia ou excitação externa. Em problemas práticos de engenharia, a representação mais realista dessa influência é denominada de sistema não-ideal ou de potência limitada (máquina não-ideal). Neste trabalho, considera-se a dinâmica e o controle de um sistema auto-excitado pelo atrito interagindo com sua fonte de energia. O comportamento dos sistemas ideal e não-ideal são investigados através de simulação numérica e apresentam-se resultados de uma estratégia de controle chaveado para posicionamento e para seguimento de trajetórias periódicas, com compensação robusta do atrito, e a análise de estabilidade pelo método de Lyapunov. / The vibrations of machines are related to energy transference associate to two effects due to the friction: the energy dissipation and the self-excitation. The energy dissipation decrease and the self-excitation increase the system energy quantity. In dynamics of systems with friction occurs the stick-slip limit cycles and chaotic motion that can damage the machine working. For the control of that systems become necessary an compensation strategy of friction. In generally, are not considering the dynamical influence of oscillating system undergo their energy source or external excitation. In engineering practice problems, the more realistic representation of this influence is called non-ideal system or limited power supply (non-ideal machine). This work considers the dynamics and control of a self-excited system due to the friction interacting with their energy source. The behavior of ideal and non-ideal systems are investigated through numerical simulation and results of a switching control strategy for positioning and periodic trajectories tracking, with robust compensation of friction, and the stability analysis by the Lyapunov method are presented.

A otimização de amortecedores é uma área nova que vem sendo explorada nos últimos anos. Existem vários métodos clássicos e outros mais recentes que estão disputando em confiabilidade, eficiência e rapidez na obtenção de um resultado ótimo. Os algoritmos de otimização são classificados em determinísticos, que utilizam a informação do gradiente, ou seja, usam os valores das funções e suas derivadas, e os meta-heurísticos são algoritmos aleatórios que são métodos probabilísticos não baseados em gradiente, utilizando somente a avaliação da função objetivo. O Firefly Algorithm é um algoritmo meta-heurístico relativamente recente inspirado no comportamento da luz dos vagalumes. Este trabalho propõe um método para a otimização de amortecedores por atrito utilizando algoritmo meta-heurístico. O método proposto é testado em dois edifícios, de nove e dezesseis andares, submetidos a duas excitações sísmicas cada. A otimização tem um objetivo principal: diminuir a resposta dinâmica em termos do deslocamento máximo no topo das estruturas obtido através de um algoritmo programado baseado no método das diferenças finitas centrais, otimizando o local de um número máximo de amortecedores e as forças de atrito dos mesmos. Para o caso da estrutura de nove andares o número máximo de amortecedores é de quatro e para o caso da estrutura de dezesseis andares o número máximo é seis. Os resultados demostraram que, para os dois casos estudados, o deslocamento no topo da estrutura diminui em mais de 50%, concluindo-se que o método programado é eficaz assim como o Firefly Algorithm é adequado para obter as posições e as forças de atrito ótimas. Portanto, acredita-se que o método proposto poderá ser utilizado como uma ferramenta útil para auxiliar no projeto de amortecedores por atrito. / The damper’s optimization is a new area that has been explored in recent years. There are several classics and newer methods that are competing in reliability, efficiency and speed in achieving a great result. The algorithms are classified as deterministic, using gradient information, or use the function values and their derivatives, and meta- heuristic optimization algorithms are random probabilistic methods that are not based on gradient using only the evaluation of the objective function. The Firefly Algorithm is a relatively new meta-heuristic algorithm inspired on the behavior of the light of fireflies. This work proposes a method for the friction damper’s optimization using meta-heuristic algorithm. The proposed method is tested in two structures: a nine story building and a sixteen story building. They were submitted to two seismic excitations each. The optimization has one main goal: to reduce the dynamic response in terms of the maximum displacement at the top of the structures obtained by a programmed algorithm based on the central finite difference method, optimizing the location of a maximum number of dampers and their friction’s forces. In the case of the nine story building, the maximum number of dampers is four, and in the case of the sixteen story building the maximum number is six. The results showed that for the two cases studied, the displacement at the top of the structure decreases by more than 50%, concluding that the programmed method is effective and the Firefly Algorithm is appropriate to get the positions and friction’s forces optimal. Therefore, it is believed that the proposed method can be used as a tool to aid in the design of friction dampers.

Orientador: Marco Aurelio Pinheiro Lima / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-07T11:03:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arretche_Felipe_D.pdf: 1126375 bytes, checksum: 09c67543e39406702bd45e2373d9c616 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Nesta tese investigamos a modelagem teórica de colisões pósitron-molécula no regime de baixas energias utilizando o método Schwinger multicanal. Nosso objetivo inicial foi sofisticar o procedimento de cálculo do parâmetro de aniquilação¸ Zeff . Esta quantidade é diretamente proporcional a taxa de aniquilação de pósitrons com elétrons da nuvem molecular. Infelizmente o método subestima Zeff com relação aos dados experimentais. Uma investigação mais detalhada sugere que esta deficiência está ligada a uma descrição pobre do cúspide elétron-pósitron na função de onda de espalhamento. Para tanto, inserimos um potencial complexo tipo delta de Dirac na Hamiltoniana de espalhamento com o objetivo de melhorar o cálculo de aniquilação direta e possivelmente adaptá-lo para descrever o canal de formação do positrônio real. Aplicação a sistemas modelo como átomo de He e molécula de H2 mostraram que esta técnica alternativa produz resultados similares ao cálculo perturbativo usual. Neste sentido a discrepância entre o parâmetro de aniquilação teórico obtido via método Schwinger multicanal e os dados experimentais continua em aberto. Recentemente o grupo da Universidade de San Diego, na Califórnia, desenvolveu um aparato experimental para medir seções de choque de excitação eletrônica de átomos e moléculas por impacto de pósitrons. O método Schwinger multicanal é o único que tem atacado sistematicamente este problema para moléculas na literatura. Neste trabalho, damos continuidade a este programa de pesquisa calculando seções de choque de excitação eletrônica para as moléculas de H2 e CO com variados níveis de aproximação. Nossos resultados indicam que as seções de choque integrais são insensíveis ao nível de acoplamento multicanal utilizado na modelagem da colisão e que efeitos de polarização podem ser particularmente importantes para energias imediatamente acima dos limiares de excitação eletrônica. Finalmente, e este sem dúvida é o maior resultado desta tese, aprendemos a tratar as bases variacionais usadas no cálculo de espalhamento. A evidência de que tal nível de maturidade foi atingido é a convergência das seções de choque com relação aos métodos de cálculo dos elementos de matriz da função de Green, anteriormente obtida somente por ajuste (popularmente conhecido como "chute") do conjunto de primitivas Gaussianas utilizado no cálculo de espalhamento / Abstract: In this thesis we investigate the theoretical modelling of positron-molecule collisions in low energy regime using the Schwinger multichannel method. Our initial objective was to sophisticate the procedure of calculation of the annihilation parameter Zeff. This quantity is directly proportional to the annihilation rate of positrons with molecular cloud electrons. Unhapilly the method underestimates Zeff compared to the experimental data. A more detailed investigation suggests that this deficiency is connected with a poor description of the electronpositron cusp of the scattering wave function. To this end, we inserted a complex potential of Dirac delta type in the scattering Hamiltonian with the major objective of improving the direct annihilation calculation and possibly to adaptate it to describe the real positronium formation channel. Aplication to model systems like He atom and H2 molecule showed that this alternative technique produce similar results compared to the usual perturbative calculation. In this sense, the discrepancy between the theoretical annihilation parameter generated by Schwinger multichannel method and the experimental data remains as an open problem. Recently the research group of San Diego University, in California, developed an experimental apparatus to measure electronic excitation cross sections for atoms and molecules by positron impact. The Schwinger multichannel method is the only that has sistematicaly attacked the problem for molecules in the literature. In this work, we continue this research program calculating electronic excitation cross sections for H2 and CO molecules with varied degrees of approximation. Our results indicate that integral cross sections are insensible to the level of multichannel coupling used in the collision model and that polarization effects can be particularly relevant for energies immediately above electronic excitation thresholds. Finally, and this doubtless is the greater result of this thesis, we learnt to treat the variational basis used in the scattering calculation. The evidence that such level of maturity was reached is the convergence of the cross sections by the methods of computation of the Green¿s function matrix elements, obtained before only by "guessing" of the set of primitive Gaussians employed in the scattering calculation / Doutorado / Física Atômica e Molecular / Doutor em Ciências