Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Einführung: Die physikalischen Eigenschaften des intravenösen Anästhetikums Propofol (2,6-Diisopropylphenol) erlauben dessen fluoreszenzspektrometrische Detektion. Zur Entwicklung eines direkten Online-Monitorings im optisch dichten Medium Blut wird das Signalverhalten von Propofol im mit Blutprodukten gefüllten Kreislaufsystem untersucht. Material und Methoden: Der kontinuierliche Umsatz von 140,2 ml Probenvolumen im Kreislaufmodell mit integrierter Durchflussquarzküvette bezweckt ein stabiles Fluoreszenzniveau des Messmediums, da Blutprodukte in statischer Versuchsanordnung unter der verwendeten Anregungsstrahlung (UV-C) starken photochemischen Bleichungseffekten ausgesetzt sind. Als Messmedien untersucht werden Gefrorenes Frischplasma (GFP), eine Suspension aus Erythrozytenkonzentrat und GFP (EK + GFP) sowie am Versuchstag gespendetes heparinisiertes Vollblut. Es erfolgt die standardisierte Injektionen von vier Propofolboli, durch die im System Konzentrationen von 35,7 μg/ml bis 3,6 μg/ml entstehen und den klinisch relevanten Wirkspiegeln bei Narkoseeinleitung sowie Narkoseaufrechterhaltung entsprechen. Unter Anregung mit Licht der Wellenlänge 274 nm liefert Propofol ein maximales Signal bei 300 nm. Anhand der in engen zeitlichen Abständen aufgenommen Fluoreszenzspektren werden die Propofoleffekte bei 300 nm im Summationsspektrum des Blut-Propofol-Gemischs analysiert. Ergebnisse: Die Signalanstiege bei 300 nm nach Injektion in das mit GFP bzw. EK + GFP gefüllte Kreislaufsystem sind hochsignifikant für die erzeugten Propofolspiegel von 35,7 μg/ml bis 3,6 μg/ml und weisen eine sehr gute lineare Korrelation von R2 = 0,73 bis zu R2 = 0,99 zwischen Fluoreszenzsignal und Propofolkonzentration auf. Allein für diese Messmedien kann durch den Einsatz des Kreislaufmodells ein ausreichend stabiles Fluoreszenzsignal zum Propofolnachweis erreicht werden. Dem Fluoreszenzanstieg nach Propofolinjektion folgt in allen Messmedien ein über 30 Minuten andauernder Signalabfall, für den nach fluoreszenzspektrometrischer Untersuchung von Schlauchproben des Kreislaufmodells die Adsorption des lipophilen Anästhetikums an Silikon als ein ursächlicher Faktor bestimmt werden kann. Schlussfolgerung: Der direkte konzentrationsabhängige Fluoreszenznachweis von klinisch eingesetzten Propofol-Wirkspiegeln gelingt allein in transfusionsmedizinisch aufbreiteten Blutprodukten. / Background: The physical characteristics of the intravenous anaesthetic propofol enable to detect its specific emission spectrum with fluorescencespectroscopy. Striving for the goal of an instant Propofol-Online-Monitoring in the optically dense medium blood we developed an experimental setting for the research of the behavoiur of the Propofol-signal in circulation filled with blood products. Material and Methods: The designed circulation model allows a continous turnover of a samplevolume of 140,2 ml in the integrated quartzcuvette under reproducible test conditions. To aim to achieve a steady level of fluorescence of the test-medium circultion is necessary, due to the fact that blood products are showing photochemical bleachingeffects in a static setting under the used excitation-wavelenght (UV-C). The used test-mediums are Fresh Frozen Plasma (FFP), a suspension of Erythrocyte Concentrate (EC) and FFP (EC + FFP) plus in a final step a whole blood donation rejected within 12 hours. The testarrangement is starting with the injection of four Propofol-boli, which are diluted to concentrations between 35, 7 μg/ml to 3,6 μg/ml equivalent to clincally relevant levels under anesthetization and while maintaining anaesthesia. With the used exitation wavelength of 274 nm Propofols responses with a maximal signal of emission at 300 nm. With the fluorescence spectrums, detected in short intervalls, follows the analysis of the effect of Propofol at 300 nm in the summation spectrum of the blood-Propofol-mixture. Results: The rises of the fluorescence signal at 300 nm after injection in the circulation-model filled with FFP and EC + FFP are respectively high significant for the generated levels of Propofol between 35, 7 μg/ml to 3,6 μg/ml and show a very good linear correlation between fluorescence signal an concentration of Propofol. These test-mediums are reaching an adaquate signal of fluorescence for the detection of Propofol. After fluorescence rises by addition of Propofol follows a constantly decrease of the signal about 30 minutes. One responsible factor for the drecrease ist he adsorption of the lipophilic anesthetic at silicone tubing in the circulation model. Conclusion: The successfull instant detection of clinically used Propofol levels with a fluorescence signal at 300 nm in dependance on concentration succeeds with transfusion medically treated blood products. The following decrease of fluorescence does not describe pharmacological kinetics of Propofol in blood, because the verifiable adsorption of Propofol at silicone tubings restricts the validity of the in-vitro-model.

Main objectives of the present dissertation can be divided in two parts. The first part deals with setting up a spectroscopic technique for reliable and accurate measurements of the two-photon absorption (2PA) cross section spectra. In the second part, this firmly established experimental technique together with conventional spectroscopic characterization, quantum-chemical computations and theoretical modelling calculations was combined and therefore used as a tool to gain information for the so-called structure-property relationship through several molecular compounds. / Die Hauptziele der vorliegenden Dissertation lassen sich in zwei Teile gliedern. Der erste Teil befasst sich mit dem Aufbau einer spektroskopischen Technik zur zuverlässigen und genauen Messung der Zwei-Photonen-Absorptionsquerschnittsspektren (2PA). Im zweiten Teil wurde diese fest etablierte experimentelle Technik zusammen mit konventioneller spektroskopischer Charakterisierung, quantenchemischen Berechnungen und theoretischen Modellrechnungen kombiniert und damit als Werkzeug genutzt, um über mehrere molekulare Verbindungen Informationen für die sogenannte Struktur-Eigenschafts-Beziehung zu gewinnen.

Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik zur nichtlinearen Optik wider. Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2) und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren. Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s. Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2 und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum 5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt. Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt, zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt werden. In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s. Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben. Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs- Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel 5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.