<p>The thesis consists of two main parts of nonlinear optical instrumentation development. </p> <p>Fluorescence-detected mid-infrared photothermal (F-PTIR) microscopy is demonstrated for sub-diffraction limited mid-infrared microspectroscopy of model systems and applied to probe phase transformations in amorphous solid dispersions. To overcome the diffraction limit in infrared imaging, a highly localized temperature-dependent photothermal effect is an attractive alternative indicator to infrared absorption. Photothermal atomic force microscopy infrared spectroscopy (AFM-IR) achieves nanometer resolution by monitoring heat caused expansion but only restricted on the surface. For 3D imaging, optically detected photothermal infrared (O-PTIR) combines an infrared laser with a visible probe source with to transduce photothermal refractive index changes (e.g., from changes in beam divergence or scattering). The sensitivity of O-PTIR is ultimately limited by the relatively weak dependence of refractive index with temperature, exhibiting changes of ~0.01% per oC. Fluorescence-detected photothermal mid-infrared (F-PTIR) spectroscopy (Fig. 1) is demonstrated herein to support 3D imaging with improved photothermal sensitivity. In F-FTIR, the sensitivity of fluorescence quantum efficiency to temperature change (~1-2% per oC) is used to transduce transient heat flux from localized IR absorption. The infrared spatial resolution of F-FTIR is defined by fluorescence microscopy and the thermal diffusivity of the sample instead of infrared wavelength. Initial F-PTIR proof of concept studies are described for microparticle assemblies of silica gel and polyethylene glycol, followed by applications of F-PTIR for analysis of localized composition within phase-separated domains induced by water vapor exposure of an amorphous solid dispersion (ritonavir in copovidone).</p> <p>Fluorescence recovery while photobleaching (FRWP) is demonstrated as a method for quantitative measurements of rapid diffusion mapping over the microsecond to millisecond time scale. Diffusion measurements are critical for molecular mobility assessment in cell biology, materials science and pharmacology. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) is a well-known noninvasive optical microscopy method for measuring diffusion coefficients of macromolecules, such as proteins in cells and viscous solutions. However, conventional point-bleach FRAP is challenging to implement with multi-photon excitation and typically only supports diffusion analysis over millisecond time scales due to camera frame rate limitations. FRWP with patterned illumination addresses these limitations of FRAP by probing the fluorescence intensity changes while bleaching a comb pattern within a field of view (FoV). Fast-scanning of an ultrafast excitation beam distributes heat rapidly over multiple adjacent pixels, minimizing local heating effects that could complicate analogous diffusion measurements by point-bleach FRAP with multiphoton excitation. In FRWP, time-scales of the probed diffusion events are defined by a single line-pass time of a resonant scanning-mirror with a period of 125  s. In FRWP, the bleach pattern spans locations across the whole FoV, enabling diffusion mapping through image segmentation. More than a hundred bleaching and recovery events can be recorded during a single 10s measurement. Normal and anomalous diffusion of rhodamine-labeled bovine serum albumin (BSA) molecules was studied as a model system, with applications targeting rapid assessment of therapeutic macromolecule mobility within heterogeneous biological environments.</p>

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The identification and quantification of atoms, molecules, or ions concentrations in gaseous samples are in great demand for medical, environmental, industrial, law enforcement and national security applications. These applications require in situ, high-resolution, non-destructive, sensitive, miniature, inexpensive, rapid detection, remotely accessed, real time and continuously operating chemical sensing devices. The aim of this work is to design a miniature optical sensing device that is capable of detecting and measuring chemical species, compatible with being integrated into a large variety of monitoring systems, and durable enough to be used under extreme conditions. The miniature optical sensor has been realized by employing technologies from the optical communication industry and spectroscopic methods and techniques. Fused silica capillary tubing along with standard communication optical fibers have been utilized to make miniature gas sensor based on near-infrared spectroscopy for acetylene gas detection. In this work, the basic principles of infrared spectroscopy are reviewed. Also, the principle of operation, fabrication, testing, and analysis of the proposed sensor are discussed in details. / Master of Science

Die Energierelaxationsdynamik und strukturelle Dynamik der DNA spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis der photochemischen Eigenschaften und biologischen Funktion von DNA. Die schnellsten Prozesse geschehen dabei auf Zeitskalen im Femto- bis Pikosekundenbereich und können durch zeitaufgelöste (ultraschnelle) Messungen an molekularen Schwingungsanregungen in Echtzeit beobachtet werden. In dieser Arbeit werden NH-Streck Schwingungsmoden der Nukleobasen sowie OH-Streckmoden der Hydrathülle mittels linearer infrarot (IR) Spektroskopie sowie ultraschneller Pump-Probe und zweidimensionaler IR Spektroskopie untersucht. Messungen an monomerartigen Nukleobasen, wasserstoffverbrückten Nukleobasenpaaren und kurzen DNA Fragmenten in Doppelhelixstruktur ermöglichen es, die Effekte der verschiedenen Wasserstoffbrücken und Schwingungskopplungen separat voneinander zu untersuchen. Im Zusammenspiel mit exzitonischen und quantenchemischen Rechnungen werden so weitreichende Einsichten in die spektroskopischen Eigenschaften und die Relaxationsdynamik von Schwingungsanregungen in DNA gewonnen. Es wird u.a. gezeigt, dass Wasserstoffbrücken zwischen Nukleobasen eine Lebensdauer größer 1 ps besitzen und eine beschleunigte Energierelaxation durch Fermiresonanzen mit niederfrequenten Schwingungsmoden des Fingerprintbereichs bewirken. Die DNA-Hydrathülle zeigt eine ultraschnelle strukturelle Dynamik unabhängig von der Basenpaarzusammensetzung und fungiert als effiziente Wärmesenke für hochfrequente Schwingungsanregungen. / Energy relaxation and structural dynamics in DNA play a crucial role for the understanding of the photochemical properties and biological function of DNA. The fastest of such processes occur on the femto- to picosecond time scale and can be followed in real time through time-resolved (ultrafast) measurements on molecular vibrations. In this work, NH stretching excitations of nucleobases and OH stretching modes of the hydration shell are analyzed through linear infrared (IR) spectroscopy as well as ultrafast pump-probe and two-dimensional IR spectroscopy. Measurements on monomeric nucleobases, hydrogen-bonded nucleobase pairs, and short DNA fragments in double helix structure allow one to examine the effects of the different hydrogen bonds and vibrational couplings separately from each other. The combination with excitonic and quantum chemical calculations provides profound new insights into the spectroscopic properties and relaxation dynamics of vibrational excitations in DNA. This work shows that hydrogen bonds between nucleobases have a lifetime greater than 1 ps and lead to an accelerated dissipation of energy due to Fermi resonances with vibrational modes in the fingerprint range. The hydration shell of DNA exhibits ultrafast structural dynamics independent of the base pair composition and serves as an efficient heat sink for high-energy vibrational excitations.

For the first time, successful synthesis of an unknown class of compounds, 3-azido-2H-azirines, which are implicated as highly reactive intermediates in the thermolysis of the corresponding 1,1-diazidoethenes, has been performed. These elusive heterocycles have been detected and characterised by low-temperature NMR and in situ IR spectroscopy. Even the parent compound, 3-azido-2H-azirine, has been observed via low-temperature photolysis of 1,1-diazidoethene, as a highly reactive species with a half-life period of only 12 min at −40 °C. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Les études d'interaction protéine-ligand aident à mieux comprendre la structure et la fonction des protéines. Dans la première partie de la thèse, la cyt bd oxydase a été étudiée. La protéine d'E. coli a été immobilisée avec succès sur des électrodes modifiées par des nanoparticules d'or. Ainsi, un biocapteur électrochimique a été créé, permettant de tester certains inhibiteurs potentiels de cyt bd provenant d’E. coli. Le cyt bd issue de G. thermodenitrificans thermophile a également été étudié. En faisant appel aux spectroscopies IR et Raman ainsi que l’électrochimie, il a été démontré que la protéine est distincte du cyt bd d’E. coli. Une influence mutuelle du pH et de la température sur la catalyse a été aussi démontrée. La deuxième partie de la thèse portait sur la protéine mitochondriale mitoNEET. L'influence du pH et de divers ligands (pioglitazone, resvératrol, ions phosphates) a été examinée. / Protein-ligand interaction studies help to better understand the structure and function of proteins. In the first part of the thesis cyt bd oxidase was studied. The protein from E. coli was successfully immobilised at gold nanoparticles modified electrodes. Thus, an electrochemical biosensor was created allowing testing some potential inhibitors of cyt bd from E. coli. The cyt bd from thermophilic G. thermodenitrificans was also studied. By means of IR, Raman spectroscopy and electrochemistry the protein was shown to be distinct from cyt bd from E. coli. A mutual influence of pH and temperature was demonstrated on the electrochemical and catalytical properties. The second part of the thesis focused on mitochondrial mitoNEET protein. The influence of the pH and various ligands was studied.

Die Struktur von DNS Molekülen und ihre Wechselwirkung mit Wasser werden seit langer Zeit heiß diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wird nichtlineare Spektroskopie zur Untersuchung dieser Systeme angewendet. Oligomere, die aus 23 alternierenden Adenin-Thymin-Basenpaaren bestehen und eine Doppelhelix bilden, wurden mit Hilfe von 2D IR Spektroskopie für verschiedene Hydratisierungsgrade untersucht. Für DNS-Filme bei 0% relativer Feuchte (r.F.) erlauben die transienten Spektren eine Unterscheidung der NH Streckschwingung von Thymin ((NH)), der symmetrischen und asymmetrischen NH2 Streckschwingung von Adenin (s(NH2) and a(NH2)) sowie die Bestimmung der jeweiligen Linienprofile. Die Spektren zeigen eine homogene Verbreiterung für die (NHT) wohingegen die s(NH2) and a(NH2) eine ausgeprägte und zeitunabhängige inhomogene Verbreiterung zeigen, welche auf Unordnungen in der DNS-Struktur hinweisen. Außerdem kann Energietransfer von der a(NH2) zur (NH) beobachtet werden. Bei Erhöhung der r.F. hat die erhöhte Anzahl von Wassermolekülen nur einen geringen Einfluss auf die Positionen und Linienprofile der NH Streckschwingungen. Dadurch wird nahegelegt, dass die spektrale Dynamik vom DNS Molekül selbst und nicht vom umgebenen Wasser bestimmt ist. Im Gegensatz dazu zeigt die OH Streckmode der Wasserhülle um die DNS spektrale Diffusion auf einer 500 fs Zeitskala. Guanosin-Cytidin(GC)-Basenpaare wurden in Chloroformlösung untersucht, um die Wechselwirkung zwischen Basenpaaren zu verstehen. Dabei wurden die NH Schwingungen in einer local mode Darstellung betrachtet, die zwei freie NH Gruppen von G und C und drei wasserstoffverbrückte NH Gruppen beeinhaltet. Die Kopplungen und Relaxationsdynamik der NH Streckanregungen wurden mit Femtosekunden-Pump-Probe und 2D IR Experimenten studiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verringerung der Lebensdauer mit der Bildung von Wasserstoffbrücken sowie Energietransfer zwischen zwei wasserstoffverbrückten NH Streckschwingungen. / The structure of DNA molecule and the interactions with its surrounding water is a hot topic for long time. In this thesis, we employ the nonlinear spectroscopy, including femtosecond pump-probe and two-dimensional infrared (2D IR) experiment, to study the vibrational dynamics of the systems. Double-stranded DNA short oligomers containing 23 alternating adenine-thymine base pairs were studied at different hydration levels by femtosecond 2D IR spectroscopy. For a DNA film at 0% relative humidity, the transient spectra enable a separation of the NH stretching mode of thymine from the symmetric and asymmetric NH2 stretching modes of adenine and determine the individual line shapes. For the NH stretch of thymine, the spectra demonstrate an essential homogeneous broadening, whereas for the symmetric and asymmetric NH2 stretches a pronounced and time-independent inhomogeneous broadening suggests a disorder in DNA structure. An energy transfer from the asymmetric NH2 stretch of adenine to the NH stretch of thymine is also observed. When the relative humidity increases, the increased water molecules have limited influence on the positions and line shapes of NH stretching frequencies, suggesting the spectral dynamics governed by DNA rather than water fluctuations. In contrast, the OH stretching mode of water shell around hydrated DNA undergoes a spectral diffusion on a 500 fs time scale, which is slower than the neat water. The guanosine-cytidine (GC) base pairs in chloroform solution were investigated to understand the interactions within base pairs. A local mode representationof NH stretching mode is adopted, consisting two free NH groups of G and C and three hydrogen bonded NH groups. The coupling and relaxation dynamics of the NH stretching excitations are studied by femtosecond pump-probe and 2D IR experiments. The results demonstrate a lifetime shortening upon the formation of hydrogen bonds, and an energy transfer between two hydrogen-bonded NH stretches.

Die Unsicherheit analytischer Ergebnisse lässt Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der angewandten Analyseverfahren zu. Entsprechend den Qualitätsanforderungen an akkreditierte Prüf- und Kalibrierlaboratorien (siehe u.a. Norm ISO/IEC 17025) ist daher die Angabe der Messunsicherheit erforderlich. Zur Ermittlung der Messunsicherheit typischer FT-IR-spektroskopischer Analysen von Feststoffen und Flüssigkeiten wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses zahlreicher FT-, proben- und gerätespezifischer Parameter auf den Messwert durchgeführt. Die Überprüfung der Ordinatenrichtigkeit bei FT-IR-spektroskopischen Messungen an Gläsern erfolgte mit Hilfe eines Transmissionsstandards des National Physical Laboratory (NPL), der aus einem Schott NG11 Neutralglasfilter besteht, und bei Messungen an Flüssigkeiten durch Vergleich der nach einem Absolutverfahren bestimmten Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit von der IUPAC publizierten Standardwerten. Nach Optimierung der Messbedingungen stimmen die Transmissionswerte des NPL-Standards und die Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit den entsprechenden Standardwerten überein. Die für die Bestimmung dieser Messgrößen aufgestellten Unsicherheitsbilanzen gestatten die quantitative Abschätzung des Einflusses einzelner Parameter auf die Gesamtunsicherheit. Bei Anwendung der KBr-Presstechnik für die quantitative Analyse von unlöslichen Feststoffen haben die Partikelgröße des Analyten und die Homogenität der Presslinge einen dominierenden Einfluss auf die Qualität der Spektren. Um die Unsicherheit zu minimieren, die auf dem Einfluss der Partikelgröße beruht, muss es ein Ziel der Probenvorbereitung sein, dass die Partikeldurchmesser der Kalibriersubstanz und des Analyten einen Wert von ca. 2 µm nicht überschreiten und möglichst gleich groß sind. Bei Untersuchungen mit Calciumcarbonat-Proben unterschiedlicher Partikeldurchmesser hat sich die Halbwertsbreite der auszuwertenden Bande, die mit der Partikelgröße korreliert, als ein geeignetes Maß für die Beurteilung erwiesen, wie gut letztere Bedingung erfüllt ist. Eine inhomogene Verteilung der absorbierenden Partikel im Pressling kann durch Durchstrahlen der gesamten Oberfläche des Presslings oder durch Mitteln der an verschiedenen Positionen des Presslings gemessenen Spektren berücksichtigt werden. Diese Arbeiten zeigen, dass die Anwendung der KBr-Presstechnik bei sorgfältiger Probenvorbereitung und Einhaltung optimaler Messbedingungen im Rahmen der Messunsicherheit zu richtigen Ergebnissen führt. / The uncertainty of analytical results allows to assess the reliability of the applied analytical methods. According to quality requirements for accredited laboratories (see e.g. ISO/IEC 17025) it is necessary to report the uncertainty of measurement. In order to evaluate the uncertainty of typical quantitative FT-IR spectroscopic analysis of solids and liquids a detailed study of the influence of numerous FT-, sample- and instrument-specific parameters on the measurand was performed. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on glasses was tested with a transmittance standard of the National Physical Laboratory (NPL) that consists of a Schott NG11 neutral density filter. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on liquids was checked by the comparison of the molar absorptivities of dichloromethane determined by transmission measurements with the standard values published by IUPAC. After optimisation of the measurement conditions the transmittance values of the NPL standard and the molar absorptivities of dichloromethane are in accordance with the corresponding standard values. The uncertainty budgets evaluated for these measurends makes it possible to assess the contribution of a single parameter on the combined uncertainty. By using the KBr pressed pellet technique for the quantitative analysis of insoluble solids the particle size of the analyte and the homogeneity of the pellets are the major contributions to the quality of spectra. In order to minimize the uncertainty due to the particle size a purpose of the sample preparation must be to reduce the particle sizes of the calibration sample and the analyte to a maximum size of 2 µm and both particle sizes should agree. A detailed study with calcium carbonate samples with different mean particle sizes has shown that the half-width of the analysed band depends on the particle size and is suitable to test how far the last mentioned condition is fulfilled. In order to minimize the uncertainty due to an inhomogeneous distribution of the absorbing particles in the pellets the infrared beam must pass through the whole surface area of a pellet or the mean value of the spectra measured at different positions on the surface area has to be evaluated. This work proves that the use of the pressed pellet technique can lead to correct results within the limits of the uncertainty if the sample preparation is carried out carefully and optimal measurement conditions are kept.

Das erste gestellte Ziel war es, die histologischen Strukturen eines Gewebedünnschnittes anhand der aufgenommenen FT-IR-Spektren sichtbar zu machen und diese mit dem konventionell gefärbten Schnitt und der autoradiographischen Aufnahme zu vergleichen. Dazu wurde ein Messsystem bestehend aus einem FT-IR-Spektrometer mit Mikroskop und einem computergesteuerten XY-Tisch aufgebaut und die notwendige Steuer- und Auswerte-Software entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass sich die FT-IR-Spektren mit geeigneten Auswerteverfahren zur Darstellung der histologischen Strukturen nutzen lassen. Dazu wurden zwei verschiedene Methoden eingesetzt, die PCA und die Fuzzy-Clusterung (FCM). Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte ein Klassifikations-Algorithmus gefunden werden, mit dessen Hilfe sich Spektren von unbekannten Gewebeproben vorher definierten Modellen zuordnen lassen. Dazu wurde eine Spektren-Datenbank aus mehr als einhundert Gewebeproben angelegt. Aus dieser Datenbank wurden einige zehntausend Spektren ausgewählt und zu Modell-Datensätzen für sechs verschiedene Gewebetypen zusammengefasst. Für die Zuordnung unbekannter Spektren zu diesen Modellen wurde ein SIMCA-Klassifikations-Algorithmus entwickelt sowie ein LDA-Algorithmus eingesetzt. Für beide Methoden wurde die Klassi-fikations-Leistung anhand der Spezifität und Sensitivität bestimmt. Beide Klassifikations-Algorithmen führten zu guten Ergebnissen. Der SIMCA-Algorithmus erreichte eine Spezifität zwischen 97 % und 100 %, sowie eine Sensitivität zwischen 62 % und 78 % (bei einem Vertrauensintervall von 97,5 %). Der LDA-Algorithmus ermöglichte eine etwas bessere Sensitivität von 72 % bis 90 %, auf Kosten der Spezifität, welche zwischen 90 % und 98 % lag. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich die FT-IR-Mikrospektroskopie und die vorgestellten Auswerte-Algorithmen sehr gut zur Klassifizierung von Gewebedünnschnitten eignen.