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Sensorgeführte Bewegungen stationärer RoboterWinkler, Alexander 17 June 2015 (has links)
Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt.
Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern.
In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden.
Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt.
Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert. / This work deals with so-called sensor guided robot motions, which means using the data of external sensors to control the robot. The control loop of the sensor guided robot motion can be only closed around the position control loop, because industrial robot systems usually work position controlled and only access to the desired positions is enabled. For this reason here only position based control approaches are regarded.
Force/torque control is a very important type of sensor guided robot motions. According to this, a good portion of this work deals with the subject of force/torque control. Thus, the acceptance of force/torque control in industrial production processes should be increased, by using innovative and clear control algorithms. For this purpose force control in one degree of freedom, contour-following, force/torque controlled assembling tasks and the cooperation between robots are discussed here in different chapters.
Thereafter, a concept to collision avoidance between robots and obstacles is presented. It uses the approach of virtual potential/force fields. In this case the artificial field induces a robot motion away from the obstacle. The method of artificial charges is developed to generate this field. For this purpose virtual charges are placed on the surface of the obstacles. Placing of the charges can be performed using e.g. CAD data of the obstacles. Having moving obstacles charge positions must be updated continuously.
The inverted pendulum is commonly used teaching students in control theory. The swinging up and the stabilization of the pendulum also can be performed by an industrial robot. One chapter of this work deals with modelling of the robot mounted inverted pendulum and control algorithms for its swinging up and its stabilization. Finally, in combination with the inverted pendulum a visual-servoing system is presented, which measures the pendulum inclination angle by camera.
All concepts introduced in this work are verified by practical experiments.
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Identification of Potential Sources of Measurement Errors in an Isokinetic Dynamometer : Reliability Analysis of Shoulder Abduction and Flexion Data / Identifiering av potentiella källor till mätfel hos en isokinetisk dynamometer : Tillförlitlighetsanalys av axelabduktion och flexionsdataGrannerud, Malena January 2022 (has links)
The evaluation of shoulder abduction and flexion strength is important in the rehabilitation after rotator cuff tear. The purpose of this work is to assess the intra and inter-rater reliability of measurement data from an isokinetic dynamometer used to evaluate shoulder abduction and flexion strength, with the aim to identify sources of measurement errors and suggest improvements. The measurement data was collected by a research group at Karolinska Institute and contained load and torque data from thirteen healthy subjects in the ages of 25 to 87 years. The measurements were carried out on two occasions, one week apart. Systematic differences between occasions are analyzed using the Shapiro Wilk test, the paired t-test, and Wilcoxon signed rank test. The agreement of the measurements is analyzed quantitatively using the coefficient of variation and the Bland Altman plot, and quantitively, using the intraclass correlation coefficient. A significant systematic difference in shoulder abduction and flexion load measurements was found, and the recommendation to prevent this is that components should be calibrated in a standardized way. The measurements showed varying reliability within and between measurement occasions and that after familiarization with the isokinetic dynamometer, repeatability improved. The findings indicate a need of a standardized protocol for patient education and placement. Measurements from the position sensor contributed to more random torque values. To improve the repeatability in measurements from the position sensor, axis of rotation should be kept aligned. An increasing variability in measurements with increasing load and torque was found. The recommendation is to use a preload for patients using more force in the movement, to make sure a preset speed is not exceeded, which contributes to more reliable measurements. / Utvärderingen av axelabduktion och flexionsstyrka är viktig i rehabiliteringen efter skada i axelleden. Syftet med det här arbetet är att bedöma intra- och interbedömartillförlitligheten hos mätdata från en isokinetisk dynamometer som används för att utvärdera axelabduktion och flexionsstyrka, med syftet att identifiera källor till mätfel och föreslå förbättringar. Mätdatat samlades in av en forskargrupp vid Karolinska Institutet och innehöll belastnings- och vridmomentdata från tretton friska försökspersoner i åldrarna 25 till 87 år. Mätningarna utfördes vid två tillfällen med en veckas mellanrum. Systematiska skillnader mellan tillfällena analyseras med Shapiro Wilk-testet, det parade t-testet och Wilcoxon signed rank test. Mätningarnas överensstämmelse analyseras kvantitativt med hjälp av variationskoefficienten och Bland Altman-diagrammet, samt kvalitativt med hjälp av intraklasskorrelationskoefficienten. En signifikant systematisk skillnad i axelabduktion och flexionsbelastningsmätningar hittades, och rekommendationen för att förhindra detta är att komponenter bör kalibreras på ett standardiserat sätt. Mätningarna visade på en varierande tillförlitlighet inom och mellan mättillfällen och att efter bekantskap med den isokinetiska dynamometern, förbättrades repeterbarheten. Slutsatserna indikerar ett behov av ett standardiserat protokoll för patientutbildning och placering. Mätningar från positionssensorn bidrog till mer slumpmässiga vridmomentvärden. För att förbättra repeterbarheten i mätningar från positionssensorn bör rotationsaxeln hållas i linje. En ökande variation mellan mättillfällen med ökande belastning och vridmoment hittades. Rekommendationen är att använda en förspänning för patienter som använder mer kraft i rörelsen, för att säkerställa att en förinställd hastighet inte överskrids, vilket bidrar till mer tillförlitliga mätningar.
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Micro- and Nano-Raman Characterization of Organic and Inorganic MaterialsSheremet, Evgeniya 26 November 2015 (has links) (PDF)
Die Raman-Spektroskopie ist eine der nützlichsten optischen Methoden zur Untersuchung der Phononen organischer und anorganischer Materialien. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der damit einhergehenden Verkleinerung der Strukturen von der Mikrometer- zur Nanometerskala nehmen das Streuvolumen und somit auch das Raman-Signal drastisch ab. Daher werden neue Herangehensweisen benötigt um sie mit optischer Spektroskopie zu untersuchen. Ein häufig genutzter Ansatz um die Signalintensität zu erhöhen ist die Verwendung von Resonanz-Raman-Streuung, das heißt dass die Anregungsenergie an die Energie eines optischen Überganges in der Struktur angepasst wird. In dieser Arbeit wurden InAs/Al(Ga)As-basierte Multilagen mit einer Periodizität unterhalb des Beugungslimits mittels Resonanz-Mikro-Raman-Spektroskopie und Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) den jeweiligen Schichten zugeordnet.
Ein effizienterer Weg um die Raman-Sensitivität zu erhöhen ist die Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Sie beruht hauptsächlich auf der Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung aufgrund von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen in Metallnanostrukturen.
Beide oben genannten Signalverstärkungsmethoden wurden in dieser Arbeit zur oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Streuung kombiniert um geringe Mengen organischer und anorganischer Materialien (ultradünne Cobalt-Phthalocyanin-Schichten (CoPc), CuS und CdSe Nanokristalle) zu untersuchen. Damit wurden in beiden Fällen Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung 103 bis 104 erreicht, wobei bewiesen werden konnte, dass der dominante Verstärkungsmechanismus die elektromagnetische Verstärkung ist.
Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Spezialfall von SERS, bei dem das Auflösungsvermögen von Licht unterschritten werden kann, was zu einer drastischen Verbesserung der lateralen Auflösung gegenüber der konventionellen Mikro-Raman-Spektroskopie führt. Dies konnte mit Hilfe einer Spitze erreicht werden, die als einzelner plasmonischer Streuer wirkt. Dabei wird die Spitze in einer kontrollierten Weise gegenüber der Probe bewegt. Die Anwendung von TERS erforderte zunächst die Entwicklung und Optimierung eines AFM-basierten TERS-Aufbaus und TERS-aktiver Spitzen, welche Gegenstand dieser Arbeit war. TERS-Bilder mit Auflösungen unter 15 nm konnten auf einer Testprobe mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen realisiert werden. Die TERS-Verstärkung und ihre Abhängigkeit vom Substratmaterial, der Substratmorphologie sowie der AFM-Betriebsart wurden anhand der CoPc-Schichten, die auf nanostrukturierten Goldsubstraten abgeschieden wurden, evaluiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe örtliche Auflösung der TERS-Verstärkung die selektive Detektion des Signals weniger CdSe-Nanokristalle möglich macht.
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Dimensionering och konstruktion av passiv mekanisk pitch för småskaliga horisontalaxlade vindkraftverk / Design and construction of passive mechanical pitch for small-scale horizontal axis wind turbinesOljelund, David January 2020 (has links)
För vindkraftverk i mindre skala används i huvudsak två sätt att avlasta vid höga vindhastigheter, stallreglering och girning ur vind. En tredje metod är att pitcha rotorbladet till en mindre attackvinkel. Då minskar belastningen på rotorbladet samtidigt som effektgenerering kan bibehållas. Arbetet redovisar en konstruktion för en fjädrande passiv mekanisk pitch som avgränsats till att enbart dimensionera en vridfjäder och tre lager. Konstruktionen riktas mot horisontalaxlade vindkraftverk med tre rotorblad med en rotordiameter upp till 20m. Ett idealt rotorblad modelleras matematiskt för att ta fram dimensionerande krafter och moment. Utifrån detta kan sedan vridfjäder och lager dimensioneras. Konstruktionen tillsammans med dimensioneringen visar att belastning av rotorbladet kan reduceras samt att krafter som är kopplad till effekten kan hållas mer eller mindre konstant för vindhastigheter 16 till 24 m/s. Resultat av dimensionering visar att både vridfjäder och lager kan relativt enkelt anpassas till olika axeldiametrar. Slutsatserna blir att om dimensionering görs enligt arbetet är det, åtminstone i teorin, möjligt att uppnå det önskade beteendet för pitchen. För vidare arbete och verifiering rekommenderas bland annat att göra reella tester för vridfjädern för att bestämma dess precision på grund av fjäderns små vinkelutslag. / For small-scale wind turbines, there are mainly two ways of reducing loads at high wind speeds, stall regulation and yaw the rotor out of wind. A third method is to pitch the rotor blade to a smaller angle of attack. This reduces the load on the rotor blade while maintaining power generation. The following work presents a design for a spring based passive mechanical pitch that is limited to only dimensioning a torsion spring and three bearings. The design is aimed at horizontal axis wind turbines with three rotor blades with a rotor diameter up to 20m. An ideal rotor blade is mathematically modeled to produce the forces and torques needed in order to properly dimension the torsion spring and bearings. The design shows that the load of the rotor blade can be reduced and that forces connected to the power can be kept more or less constant for wind speeds 16 to 24 m / s. The results of sizing show that both the torsion spring and bearings can be adapted to different shaft diameters relatively easy. The conclusions are that if dimensioning is done according to the presented results, it is possible, at least in theory, to achieve the desired behaviour. For further development and verification it is recommended to do real tests for the torsion spring to determine its precision due to small angle displacement in the spring.
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Zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit metallischer Verbundpartner auf die Grenzflächeneigenschaften von Kunststoff-Metall-VerbundenSpadaro, Marcel 29 January 2024 (has links)
Das Verständnis über die Ausbildung der Grenzfläche eines hybriden Bauteils aus thermoplastischem Kunststoff und Metall sowie die maßgeblichen Faktoren zum Erreichen einer hohen Verbundhaftung und Mediendichtheit in der Grenzfläche stellen nach wie vor eine große Herausforderung dar. Am Beispiel einer spritzgegossenen Kunststoff-Metall-Verbundprobe werden diese Zusammenhänge untersucht und bewertet. Es wird eine Methode zur Herstellung stoffschlüssig gefügter Verbunde mit hoher Mediendichtheit auf Basis einer hohen Kontakttemperatur beim Fügen entwickelt, indem Verbundspritzgießen und nachträgliches thermisches Fügen durch Induktionsheizen kombiniert werden. Eine stoffschlüssige Verbindung mit hoher Mediendichtheit zwischen thermoplastischem Kunststoff und Metall erfordert eine Haftung in der Grenzfläche der Verbundpartner auf Basis intermolekularer Wechselwirkungen. Die Quantifizierung der Mediendichtheit in der Grenzfläche erfolgt über eine eigens entwickelte Messmethode. Die entwickelte Vorgehensweise ermöglichet die Differenzierung zwischen intermolekularen Wechselwirkungen und mechanischen Verklammerungen als Ursache für eine Haftungsausbildung und deren Einfluss auf die Grenzflächeneigenschaften. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis der Grenzflächenausbildung, insbesondere zum Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit des metallischen Verbundpartners sowie der Fügeprozessbedingungen zur Fertigung von Kunststoff-Metall-Verbunden mit hoher Mediendichtheit, bei.:1 Einleitung und Motivation
2 Stand der Technik und Forschung
3 Zielsetzung und Lösungsansatz
4 Experimentelles
5 Analytik
6 Ergebnisse
7 Diskussion der Ergebnisse
8 Zusammenfassung und Ausblick / Understanding the formation of the interface of a hybrid component made of thermoplastic and metal as well as the decisive factors for achieving high adhe-sion and media tightness in the interface still represent a major challenge. These relationships are investigated and elucidated using the example of an injection-molded plastic-metal part. A method for the production of firmly bonded hybrid parts with high media tightness based on a high contact temperature during joining of the hybrid part is developed by combining injection molding and subsequent thermal joining by induction heating. A firm bond with high media tightness between a thermoplastic and a metal requires an adhesion in the inter-face of the joint materials based on molecular interactions. The quantification of the media tightness in the interface is done by using a specially developed measurement method. The investigations enable the differentiation between molecular interactions and mechanical interlocking as the cause of adhesion formation and their influence on the properties of the interface. The gained knowledge contributes to the understanding of interface formation and its prop-erties, in particular the influence of the surface properties of the metallic bond partner and the joining process conditions for the production of plastic-metal parts with high media tightness.:1 Einleitung und Motivation
2 Stand der Technik und Forschung
3 Zielsetzung und Lösungsansatz
4 Experimentelles
5 Analytik
6 Ergebnisse
7 Diskussion der Ergebnisse
8 Zusammenfassung und Ausblick
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Quantification of Achilles tendon force and triceps surae muscle energy production during human locomotion / Consideration of monoarticular and biarticular mechanismsKharazi, Mohamadreza 25 August 2023 (has links)
Aktuelle In-vivo-Methoden zur Bewertung der Belastung und Dehnung der Achillessehne (AT) in der biomechanischen Literatur haben bestimmte Einschränkungen, die sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Daher hatte die erste Studie zum Ziel, die AT-Dehnung und -Kraft während der Fortbewegung mithilfe einer genauen, nicht-invasiven Methode zu messen. Die Länge der AT wurde unter Berücksichtigung ihrer Krümmung mit reflektierenden Folienmarkern von der Insertion am Fersenbein bis zum Übergang zwischen der Muskel-Sehnen-Verbindung des Musculus gastrocnemius medialis (GM-MTJ) gemessen. Die Kraft der AT wurde durch Anpassung einer quadratischen Funktion an die experimentelle Kraft-Längen-Kurve der Sehne ermittelt, die aus maximalen freiwilligen isometrischen Kontraktionen (MVC) gewonnen wurde. Die Ergebnisse der zweiten Studie zeigen, dass eine Erhöhung der Gehgeschwindigkeit zu einer 21%igen Abnahme der maximalen AT-Kraft bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zur bevorzugten Geschwindigkeit führt, während die Nettobelastung der AT-Kraft am Sprunggelenk (ATF-Arbeit) in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit zunimmt. Darüber hinaus trugen eine frühere Plantarflexion, erhöhte elektromyografische Aktivität der Muskeln Sol und GM sowie der Energieübertrag von Knie- zu Sprunggelenk durch die biartikulären Musculi gastrocnemii zu einer 1,7- bzw. 2,4-fachen Zunahme der netto ATF-Mechanik-Arbeit bei Übergangs- und maximalen Gehgeschwindigkeiten bei. Das Ziel der dritten Studie war es, die in der ersten Studie vorgeschlagene Methode zu vereinfachen, indem die Anzahl der reflektierenden Folienmarker reduziert wurde, jedoch die hohe Genauigkeit beibehalten wurde. Die Krümmung der AT wurde mithilfe von reflektierenden Folienmarkern zwischen dem Ursprung des GM-MTJ und dem Einführungsmarker am Fersenbein beurteilt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Reduzierung der Anzahl der Folienmarker um 70% beim Gehen und um 50% beim Laufen zu einem marginalen Fehler führen würde und somit einen vernachlässigbaren Effekt auf die Länge der AT und die maximale Dehnungsmessung hätte. / Current in vivo methods to assess the Achilles tendon (AT) strain and loading in the biomechanics literature have certain limitations that require careful consideration. Therefore, the first study was to measure the AT strain and quantify AT force during locomotion with an accurate non-invasive method. AT length was measured considering its curvature using reflective foil markers from AT insertion at calcaneus to gastrocnemius medialis muscle-tendon junction (GM-MTJ). The force of the AT was calculated by fitting a quadratic function to the experimental tendon force-length curve obtained from maximum voluntary isometric contractions (MVC). The findings in second study indicate that an increase in walking speed leads to a 21% decrease in maximum AT force at higher speeds compared to the preferred speed, yet the net work of the AT force at the ankle joint (ATF-work) increased as a function of walking speed. Additionally, an earlier plantar flexion, increased electromyographic activity of the Sol and GM muscles, and knee-to-ankle joint energy transfer via the biarticular gastrocnemii contributed to a 1.7 and 2.4-fold increase in the net ATF-mechanical work in the transition and maximum walking speeds. The objective of the third study was to simplify the proposed method in the first study by reducing the number of foil reflective markers while preserving high accuracy. The AT curvature was assessed using reflective foil markers between the GM-MTJ origin and the calcaneal insertion marker. Our results indicate that reducing the number of foil markers by 70% during walking and 50% during running would result in a marginal error and, thus, a negligible effect on the AT length and maximum strain measurement.
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Veranschaulichung subzellulärer physikalischer Kräfte biochemischen und mechanischen Ursprungs mittels FRET / Insights into the spatiotemporal regulation of the cellular cytoskeleton through applications of FRETMitkovski, Miso 03 November 2005 (has links)
No description available.
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Micro- and Nano-Raman Characterization of Organic and Inorganic MaterialsSheremet, Evgeniya 07 October 2015 (has links)
Die Raman-Spektroskopie ist eine der nützlichsten optischen Methoden zur Untersuchung der Phononen organischer und anorganischer Materialien. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der damit einhergehenden Verkleinerung der Strukturen von der Mikrometer- zur Nanometerskala nehmen das Streuvolumen und somit auch das Raman-Signal drastisch ab. Daher werden neue Herangehensweisen benötigt um sie mit optischer Spektroskopie zu untersuchen. Ein häufig genutzter Ansatz um die Signalintensität zu erhöhen ist die Verwendung von Resonanz-Raman-Streuung, das heißt dass die Anregungsenergie an die Energie eines optischen Überganges in der Struktur angepasst wird. In dieser Arbeit wurden InAs/Al(Ga)As-basierte Multilagen mit einer Periodizität unterhalb des Beugungslimits mittels Resonanz-Mikro-Raman-Spektroskopie und Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) den jeweiligen Schichten zugeordnet.
Ein effizienterer Weg um die Raman-Sensitivität zu erhöhen ist die Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Sie beruht hauptsächlich auf der Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung aufgrund von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen in Metallnanostrukturen.
Beide oben genannten Signalverstärkungsmethoden wurden in dieser Arbeit zur oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Streuung kombiniert um geringe Mengen organischer und anorganischer Materialien (ultradünne Cobalt-Phthalocyanin-Schichten (CoPc), CuS und CdSe Nanokristalle) zu untersuchen. Damit wurden in beiden Fällen Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung 103 bis 104 erreicht, wobei bewiesen werden konnte, dass der dominante Verstärkungsmechanismus die elektromagnetische Verstärkung ist.
Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Spezialfall von SERS, bei dem das Auflösungsvermögen von Licht unterschritten werden kann, was zu einer drastischen Verbesserung der lateralen Auflösung gegenüber der konventionellen Mikro-Raman-Spektroskopie führt. Dies konnte mit Hilfe einer Spitze erreicht werden, die als einzelner plasmonischer Streuer wirkt. Dabei wird die Spitze in einer kontrollierten Weise gegenüber der Probe bewegt. Die Anwendung von TERS erforderte zunächst die Entwicklung und Optimierung eines AFM-basierten TERS-Aufbaus und TERS-aktiver Spitzen, welche Gegenstand dieser Arbeit war. TERS-Bilder mit Auflösungen unter 15 nm konnten auf einer Testprobe mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen realisiert werden. Die TERS-Verstärkung und ihre Abhängigkeit vom Substratmaterial, der Substratmorphologie sowie der AFM-Betriebsart wurden anhand der CoPc-Schichten, die auf nanostrukturierten Goldsubstraten abgeschieden wurden, evaluiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe örtliche Auflösung der TERS-Verstärkung die selektive Detektion des Signals weniger CdSe-Nanokristalle möglich macht.:Bibliografische Beschreibung 3
Parts of this work are published in 5
Table of contents 7
List of abbreviations 10
Introduction 11
Chapter 1. Principles of Raman spectroscopy, surface- and tip-enhanced Raman spectroscopies 15
1.1. Raman spectroscopy: its benefits and limitations 15
1.2. Electromagnetic enhancement in SERS and TERS 18
1.2.1. Light scattering by a sphere 19
1.2.2. Image dipole effect 22
1.3. Chemical enhancement 23
1.4. Summary 25
Chapter 2. Raman and AFM profiling of nanocrystal multilayer structures 27
2.1. Materials and methods 27
2.1.1. Nanocrystal growth 27
2.1.2. Sample preparation 28
2.1.3. TEM, AFM and Raman measurements 29
2.2. Structure of embedded NCs 31
2.2.1. Size and shape of embedded NCs by TEM 31
2.2.2. Phonon spectra of NCs 32
2.3. Profiling on NC multilayers 34
2.3.1. AFM profiling of multilayer NC structures 34
2.3.2. Raman profiling of NC multilayers 38
2.4. Summary 40
Chapter 3. Surface-enhanced Raman spectroscopy 43
3.1. Materials and methods 43
3.1.1. SERS substrate preparation 43
3.1.2. Organic and inorganic materials 45
3.1.3. Micro-Raman spectroscopy measurements 46
3.1.4. Micro-ellipsometry 46
3.1.5. Numerical simulations 47
3.2. SERS on organic films 47
3.2.1. SERS enhancement of CoPc 48
3.2.2. Polarization dependence of enhancement in SERS 51
3.3. SERS by nanocrytals 53
3.4. Summary 55
Chapter 4. Implementation of tip-enhanced Raman spectroscopy 57
4.1. TERS enhancement factor 58
4.2. State of the art of optical systems for TERS 60
4.3. Implementation of the optical system 61
4.4. TERS tips 64
4.4.1. State of the art of TERS tips 64
4.4.2. Fabrication of tips for AFM-based TERS 66
4.4.3. Mechanical properties of fully metallic TERS tips 68
4.5. Summary 74
Chapter 5. Tip-enhanced Raman spectroscopy imaging 75
5.1. Materials and methods 75
5.1.1. Preparation of multi-component sample 75
5.1.2. TERS experiments 76
5.1.3. Simulations of electric field enhancement 76
5.2. High resolution discrimination of carbon-containing compounds by TERS 78
5.3. Effect of substrate material and morphology on TERS enhancement 82
5.4. Effect of the AFM imaging mode on TERS enhancement 85
5.5. TERS on free-standing colloidal CdSe NCs 90
5.6. Summary 91
Conclusions 93
References 95
List of figures 104
Erklärung 109
Lebenslauf 111
Publication list 112
Acknowledgements 117
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Modellierung und Visualisierung von Systemen zur Beschreibung der intra- und intermolekularen Wechselwirkungen in hydrophoben PeptidenSchneider, Alexander 11 November 2014 (has links) (PDF)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Beschreibung der Eigenschaften der synthetischen Dekapeptide Cetrorelix und Ozarelix durch analytische Methoden und computergestützte Modellierung. Diese Moleküle sind hydrophobe, aggregierende Antagonisten des Gonadotropin-Releasing-Hormons (GnRH). Zusätzlich wurden amyloidbildende Peptidstrukturen als Modelle für die Assoziationsprozesse in hydrophoben Peptiden untersucht und visualisiert.
Die intrinsische Fluoreszenz der GnRH-Antagonisten und zusätzlich der Peptide Teverelix und D-Phe6-GnRH sowie von verkürzten Fragmenten des Cetrorelix wurde untersucht. Ein Strukturmodell für die Beschreibung der Aggregation der Dekapeptide wurde erarbeitet. Der Aufbau eines Rechenclusters durch das Einbinden der Computer am Lehrstuhl in ein Linux-System zur Verteilung von Rechenprozessen über das Netzwerk ermöglichte die Bereitstellung der notwendigen Leistung zur Realisierung der Berechnungen.
Es wurden Werkzeuge zur Modellierung der solvatisierten Aggregate von Peptiden ohne eindeutige Vorzugsstruktur programmiert und in ein Docking-System für beliebige Moleküle eingebunden. Verwendet wurde das Kraftfeld MMFF94 mit einer Erweiterung durch ein Verfahren zur dynamischen Berechnung von Partialladungen in Molekülstrukturen.
Solvatisierte Aggregate der Dekapeptide und von bekannten amyloidbildenden Strukturen wurden modelliert (Docking). Berechnet wurden als aggregierend beschriebene Sequenzen und entsprechende Vergleichsstrukturen des Calcitonins, des Insel-Amyloid-Polypeptides, des beta2-Mikroglobulins, des Amyloid-beta-Proteins, des Lactoferrins und weitere Modellpeptide. Die wesentlichen Wechselwirkungen während der Aggregation konnten schließlich anhand von Dynamik-Simulationen der faltblattartigen Dimere des Cetrorelix und Ozarelix beschrieben werden. So wurden die Prozesse der hydrophoben Assoziation und Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken von Peptiden veranschaulicht und auf molekularer Ebene erfolgreich analysiert.
Die Visualisierung der erhaltenen Modellierungsergebnisse erfolgt durch die Darstellung der Strukturen und Dynamik-Simulationen als interaktive 3D-Modelle in einem für diese Arbeit aufgebauten Internetauftritt. / This work discusses the analysis of the aggregation properties of the gonadotropin releasing hormone antagonists Cetrorelix, Teverelix, Ozarelix and of small amyloid forming model peptides by analytical fluorescence spectroscopy and molecular modelling. A high performance linux compute cluster was developed for calculation of molecular structures.
Solvated aggregate clusters of peptides without defined secondary structure were modelled by molecular mechanics methods (forcefield mmff94) in combination with an advanced charge equilibration and docking technique.
Molecular dynamics of solvated peptide dimers were implemented and the role of hydrophic association and hydrogen bond formation in hydrophobic peptide aggregates was explained. Finally, an aggregation model for the directed association of hydrophobic peptides is presented. The modelling results, 3d structures and dynamic simulations are visualized in an interactive web material.
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Modellierung und Visualisierung von Systemen zur Beschreibung der intra- und intermolekularen Wechselwirkungen in hydrophoben PeptidenSchneider, Alexander 08 October 2014 (has links)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Beschreibung der Eigenschaften der synthetischen Dekapeptide Cetrorelix und Ozarelix durch analytische Methoden und computergestützte Modellierung. Diese Moleküle sind hydrophobe, aggregierende Antagonisten des Gonadotropin-Releasing-Hormons (GnRH). Zusätzlich wurden amyloidbildende Peptidstrukturen als Modelle für die Assoziationsprozesse in hydrophoben Peptiden untersucht und visualisiert.
Die intrinsische Fluoreszenz der GnRH-Antagonisten und zusätzlich der Peptide Teverelix und D-Phe6-GnRH sowie von verkürzten Fragmenten des Cetrorelix wurde untersucht. Ein Strukturmodell für die Beschreibung der Aggregation der Dekapeptide wurde erarbeitet. Der Aufbau eines Rechenclusters durch das Einbinden der Computer am Lehrstuhl in ein Linux-System zur Verteilung von Rechenprozessen über das Netzwerk ermöglichte die Bereitstellung der notwendigen Leistung zur Realisierung der Berechnungen.
Es wurden Werkzeuge zur Modellierung der solvatisierten Aggregate von Peptiden ohne eindeutige Vorzugsstruktur programmiert und in ein Docking-System für beliebige Moleküle eingebunden. Verwendet wurde das Kraftfeld MMFF94 mit einer Erweiterung durch ein Verfahren zur dynamischen Berechnung von Partialladungen in Molekülstrukturen.
Solvatisierte Aggregate der Dekapeptide und von bekannten amyloidbildenden Strukturen wurden modelliert (Docking). Berechnet wurden als aggregierend beschriebene Sequenzen und entsprechende Vergleichsstrukturen des Calcitonins, des Insel-Amyloid-Polypeptides, des beta2-Mikroglobulins, des Amyloid-beta-Proteins, des Lactoferrins und weitere Modellpeptide. Die wesentlichen Wechselwirkungen während der Aggregation konnten schließlich anhand von Dynamik-Simulationen der faltblattartigen Dimere des Cetrorelix und Ozarelix beschrieben werden. So wurden die Prozesse der hydrophoben Assoziation und Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken von Peptiden veranschaulicht und auf molekularer Ebene erfolgreich analysiert.
Die Visualisierung der erhaltenen Modellierungsergebnisse erfolgt durch die Darstellung der Strukturen und Dynamik-Simulationen als interaktive 3D-Modelle in einem für diese Arbeit aufgebauten Internetauftritt. / This work discusses the analysis of the aggregation properties of the gonadotropin releasing hormone antagonists Cetrorelix, Teverelix, Ozarelix and of small amyloid forming model peptides by analytical fluorescence spectroscopy and molecular modelling. A high performance linux compute cluster was developed for calculation of molecular structures.
Solvated aggregate clusters of peptides without defined secondary structure were modelled by molecular mechanics methods (forcefield mmff94) in combination with an advanced charge equilibration and docking technique.
Molecular dynamics of solvated peptide dimers were implemented and the role of hydrophic association and hydrogen bond formation in hydrophobic peptide aggregates was explained. Finally, an aggregation model for the directed association of hydrophobic peptides is presented. The modelling results, 3d structures and dynamic simulations are visualized in an interactive web material.
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