Thesis Representation of fat people in chosen media content is audience research based on perception of thickness, related to characters from three selected czech television series. Fat Studies was primary science literarture source for thesis theory and practical research part is using both, quantitative and qualitative methodology. Quantitative method of data collection were self-serviced questionnaire shared throught internet. Qualitative method used half- structured personal interviews. Thesis is trying to answer, if there is existing correlation between thickness (body constitution) of character and popularity based on character personality. This correlation was statisticaly confirmed only for characters, which are considered strongly obese. Not for any other type of characters. Another findings confirmed, that there is strong positive correlation between popularity of personality and character attractiveness.

The terrestrial biosphere impacts considerably on the global carbon cycle. In particular, ecosystems contribute to set off anthropogenic induced fossil fuel emissions and hence decelerate the rise of the atmospheric CO₂ concentration. However, the future net sink strength of an ecosystem will heavily depend on the response of the individual processes to a changing climate. Understanding the makeup of these processes and their interaction with the environment is, therefore, of major importance to develop long-term climate mitigation strategies. Mathematical models are used to predict the fate of carbon in the soil-plant-atmosphere system under changing environmental conditions. However, the underlying processes giving rise to the net carbon balance of an ecosystem are complex and not entirely understood at the canopy level. Therefore, carbon exchange models are characterised by considerable uncertainty rendering the model-based prediction into the future prone to error. Observations of the carbon exchange at the canopy scale can help learning about the dominant processes and hence contribute to reduce the uncertainty associated with model-based predictions. For this reason, a global network of measurement sites has been established that provides long-term observations of the CO₂ exchange between a canopy and the atmosphere along with micrometeorological conditions. These time series, however, suffer from observation uncertainty that, if not characterised, limits their use in ecosystem studies. The general objective of this work is to develop a modelling methodology that synthesises physical process understanding with the information content in canopy scale data as an attempt to overcome the limitations in both carbon exchange models and observations. Similar hybrid modelling approaches have been successfully applied for signal extraction out of noisy time series in environmental engineering. Here, simple process descriptions are used to identify relationships between the carbon exchange and environmental drivers from noisy data. The functional form of these relationships are not prescribed a priori but rather determined directly from the data, ensuring the model complexity to be commensurate with the observations. Therefore, this data-led analysis results in the identification of the processes dominating carbon exchange at the ecosystem scale as reflected in the data. The description of these processes may then lead to robust carbon exchange models that contribute to a faithful prediction of the ecosystem carbon balance. This work presents a number of studies that make use of the developed data-led modelling approach for the analysis and interpretation of net canopy CO₂ flux observations. Given the limited knowledge about the underlying real system, the evaluation of the derived models with synthetic canopy exchange data is introduced as a standard procedure prior to any real data employment. The derived data-led models prove successful in several different applications. First, the data-based nature of the presented methods makes them particularly useful for replacing missing data in the observed time series. The resulting interpolated CO₂ flux observation series can then be analysed with dynamic modelling techniques, or integrated to coarser temporal resolution series for further use e.g., in model evaluation exercises. However, the noise component in these observations interferes with deterministic flux integration in particular when long time periods are considered. Therefore, a method to characterise the uncertainties in the flux observations that uses a semi-parametric stochastic model is introduced in a second study. As a result, an (uncertain) estimate of the annual net carbon exchange of the observed ecosystem can be inferred directly from a statistically consistent integration of the noisy data. For the forest measurement sites analysed, the relative uncertainty for the annual sum did not exceed 11 percent highlighting the value of the data. Based on the same models, a disaggregation of the net CO₂ flux into carbon assimilation and respiration is presented in a third study that allows for the estimation of annual ecosystem carbon uptake and release. These two components can then be further analysed for their separate response to environmental conditions. Finally, a fourth study demonstrates how the results from data-led analyses can be turned into a simple parametric model that is able to predict the carbon exchange of forest ecosystems. Given the global network of measurements available the derived model can now be tested for generality and transferability to other biomes. In summary, this work particularly highlights the potential of the presented data-led methodologies to identify and describe dominant carbon exchange processes at the canopy level contributing to a better understanding of ecosystem functioning. / Der Kohlenstoffhaushalt der Erde wird maßgeblich von der bewachsenen Landoberfläche beeinflusst. Insbesondere tragen terrestrische Ökosysteme dazu bei, den Anstieg der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid- (CO₂-) Konzentration durch anthropogen verursachte Emissionen fossiler Brennstoffe zu verlangsamen. Die Intensität der Netto-CO₂-Aufnahme wird allerdings in einem sich verändernden Klima davon abhängen, wie einzelne Prozesse auf Änderungen der sie beeinflussenden Umweltfaktoren reagieren. Fundierte Kenntnisse dieser Prozesse und das Verständnis ihrer Wechselwirkungen mit der Umwelt sind daher für eine erfolgreiche Klimaschutzpolitik von besonderer Bedeutung. Mit Hilfe von mathematischen Modellen können Vorhersagen über den Verbleib des Kohlenstoffs im System Boden-Pflanze-Atmosphäre unter zukünftigen Umweltbedingungen getroffen werden. Die verantwortlichen Prozesse und ihre Wechselwirkungen mit der Umwelt sind jedoch kompliziert und bis heute auf der Ökosystemskala nicht vollkommen verstanden. Entwickelte Modelle und deren Vorhersagen sind deshalb derzeit mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Messungen von CO₂-Austauschflüssen zwischen einem Ökosystem und der Atmosphäre können dabei helfen, Vorgänge besser verstehen zu lernen und die Unsicherheiten in CO₂-Austausch-Modellen zu reduzieren. Allerdings sind auch diese Beobachtungen, wie alle Umweltmessungen, von Unsicherheiten durchsetzt. Ziel dieser Arbeit ist es Methoden zu entwickeln, die physikalisches Prozessverständnis mit dem dennoch großen Informationsgehalt dieser Daten vorteilhaft zu vereinigen. Dabei soll vereinfachtes Prozessverständnis dazu genutzt werden, Zusammenhänge zwischen dem CO₂-Austausch und den umgebenden Umweltbedingungen aus den Beobachtungen abzuleiten. Das Besondere hierbei ist, dass diese Zusammenhänge direkt aus den Daten geschätzt werden, ohne vorher Annahmen über ihre funktionale Form zu machen. Die Daten als Ausgangspunkt der Modellentwicklung zu wählen gewährleistet, dass die Komplexität der Modelle dem Informationsgehalt der Messungen entspricht. Auf diese Weise lassen sich diejenigen Prozesse identifizieren, welche für den CO₂-Austausch mit der Atmosphäre dominant sind. Die gewonnenen Erkenntnisse können dann in robuste CO₂-Austauschmodelle für Ökosysteme überführt werden und zur Vorhersage von Kohlenstoffbilanzen beitragen. In der vorliegenden Arbeit werden diese entwickelten, datenbasierten Methoden zur Analyse und Interpretation von Netto-CO₂-Flüssen eingesetzt. Die erste Studie führt ein datenbasiertes Modell ein, das unvermeidliche Lücken in Messzeitreihen zuverlässig interpoliert. Dies ermöglicht erweiterte Anwendungen der Daten. In einer nächsten Studie wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Unsicherheiten in den Beobachtungen charakterisiert werden können. Dies ist nötig, um jährliche Kohlenstoffbilanzen von Ökosystemen unter Berücksichtigung der Messungenauigkeiten direkt aus den Daten herzuleiten. Dabei liegt die Unsicherheit in den betrachteten Waldstandorten bei maximal 11% des Jahreswertes. In einer weiteren Studie werden dieselben Modelle genutzt, um die Netto-CO₂-Flüsse in Einzelkomponenten der CO₂-Assimilation und -Abgabe zu bestimmen. Diese Komponenten sowie die Nettobilanz sind zusammen mit ihren Ungenauigkeiten für Vorhersagen über das Kohlenstoffsenkenpotential eines Ökosystems von besonderer Bedeutung und können Abschätzungen des globalen Kohlenstoffhaushaltes maßgeblich unterstützen. Abschließend zeigt die letzte Studie ein Beispiel für die datenbasierte Entwicklung eines Modells, das die dominanten Prozesse des Kohlenstoffaustausches in Waldökosystemen beschreibt und erfolgreich vorhersagen kann. Dies unterstreicht insbesondere das Potenzial des vorgestellten Modellierungsansatzes, vorherrschende Prozesse zu identifizieren, zu beschreiben und damit zum verbesserten Verständnis des CO₂-Austauschs zwischen Ökosystem und Atmosphäre beizutragen.

Um Prozesse in biologischen Systemen auf molekularer Ebene zu untersuchen, haben sich vor allem fluoreszenzspektroskopische Methoden bewährt. Die Möglichkeit, einzelne Moleküle zu beobachten, hat zu einem deutlichen Fortschritt im Verständnis von elementaren biochemischen Prozessen geführt. Zu einer der bekanntesten Methoden der Einzelmolekülspektroskopie zählt die Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS), mit deren Hilfe intramolekulare und diffusionsgesteuerte Prozesse in einem Zeitbereich von µs bis ms untersucht werden können. Durch die Verwendung von sog. Fluoreszenzsonden können Informationen über deren molekulare Mikroumgebung erhalten werden. Insbesondere für die konfokale Mikroskopie und die Einzelmolekülspektroskopie werden Fluoreszenzfarbstoffe mit einer hohen Photostabilität und hohen Fluoreszenzquantenausbeute benötigt. Aufgrund ihrer hohen Fluoreszenzquantenausbeute und der Möglichkeit, maßgeschneiderte“ Farbstoffe in einem breiten Spektralbereich für die Absorption und Fluoreszenz zu entwickeln, sind Cyaninfarbstoffe von besonderem Interesse für bioanalytische Anwendungen. Als Fluoreszenzmarker finden diese Farbstoffe insbesondere in der klinischen Diagnostik und den Lebenswissenschaften Verwendung. Die in dieser Arbeit verwendeten Farbstoffe DY-635 und DY-647 sind zwei typische Vertreter dieser Farbstoffklasse. Durch Modifizierung können die Farbstoffe kovalent an biologisch relevante Moleküle gebunden werden. Aufgrund ihres Absorptionsmaximums oberhalb von 630nm werden sie insbesondere in der Bioanalytik eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurden die spektroskopischen Eigenschaften der Cyaninfarbstoffe DY-635 und DY-647 in biomimetischen und biologischen Modellsystemen untersucht. Zur Charakterisierung wurden dabei neben der Absorptionsspektroskopie insbesondere fluoreszenzspektroskopische Methoden verwendet. Dazu zählen die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung zur Ermittlung des Fluoreszenzabklingverhaltens, Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) zur Beobachtung von Diffusions- und photophysikalischen Desaktivierungsprozessen und die zeitaufgelöste Fluoreszenzanisotropie zur Untersuchung der Rotationsdynamik und Beweglichkeit der Farbstoffe im jeweiligen Modellsystem. Das Biotin-Streptavidin-System wurde als Modellsystem für die Untersuchung von Protein-Ligand-Wechselwirkungen verwendet, da der Bindungsmechanismus weitgehend aufgeklärt ist. Nach Bindung der Farbstoffe an Streptavidin wurde eine erhebliche Veränderung in den Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften beobachtet. Es wird angenommen, dass diese spektralen Veränderungen durch Wechselwirkung von benachbarten, an ein Streptavidintetramer gebundenen Farbstoffmolekülen und Bildung von H-Dimeren verursacht wird. Für das System Biotin-Streptavidin ist bekannt, dass während der Bindung des Liganden (Biotin) an das Protein eine Konformationsänderung auftritt. Anhand von zeitaufgelösten Fluoreszenzanisotropieuntersuchungen konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass diese strukturellen Veränderungen zu einer starken Einschränkung der Beweglichkeit des Farbstoffes DY-635B führen. Liegt eine Mischung von ungebundenem und Streptavidin-gebundenem Farbstoff vor, können die Anisotropieabklingkurven nicht nach einem exponentiellen Verlauf angepasst werden. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass in diesem Fall die Auswertung mit Hilfe des Assoziativen Anisotropiemodells möglich ist, welches eine Unterscheidung der Beiträge aus den zwei verschiedenen Mikroumgebungen ermöglicht. Als zweites Modellsystem dieser Arbeit wurden Mizellen des nichtionischen Tensids Tween-20 eingesetzt. Mizellen bilden eines der einfachsten Systeme, um die Mikroumgebung einer biologischen Membran nachzuahmen. Sind die Farbstoffe in den Mizellen eingelagert, so kommt es zu keiner Veränderung der Mizellgröße. Die ermittelten Werte des Diffusionskoeffizienten der mizellar eingelagerten Farbstoffe spiegeln demzufolge die Translationsbewegung der Tween-20-Mizellen wider. Die Beweglichkeit der Farbstoffe innerhalb der Tween-20-Mizellen wurde durch zeitaufgelöste Fluoreszenzanisotropiemessungen untersucht. Neben der „Wackelbewegung“, entsprechend dem wobble-in-a-cone-Modell, wird zusätzlich noch die laterale Diffusion der Farbstoffe entlang der Mizelloberfläche beschrieben. / To investigate processes in biological systems on a molecular level, particularly fluorescence spectroscopic methods have proven. The possibility to observe single molecules led to significant progress in the understanding of basic biochemical processes. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is one of the most popular methods of single molecule spectroscopy and is a powerful technique for the investigation of intramolecular and diffusion-controlled processes on a µs to ms time scale. The photophysical characteristics of fluorescent probes are often strongly influenced by their microenvironment. For confocal microscopy and single molecule detection applications fluorescent dyes with properties, such as high photostability and high fluorescence efficiency are highly needed. Due to the high fluorescence efficiency and the high potential to design tailor-made fluorescence probes covering a wide spectral range in absorption and fluorescence, cyanine dyes are highly attractive as fluorescence probes for bioanalytical applications, such as clinical diagnostics and life sciences. The dyes DY-635 and DY-647 are two typical representatives of this class of dyes and can be covalently attached to biologically relevant molecules. Because of their excitation wavelength above 630nm these dyes are especially suited for bioanalytical applications. In this work the spectroscopic properties of DY-635 and DY-647 in biomimetic and biological model systems were studied by absorption and fluorescence spectroscopy techniques: time-correlated single photon counting to determine fluorescence decay behavior, fluorescence correlation spectroscopy (FCS) to observe diffusion and photophysical deactivation processes, and fluorescence anisotropy to study the mobility and rotational behavior of the dyes in the respective model system. The well characterized system biotin-streptavidin was used as a model system for protein-ligand interactions. Binding to streptavidin resulted in significant changes in the steady-state photophysical characteristics of DY-635B and DY-647. These spectral changes are attributed to dye-dye interactions and the formation of H-dimers. Previous studies have demonstrated, that binding of biotin alters the conformation of streptavidin. Based on the evaluation of time-resolved anisotropy data in this study it was shown that these structural changes result in strong hindrance of the rotational freedom of DY-635B. For mixtures of unbound and streptavidin-bound dyes the fluorescence anisotropy decay curves are found to be nonexponential. In this case the concept of an associated anisotropy were applied which allowed discrimination between contributions from different microenvironments. As a second model system, micelles of the nonionic surfactant Tween-20 were used. Micelles are one of the simplest systems to mimic the microenvironment of a biological membrane. Incorporation of the dyes had no effect on the micelle size. The diffusion coefficient of the dyes, obtained by fluorescence correlation spectroscopy (FCS), reflects the translational behavior of Tween-20 micelles. The mobility of the dyes in the Tween-20 micelles was studied by time-resolved fluorescence anisotropy. In addition to a „wobbling“ motion ccording to the wobble-in-a-cone model, a lateral diffusion of the dyes along the micelle surface is described.

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) analyzes the fluctuations in the fluorescence intensity, which is emitted from a tiny excition volume, to obtain information about the concentration, the mobility, and the molecular interactions of labeled molecules. The more advanced fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) increases the precision in the determination of fl ow velocities and binding constants compared to standard FCS. The miniaturization in biomedical and chemical engineering has been developing rapidly, propelled by the vision of a fully functional laboratory on a single chip and its use in human therapeutics, for example, as implanted drug delivery system. A key requirement to fulfill this vision is the ability to handle small fl uid volumes. Handling liquids using the electrohydrodynamical principle circumvents many of the disadvantages of other systems. The complex flow pattern in the active region of such a pump could not be resolved by common tracking techniques. In this thesis, two-focus FCCS (2f-FCCS) was used to map the flow pro file inside a micropump. The high precision of 2f-FCCS in the determination of fl ow measurements even with small fluorescent particles allowed the measurement of the flow velocities induced by electrohydrodynamic forces acting on the solvent, while excluding the effects of dielectrophoretic forces acting on larger particles. Analysis of the fl ow data indicates a fl ow pattern that consists of two vortices of different size and opposite direction of rotation. The flow pattern derived by 2f-FCCS explains the observed complex particle trajectories in the force field and the accumulation of particles in well-de fined regions above the microelectrode array. In the second part of this thesis, the mechanism of RNA interference (RNAi) was studied by dual-color FCCS in vivo. RNAi is an evolutionary conserved gene silencing mechanism, which uses short double-stranded RNA molecules, called short interfering RNAs (siRNAs), as effector molecules. Due to its speci city and simplicity, RNAi yields a great potential for a widespread therapeutic use. To broaden the therapeutic applications, the in vivo stability of siRNAs has to be improved by chemical modi cations, but some of these modi fications inhibit the gene silencing mechanism. The presented FCCS assays are very well suited to investigate the individual assembly steps of RNAi machinery with very high specifi city and sensitivity in real time and to study the cleavage activity of the activated RNAi machinery. A direct correlation between activity of the RNAi machinery and the results from the FCCS measurements could be shown. The in fluence of several chemical modi cations on the assembly and activity of the RNAi machinery was investigated with these assays. / Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) analysiert die Fluktuationen im Fluoreszenzsignal eines kleinen angeregten Volumens, um Informationen über die Konzentration, die Bewegung und die Interaktionen der markierten Moleküle zu erhalten. Die Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Spektroskopie (FCCS) erhöht die Genauigkeit bei der Messung von Fließgeschwindigkeiten und Bindungskonstanten im Vergleich zur Standard-FCS. Die Miniaturisierung der Biomedizin und Chemie hat sich rapide entwickelt, angetrieben von der Vision eines kompletten Labors auf einem Chip und dem Einsatz dieses in der medizinischen Therapie, zum Beispiel als implantierter Medikamentenspender. Ein Schlüsselelement zur Erfüllung dieser Vision ist der Transport von kleinsten Flüssigkeitsmengen in diesen miniaturisierten Systemen. Der Transport von Flüssigkeiten mittels des elektrohydrodynamischen Prinzips umgeht viele Nachteile von anderen Systemen, allerdings zeigt eine solche Pumpe ein kompliziertes Strömungsbild in der aktiven Region, welches sich mit herkömmlichen Methoden wie Teilchenverfolgung nicht vermessen ließ. Hier wurde Zwei-Fokus-FCCS (2f-FCCS) genutzt, um das Strömungsbild in der Pumpe zu vermessen. Die hohe Genauigkeit der 2f-FCCS bei der Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten auch mit kleinen fluoreszierenden Teilchen ermöglichte die Messung der Fließgeschwindigkeiten, aufgrund der auf das Lösungsmittel wirkenden elektrohydrodynamischen Kräfte, unter Ausschluss der auf größere Teilchen wirkenden dielektrophoretischen Kräfte. Die Analyse der Daten ergab, dass das Strömungsbild aus zwei entgegengesetzt rotierenden unterschiedlich großen Wirbeln besteht. Dieses Strömungsbild erklärt die komplizierten Teilchenbewegungsbahnen und die Anreicherung der Teilchen in klar abgegrenzten Bereichen über den Mikroelektroden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der RNAi-Mechanismus in lebenden Zellen mittels Zwei-Farben-FCCS untersucht. RNA Interferenz (RNAi) ist ein evolutionär erhaltener Geninaktivierungsmechanismus, der kurze doppelsträngige RNA Moleküle, so genannte kurze interferierende RNAs (siRNAs), als Effektormoleküle nutzt. Die Spezifi tät und Einfachheit der RNAi hat ihr ein weites Feld in der medikamentösen Therapie geöffnet. Zur Erweiterung dieses Feldes ist es nötig die Stabilität der siRNAs im Körper mittels chemischer Modi fikationen zu erhöhen. Einige dieser Modifikationen hemmen aber den RNAi-Mechanismus. Die hier vorgestellten FCCS Experimente sind sehr gut geeignet, um die einzelnen Schritte des Zusammenbaus der RNAi Maschinerie mit hoher Empfi ndlichkeit und Spezi fität in Echtzeit zu untersuchen und die Aktivität der RNAi Maschinerie zu studieren. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Aktivität der RNAi Maschinerie und den Ergebnissen der FCCS Messungen hergestellt werden. Der Einfluss von verschiedenen chemischen Modikationen auf den Zusammenbau und die Aktivität der RNAi Maschinerie wurde mit diesen neuartigen Methoden untersucht.

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Variable renewable energy (VRE) is becoming more present in the energy mix as society aims to shift power production from fossil fuels. Solar and wind power are VRE sources, which can result in fluctuations in the input to the network, creating supply uncertainty. The Swedish Transmission system operator (TSO), Svenska kraftnät (Svk), is obliged to ensure stability in the network, which must be considered when approving applications for subscriptions of connections to the transmission network. In the stability investigations performed before approving applications, Svk assumes that solar and wind power produces at their maximum capacity at their connection point before approving applications, to ensure safe and stable power system operation under any weather conditions. However, this might be an over-conservative assumption as the share of VRE sources increases. This is because there is an anti-correlation between wind and solar power, which results in a few colliding hours when both produce at full capacity. This study investigates the correlation between solar and wind power, evaluates the probability of high wind and solar power production coinciding at different percentages of their capacity, and analyses the potential for aggregating them in the studies performed to approve connections to the transmission network. The research method applied was an inductive approach, where a statistical analysis using Pearson's correlation and conditional probability was conducted based on reanalysed data collected from ERA5 and STRÅNG databases. The analysis showed a weak complementary correlation coefficient for all time periods, and the probability of very high production coinciding is small. If it occurs, it is more likely to happen during the first part of the year. The results show a spatial correlation in the probability. By implementing integration strategies, the conclusion is that there is a controllable risk when increasing the capacity. Even if there is a risk, it can be worth taking as more VRE sources can be connected to the transmission network. / Förnybar energi har blivit mer närvarande i dagens energimix när samhället strävar efter att förändra kraftproduktionen från fossilt till förnybara källor. Sol- och vindkraft är varierande förnybara energikällor vilket skapar fluktationer i inmatning till nätet samt ökad osäkerhet kring mängden tillgänglig produktion. Systemoperatören (TSO), Svenska kraftnät (Svk) är skyldig att säkerhetställa stabilitet i nätet, vilket måste beaktas vid ansökningar om anslutningar till transmissionsnätet. Denna studie undersöker därför korrelationen mellan sol- och vindkraft, samt utvärderar sannolikheten att hög sol- och vindkrafts produktion sammanfaller samtidigt. Forskningsmetoden som tillämpades var en induktiv metod, där en statistisk analys med Pearsons korrelationskoefficient såväl som sannolikheten mellan att deras produktion sammanföll samtidigt utfördes, baserat på återskapad väderdata insamlad från ERA5 och STRÅNG. Analysen visade svag komplementär korrelationskoefficient för alla tidsperioder och sannolikheten för att mycket hög produktion sammanfaller var liten. De tillfällen som produktionen sammanföll inträffade majoriteten under början av året. Genom implementering av de tillvalda strategierna är slutsatsen att det finns en kontrollerbar risk när man ökar den tillåtna anslutna kapaciteten sol- och vindkraft i transmissionsnätet. Det finns också en antikorrelation mellan sol- och vindkrafs produktion vilket resulterade i endast ett fåtal sammanfallande timmar när båda producerar på maximal kapacitet.

Das „Strongly Constrained and Appropriately Normed“ (SCAN) Austausch-Korrelations-Funktional gehört zur Familie der meta-GGA (generalized gradient approximation) Funktionale. Es gibt aber auch Nachteile Zum einen leiden SCAN Rechnungen oft unter numerischen Instabilitäten, wodurch sehr viele Iteration zum Erreichen von Selbst-Konsistenz benötigt werden. Zum anderen leidet SCAN unter dem von GGA Methoden bekannten Selbstwechselwirkung-Fehler. Im ersten Teil der Arbeit habe ich die numerischen Stabilitätsprobleme in SCAN Rechnungen im Rahmen der numerischen Realraum-Integrationsroutinen im Code FHI-aims untersucht. Diese Analyse zeigt, dass die genannte Probleme durch Anwendung von standardisierten Dichte-Mischalgorithmen für die kinetische Energiedichte abgemildert werden können. Dadurch wird auch in SCAN-Rechnungen eine schnelle und stabile Konvergenz zur selbstkonsistenten Lösung ermöglicht. Im zweiten Teil der Arbeit habe ich untersucht, in welchem Rahmen sich der Selbstwechselwirkung-Fehler in SCAN mittels des von Perdew und Zunger vorgeschlagenen Selbstinteraktionskorrekturalgorithmus (PZ-SIC) verringern lässt. Es wurden aber auch Optimierungen für die PZ-SIC Methode entwickelt. Inspiriert von den ursprünglichen Argumenten in der PZ-SIC-Methode und anderen lokalisierten Methoden, wird in dieser Arbeit eine neuartige Randbedingung (orbital density constraint) vorgeschlagen, die sicherstellt, dass die PZ-SIC Orbitale während des Selbstkonsistenzzyklus lokalisiert bleiben. Dies mildert die Anfangswertabhängigkeit deutlich ab und hilft dabei, in die korrekte selbst-konsistente Lösung mit minimaler Energie zu konvergieren, unabhängig davon ob reelle oder komplexe SIC Orbitale verwendet werden. Die in dieser Arbeit getägtigen Entwicklungen und Untersuchungen sind Wegbereiter dafür, in Zukunft mit SIC-SCAN Rechnungen deutlich genauere ab initio Rechnungen mit nur gering höherem Rechenaufwand durchführen zu können. / The state-of-the-art “Strongly Constrained and Appropriately Normed” (SCAN) functional pertains to the family of meta-generalized-gradient approximation (meta-GGA) exchange-correlation functionals. Nonetheless, SCAN suffers from some well-documented deficiencies. In the first part of this thesis, I revisited the known numerical instability problems of the SCAN functional in the context of the numerical, real-space integration framework used in the FHI-aims code. This analysis revealed that applying standard density-mixing algorithms to the kinetic energy density attenuates and largely cures these numerical issues. By this means, SCAN calculations converge towards the self-consistent solution as fast and as efficiently as lower-order GGA calculations. In the second part of the thesis, I investigated strategies to alleviate the self-interaction error in SCAN calculations by using the self-interaction correction algorithm proposed by Perdew and Zunger (PZ-SIC). Inspired by the original arguments in PZ-SIC and other localized methods, I introduced a mathematical constraint, i.e., the orbital density constraint, that forces the orbitals to retain their localization throughout the self-consistency cycle. In turn, this alleviates the multiple-solutions problem and facilitates the convergence towards the correct, lowest-energy solution both for complex and real SIC orbitals. The developments and investigations performed in this thesis pave the road towards a more wide-spread use of SIC-SCAN calculations in the future, allowing more accurate predictions within only moderate increases of computational cost.

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Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) analyzes the fluctuations in the fluorescence intensity, which is emitted from a tiny excition volume, to obtain information about the concentration, the mobility, and the molecular interactions of labeled molecules. The more advanced fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) increases the precision in the determination of fl ow velocities and binding constants compared to standard FCS. The miniaturization in biomedical and chemical engineering has been developing rapidly, propelled by the vision of a fully functional laboratory on a single chip and its use in human therapeutics, for example, as implanted drug delivery system. A key requirement to fulfill this vision is the ability to handle small fl uid volumes. Handling liquids using the electrohydrodynamical principle circumvents many of the disadvantages of other systems. The complex flow pattern in the active region of such a pump could not be resolved by common tracking techniques. In this thesis, two-focus FCCS (2f-FCCS) was used to map the flow pro file inside a micropump. The high precision of 2f-FCCS in the determination of fl ow measurements even with small fluorescent particles allowed the measurement of the flow velocities induced by electrohydrodynamic forces acting on the solvent, while excluding the effects of dielectrophoretic forces acting on larger particles. Analysis of the fl ow data indicates a fl ow pattern that consists of two vortices of different size and opposite direction of rotation. The flow pattern derived by 2f-FCCS explains the observed complex particle trajectories in the force field and the accumulation of particles in well-de fined regions above the microelectrode array. In the second part of this thesis, the mechanism of RNA interference (RNAi) was studied by dual-color FCCS in vivo. RNAi is an evolutionary conserved gene silencing mechanism, which uses short double-stranded RNA molecules, called short interfering RNAs (siRNAs), as effector molecules. Due to its speci city and simplicity, RNAi yields a great potential for a widespread therapeutic use. To broaden the therapeutic applications, the in vivo stability of siRNAs has to be improved by chemical modi cations, but some of these modi fications inhibit the gene silencing mechanism. The presented FCCS assays are very well suited to investigate the individual assembly steps of RNAi machinery with very high specifi city and sensitivity in real time and to study the cleavage activity of the activated RNAi machinery. A direct correlation between activity of the RNAi machinery and the results from the FCCS measurements could be shown. The in fluence of several chemical modi cations on the assembly and activity of the RNAi machinery was investigated with these assays. / Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) analysiert die Fluktuationen im Fluoreszenzsignal eines kleinen angeregten Volumens, um Informationen über die Konzentration, die Bewegung und die Interaktionen der markierten Moleküle zu erhalten. Die Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Spektroskopie (FCCS) erhöht die Genauigkeit bei der Messung von Fließgeschwindigkeiten und Bindungskonstanten im Vergleich zur Standard-FCS. Die Miniaturisierung der Biomedizin und Chemie hat sich rapide entwickelt, angetrieben von der Vision eines kompletten Labors auf einem Chip und dem Einsatz dieses in der medizinischen Therapie, zum Beispiel als implantierter Medikamentenspender. Ein Schlüsselelement zur Erfüllung dieser Vision ist der Transport von kleinsten Flüssigkeitsmengen in diesen miniaturisierten Systemen. Der Transport von Flüssigkeiten mittels des elektrohydrodynamischen Prinzips umgeht viele Nachteile von anderen Systemen, allerdings zeigt eine solche Pumpe ein kompliziertes Strömungsbild in der aktiven Region, welches sich mit herkömmlichen Methoden wie Teilchenverfolgung nicht vermessen ließ. Hier wurde Zwei-Fokus-FCCS (2f-FCCS) genutzt, um das Strömungsbild in der Pumpe zu vermessen. Die hohe Genauigkeit der 2f-FCCS bei der Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten auch mit kleinen fluoreszierenden Teilchen ermöglichte die Messung der Fließgeschwindigkeiten, aufgrund der auf das Lösungsmittel wirkenden elektrohydrodynamischen Kräfte, unter Ausschluss der auf größere Teilchen wirkenden dielektrophoretischen Kräfte. Die Analyse der Daten ergab, dass das Strömungsbild aus zwei entgegengesetzt rotierenden unterschiedlich großen Wirbeln besteht. Dieses Strömungsbild erklärt die komplizierten Teilchenbewegungsbahnen und die Anreicherung der Teilchen in klar abgegrenzten Bereichen über den Mikroelektroden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der RNAi-Mechanismus in lebenden Zellen mittels Zwei-Farben-FCCS untersucht. RNA Interferenz (RNAi) ist ein evolutionär erhaltener Geninaktivierungsmechanismus, der kurze doppelsträngige RNA Moleküle, so genannte kurze interferierende RNAs (siRNAs), als Effektormoleküle nutzt. Die Spezifi tät und Einfachheit der RNAi hat ihr ein weites Feld in der medikamentösen Therapie geöffnet. Zur Erweiterung dieses Feldes ist es nötig die Stabilität der siRNAs im Körper mittels chemischer Modi fikationen zu erhöhen. Einige dieser Modifikationen hemmen aber den RNAi-Mechanismus. Die hier vorgestellten FCCS Experimente sind sehr gut geeignet, um die einzelnen Schritte des Zusammenbaus der RNAi Maschinerie mit hoher Empfi ndlichkeit und Spezi fität in Echtzeit zu untersuchen und die Aktivität der RNAi Maschinerie zu studieren. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Aktivität der RNAi Maschinerie und den Ergebnissen der FCCS Messungen hergestellt werden. Der Einfluss von verschiedenen chemischen Modikationen auf den Zusammenbau und die Aktivität der RNAi Maschinerie wurde mit diesen neuartigen Methoden untersucht.