Techn. Univ., Diss., 2005--Darmstadt

University, Diss., 2005--Karlsruhe.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Berlin.

Die invasive Meningokokkenerkrankung stellt weltweit mit einer Letalität von 5-10% trotz antibiotischer Therapie eine Herausforderung dar. Ein spezifisches Virulenzgen, welches die Schwere der Meningokokkenerkrankung bestimmt, konnte bisher nicht definiert werden. Vorangegangene Studien zeigen eine Korrelation der Letalität mit der Bakterienlast, Unterschiede bezüglich der Letalität je nach Serogruppe, eine erhöhte Letalität bei Infektionen mit sogenannten hyperletalen Feintypen (bisher nicht veröffentlichte Daten des NRZMHi) sowie einen Unterschied in der maximal in Flüssigkultur erreichten Konzentration der Bakterien zwischen invasiven Stämmen und Trägerstämmen. In dieser Arbeit wurden mögliche Gründe für die Hyperletalität bestimmter Meningokokkentypen experimentell untersucht. Insbesondere wird die Frage analysiert, ob die hyperletalen Meningokokkentypen mit einer höheren bakteriellen Last im Blut assoziiert sind und ob sie andere Wachstumscharakteristiken im Vergleich zu ihren Kontrollstämmen in vitro zeigen. Hierzu erfolgte mittels quantitativer Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion die Bestimmung der bakteriellen Last in 62 Blutproben von Patienten mit bestätigter invasiver Meningokokkenerkrankung über den Nachweis des ctrA-Gens. Darunter waren elf Proben des hyperletalen Feintyps B:P1.7-2,4:F1-5 und fünf Proben des hyperletalen Feintyps C:P1.5,2:F3-3. Die Wachstumsversuche wurden mit 30 zufällig gewählten Stämmen der hyperletalen Feintypen B:P1.7-2,4:F1-5, C:P1.5-1,10-8:F3-6 und C:P1.5,2:F3-3 mit ihren jeweiligen nach Alter und Geschlecht abgeglichenen nicht zu der Gruppe der hyperletalen Feintypen gehörenden Kontrollstämmen in dem Medium PPM+ durchgeführt. Die Wachstumsgeschwindigkeit μ sowie die Kapazität A (maximale Konzentrationszunahme als Logarithmus der gemessenen OD im Verhältnis zur Ausgangsdichte ODT0) wurden durch nicht-lineare Regression anhand der modifizierten Gompertz-Funktion ermittelt. Die Messung der optischen Dichte erfolgte alle 30 Minuten über 16 Stunden bei 620nm durch das Gerät TECAN Infinite 200 Pro (Tecan Group Ltd., Männedorf / Schweiz). Die Methode wurde anhand einer publizierten Studie zwischen Trägerstämmen und invasiven Stämmen (Schoen et al., 2014) validiert und bestätigte einen marginalen Unterschied in der optischen Dichte (p=0,057, Wilcoxon-Test) zwischen den Gruppen. Es zeigte sich kein Unterschied in der Wachstumsgeschwindigkeit. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit können drei wesentliche Schlussfolgerungen gezogen werden: 1.) Die Bakterienlast in dieser Stichprobe ist, entgegen der Literatur, nicht abhängig von der Serogruppe und dem Feintyp, jedoch von der Krankheitsmanifestation. 2.) Die Kapazität A ist in der Gruppe der „hyperletalen“ Typen im Vergleich zu den Kontrollstämmen möglicherweise höher. 3.) Größere Stichproben (Nativmaterial, Stämme) sind erforderlich, um die Beobachtungen dieser Studie zu bestätigen. / The invasive meningococcal disease still has a case fatality rate of 5 to 10 percent despite antibiotic treatment. A specific virulence gene, which determines disease severity could not be determined so far. Earlier studies have shown a correlation between lethality and bacterial load, differences in lethality between serogroups, a disproportionately high lethality of infections with distinct meningococcal finetypes (data not yet published by the NRZMHi) as well as a difference in the maximum concentration of bacteria in fluid culture between invasive and carrier strains. This dissertation analyses possible causes for the higher fatality rate of certain meningococcal finetypes. It tries to answer the question whether the so called highly lethal meningococcal finetypes are associated with a higher bacterial load in blood and whether they show different growth characteristics in comparison to their control strains in vitro. Bacterial loads in 62 blood samples from patients with confirmed invasive meningococcal disease were measured by real-time polymerase chain reaction targeting the ctrA gene. The samples contained eleven samples of the highly lethal meningococcal finetype B:P1.7-2,4:F1-5 and five samples of the highly lethal meningococcal finetype C:P1.5,2:F3-3. Growth characteristics of 30 randomly selected strains pertaining to the highly lethal finetypes B:P1.7-2,4:F1-5, C:P1.5-1,10-8:F3-6 and C:P1.5,2:F3-3 were compared to strains from age- and sex- matched controls in proteose-peptone-medium (PPM+). Growth rates (μ) and maximum densities (A) were estimated by non-linear regression on the basis of the modified Gompertz function. Optical density at 620nm was measured every 30 minutes over 16 hours using a heatable plate reader (Tecan, Maennedorf, Switzerland). The method was validated on a published sample of invasive and carrier strains (Schoen et al., 2014) confirming marginally significant differences in maximal densities (p=0,057, Wilcoxon test), yet not growth rates, between groups. In summary we conclude: 1. The bacterial load in this sampling is not dependent on serogroup and finetype, but on the clinical picture. This finding contrasts the current literature. 2. The maximum density A is possibly higher in the group of highly lethal finetypes in comparison to the control strains. 3. Larger samples of both patient material and bacterial strains are required to confirm the observations of this study.

Die Synthese und physikalische Untersuchung von Lumineszenzmaterialien für die Konversion von blauer in nahinfrarote Strahlung war das Ziel der vorliegenden Arbeit. Ausgehend von bekannten LED-Leuchtstoffen mit großem Absorptionsquerschnitt im blauen Spektralbereich – basierend auf den vollständig erlaubten Übergängen von Ce3+ und Eu2+ – wurde untersucht, inwieweit solche Leuchtstoffe durch Dotierung mit entsprechenden Aktivatoren Emission im nahinfraroten Spektral-bereich zeigen. Die Hoffnung bestand darin, mit linienemittierenden Selten-Erd-aktivierten Leuchtstoffen in Kombination mit hocheffizienten blauen LEDs die bekannten Probleme nahinfraroter LEDs hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens – Abnahme der Emissionsintensität bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen und gleichzeitig eine Verschiebung der maximalen Emissionswellenlänge – zu überwinden. Einhergehend mit der Suche nach neuen Materialien wurde zunächst eine an die zur Verfügung stehenden Geräte angepasste Methode zur Bestimmung der Photolumineszenz-Quantenausbeute der Nahinfrarotemission erarbeitet, wobei dafür konzentrationsoptimierte (Y,Lu)AG:Ce,Nd-Pulver verwendet wurden. Die Validierung der gemessenen Werte erfolgte unter Zuhilfenahme der publizierten Verzweigungsverhältnisse der Emissionsmultipletts des Neodyms. Die Messabweichung für die ermittelten Quantenausbeuten wurde bestimmt und beträgt ± 10 Prozent relativ. Gegenstand der Suche nach neuen Materialien waren zum einen modifizierte Granatstrukturen ausgehend vom seit den 1970er Jahren bekannten System (Y,Lu)3Al5O12:Ce3+,Nd3+ und zum anderen nitridische Leuchtstoffe aus der Gruppe (Ca,Sr,Ba)2Si5N8:Eu2+,Nd3+ (2-5-8-Nitride). Die Suche in der erstgenannten Materialklasse war von wenig Erfolg gekrönt, weil die vorgenommenen Modifikationen des Wirtsmaterials Pfade zu strahlungslosen Relaxation eröffnet haben. So ermöglicht die Co-Dotierung mit Tb3+ die Löschung der Emission des Nd3+ über Kreuzrelaxation, die Substitution von Al3+ gegen Ga3+ führt zur Löschung über Photoionisation und die Untersuchung von siliziumhaltigen Granaten offenbarte, dass über die recht hohen Phononenfrequenzen der Silikate die Nd3+-Emission ebenfalls gelöscht wird. Umso überraschender war der Nachweis der Sensibilisierung der Nd3+-Emission in den Eu2+-kodotierten Nitriden, deren Phononenfrequenzen ähnlich hoch wie die der Silikate liegen. Insbesondere Sr2Si5N8:Eu2+,Nd3+ weist eine intensive Neodymemission unter blauer Anregung auf, deren Quantenausbeute die von (Y,Lu)AG:Ce,Nd übersteigt und für die Emission im nahinfraroten Spektralbereich Werte von mehr als 20 Prozent erreicht. Trotzdem ist auch hier der Energieübertrag vom Eu2+ auf das Nd3+ nicht vollständig, was an der beobachteten Europiumemission im orange-roten Spektralbereich deutlich wird. Darüber hinaus wurden für Nd3+ in den untersuchten 2-5-8-Nitriden im Vergleich zu herkömmlichen Nahinfrarot-LEDs deutlich stabilere Emissionseigenschaften hinsichtlich sowohl der thermischen Löschung als auch der Verschiebung der Lage des Emissionsspektrums nachgewiesen. Ein weiterer Befund der Untersuchungen ist der Identifizierung von elektronischen Übergängen zwischen den 4f- und 5d-Orbitalen des Nd3+ bei vergleichsweise geringen Energien deutlich oberhalb von 250 nm in den untersuchten 2-5-8-Nitriden.

In recent years, great progress has been made in the area of Artificial Intelligence (AI) due to the possibilities of Deep Learning which steadily yielded new state-of-the-art results especially in many image recognition tasks. Currently, in some areas, human performance is achieved or already exceeded. This great development already had an impact on the area of Optical Music Recognition (OMR) as several novel methods relying on Deep Learning succeeded in specific tasks. Musicologists are interested in large-scale musical analysis and in publishing digital transcriptions in a collection enabling to develop tools for searching and data retrieving. The application of OMR promises to simplify and thus speed-up the transcription process by either providing fully-automatic or semi-automatic approaches. This thesis focuses on the automatic transcription of Medieval music with a focus on square notation which poses a challenging task due to complex layouts, highly varying handwritten notations, and degradation. However, since handwritten music notations are quite complex to read, even for an experienced musicologist, it is to be expected that even with new techniques of OMR manual corrections are required to obtain the transcriptions. This thesis presents several new approaches and open source software solutions for layout analysis and Automatic Text Recognition (ATR) for early documents and for OMR of Medieval manuscripts providing state-of-the-art technology. Fully Convolutional Networks (FCN) are applied for the segmentation of historical manuscripts and early printed books, to detect staff lines, and to recognize neume notations. The ATR engine Calamari is presented which allows for ATR of early prints and also the recognition of lyrics. Configurable CNN/LSTM-network architectures which are trained with the segmentation-free CTC-loss are applied to the sequential recognition of text but also monophonic music. Finally, a syllable-to-neume assignment algorithm is presented which represents the final step to obtain a complete transcription of the music. The evaluations show that the performances of any algorithm is highly depending on the material at hand and the number of training instances. The presented staff line detection correctly identifies staff lines and staves with an $F_1$-score of above $99.5\%$. The symbol recognition yields a diplomatic Symbol Accuracy Rate (dSAR) of above $90\%$ by counting the number of correct predictions in the symbols sequence normalized by its length. The ATR of lyrics achieved a Character Error Rate (CAR) (equivalently the number of correct predictions normalized by the sentence length) of above $93\%$ trained on 771 lyric lines of Medieval manuscripts and of 99.89\% when training on around 3.5 million lines of contemporary printed fonts. The assignment of syllables and their corresponding neumes reached $F_1$-scores of up to $99.2\%$. A direct comparison to previously published performances is difficult due to different materials and metrics. However, estimations show that the reported values of this thesis exceed the state-of-the-art in the area of square notation. A further goal of this thesis is to enable musicologists without technical background to apply the developed algorithms in a complete workflow by providing a user-friendly and comfortable Graphical User Interface (GUI) encapsulating the technical details. For this purpose, this thesis presents the web-application OMMR4all. Its fully-functional workflow includes the proposed state-of-the-art machine-learning algorithms and optionally allows for a manual intervention at any stage to correct the output preventing error propagation. To simplify the manual (post-) correction, OMMR4all provides an overlay-editor that superimposes the annotations with a scan of the original manuscripts so that errors can easily be spotted. The workflow is designed to be iteratively improvable by training better models as soon as new Ground Truth (GT) is available. / In den letzten Jahre wurden aufgrund der Möglichkeiten durch Deep Learning, was insbesondere in vielen Bildbearbeitungsaufgaben stetig neue Bestwerte erzielte, große Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) gemacht. Derzeit wird in vielen Gebieten menschliche Performanz erreicht oder mittlerweile sogar übertroffen. Diese großen Entwicklungen hatten einen Einfluss auf den Forschungsbereich der optischen Musikerkennung (OMR), da verschiedenste Methodiken, die auf Deep Learning basierten in spezifischen Aufgaben erfolgreich waren. Musikwissenschaftler sind in großangelegter Musikanalyse und in das Veröffentlichen von digitalen Transkriptionen als Sammlungen interessiert, was eine Entwicklung von Werkzeugen zur Suche und Datenakquise ermöglicht. Die Anwendung von OMR verspricht diesen Transkriptionsprozess zu vereinfachen und zu beschleunigen indem vollautomatische oder semiautomatische Ansätze bereitgestellt werden. Diese Arbeit legt den Schwerpunkt auf die automatische Transkription von mittelalterlicher Musik mit einem Fokus auf Quadratnotation, die eine komplexe Aufgabe aufgrund der komplexen Layouts, der stark variierenden Notationen und der Alterungsprozesse der Originalmanuskripte darstellt. Da jedoch die handgeschriebenen Musiknotationen selbst für erfahrene Musikwissenschaftler aufgrund der Komplexität schwer zu lesen sind, ist davon auszugehen, dass selbst mit den neuesten OMR-Techniken manuelle Korrekturen erforderlich sind, um die Transkription zu erhalten. Diese Arbeit präsentiert mehrere neue Ansätze und Open-Source-Software-Lösungen zur Layoutanalyse und zur automatischen Texterkennung (ATR) von frühen Dokumenten und für OMR von Mittelalterlichen Mauskripten, die auf dem Stand der aktuellen Technik sind. Fully Convolutional Networks (FCN) werden zur Segmentierung der historischen Manuskripte und frühen Buchdrucke, zur Detektion von Notenlinien und zur Erkennung von Neumennotationen eingesetzt. Die ATR-Engine Calamari, die eine ATR von frühen Buchdrucken und ebenso eine Erkennung von Liedtexten ermöglicht wird vorgestellt. Konfigurierbare CNN/LSTM-Netzwerkarchitekturen, die mit dem segmentierungsfreien CTC-loss trainiert werden, werden zur sequentiellen Texterkennung, aber auch einstimmiger Musik, eingesetzt. Abschließend wird ein Silben-zu-Neumen-Algorithmus vorgestellt, der dem letzten Schritt entspricht eine vollständige Transkription der Musik zu erhalten. Die Evaluationen zeigen, dass die Performanz eines jeden Algorithmus hochgradig abhängig vom vorliegenden Material und der Anzahl der Trainingsbeispiele ist. Die vorgestellte Notenliniendetektion erkennt Notenlinien und -zeilen mit einem $F_1$-Wert von über 99,5%. Die Symbolerkennung erreichte eine diplomatische Symbolerkennungsrate (dSAR), die die Anzahl der korrekten Vorhersagen in der Symbolsequenz zählt und mit der Länge normalisiert, von über 90%. Die ATR von Liedtext erzielte eine Zeichengenauigkeit (CAR) (äquivalent zur Anzahl der korrekten Vorhersagen normalisiert durch die Sequenzlänge) von über 93% bei einem Training auf 771 Liedtextzeilen von mittelalterlichen Manuskripten und von 99,89%, wenn auf 3,5 Millionen Zeilen von moderner gedruckter Schrift trainiert wird. Die Zuordnung von Silben und den zugehörigen Neumen erreicht $F_1$-werte von über 99,2%. Ein direkter Vergleich zu bereits veröffentlichten Performanzen ist hierbei jedoch schwer, da mit verschiedenen Material und Metriken evaluiert wurde. Jedoch zeigen Abschätzungen, dass die Werte dieser Arbeit den aktuellen Stand der Technik darstellen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, Musikwissenschaftlern ohne technischen Hintergrund das Anwenden der entwickelten Algorithmen in einem vollständigen Workflow zu ermöglichen, indem eine benutzerfreundliche und komfortable graphische Benutzerschnittstelle (GUI) bereitgestellt wird, die die technischen Details kapselt. Zu diesem Zweck präsentiert diese Arbeit die Web-Applikation OMMR4all. Ihr voll funktionsfähiger Workflow inkludiert die vorgestellten Algorithmen gemäß dem aktuellen Stand der Technik und erlaubt optional manuell zu jedem Schritt einzugreifen, um die Ausgabe zur Vermeidung von Folgefehlern zu korrigieren. Zur Vereinfachung der manuellen (Nach-)Korrektur stellt OMMR4all einen Overlay-Editor zur Verfügung, der die Annotationen mit dem Scan des Originalmanuskripts überlagert, wodurch Fehler leicht erkannt werden können. Das Design des Workflows erlaubt iterative Verbesserungen, indem neue performantere Modelle trainiert werden können, sobald neue Ground Truth (GT) verfügbar ist.

Recently developed two-dimensional colloidal semiconductor nanocrystals, or nanoplatelets (NPLs), extend the palette of solution-processable free-standing 2D nanomaterials of high performance. Growing CdSe and CdS parts subsequently in either side-by-side or stacked manner results in core–crown or core/shell structures, respectively. Both kinds of heterogeneous NPLs find efficient applications and represent interesting materials to study the electronic and lattice excitations and interaction between them under strong one-directional confinement. Here, we investigated by Raman and infrared spectroscopy the phonon spectra and electron–phonon coupling in CdSe/CdS core/shell and core–crown NPLs. A number of distinct spectral features of the two NPL morphologies are observed, which are further modified by tuning the laser excitation energy Eexc between in- and off-resonant conditions. The general difference is the larger number of phonon modes in core/shell NPLs and their spectral shifts with increasing shell thickness, as well as with Eexc. This behaviour is explained by strong mutual influence of the core and shell and formation of combined phonon modes. In the core–crown structure, the CdSe and CdS modes preserve more independent behaviour with only interface modes forming the phonon overtones with phonons of the core. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Plasmons, i.e. collective oscillations of conduction electrons, have a strong influence on the optical properties of metal micro- and nanostructures and are of great interest for novel photonic devices. Here, plasmons on metal-dielectric interfaces are investigated using near-field optical microscopy and differential angular reflectance spectroscopy. Emphasis is placed on the study of plasmon interaction with individual nanostructures and on the nonlinear process of surface plasmon amplification. Specifically, plasmon transmission across single grooves in thin silver films is investigated with the help of a near-field optical microscope. It is found that plasmon transmittance as a function of groove width shows a non-monotonic behavior, exhibiting certain favorable groove widths with strongly decreased transmittance values. Additionally, evidence of groove-mediated plasmon mode coupling is observed. Spatial beating due to different plasmon wave vectors produces distinct interference features in near-field optical images. A theoretical approach explains these observations and gives estimated coupling effciencies deduced from visibility considerations. Furthermore, stimulated emission of surface plasmons induced by optical pumping using an organic dye solution is demonstrated for the first time. For this a novel twin-attenuated-total-reflection scheme is introduced. The experiment is described by a theoretical model which exhibits very good agreement. Together they provide clear evidence of the claimed process.

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A direct “green” aqueous synthesis of mercapto acetate-stabilized copper indium sulfide (CIS) nanoparticles (NPs) and core/shell CIS@ZnS NPs of a varied composition under ambient conditions and a temperature lower than 100 °C is reported. The CIS@ZnS NPs can be anchored to the surface of nanocrystalline FTO/TiO2 films without additional purification or ligand exchange steps yielding visible-light-sensitive heterostructures ready for using as photoanodes in the liquid-junction solar cells. The highest photoelectrochemical activity in a three-electrode cell was demonstrated by a TiO2/CIS@ZnS heterostructure with atomic Cu : In : S and Zn : Cu ratios of 1 : 5 : 10 and 1 : 1. The optimized TiO2/CIS@ZnS photoanodes were tested in two-electrode solar cells with aqueous polysulfide electrolyte and TiO2/Cu2S heterostructures produced by a photo-assisted method as counter-electrodes. Under illumination by a 30 mW cm−2 xenon lamp, the optimized cells showed the average light conversion efficiency of 8.15%, the average open-circuit voltage of −0.6 V and the average fill factor of 0.42. The cells revealed excellent stability and reproducibility of photoelectrochemical parameters with around one percent variation of the light conversion efficiency around an average value for six identical solar cells. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.