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In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der magnetischen Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt, um beim Schadstoffabbau stattfindende Prozesse und geochemische Reaktionen zerstörungs- und beprobungsfrei zu untersuchen. Dies ist möglich, da die gelösten Elektronenakzeptoren Sauerstoff und Eisen paramagnetisch sind und somit einen Ein uss auf die NMRRelaxationszeiten ausüben. Der lineare Zusammenhang zwischen der gelösten Sauerstoff- beziehungsweise Eisen-Konzentration und den NMR-Relaxationsraten 1/T1 und 1/T2 wurde quantifiziert. Weiterhin wurde der bereits bekannte Einfluss der Matrixoberflächen von porösen Medien auf die Relaxation von Wasser nachgewiesen. Die paramagnetischen Zentren auf Sandoberflächen führen ebenfalls zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten. Es wurde gezeigt, dass die kleinsten Korngrößen der verwendeten Sande den größten Einfluss auf die Oberflächenrelaxation haben. Wird die Oberflächenrelaxation berücksichtigt, ist auch in porösen Medien die ermittelte lineare Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der Ionenkonzentration anwendbar, um den Gehalt an gelösten paramagnetischen Ionen aus Relaxationsmessungen zu ermitteln. Beispielhaft wurde der Anstieg der Eisen(III)-Konzentration in der Porenlösung von natürlichen Sanden infolge der Auflösung eisenhaltiger Mineralien von den Oberflächen zeitlich und räumlich detailliert betrachtet. Eine durchgeführte Modellierung zeigte, dass das Reaktionssystem zu Beginn der Reaktion von der Diffusion dominiert wird, am Ende dann die Reaktionsgeschwindigkeit der bestimmende Parameter ist. Die beim biologischen Schadstoffabbau auftretenden Redoxprozesse des Eisens wurden durch rein chemische Reaktionen unter Verwendung von Oxidations- und Reduktionsmitteln simuliert. Die zeitlich und räumlich detaillierte Beobachtung des Anstiegs beziehungsweise des Abfalls der gelösten Eisen(III)-Konzentration in der (Poren-)Lösung war mit NMR-Relaxometrie trotz der Schnelligkeit der Reaktionen möglich. Mit Hilfe der anschliessenden Modellierung wurde der wichtige Einfluss des pH-Wertes auf den genauen Ablauf der Reaktionen deutlich gemacht. Nur in sehr sauren pH-Bereichen (pH < 3) liegen die Eisen(III)-Ionen in Lösung vor. Weiterhin wurde der Einfluss der Mikroorganismen selbst auf die NMR-Relaxations- und Diffusionsmessungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Medien mit Lactobacillus und Penicillium eine Verschiebungen in den Relaxationszeitverteilungen hin zu kleineren Relaxationszeiten gemessen. Dies basiert auf der bereits bekannten Verringerung der Mobilität der Spins innerhalb der Biomasse. Für Bakterien von Geobacter metallireducens konnte erstmals der Verbrauch von Eisen(III)-Ionen durch Reduktion während des Wachstum anhand der ansteigenden T2-Relaxationszeit gezeigt werden.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

The present work addresses in-depth magnetic films with magnonic surface patterning of variable size. Two different kinds of such structures referred to as surface-modulated magnonic crystals were investigated: Ion-irradiated magnonic crystals and structurally etched magnonic crystals. To achieve that, two different experimental approaches were pursued. On the one hand, the magnetic moment at the surface of lithographically patterned permalloy (Ni80Fe20) films was periodically reduced by means of ion irradiation. On the other hand, structural trenches were introduced at the surface of a pre-patterned thin film by sequential ion milling. The goal is the acquisition of a fundamental understanding of the behavior of spin-wave modes in the transition from a continuous magnetic thin film to a full magnonic crystal, i.e. separated periodic magnetic structures. In the framework of this thesis, the spin-wave eigen-modes of such magnonic crystals were mainly investigated spectroscopically by means of ferromagnetic resonance. Thereby, the “Two-magnon scattering perturbation theory” and the “plane-wave method” were employed as the theoretical methodologies to understand the complex dynamics of such systems. The first is a reliable method to calculate the dynamic response of surface-modulated magnonic crystals where the modulation is of a perturbation character, i.e. small compared to the film thickness. The latter is a quasi-analytical approach to calculate the dynamic eigen-modes of magnonic crystals consisting of different components with significantly varying properties. Moreover, numerical methods were employed to get further insight into the spin dynamics of these structures. In such systems, the spin-wave behavior follows the well-known dispersion relation of flat magnetic thin films as long as the surface-modulation is small compared to the film thickness. In this work, it was shown that this circumstance can be exploited for a parameter-free determination of the exchange constant A, which is not experimentally accessible for magnetic thin films in a straightforward manner. However, once the modulation height is of significant magnitude, the dynamics of surface-modulated magnonic crystals become substantially more complex. A straightforward understanding of such kind of system is hampered by the complex interplay of different effects. On the one hand, the internal demagnetizing field reveals an alternating character and depends itself on the modulation height and the field angle. On the other hand, the dynamic eigen-modes are hybridized, i.e., they reveal different characteristics in different regions of the magnonic crystal and, in addition, they couple to each other. Here, the approach is particularly favorable to investigate the spin dynamics of surface-modulated magnonic crystals by systematically altering the modulation height of the same sample. This is mainly due to two reasons. First, the two edge cases, namely the thin film and the full magnonic crystal, are already well understood and, second, other magnetic and structural parameters remain constant. With the help of the measurement results and the simulations, the quasi-analytical theory was validated. Subsequently, the mode profiles were calculated by theory and simulation in order to analyze the mode character in the transition from a thin film to a full magnonic crystal. Two kinds of dynamic eigen-modes were identified, namely hybridized modes and localized modes. For both types, simple formulae were derived describing their characteristic dynamic behavior. Besides, transition rules were found connecting the mode number n of film modes with the mode number m of modes in the full magnonic crystal. In order to correlate the symmetry and magnitude of the demagnetizing field with the spin-wave eigen-modes, the internal fields of a strongly surface-modulated magnonic crystal were reconstructed by electron holography measurements. By reemploying the measurement results for micromagnetic simulations, the dynamics of the whole system could be reproduced. This strategy allowed for a better understanding of the link between the demagnetizing field and the spin-wave mode characteristics. Based on these results, a simplified model for the analytical description of the inplane angular dependence was found. The acquired understanding of such systems led to the elaboration of specific applications, such as the spin-wave channelization. It should be noted that the coupling of uniform to non-uniform spin-wave phenomena, which is an intrinsic property of these structures, holds out the prospect of several applications in the future.

Ligandgesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine, die an der Weiterleitung von Reizen und an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt sind. Große Bedeutung besitzt die Messung der Aktivierung der Ionenkanäle beispielsweise in der Medizin (z.B. Ionenkanalerkrankungen), der Pharmazie (z.B. Medikamenten-Screening) und in der Bionanotechnologie (z.B. molekulare Schalter). In all diesen Gebieten besteht die Forderung nach hohen Probendurchsätzen bei sehr hohem Informationsgehalt. Etablierte elektrochemische Detektionsmethoden erfüllen diese Forderung nicht. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde ein Ionenkanalsensor-Array mit optischer, paralleler Detektion entwickelt. Eine mikrostrukturierte Polymethyl(meth)acrylat (PMMA)-Schicht dient als Grundgerüst des Arrays. Über die Mikroporen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen, wird eine Lipidmembran gespannt, in die Ionenkanäle eingebaut werden. Wird der Ionenkanal aktiviert, strömen Ionen in die Mikroporen und führen zu einer messbaren Veränderung des Brechungsindexes. Mittels Oberflächenplasmonen-Resonanz Imaging lässt sich die Aktivierung der Ionenkanäle markierungsfrei und direkt bestimmen. Stabile, die Mikrostruktur überspannende Lipidmembranen wurden durch eine neu entwickelte Stempeltechnik und durch eine Oberflächenmodifikation der PMMA-Mikrostruktur erzielt. Für die Charakterisierung und den Funktionsnachweis des Sensoraufbaus wurden das infrarot-spektroskopische Imaging und die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch das lokale Aufkonzentrieren der durch den Ionenkanal geströmten Metallionen am Porengrund mit oberflächengebundener 2-(Benzylsulfid)-18-Krone-6 möglich ist.

The number of people suffering from neurodegenerative diseases, such as Alzheimer`s disease, increased dramatically over the past centuries and is expected to increase even further within the next years. Based on predictions of the World Health Organization and Alzheimer`s Disease International, 115 million people will suffer from dementia by the year 2050. An additionally increase in other age related neurodegenerative diseases is also forecasted. Quite naturally, neurodegenerative diseases became a focus of attention of governments and health insurances, trying to control the uprising financial burden. Early detection and treatment of neurodegenerative diseases could be an important component in containing this problem. In particular, researchers focused on automatic methods to analyze patients’ imaging data. One way to detect structural changes in magnetic resonance images (MRI) is the voxel-based method approach. It was specifically implemented for various imaging modalities, e.g. T1-weighted images or diffusion tensor imaging (DTI). Voxel-based morphometry (VBM), a method specifically designed to analyze T1-weighted images, has become very popular over the last decade. Investigations using VBM revealed numerous structural brain changes related to, e.g. neurodegeneration, learning induced structural changes or aging. Although voxel-based methods are designed to be robust and reliable structural change detection methods, it is known that they can be influenced by physical and physiological factors. Dehydration, for example, can affect the volume of brain structures and possibly induce a confound in morphometric studies. Therefore, three-dimensional T1-weighted images were acquired of six young and healthy subjects during different states of hydration. Measurements during normal hydration, hyperhydration, and dehydration made it possible to assess consequential volume changes in gray matter (GM), white matter (WM), and cerebrospinal fluid (CSF). The datasets were analyzed using VBM, FreeSurfer and SIENA. A significant decrease of GM and WM volume, associated with dehydration, was found in various brain regions. The most prominent effects were found in temporal and parietal areas, in the left inferior orbito-frontal region, and in the extra-nuclear region. Moreover, we found consistent increases in CSF, an expansion around 6% of the ventricular system affecting both lateral ventricles, i.e. the third and fourth ventricle. Similar degrees of shrinkage in WM volume and increase of the ventricular system have been reported in studies of Alzheimer’s disease during disease progression and in its prestage mild cognitive impairment. Based on these findings, a potential confound in GM and WM or CSF studies due to the subjects’ hydration state cannot be excluded and should be appropriately addressed. These results underline the sensitivity of VBM and might also concern other voxel-based methods, such as Tract-Based Spatial Statistics (TBSS). TBSS was specifically designed for WM analyses and its sensitivity might be helpful for revealing the spatial relation of structural WM changes and related blood serum biomarkers. Two common brain related biomarkers are the glial protein S100B, a plasticity inducing neuro- and gliotrophin, and neuron-specific enolase (NSE), a marker for neuronal damage. However, the spatial specificity of these biomarkers for brain region has not been investigated in vivo until now. Therefore, we acquired two MRI parameters – T1- weighted and DTI - sensitive to changes in GM and WM, and obtained serum S100B and NSE levels of 41 healthy subjects. Additionally, the gene expression of S100B on the whole brain level in a male cohort of three subjects from the Allen Brain Database was analyzed. Furthermore, a female post mortal brain was investigated using double immunofluorescence labeling with oligodendrocyte markers. It could be shown that S100B is specifically related to white matter structures, namely the corpus callosum, anterior forceps and superior longitudinal fasciculus in female subjects. This effect was observed in fractional anisotropy and radial diffusivity – the latest an indicator of myelin changes. Histological data confirmed a co-localization of S100B with oligodendrocyte markers in the human corpus callosum. S100B was most abundantly expressed in the corpus callosum according to the whole genome Allen Human Brain Atlas. In addition, NSE was related to gray matter structures, namely the amygdala. This effect was detected across sexes. The data demonstrates a very high S100B expression in white matter tracts, in particular in human corpus callosum. This was the first in vivo study validating the specificity of the glial marker S100B for the human brain, and supporting the assumption that radial diffusivity represents a myelin marker. The results open a new perspective for future studies investigating major neuropsychiatric disorders. All above mentioned studies are mainly dependent on the sensitivity and accuracy of soft and hardware parameters. In particular, technical developments have improved acquisition accuracy in the field of MRI. Interestingly, very little is known about the confounding effects of variations due to hardware parameters and their possible impact on reliability and sensitivity of VBM. Recent studies have shown that different acquisition parameters may influence VBM results. Therefore age-related GM changes were investigated with VBM in 36 healthy volunteers grouped into 12 young, 12 middle-aged and 12 elderly subject. Six T1-weighted datasets were acquired per subject with a 12-channel matrix coil, as well as a 32-channel array, MP-RAGE and MP2RAGE, and with isotropic resolutions of 0.8 and 1 mm. DARTEL-VBM was applied on all images and GM, WM and CSF segments were statistically analyzed.. Paired t-tests and statistical interaction tests revealed significant effects of acquisition parameters on the estimated gray-matter-density (GMD) in various cortical and subcortical brain regions. MP2RAGE seemed slightly less prone to false positive results when comparing data acquired with different RF coils and yielded superior segmentation of deep GM structures. With the 12-channel coil, MP-RAGE was superior in detecting age-related changes, especially in cortical structures. Most differences between both sequences became insignificant with the 32-channel coil, indicating that the MP2RAGE images benefited more from the improved signal-to-noise ratio and improved parallel-imaging reconstruction). A possible explanation might be an overestimation of the GM compartment on the MP-RAGE images. In view of substantial effects obtained for all parameters, careful standardization of the acquisition protocol is advocated. While the current investigation focused on aging effects, similar results are expected for other VBM studies, like on plasticity or neurodegenerative diseases. This work has shown that voxel-based methods are sensitive to subtle structural brain changes, independent of imaging modality and scanning parameters. In particular, the studies investigated and discussed the analysis of T1- and diffusion weighted images with VBM and TBSS in the context of dehydration, blood serum sensitive biomarkers and aging were discussed. The major goal of these studies was the investigation of the sensitivity of voxel-based methods. In conclusion, sensitivity and accuracy of voxelbased methods is already high, but it can be increased significantly, using optimal hardand software parameters. It is of note, though, that these optimizations and the concomitant increase of detection sensitivity could also introduce additional confounding factors in the imaging data and interfere with the latter preprocessing and statistical computations. To avoid an interference e.g. originating from physiological parameters, a very careful selection and monitoring of biological parameters of each volunteer throughout the whole study is recommended. A potential impact of scanning parameters can be minimized by strict adherence to the imaging protocol for each study subjectwithin a study. A general increase in detection sensitivity due to optimized parameters selection in hard- and/or can not be concluded by the above mentioned studies. Although the present work addressed some of those issues, the topic of optimal selection of parameters for morphometric studies is still very complex and controversial and has to be individually decided. Further investigations are needed to define more general scanning and preprocessing standards to increase detection sensitivity without the concomitant amplification of confounding factors.

Das haloalkaphile Archaeon Natronomas pharaonis nutzt den Lichtrezeptor, das Sensorische Rhodopsin II (NpSRII), im Komplex mit dem halobakteriellen Transducer (NpHtrII) zur photophoben Antwort auf schädliches grün-blaues Licht und entsprechender Steuerung des Flagellenmotors um optimale Umgebungen zum Überleben aufzusuchen. In einer Membran rekonstituiert bildet der Rezeptor/Transducer Komplex eine 2:2 Stöchiometrie aus, wobei ein Transducer-Dimer von zwei Rezeptor-Molekülen flankiert wird. Durch die Lichtanregung wird ein Photozyklus initiiert, dessen Intermediate sich aufgrund ihrer optischen und/oder strukturellen Eigenschaften unterscheiden. In dieser Studie sind die strukturellen Änderungen des Rezeptors und des Transducers während des Photozyklus mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie in Kombination mit der ortsspezifischen Spinmarkierung aufgeklärt worden. Als Methoden wurden dabei die zeitaufgelöste ESR-Spektroskopie und Abstandsmessungen in unterschiedlichen Intermediaten mit Hilfe von cw- und Puls-ESR-Techniken genutzt. Der Signaltransfer nach Initiierung des Photozyklus im Rezeptor, die Weiterleitung des Signals zum Transducer durch die Auswärtsbewegung der Helix F und die damit verbundene Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts in der HAMP-Domäne des Transducers konnten beobachtet und analysiert werden. Die Methode der ESR-Spektroskopie erweist sich als mächtige biophysikalische Technik, die eine direkte und zeitaufgelöste Analyse von strukturellen Konformationsänderungen in Membranproteinen und die strukturelle Aufklärung unterschiedlicher Intermediate erlaubt.

Die Arbeit untersucht das Orientierungsverhalten von niedermolekularen thermotropen nematischen Flüssigkristallen in externen elektrischen und magnetischen Feldern. Mit einer Kombination von Protonen- und Fluor-NMR-Experimenten und Orientierungsexperimenten in elektrischen Feldern wird eine Vielzahl von dynamischen Prozessen in einem Zeitbereich von 100 ms bis 100 us untersucht. Der erste Teil der Arbeit enthält eine Beschreibung des experimentellen Aufbaus für eine elektrische Steuerung von Orientierungsexperimenten im Magnetfeld eines NMR-Spektrometers. Die verschiedenen Komponenten zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, zur Automatisierung des Meßablaufs und zur Synchronisation mit dem NMR-Spektrometer werden vorgestellt. Dabei wird auf die Schwierigkeiten bei NMR-Messungen an dünnen Kondensatorproben eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit folgt eine Untersuchung verschiedener dynamischer Prozesse in nematischen Flüssigkristallen. Durch die Kombination von elektrisch induzierten Prozessen mit unterschiedlichen Spannungsimpulsen kann ein sehr weiter Zeitbereich, der sich bis zu minimalen Orientierungszeiten von etwa 50 us erstreckt, erfaßt werden. Eine Analyse dieser Experimente erlaubt Rückschlüsse auf die Natur des dynamischen Prozesses wie z. B. den Übergang von homogenen zu inhomogenen Prozessen und ergibt eine Reihe von Materialparametern. Die zeitaufgelöste Messung der Orientierungsprozesse erfolgt mit verschiedenen, speziell für die Anwendung in elektrischen Feldern entwickelten NMR-Techniken. In einer Reihe von Protonen- und Fluor-Messungen werden die dipolare Dublettaufspaltung und die chemische Verschiebung als Funktionen des Winkels zwischen dem nematischen Direktor und dem Magnetfeld untersucht. Dabei nimmt die Linienbreite der Protonen-Spektren von ca. 30 kHz auf unter 300 Hz ab, und die Position der Fluor chemischen Verschiebung variiert in einem Bereich von etwa 10 kHz. / Electrically Induced Dynamic Processes in Liquid Crystals Investigated by Means of NMR --------------------------------------------------------- Within the thesis reorientation processes of thermotropic low molar mass nematic liquid crystals are described. Dynamic processes in external electric and magnetic fields are investigated by means of proton and fluorine NMR. A combination of different reorientation experiments with NMR methods allows the direct observation of the director dynamics on a timescale from 100 milliseconds to 100 microseconds. The first part provides a detailed description of the experimental setup. The reorientation experiments in the magnetic field of the NMR spectrometer are induced by high voltage pulses. The different parts of the high voltage supply are specified together with the synchronisation with the NMR experiment and several automation techniques. Some difficulties related to the usage of thin capacitor cells as NMR samples are discussed. The second part deals with different types of dynamic processes in nematic liquid crystals. The reorientation dynamics can be changed in a wide range by varying the electric excitation. Reorientation times down to 50 us are possible. Special time resolved NMR techniques provide the dipolar splitting and the chemical shift as a function of the orientational state. The proton linewidth changes in such an experiment from approx. 30 kHz to less than 300 Hz, the position of the fluorine chemical shift varies within a range of 10 kHz. These results yield a multitude of material parameters and provide information about the underlying dynamic process which may be e.g. homogeneous or inhomogeneous.

Bei Erdschlüssen in Mittelspannungsnetzen mit Resonanz-Sternpunkterdung wird der einpolige Fehlerstrom, genannt Erdschluss-Reststrom, oft von den Oberschwingungsanteilen dominiert. Dadurch wird in manchen Netzen die betrieblich festgelegte Obergrenze für den Erdschluss-Reststrom, auf deren Grundlage die Erdungsanlagen ausgelegt wurden, überschritten. Für eine Bewertung hinsichtlich des Personenschutz muss geprüft werden, ob dies eine Überschreitung der zulässigen Berührungsspannung nach DIN EN 50522 zur Folge hat. Dazu wird die erdpotenzialanhebende Wirkung der Harmonischen im Erdschluss-Reststrom für repräsentative Anordnungen untersucht. Dies wird mittels eines Modells realisiert und durch Messergebnisse verifiziert. Hierbei werden jeweils Aussagen zur charakteristischen Stromverteilung im Erdungssystem, den wirksamen Erdungsimpedanzen sowie zur resultierenden Erdungsspannung getroffen. Wesentliche Einflussfaktoren werden benannt und eine vom Fehlerort abhängige Risikobewertung durchgeführt. Im Ergebnis kann eine Vielzahl potenzieller Fehlerorte als grundsätzlich unkritisch eingestuft und somit umfangreiche Untersuchungen sowie Fehlinvestitionen vermieden werden.