Quantitative Bildgebung magnetischer Nanopartikel mittels magnetrelaxometrischer Tomographie für biomedizinische Anwendungen

Die Entwicklung neuartiger medizinischer Verfahren, in denen magnetische Nanopartikel (MNP) als Arzneimittelträger oder zur Wärmeinduktion für lokale Krebstherapien eingesetzt werden, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Sowohl für die Steuerung, als auch für die Bewertung dieser Therapien werden Messverfahren zum ortsaufgelösten und quantitativen Nachweis der MNP im Körper benötigt. Mit der Magnetrelaxometrie (MRX) steht ein solches Verfahren zur Verfügung, bei dem das abklingende magnetische Moment der MNP nach dem Abschalten eines angelegten Magnetfeldes zur Quantifizierung genutzt wird. Auch ein ortsaufgelöster Nachweis von MNP ist mit diesem Verfahren möglich. Dafür wird die Nanopartikelverteilung mit einem homogenen Magnetfeld zur Relaxation angeregt und die MRX-Signale gleichzeitig von mehreren Sensoren detektiert. Zur Rekonstruktion der Verteilung aus den Messdaten muss ein schlecht-gestelltes, inverses Problem gelöst werden. Dabei muss die Rekonstruktion über zusätzliches a-priori Wissen, wie z.B. der vertikalen Lage der Verteilung in einem 2D Rekonstruktionsgitter oder Annahmen über die Anzahl und Geometrie der MNP-Anreicherungen im Körper, stabilisiert werden. Einen neuartigen Ansatz zur dreidimensionalen Bildgebung der MNP stellt die MRX-Tomographie dar, in der die Rekonstruktion über zusätzliche MRX-Messungen stabilisiert wird. Dafür werden nacheinander unterschiedliche Teilbereiche der Nanopartikelverteilung mit inhomogenen Magnetfeldern zur Relaxation angeregt und die jeweiligen Relaxationssignale wiederum gleichzeitig von mehreren Sensoren aufgezeichnet. In dieser Arbeit wurde erstmals ein experimenteller Aufbau für die MRX-Tomographie konzipiert und realisiert, um damit die Rekonstruktionsqualität dieses Verfahrens zu untersuchen. Zur Detektion der MRX-Signale wurde ein bestehendes Sensorsystem mit 304 der derzeit empfindlichsten Magnetfeldsensoren (SQUIDs) verwendet. Zur selektiven Magnetisierung der MNP-Verteilung wurde ein mehrkanaliges Magnetisierungssystem entwickelt. Dieses stellt in einer wählbaren Abfolge präzise Magnetfelder bereit, die in unmittelbarer Nähe zum Sensorsystem eine ortskodierte Relaxationsantwort der MNP erzeugen. Zur Untersuchung der Bildgebungseigenschaften des MRX-Tomographieaufbaus wurden MNP-Phantome konzipiert und entwickelt, die die spezifischen Gegebenheiten präklinischer Therapiestudien mit MNP nachbilden. Die von den Phantomen bereitgestellten Nanopartikelverteilungen mit klinischen Dosierungen im Milligrammbereich konnten mittels MRX-Tomographie dreidimensional rekonstruiert werden. Bei einer räumlichen Auflösung von wenigen Kubikzentimetern und einem Messvolumen von bis zu 600 cm^3 wurde dabei eine Quantifizierungsunsicherheit von unter 10% erreicht. Die erreichte Gesamtmessdauer einer kompletten MRX-Tomographiesequenz von etwa zwei Minuten lag dabei unterhalb der typischen Narkosedauer in Kleintierstudien. Durch die Verwendung alternativer Anregungssequenzen im MRX-Tomographieaufbau konnte die Gesamtmessdauer ohne wesentlichen Verlust an Rekonstruktionsqualität auf unter 30 Sekunden reduziert werden. Schließlich wurde das Verfahren der MRX-Tomographie unter Berücksichtigung des zeitlichen Relaxationsverlaufes der MNP erweitert. Mit diesem Ansatz konnte auch der Bindungszustand der MNP an das umgebende Medium quantitativ und dreidimensional rekonstruiert werden. Die dazu durchgeführten Versuche belegen das Potential der MRX-Tomographie, den Einfluss der biologischen Umgebung auf die physikalischen Eigenschaften der MNP quantitativ und ortsaufgelöst nachzuweisen. Der in dieser Arbeit entstandene MRX-Tomographieaufbau erlaubt den sicheren quantitativen und ortsaufgelösten Nachweis von MNP-Verteilungen in Kleintieren bis zur Kaninchengröße. Durch eine moderate Anpassung der Anregungsspulen wird somit eine Humananwendung des Verfahrens denkbar. Damit wurde ein wichtiger Schritt in der Entwicklung einer therapiebegleitenden Bildgebung zur Steuerung und quantitativen Bewertung MNP basierter Krebsbehandlungen erreicht.Current biomedical research focuses on the development of novel biomedical applications based on magnetic nanoparticles (MNPs), e.g. for local cancer treatment. These therapy approaches employ MNPs as remotely controlled drug carriers or local heat generators. Since location and quantity of MNPs determine drug enrichment and heat production, quantitative knowledge of the MNP distribution inside a body is essential for the development and success of these therapies. Magnetorelaxometry (MRX) is capable to provide such quantitative information based on the specific response of the MNPs after switching-off an applied magnetic field. Applying a uniform (homogeneous) magnetic field to a MNP distribution and measuring the MNP response by multiple sensors at different locations allows for spatially resolved MNP quantification. However, to reconstruct the MNP distribution from this spatially resolved MRX data, an ill posed inverse problem has to be solved. So far, the solution of this problem was stabilized incorporating a-priori knowledge in the forward model, e.g. by setting priors on the vertical position of the distribution using a 2D reconstruction grid or setting priors on the number and geometry of the MNP sources inside the body. MRX tomography represents a novel approach for quantitative 3D imaging of MNPs, where the inverse solution is stabilized by a series of MRX measurements. In MRX tomography, only parts of the MNP distribution are sequentially magnetized by the use of inhomogeneous magnetic fields. Each magnetizing is followed by detection of the response of the corresponding part of the distribution by multiple sensors. The 3D reconstruction of the MNP distribution is then accomplished by a common evaluation of the distinct MRX measurement series. In this thesis the first experimental setup for MRX tomography was developed for quantitative 3D imaging of biomedical MNP distributions. It is based on a multi-channel magnetizing unit which has been engineered to generate a time-multiplexed sequence of precise magnetic fields for spatially constrained magnetizing of the MNP distribution. The unit has been integrated into a sensor system containing 304 superconducting quantum interference devices (SQUIDs) used for the spatially resolved detection of the MNP responses after each magnetizing. Furthermore, for evaluation of MRX tomography MNP phantoms reflecting the MNP distribution after magnetic drug targeting therapy in animals were designed and implemented. Using these phantoms, MNP distributions with clinical MNP doses in the milligram range could be quantitatively reconstructed by MRX tomography within a field of view up to 600 cm³ and a spatial resolution of a few cubic centimeters. The deviation between the quantified and nominal MNP amount was found to be below 10%. With the present experimental setup MRX tomography measurements of a complete MNP distribution were performed within the typical anesthesia time interval of a few minutes prevailing in preclinical animal studies. By implementing advanced magnetizing sequences this measurement time of the MRX tomography setup could be reduced to below 30 s. Finally, using the same MRX tomography setup a binding state specific quantitative imaging of MNP distributions was achieved by incorporating the temporal MNP relaxation behavior into the reconstruction. Hence, MRX tomography has the potential to image the influence of the local biological environment on the physical properties of the MNPs. The presented MRX tomography setup allows for sensitive and specific spatially resolved 3D quantification of MNPs in small animals. This represents an important step towards the development of a clinical imaging tool for the control and assessment of MNP based cancer treatments. Moreover, by adjusting the excitation coils the field of view could be easily enlarged making MRX tomography quite conceivable for human application

Nanoskopie zur Strukturaufklärung von DNA

Die Verwendung metallischer oder Metall-beschichteter Mess-Sonden für die Rastersondenmikroskopie (SPM – engl. scanning probe microscopy) ist die Voraussetzung für die Kombination mit der Oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS – engl. surface-enhanced Raman spectroscopy). Bei dem als Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS – engl. tip-enhanced Raman spectroscopy) bezeichneten Verfahren wird dabei idealerweise nur der endständige Metall-Nanopartikel für die Verstärkung der spezifischen Raman-Informationen genutzt. Durch die geringe Reichweite des zur Detektion genutzten evaneszenten Feldes des bestrahlten Nanopartikels können extrem kleine Bereiche spektroskopisch untersucht werden. Dabei kann Einzel-Molekül-Sensitivität erreicht werden, die gleichzeitig durch die topographische Information der Rastersondenmikroskopie untermauert wird. Diese Eigenschaften der TERS-Technologie schaffen somit das Potential für die Analyse einzelner DNA-Stränge. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene DNA-Proben untersucht. Hierbei konnten zahlreiche Fragestellungen bezüglich der Primär-, wie auch Sekundärstruktur von DNA erstmals mittels TERS adressiert werden. Durch die hoch spezifischen Raman-Informationen der einzelnen DNA-Bestandteile (vornehmlich DNA-Basen) wurde somit der Zugang zu einer umfangreichen zerstörungs-, sowie labelfreien Strukturaufklärung von DNA-aufgezeigt. Ergänzt werden die Ergebnisse zur Strukturaufklärung von DNA durch die Untersuchung von Dünnschnitten behandelter und unbehandelter mit Malaria infizierter Erythrozyten mit Hilfe von TERS. Hierdurch konnte das Potential zur lokal begrenzten Charakterisierung komplexer Proben, wie zellulärer Strukturen, gezeigt werden. Im Einzelnen wurden die spektralen Informationen aus Messungen auf Hämozoin-Kristallen verglichen. Dabei wurden Hinweise auf die oberflächensensitive Wirkungsweise des zur Behandlung verwendeten Anti-Malaria Wirkstoffes Chloroquin gefunden. Charakteristische Raman-Markerbanden, welche die Häm-Dimer-Bildung im Hämozoin anzeigen, wurden im Vergleich zur behandelten Probe deutlich schwächer detektiert

Observability of large-scale structures in circumstellar disks and analysis of their origin

Zirkumstellare Scheiben sind die Geburtsstätte von Planetensystemen. Sie bestehen zu einem überwiegenden Teil aus Gas und etwa 1% Staub und bilden sich im Zuge der Sternentstehung. Gerade die seit Kurzem möglichen Beobachtungen dieser Objekte mit ALMA bringen immer mehr ans Licht, dass es sich bei zirkumstellaren Scheiben um hoch dynamische Objekte mit großskaligen Strukturen in der Materialverteilung handelt. Inzwischen sind viele Wechselwirkungsmechanismen vorgeschlagen worden, die solche Strukturen erklären können. Allerdings ist es auch notwendig, die Beobachtbarkeit dieser theoretischen Mechanismen im Detail zu untersuchen, um ein Werkzeug zur Interpretation realer Messungen zur Hand zu haben. Besonders eignet sich hierfür ein dreiteiliges Vorgehen, bei dem zunächst die Störung der Scheibendichtestruktur in Hydrodynamiksimulationen beschrieben wird. Im nächsten Schritt werden dann Strahlungstransport-Simulationen auf der Grundlage dieser Dichteverteilungen durchgeführt und hierauf aufbauend Beobachtungen mit ausgewählten Instrumenten simuliert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die charakteristischen Strukturen, die durch Planet-Scheibe-, Binärsystem-Scheibe- und Magnetfeld-Scheibe-Wechselwirkung in der Dichteverteilung der zirkumplanetaren, beziehungsweise zirkumbinären Scheibe entstehen, auf diese Weise untersucht. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf simulierten ALMA-Beobachtungen im (sub)mm-Wellenlängenbereich. Dennoch werden auch andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums in die Analyse mit einbezogen, da erst durch die Kombination von Multiwellenlängen-Beobachtungen wirklich Ursachen für Scheibenstrukturen erkannt werden können. Dies ist vor allem deshalb wichtig, da es ein Ergebnis der Arbeit ist, dass ALMA für alle berücksichtigten Wechselwirkungsmechanismen tatsächlich charakteristische Strukturen beobachten kann, diese sich aber trotz unterschiedlicher Ursache derart ähneln können, dass eine Unterscheidung nicht möglich ist. So ist im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen eine Unterscheidung der Auswirkung von Magnetfeld-Scheibe- und Planet-Scheibe-Wechselwirkung erst durch die Detektion der direkten Abstrahlung des Planeten möglich. Es werden die Bedingungen erforscht und angegeben, unter denen die planetare Abstrahlung detektiert werden kann und welche Rückschlüsse aus einer solchen Messung auf die Eigenschaften des Planeten möglich sind. Zudem zeigt sich, dass der Staub in einer zirkumstellaren Scheibe in Abhängigkeit seiner Größe eine Verteilung besitzt, die große Unterschiede zur Verteilung der Gasmoleküle besitzt. Da dieser aber für die Kontinuumsabstrahlung im (sub)mm-Wellenlängenbereich verantwortlich ist, können gerade die durch ihn erzeugten Strukturen besonders gut beobachtet werden. Das entworfene Modell zeigt hierbei große, augenscheinliche Ähnlichkeit zu einer ALMA-Beobachtung von HL Tau. Insgesamt zeigt die Arbeit allerdings, dass die Vielfalt der Ursachen für Strukturen in zirkumstellaren Scheiben so groß ist, dass ein Rückschluss von der Beobachtung einer Struktur auf die tatsächliche Ursache nicht eindeutig ist.Circumstellar disks are expected to be the birthplace of planetary systems. They predominantly consist of gas, with about 1% dust, and they are a byproduct of star formation. Since its inauguration, ALMA has revealed, that these objects are highly dynamical and show large scale structures in their distribution of matter. Meanwhile, several interactions have been proposed to create these structures. However, it is necessary to explore the observability of the theoretical models in detail to provide a means to interpret real measurements. In particular, a three step method is appropriate for this purpose. First, the interaction processes have to be investigated in hydrodynamical simulations of the disk density profiles. Second, on the basis of these density profiles, follow-up radiative transport calculations must be performed and finally the observability for selected instruments must be predicted from the radiative transfer outcome. This thesis investigates characteristic large scale disk structures resulting from planet-disk, binary-disk and magnetic-field-disk interactions. It focuses on predicting ALMA observations in the (sub)mm wavelength range. However, the rest parts of the electro-magnetic spectrum will also be included in the investigation, because only with a combination of multi-wavelength observations it is feasible to determine the origin of a disk structure. In particular, one key result of the thesis is that ALMA is able to observe the characteristic structures of each considered interaction process, but these could appear very similar although the origin is different. Within the parameter space considered, magnetic-field-disk and planet-disk interaction can only be distinguished on the basis of the direct radiation of the planetary source. The conditions under which it is possible to detect the planetary radiation are investigated, along with what one can learn from a measurement of this radiation about the properties of the planet. In addition, the decoupling of the motion of sufficiently large dust particles from that of the gas is explored, which leads to a distribution of these particles totally different from the distribution of the gas molecules in the disk. These large dust particles dominate the thermal continuum emission of a circumstellar disk in the (sub)mm range. Thus, structures in the distribution of large particles are particularly easy to observe with ALMA. Our model shows a qualitative similarity to the recent ALMA observation of HL Tau. In general, this thesis shows that there is a large variety of disk structures and origins. Therefore, tracing from observed disk structures back to their origins is ambiguous

Experimentelle Charakterisierung von Aortenaneurysmen mittels Magnetic Particle Imaging unter Verwendung von 3D-gedruckten Modellen

Einleitung Die Magnetpartikelbildgebung (Magnetic Particle Imaging, MPI) ist eine neuartige, strahlenfreie, dreidimensionale bildgebende Modalität wobei magnetische Nanopartikel (Tracer) in hoher Auflösung dargestellt werden können. Wir untersuchten hierbei das Potenzial der ersten kommerziell erhältlichen MPI-Scanner für weitere Experimente und mögliche klinische Anwendungen zur Darstellung von Aortenaneurysmen. Methodik Mehrere in-vitro Experimente wurden mit zwei verschiedenen MPI Geräten (Scannern) durchgeführt. In einem Scanner wurde eine separate Empfängerspule eingebaut. Wir untersuchten die Bildgebung der Scanner. Gerade Silikonschläuche mit Innendurchmessern von 1 oder 2 mm wurden als Modelle verwendet und mit Resovist® (Ferucarbotran), magnetischen Nanopartikeln in unterschiedlichen Konzentrationen von 1, 5, 25, 250 und 500 mmol/l, gefüllt. Zur Darstellung von Aortenaneurysmen im Tiermodell wurden 3D-gedruckte Kaninchen- (ohne Aneurysma) und Mäusemodelle (mit Aortenaneurysma) erstellt. Die Mäusemodelle wurden in Originalskalierung und vergrößert (Faktor x1,5 und x2) hergestellt und mit Resovist-Konzentrationen gefüllt. Ein erstes in-vivo Experiment mit diesem Scanner wurde an einer Maus durchgeführt, um die Verteilung des Tracers im zeitlichen Verlauf und die Möglichkeit der Darstellung der Aorta zu untersuchen. Rekonstruktionen wurden mit dem Kaczmarz-Algorithmus durchgeführt. Resultate In den geraden Silikonschläuchen mit Innendurchmesser von 1 und 2 mm war die Morphologie ab einer Konzentration von 25 mmol/l deutlich erkenntlich. Für den Scanner mit separater Empfängerspule waren Konzentrationen von 5 mmol/ml 13 teilweise erkenntlich. Zwei anliegende Schläuche mit Innendurchmesser von 1 und 2 mm Wanddicke konnten bei 5 mmol/l unterschieden werden. Die Darstellung der Kaninchenaorta war möglich, die Morphologie war ersichtlich. Die Darstellung der Mäusaortenmodelle in Skalierungen x1, x1,5 und x2 war ab einer Konzentration von 25 mmol/l oder höher deutlich ersichtlich. Das in-vivo Experiment erlaubte die problemlose zeitlich und räumliche Darstellung der Mäuseaorta. Diskussion Unsere Ergebnisse zeigen die vergleichbare und adäquate Leistung der untersuchten präklinischen MPI Geräte und moderate Verbesserung der Bildgebung mit separater Empfängerspule. Sie zeigen die notwendigen Voraussetzungen für weitere in-vivo Experimente zur Erforschung von medizinischen Anwendungen wie der Darstellung von Aortenaneurysmen.Magnetic Particle Imaging (MPI) is a novel radiation-free, three-dimensional imaging modality that visualizes magnetic nanoparticles (tracers) with a high temporal resolution. We examined the suitability of the first commercially available MPI-scanners for experiments and clinical applications, particularly the imaging of aortic aneurysms. Methods A series of in-vitro experiments were performed with two preclinical MPI scanners. In one scanner, a prototype signal receiver coil was installed. We compare the imaging performance offered by the old and new hardware designs. Straight silicone tubes with internal diameters of either 1 mm or 2 mm were used as imaging phantoms. These were filled with Resovist® (Ferucarbotran) nanoparticles at concentrations of 1, 5, 25, 50, 250 and 500 mmol/l. To demonstrate the capabilities of the studied MPI scanners for use in animal models, 3D-printed models of rabbit aortas without aneurysms and mice aortas with abdominal aneurysms were produced. Mice models were printed in their original size and scaled by factors of 1.5 and 2.0. A first in-vivo experiment with a mouse on this scanner was performed to evaluate the temporal distribution of the tracer and to assess its ability to visualize the aorta. Reconstructions were performed using the Kaczmarz algorithm. Results For the straight-tube models of both 1 and 2 mm internal diameter, morphology was clearly visible for reconstructed MPI images at concentrations of 25 mmol/l or higher. For the upgraded scanner, concentrations as low as 5 mmol/l were suitable for imaging, depending on model sizes. It was possible to distinguish twoadjacent tubes of 1 mm internal diameter and 1 or 2 mm wall-thickness each, at tracer concentrations of 5 mmol/l. Imaging the rabbit aortic model served as a proof of concept, morphology was easily visible. Imaging the aortic aneurysm models at magnifications of 1.0, 1.5 and 2.0, all scanners were able to visualize the vessel clearly at concentrations of 25 mmol/l and higher. The in-vivo experiment allowed the temporal and spatial visualization of the mice aorta without difficulty. Discussion These results show comparable and adequate performance of these available preclinical MPI scanners and moderately improved visualizations after modification with a separate receiver-coil. They also demonstrate the required capabilities of existing MPI systems for in-vivo experiments examining clinical problems such as visualizing aortic aneurysms

Modifikation von Nanostrukturen mit Helium-Ionen

Emmrich D. Modifikation von Nanostrukturen mit Helium-Ionen. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2020

Beiträge zur röntgenradioskopischen Visualisierung und Charakterisierung von Erstarrungsvorgängen und zweiphasigen Strömungsphänomenen in metallischen Schmelzen

Röntgenradioskopische Bildgebungsverfahren ermöglichen es, ein besseres Verständnis der zweiphasigen Strömungsphänomene und der Prozesse der Mikrostrukturentstehung während der Erstarrung in Metallschmelzen intuitiv zu gewinnen, da diese Verfahren die innere Gestalt der sonst undurchsichtigen Flüssigkeiten abbilden. In der vorliegenden Arbeit wurden dazu Untersuchungen zu zwei unterschiedlichen Teilaufgaben durchgeführt. Zum einen wurde die Dichteverteilung in dünnen Erstarrungsproben in Echtzeit und in-situ mit räumlichen Auflösungen von wenigen Mikrometern untersucht, um den Einfluss natürlicher und erzwungener Schmelzenströmungen auf die Erstarrung einer binären Gallium-Indium-Metalllegierung experimentell nachzuweisen. Zum anderen wurden Gasblasenströmungen in nichttransparenten Metallschmelzen nicht-invasiv und in-situ visualisiert und charakterisiert, um Kenntnis der Eigenschaften und der Bewegung von Argon-Einzelblasen und Blasenketten in flüssigem Gallium-Indium-Zinn ohne und unter dem Einfluss eines externen magnetischen Feldes zu erlangen. Diese experimentellen Untersuchungen wurden mit einem Mikrofokus-Röntgenbildgebungssystem durchgeführt. Die Implementation angepasster Bildverarbeitungs-algorithmen ermöglichte die präzise quantitative Vermessung der dendritischen Strukturparameter und der Wachstumsgeschwindigkeiten. Die Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze vor der Erstarrungsfront wurden durch Berechnung des optischen Flusses in den Röntgenbildsequenzen vermessen. Thermosolutale Konvektionsbewegungen und der Einfluss magnetisch angetriebener erzwungener Schmelzenströmung auf die Gefügeentstehung konnten durch die Röntgenvisualisierung nachgewiesen werden. Die lokale Akkumulation angereicherter Schmelze, das Aufschmelzen von Dendritenarmen und das Entstehen von Entmischungskanälen im Zweiphasengebiet hinter der Erstarrungsfront wurden unmittelbar beobachtet. Für die Untersuchung des Verhaltens von Gasblasen in einer schmalen Flüssigmetall-Blasensäule wurde das Röntgenbildgebungssystem modifiziert. Das ermöglichte die Vermessung der Gasblasengrößen, der Trajektorien und der Geschwindigkeiten zur Charakterisierung der Blasenströmungen. Die Abhängigkeit der Gasblasengrößen von der Benetzung der Mündungsöffnung wurde gezeigt. Vergleichsexperimente im Gas-Wasser-System verdeutlichten die signifikanten Unterschiede der zweiphasigen Gas-Flüssigmetall-Strömungen.X-ray radioscopic imaging methods enables one to intuitively gain a better understanding of the two-phase flow phenomena and the processes of microstructure formation during solidification in molten metals, as these methods depict the internal shape of the otherwise opaque liquids. In the present work, investigations were carried out on two different subtasks. On one hand, the density distribution in thin solidification samples was investigated in real time and in-situ with a spatial resolution of a few micrometers in order to demonstrate experimentally the influence of natural and forced melt flow on the solidification of a binary gallium-indium (GaIn) metal alloy. On the other hand, gas bubble flows in non-transparent metal melts were visualized and characterized non-invasively and in-situ in order to gain knowledge of the properties and the movement of individual argon bubbles and bubble chains in liquid gallium-indium-tin (GaInSn) without and under the influence of an external magnetic field. These experimental studies were performed with a microfocus X-ray imaging system. The implementation of adapted image processing algorithms enabled the precise quantitative measurement of the dendritic structure parameters and the growth rates. The flow velocities in the melt in front of the solidification front were measured by calculating the optical flow in the X-ray image sequences. Thermosolutal convection and the influence of magnetically driven forced melt flow on the formation of the structure could be demonstrated by the X-ray visualization. The local accumulation of enriched melt, the melting of dendrite arms and the emergence of segregation channels in the two-phase area behind the solidification front were observed directly. The X-ray imaging system was modified to study the behavior of gas bubbles in a narrow column of liquid metal bubbles. This made it possible to measure the gas bubble sizes, the trajectories and the velocities to characterize the bubble flows. The dependence of the gas bubble sizes on the wetting of the nozzle opening was shown. Comparative experiments in the gas-water system clearly revealed the significant differences in two-phase gas-liquid metal flows

Bioabbaubare funktionalisierte fluoreszierende und superparamagnetische Polymernanopartikel

Hydrophobic iron oxide nanoparticles with 25 or 10 nm in diameter and the fluorescent dye PMI were successfully loaded into poly(L-lactide) using the combination of miniemulsion and solvent evaporation techniques. The obtained particles have an average diameter of 120 nm (with 25 nm iron oxide) or 130 to 180 nm (with 10 nm magnetite) and show high stability in the aqueous phase. The iron oxide particles show superparamagnetic behaviour. Cell experiments with mesenchymal stem cells show very good particle uptake and excellent cell viability. The ability of the MSCs to differentiate as well as the phenotype are not changed by the particle uptake. Labeled MSCs can be distinguished from the negative control and can be detected in vivo in MRI as well. The magnetic properties of the PLLA particles and the possibility to encapsulate hydrophobic molecules (e.g. dyes, drugs) into the polymer matrix predestine these particles for magnetically targeted drug delivery and as contrast agent for magnetic resonance imaging. Functionalized PLLA/P(MAA-co-St), PLLA/P(AEMH-co-St) or PLLA/P(PEG-co-St) composite particles can be synthesized using a combination of miniemulsion, free radical copolymerization and solvent evaporation techniques. Depending on the synthesis route of the copolymer, nanoparticles between 120 and 180 nm in diameter are received. The morphology of the obtained nanoparticles can be altered by the synthesis route or the monomer ratio between homogeneous, hemispherical or Janus-like. The amount of functional groups on the surface can be varied by the monomer ratio or the preparation technique. Magnetic and functionalized PLLA based composite particles can be analog synthesized. Iron oxide particles with 25 as well as 10 nm in diameter were encapsulated into the composite particles

Das Protonenmikroskop PRIOR und die Entwicklung eines Leichtgasbeschleunigers für Experimente an FAIR

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Prototyp eines Protonenmikroskops für FAIR (PRIOR-I) und eine mögliche Anwendung der Protonenmikroskopie an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (GSI) und an der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) vorgestellt. Im Rahmen des PRIOR Projektes wurde an der GSI eine Radiographieanlage aufgebaut, die den Protonenstrahl des Ringbeschleunigers SIS-18 nutzt. Bei der Radiographie mit Protonen wird die Streuung der Protonen im zu untersuchenden Material genutzt. Durch ein abbildendes System aus magnetischen Quadrupolen kann ein Bild erzeugt werden. Mit Hilfe einer Kalibrierung können Flächendichten des Materials bestimmt werden. Im Prototyp PRIOR-I wurden Permanentmagnet-Quadrupollinsen (PMQ’s) eingesetzt. Eine Untersuchung der Demagnetisierung dieser Linsen zeigte, dass die Magnete durch die Bestrahlung geschädigt werden. Neben der Abhängigkeit von der Strahlungsdosis zeigte sich auch eine Abhängigkeit vom demagnetisierenden Feld im Magneten. Die verwendeten Magnetmodule sind durch ihr hohes demagnetisierendes Feld somit besonders anfällig für strahlungsinduzierte Schäden. Auf Grund dieser Erkenntnisse und der Erfahrung aus der Inbetriebnahme des Prototyps sollen beim Nachfolge-System PRIOR-II Elektromagnete eingesetzt werden. Die Protonenmikroskopie am FAIR soll auch als Diagnostik für dynamische Experimente mit Materie bei hohen Energiedichten verwendet werden. Als Treiber für solche Experimente wurde ein Leichtgasbeschleuniger entwickelt. Dieser bildet den Kern dieser Arbeit. Mit diesem Gerät sollen Projektile auf Geschwindigkeiten größer 1 km/s beschleunigt werden. Die durch den Einschlag in einer Probe ausgelösten Stoßwellen und Materiezustände können in situ mit der Protonenradiographie untersucht werden. Für den Leichtgasbeschleuniger wurde ein kompakter Aufbau entwickelt, der in erster Linie den Einsatz in den beengten Platzverhältnissen des Hochtemperaturmessplatzes (HHT), aber auch am Strahlzweig der Plasmaphysik an FAIR möglich macht. Da die Länge des Aufbaus nur ca. 3m betragen darf, wurde ein einem Gegenkolbenmotor ähnlicher Aufbau entwickelt. Das Leichtgas Helium wird durch seitlich in ein Reservoir getriebene Kolben komprimiert. Die Kolben werden dabei von Methanverbrennungen angetrieben. Dieser neuartige Aufbau lässt eine Bauweise als zweistufigen Beschleuniger zu, vermeidet dabei aber die übliche Nutzung von Schwarzpulver in der ersten Stufe. Durch die seitliche Komprimierung wird ein sonst üblicher longitudinaler Aufbau vermieden. Die Gesamtlänge des Aufbaus beträgt ca. 2,50m

Fluoreszenzdetektiertes Schalten im optischen Nahfeld

In dieser Abhandlung wird ein neuer Ansatz für hochdichte optische Speichersysteme auf Basis isolierter, dicht gepackter, photochromer Nanostrukturen (Dots) überprüft und weiterentwickelt. Zum Nachweis der dicht gepackten Fulgid-Nanostrukturen mit Strukturabständen weit unterhalb des Beugungslimits über deren Fluoreszenemission wurde ein multifunktionales Raster-Mikroskopiesystem (Konfokal, AFM, SNOM) entwickelt und aufgebaut. Als Sonde werden geätzte Glasfaserspitzen verwendet. Die Fluoreszenzeigenschaften der verwendeten Fulgide bei Raumtemperatur werden bestimmt. Die Korrelation zwischen Schaltzustand und Fluoreszenzemission des C-Isomer der Fulgide wird nachgewiesen. Schaltexperimente an unregelmäßig strukturierten Fulgid-Schichten zeigen die prinzipielle Eignung des Konzepts. An regelmäßig angeordneten Strukturen werde in programmgesteuerten Speicherversuchen Informationen reversibel in die einzelnen Speicherzellen geschrieben, gelesen und gelöscht. Für kleinste Fulgid-Strukturen in hexagonaler Anordnung mit einem Strukturabstand von 0.100µm ergibt sich eine Speicherdichte von 173GBit=in². Aufgrund der Anordnung treten in hochauflösenden SNOM-Messungen Überlagerungseffekte auf. Diese werden mit Hilfe der FEM in der Simulation untersucht, analysiert und erklärt. Eine Alternative zu Apertur-Sitzen im SNOM stellen lokal emittierende Lichtquellen dar. Ein Nanodiamant mit Stickstoff-Defekt-Zelle eignet sich als Emitter. Die Wechselwirkung mit einer Gold-Struktur wird in der FEM simuliert und experimentell bestätigt

Potentiometrische Charakterisierung von nanolithographisch strukturierten metallischen Drähten auf vizinalem Silizium

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