Emerging technologies for the non-invasive characterization of physical-mechanical properties of tablets

The density, porosity, breaking force, viscoelastic properties, and the presence or absence of any structural defects or irregularities are important physical-mechanical quality attributes of popular solid dosage forms like tablets. The irregularities associated with these attributes may influence the drug product functionality. Thus, an accurate and efficient characterization of these properties is critical for successful development and manufacturing of a robust tablets. These properties are mainly analyzed and monitored with traditional pharmacopeial and non-pharmacopeial methods. Such methods are associated with several challenges such as lack of spatial resolution, efficiency, or sample-sparing attributes. Recent advances in technology, design, instrumentation, and software have led to the emergence of newer techniques for non-invasive characterization of physical-mechanical properties of tablets. These techniques include near infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray microtomography, nuclear magnetic resonance (NMR) imaging, terahertz pulsed imaging, laser-induced breakdown spectroscopy, and various acoustic- and thermal-based techniques. Such state-of-the-art techniques are currently applied at various stages of development and manufacturing of tablets at industrial scale. Each technique has specific advantages or challenges with respect to operational efficiency and cost, compared to traditional analytical methods. Currently, most of these techniques are used as secondary analytical tools to support the traditional methods in characterizing or monitoring tablet quality attributes. Therefore, further development in the instrumentation and software, and studies on the applications are necessary for their adoption in routine analysis and monitoring of tablet physical-mechanical properties

Leveraging big satellite image and animal tracking data for characterizing large mammal habitats

Die zunehmende Verfügbarkeit von Satellitenfernerkundungs- und Wildtier-Telemetriedaten eröffnet neue Möglichkeiten für eine verbesserte Überwachung von Wildtierhabitaten durch Habitatmodelle, doch fehlt es häufig an geeigneten Ansätzen, um dieses Potenzial voll auszuschöpfen. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit bestand in der Konzipierung und Weiterentwicklung von Ansätzen zur Nutzung des Potenzials großer Satellitenbild- und Telemetriedatensätze in Habitatmodellen. Am Beispiel von drei großen Säugetierarten in Europa (Eurasischer Luchs, Rothirsch und Reh) wurden Ansätze entwickelt, um (1) Habitatmodelle mit dem umfangreichsten global und frei verfügbaren Satellitenbildarchiv der Landsat-Satelliten zu verknüpfen und (2) Wildtier-Telemetriedaten über Wildtierpopulationen hinweg in großflächigen Analysen der Habitateignung und -nutzung zu integrieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen das enorme Potenzial von Landsat-basierten Variablen als Prädiktoren in Habitatmodellen, die es ermöglichen von statischen Habitatbeschreibungen zu einem kontinuierlichen Monitoring von Habitatdynamiken über Raum und Zeit überzugehen. Die Ergebnisse meiner Forschung zeigen darüber hinaus, wie wichtig es ist, die Kontextabhängigkeit der Lebensraumnutzung von Wildtieren in Habitatmodellen zu berücksichtigen, insbesondere auch bei der Integration von Telemetriedatensätzen über Wildtierpopulationen hinweg. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern neue ökologische Erkenntnisse, welche zum Management und Schutz großer Säugetiere beitragen können. Darüber hinaus zeigt meine Forschung, dass eine bessere Integration von Satellitenbild- und Telemetriedaten eine neue Generation von Habitatmodellen möglich macht, welche genauere Analysen und ein besseres Verständnis von Lebensraumdynamiken erlaubt und so Bemühungen zum Schutz von Wildtieren unterstützen kann.The growing availability of satellite remote sensing and animal tracking data opens new opportunities for an improved monitoring of wildlife habitats based on habitat models, yet suitable approaches for making full use of this potential are commonly lacking. The overarching goal of this thesis was to develop and advance approaches for harnessing the potential of big satellite image and animal tracking data in habitat models. Specifically, using three large mammal species in Europe as an example (Eurasian lynx, red deer, and roe deer), I developed approaches for (1) linking habitat models to the largest global and freely available satellite image record, the Landsat image archive, and (2) for integrating animal tracking datasets across wildlife populations in large-area assessments of habitat suitability and use. The results of this thesis demonstrate the enormous potential of Landsat-based variables as predictors in habitat models, allowing to move from static habitat descriptions to a continuous monitoring of habitat dynamics across space and time. In addition, my research underscores the importance of considering context-dependence in species’ habitat use in habitat models, particularly also when integrating tracking datasets across wildlife populations. The findings of this thesis provide novel ecological insights that help to inform the management and conservation of large mammals and more broadly, demonstrate that a better integration of satellite image and animal tracking data will allow for a new generation of habitat models improving our ability to monitor and understand habitat dynamics, thus supporting efforts to restore and protect wildlife across the globe

Few-cycle phase-stable infrared OPCPA

Few-cycle laser pulses are an important tool for investigating laser-matter interactions. Apart from the mere resolution used in time-resolved processes, owing to this approach table-top sources nowadays can reach the limits of the perturbative regime and therewith enable extreme nonlinear optics. In the visible domain, femtosecond technology over the last decades has quickly developed, in recent years leading to the routine generation of carrier-envelope phase (CEP) stable few-cycle laser pulses at high energies, using ubiquitous Ti:Sapphire amplifiers. Near to mid-infrared few-cycle pulses in contrast can be employed for investigating interactions in the tunneling regime. The ponderomotive potential of the infrared light field allows quivered charged particles to acquire large energies, leading to applications like the generation of isolated attosecond pulses in the water window. In this wavelength regime however, the required sources are yet to be demonstrated or at least matured. The best candidate for few-cycle pulses in this domain is optical parametric amplification. This work describes the development of an optical parametric chirped pulse amplifier (OPCPA), used to create CEP-stable few-cycle pulses in the near infrared (NIR). It covers all essential parts of the system. First the signal pulses are generated from ultrashort lasers using spectral broadening techniques in chapter 2. After compression of these white light continua, intra-pulse broadband difference frequency generation yields CEP stable infrared pulses spanning over more than one octave. A thin-disk-based pump laser provides ample pump energy (20 mJ) at pulse durations around 1.5 ps. Its characterization and optimization for OPCPA is performed in chapter 3. The high peak energy of this pump laser leads to the buildup of optical nonlinearities and consequently shows distinct influence on the OPCPA system performance. The synchronization of the OPCPA pump and seed laser system is the topic of chapter 4. This chapter is not limited to NIR systems, but demonstrates enhanced (actively stabilized) synchronization of the jitter between pump and seed pulses to σ = 24 fs, which later results in improved output stability. The NIR OPCPA centered at 2.1 μm is described in chapter 5. This combines the efforts of the previous chapters and describes the generation and characterization of 100 μJ sub-two-cycle CEP-stable pulses, the shortest published to date at this energy level. As a first prototype (cutting edge) experiment, CEP dependent sub-fs currents in a dielectric are generated in chapter 6 using the developed light source. The results compared well to visible few-cycle laser sources and demonstrate the usability of the OPCPA system (beyond the charac- terizations of chapter 5) for investigating sub-cycle carrier dynamics in dielectrics. For the same purpose, to generate the currently most broadband NIR continua at kHz repetition rates and mJ-level pulse energies, the OPCPA system is further boosted and efficiently broadened to three optical octaves using a hollow core fiber setup (described in chapter 7). The spectral phase is characterized and demonstrates self-compression in the NIR around 1.3 μm. The process provides CEP-stable sub-2-cycle pulses in this regime directly, the shortest and most powerful reported to date. Furthermore, the spectral broadening in the infrared shows enhanced low-order harmonic gen- eration and cross-phase-modulation as the dominant mechanism. Experimentally the limited influence on the driver bandwidth is investigated. It is found that the processes allow using more efficient many-cycle infrared sources to generate several-octave spanning, compressible continua in the future. Even partial compression of these would then provide NIR transients for high-field experiments.Die Femtosekunden-Technologie hat sich in den letzten Jahrzehnten schnell fortentwickelt, vor allem im sichtbaren Wellenl ̈angen-Bereich. Speziell moderne Titanium-Saphir Verst ̈arker haben zuletzt zu (Träger-Einhüllenden-) phasenstabilen und hochenergetischen Laserpulsen geführt, die nur noch aus einzelnen optischen Zyklen bestehen. Diese erlauben die Investigation extrem nichtlinearer optischer Prozesse im Regime der Multiphotonenionisation. Um weiter im Infraroten Prozesse im Regime der Tunnelionisation zu untersuchen, fehlt es jedoch nach wie vor an Lichtquellen mit ähnlichen Characteristiken für Anwendungen wie die Generation von isolierten Attosekunden-Pulsen im Wasser-Transmissions-Fenster. Hier bietet die optische parametrische Verstärkung bisher die größten Perspektiven. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines optischen parametrischen Verstärkers mit gestreckten Pulsen (engl.: optical parametric chirped pulse amplifier, OPCPA), der TE- phasen-stabile Pulse mit wenigen optischen Zyklen im nahen Infraroten erzeugt. Alle wesentlichen Teile des Systems werden beschrieben. Zuerst wird der Saat-Puls durch die spektrale Verbreiterung eines Titanium-Saphir Verstärkers gewonnen. Nach der Kompression des generierten Weißlichts führt die breitbandige Differenz-Frequenz-Generation (DFG) des Pulses mit sich selbst zu TE-phasen-stabilen Infrarot-Pulsen, deren Spektrum mehr als eine optische Oktave aufspannt. Ein Scheiben-Laser liefert die Pumpenergie (20 mJ) bei einer Pulsdauer von ca. 1.5 ps. Seine Charakterisierung und Optimierung für die OPCPA erfolgt in Kapitel 3. Die hohen Spitzeninten- sit ̈aten dieses Pumplasers führen zum Akkumulieren optischer Nichtlinearit ̈aten und beeinflussen die OPCPA im Folgenden negativ. Die Synchronisation von OPCPA Pump- und Saat-Lasern ist das Thema von Kapitel 4. Es demonstriert eine aktive Stabilisierung des zeitlichen Überlapps beider Pulse, der den gesamten Prozess im Folgenden stabilisiert, und ist nicht auf den Einsatz im Infraroten beschränkt, sondern für die meisten OPCPA Systeme anwendbar. Die in Kapitel 5 beschriebene infrarote OPCPA hat ihre Zentralwellenlänge bei 2.1 μm und baut auf den vorherigen Kapiteln auf. Die Erzeugung und Charakterisierung von Pulsen mit weniger als zwei optischen Zyklen, den bisher kürzesten in diesem Wellenlängen-Bereich und einer En- ergie von 100 μJ, werden beschrieben. Ferner erweist sich die TE-Phase der verstärkten Pulse als außerordentlich kurz- und langzeitstabil. Kapitel 6 demonstriert dann die Möglichkeiten des neuen Systems mit einem technisch anspruchsvollen Experiment. TE-phasen-abhängige Ströme mit einer Lebenszeit auf der Skala von Attosekunden werden in einem Dielektrikum erzeugt und gemessen. Die Resultate stimmen gut mit den bere- its gemessenen Werten im sichtbaren Bereich u ̈ berein und demonstrieren die Möglichkeiten und Einsetzbarkeit des Systems. Für ähnliche Anwendungen, allerdings bei noch höheren Intensitäten, wird in Kapitel 7 das OPCPA-System weiter verstärkt. Die spektrale Verbreiterung in einer gas-gefüllten Hohlfaser erzeugt ein Kontinuum über drei optische Oktaven. Dessen spektrale Phase wird im Folgen- den charakterisiert und zeigt Selbstkompression bei einer Wellenlänge von 1.3 μm. Der Prozess erzeugt TE-phasen-stabile Pulse kürzer also zwei optische Zyklen, welche die kürzesten und intensivsten darstellen, die in diesem Bereich bislang erzeugt wurden. Weiterhin zeigt die spektrale Verbreiterung im Infraroten besondere Merkmale. Speziell die Gen- eration von ungeraden Harmonischen niedriger Ordnung und deren Kreuz-Phasen-Modulation zeigen sich als dominante Prozesse, welche den Einfluss der Eingangsbandbreite minimieren. Eine experimentelle Untersuchung demonstriert dann, dass auch potentiell effizientere infrarote OPCPA Systeme mit deutlich längeren Pulsen ähnliche spektrale Bandbreiten erzeugen können. Die Komprimierung dieser sollte in der nahen Zukunft zu Hochfeld-Anwendungen mit infraroten Feldtransienten und synthetisierten elektrischen Feldern mit Sub-Zyklus Merkmalen führen

Characterizing dynamically evolving functional networks in humans with application to speech

Understanding how communication between brain areas evolves to support dynamic function remains a fundamental challenge in neuroscience. One approach to this question is functional connectivity analysis, in which statistical coupling measures are employed to detect signatures of interactions between brain regions. Because the brain uses multiple communication mechanisms at different temporal and spatial scales, and because the neuronal signatures of communication are often weak, powerful connectivity inference methodologies require continued development specific to these challenges. Here we address the challenge of inferring task-related functional connectivity in brain voltage recordings. We first develop a framework for detecting changes in statistical coupling that occur reliably in a task relative to a baseline period. The framework characterizes the dynamics of connectivity changes, allows inference on multiple spatial scales, and assesses statistical uncertainty. This general framework is modular and applicable to a wide range of tasks and research questions. We demonstrate the flexibility of the framework in the second part of this thesis, in which we refine the coupling statistics and hypothesis tests to improve statistical power and test different proposed connectivity mechanisms. In particular, we introduce frequency domain coupling measures and define test statistics that exploit theoretical properties and capture known sampling variability. The resulting test statistics use correlation, coherence, canonical correlation, and canonical coherence to infer task-related changes in coupling. Because canonical correlation and canonical coherence are not commonly used in functional connectivity analyses, we derive the theoretical values and statistical estimators for these measures. In the third part of this thesis, we present a sample application of these techniques to electrocorticography data collected during an overt reading task. We discuss the challenges that arise with task-related human data, which is often noisy and underpowered, and present functional connectivity results in the context of traditional and contemporary within-electrode analytics. In two of nine subjects we observe time-domain and frequency-domain network changes that accord with theoretical models of information routing during motor processing. Taken together, this work contributes a methodological framework for inferring task-related functional connectivity across spatial and temporal scales, and supports insight into the rapid, dynamic functional coupling of human speech

Exciton transport in thin-film cyanine dye J-aggregates

We present a theoretical model for the study of exciton dynamics in J-aggregated monolayers of fluorescent dyes. The excitonic evolution is described by a Monte-Carlo wave function approach which allows for a unified description of the quantum (ballistic) and classical (diffusive) propagation of an exciton on a lattice in different parameter regimes. The transition between the ballistic and diffusive regime is controlled by static and dynamic disorder. As an example, the model is applied to three cyanine dye J-aggregates: TC, TDBC, and U3. Each of the molecule-specific structure and excitation parameters are estimated using time-dependent density functional theory. The exciton diffusion coefficients are calculated and analyzed for different degrees of film disorder and are correlated to the physical properties and the structural arrangement of molecules in the aggregates. Further, exciton transport is anisotropic and dependent on the initial exciton energy. The upper-bound estimation of the exciton diffusion length in the TDBC thin-film J-aggregate is of the order of hundreds of nanometers, which is in good qualitative agreement with the diffusion length estimated from experiments.Comment: 16 pages, 14 figure

Noninvasive Assessment of Photoreceptor Structure and Function in the Human Retina

The human photoreceptor mosaic underlies the first steps of vision; thus, even subtle defects in the mosaic can result in severe vision loss. The retina can be examined directly using clinical tools; however these devices lack the resolution necessary to visualize the photoreceptor mosaic. The primary limiting factor of these devices is the optical aberrations of the human eye. These aberrations are surmountable with the incorporation of adaptive optics (AO) to ophthalmoscopes, enabling imaging of the photoreceptor mosaic with cellular resolution. Despite the potential of AO imaging, much work remains before this technology can be translated to the clinic. Metrics used in the analysis of AO images are not standardized and are rarely subjected to validation, limiting the ability to reliably track structural changes in the photoreceptor mosaic geometry. Preceding the extraction of measurements, photoreceptors must be identified within the retinal image itself. This introduces error from both incorrectly identified cells and image distortion. We developed a novel method to extract measures of cell spacing from AO images that does not require identification of individual cells. In addition, we examined the sensitivity of various metrics in detecting changes in the mosaic and assessed the absolute accuracy of measurements made in the presence of image distortion. We also developed novel metrics for describing the mosaic, which may offer advantages over more traditional metrics of density and spacing. These studies provide a valuable basis for monitoring the photoreceptor mosaic longitudinally. As part of this work, we developed software (Mosaic Analytics) that can be used to standardize analytical efforts across different research groups. In addition, one of the more salient features of the appearance of individual cone photoreceptors is that they vary considerably in their reflectance. It has been proposed that this reflectance signal could be used as a surrogate measure of cone health. As a first step to understanding the cellular origin of these changes, we examined the reflectance properties of the rod photoreceptor mosaic. The observed variation in rod reflectivity over time suggests a common governing physiological process between rods and cones

Relaxation dynamics in photoexcited semiconductor quantum wells studied by time-resolved photoluminescence

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Photoluminenzenzdynamik von Halbleiter-Quantentöpfen (Quantum Wells), die durch Anregung von Intraband-Übergängen mittels resonanter Laserpulse im mittleren Infrarot- und Terahertz-Spektralbereich verändert wird. Diese Zweifarbenexperimente wurden mit Hilfe eines optischen Aufbaus für zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie am Großgerät Freie-Elektronen Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf realisiert. Zeitlich verzögert zur gepulsten optischen Anregung über die Bandlücke wurden Intersubband- oder Intraexziton-Übergänge in den Quantum Wells resonant angeregt. Die dadurch erreichte Ladungsträgerumverteilung zeigt sich in einer deutlichen Verringerung der Photolumineszenzintensität zum Zeitpunkt des zweiten Anregepulses, die im Folgenden als Photolumineszenz-Quenching bezeichnet wird. Zunächst wird die Stärke des Photolumineszenz-Quenchings in Abhängigkeit der Polarisationsrichtung des midinfraroten Laserstrahls ausgewertet. Während die Absorption durch freie Ladungsträger für beide Polarisationsrichtungen nachweisbar ist, wird experimentell gezeigt, dass Intersubbandabsorption nur möglich ist, wenn ein Anteil der anregenden Strahlung senkrecht zur Quantum-Well-Ebene polarisiert ist. Das Photolumineszenzsignal ist überwiegend an der energetischen Position der 1s-Exzitonresonanz unterhalb der Bandkante messbar. Die intraexzitonischen Übergangsenergien in Quantum Wells liegen typischerweise im Terahertzbereich. Unter intraexzitonischer 1s-2p Anregung erscheint auch auf dieser Energieskala ein abrupter Intensitätsverlust in der langsam abklingenden Photolumineszenztransiente. Erstmalig wurde im Photolumineszenzspektrum bei höheren Energien im Abstand der Terahertz-Photonenenergie ein zusätzliches 2s-Photolumineszenzsignal detektiert. Eine detaillierte theoretische Beschreibung dieses Problems durch unsere Kooperationspartner Koch et al. von der Phillips-Universität Marburg zeigt, dass unter intraexzitonischer 1s-2p Anregung eine effziente Coulombstreuung zwischen den nahezu entarteten exzitonischen 2p- und 2s-Zuständen stattfindet. Während der 2p-Zustand optisch dunkel ist, kann die 2s-Population strahlend rekombinieren, was zu dem besagten 2s-Photolumineszenzsignal führt. Die Zeitkonstanten der untersuchten Ladungsträgerdynamik werden durch ein phänomenologisches Modell bestimmt, das die experimentellen Kurven sehr gut abbildet. Es wird ein Ratengleichungsmodell eingeführt, bei dem die involvierten Zustände auf optisch helle und optisch dunkle Besetzungsdichten reduziert werden. Darüber hinaus werden mit einem modifizierten Versuchsaufbau die Terahertz-induzierten Photolumineszenzsignaturen von Magnetoexzitonen untersucht. Die Stärke des 1s-Photolumineszenz-Quenchings ändert sich dabei entsprechend der magnetoexzitonischen Übergänge, die im betrachteten Feldstärkebereich zwischen 0T und 7T liegen. Für Magnetfelder größer als 3T sind keine 2s-Photolumineszenzsignale mehr messbar, da durch das externe magnetische Feld die Entartung der 2p- und 2s-Zustände aufgehoben wird