Transfert d'énergie par résonance de type Förster entre des complexes de terbium et des boîtes quantiques pour des immunodosages et des reglettes moléculaires multiplexés

Förster resonance energy transfer (FRET) is a non-radiative energy transfer from a donor to an acceptor in close proximity. Due to its extremely sensitive distance dependence in the 1 – 20 nm range, FRET plays an important role in nanobiotechnology. Thereby FRET can be used as signal transduction system but also for the distance estimation between donor and acceptor. The selected FRET acceptors in this work were semiconductor nanocrystals (quantum dots, QDs). This type of luminophore is well known for its superior photophysical properties. Their strong and broad absorption and their bright, narrow-band, and size-tunable photoluminescence (PL) emission make QDs ideally suited for FRET application. Combing QDs as FRET acceptors with luminescent terbium complexes (LTC) as FRET donors offers exceptionally large Förster distances of more than 10 nm. The Förster distance is characteristic of a FRET pair and is the distance at which the FRET efficiency equals 50 %. A large Förster distance is desirable as it offers the detection of biological interactions over large distances. LTC are suitable FRET donors for QDs because they provide long excited-state lifetimes in the millisecond range. This long PL decay time enables time-gated measurements for the suppression of autofluorescence and PL of directly excited QDs, which strongly increases the detection sensitivity. Additionally, the structured PL emission bands of LTCs together with the size-tunable PL emission bands of QDs make this FRET pair ideal for the application in multiplexed diagnostics, which is the measurement of multiple biomarkers in a single sample.The PhD thesis consists of two parts. In the first part the LTC-QD FRET pair was used within homogeneous FRET immunoassays for the detection of the biomarkers prostate specific antigen (TPSA), neuron-specific enolase (NSE), carcinoembryonic antigen (CEA), and epidermal growth factor receptor (EGFR). The immunoassay sensitivity was optimized using different types of antibodies IgG, F(ab’)2,F(ab), and for EGFR single heavy chain antibodies, which differ largely in their size. The use of small-volume serum samples and measurements on clinical as well customized fluorescence plate readers result in picomolar detection limits for all measured biomarkers. In addition to these QD-based in vitro diagnostic tests, a detailed study of the different FRET-systems using time-resolved spectroscopy was performed. The investigation revealed the influence of the different antibodies on distance, functionality, and sensitivity of the FRET immunoassays. The study was completed by the measurement of NSE and CEA in a duplexed format and real patient samples were investigated.The second part was to use FRET for nanometric distance measurements as molecular or spectroscopic ruler. Time-resolved FRET measurements enabled the calculation of the distance between donor and acceptor. Therefore two different binding strategies were investigated to establish a close proximity between the LTC-donor to the QD-acceptor, namely biotin-streptavidin recognition and polyhistidine mediated self-assembly. A detailed time-resolved study was performed of QDs with different sizes, shapes, and surface coatings in combination with LTC bound to three different host biomolecules, which also possessed different sizes, shapes, orientations, and binding conditions. The analysis of the multi-exponential decay curves of donor and acceptor allowed to obtain information about the size, shape, and biofunctionality of the investigated QD bioconjugates. The results were in agreement with other structural analysis methods, such as transmission electron microscopy (TEM) or dynamic light scattering (DLS), but with the advantage of a homogeneous measurement with three-dimensional resolution (not possible for TEM), without the inclusion of a hydration shell (drawback for DLS), and at low concentration in the same environment as used for the biological application.Le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) est un transfert d'énergie non radiatif d'un donneur à un accepteur à proximité. En raison de sa dépendance de la distance extrêmement sensible entre env. 1 et 20 nm, FRET joue un rôle important dans la nanobiotechnologie. Ainsi FRET peut être utilisé comme système de transduction du signal, mais aussi pour l'estimation de la distance entre le donneur et l'accepteur.Les accepteurs de FRET utilisés dans ce travail étaient des nanocristaux semi-conducteurs (quantum dots, QD). Ce type de luminophore est bien connu pour ses propriétés photophysiques supérieures. Leur absorption forte et spectralement large, et leur photoluminescence (PL) brillante et spectralement fine et de l'accordabilité spectrale de la PL sont idéalement adaptés aux applications de FRET. La combinaison des QDs comme accepteurs de FRET avec des complexes luminescents de terbium (CLT) comme donneurs permet des grandes distances de FRET (> 10 nm). La distance de FRET est caractéristique d'une paire FRET et décrit la distance à laquelle l'efficacité de FRET est égale à 50%. CLT sont idéal comme donneurs de FRET parce qu'ils fournissent des longues durées de vie des états excités à l'ordre de la milliseconde. Cette longue période de décroissance de PL permet de mesurer en temps décalé pour une répression d’autofluorescence et la PL des QDs directement excités, ce qui augmente fortement la sensibilité de détection. Les bandes d'émission de PL structurés de CLT et la PL accordable de QDs sont idéales pour l'application dans le diagnostic multiplexé.La thèse se compose de deux parties. Dans la première le couple FRET CLT-QD a été utilisé dans des immunodosages de FRET homogènes pour la détection de marqueurs biologiques antigène prostatique spécifique (TPSA), énolase specifique des neurones (NSE), antigène carcino-embryonnaire (CEA), et le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR). La sensibilité du dosage immunologique a été optimisé en utilisant des différents types d'anticorps IgG, F (ab')2, F (ab), et pour EGFR un anticorps de chaîne lourde unique. Des limites de détection picomolaires étaient réalisées en utilisant des échantillons de sérum de petit volume et des mesures sur des lecteurs de microplaques cliniques. Une étude détaillée des différents systèmes de FRET en utilisant la spectroscopie résolue en temps a été réalisée pour étudier l'influence des différents anticorps sur la distance, la fonctionnalité, et la sensibilité des immunodosages. L'étude a été complétée par la mesure de NSE et CEA dans un format duplexé et des échantillons réels de patients.Dans la deuxième partie le FRET pour des mesures de distance nanométriques (réglette moléculaire ou spectroscopique) étaient étudiés. FRET en résolution temporelle a permis de calculer la distance entre le donneur et l’accepteur. Par conséquent, deux stratégies de liaisons différentes ont été étudiées pour établir une proximité entre le CLT et le QD : la reconnaissance biotine-streptavidine et l’auto-assemblage médié par polyhistidine. Une étude en résolution temporelle détaillée a été effectuée avec des QDs de différentes tailles, formes et revêtements de surface combiné avec des CLT liés à trois différentes biomolécules. L'analyse des courbes de décroissance multiexponentielle des donneurs et accepteurs permettait à obtenir des informations sur la taille, la forme et la biofonctionnalité des bioconjugués CLT-QD. Les résultats étaient en accord avec d'autres méthodes d'analyse de structure, telles que la microscopie électronique à transmission (MET) ou la diffusion de lumière dynamique (DLS), mais avec l'avantage d'une mesure homogène à la résolution 3-dimensionelle (impossible pour le MET), sans l'inclusion d'une couche d'hydratation (l’inconvénient de DLS) et en faible concentration dans le même environnement que celui utilisé pour l'application biologique

Modern middleware for the data acquisition of the Cherenkov Telescope Array

The data acquisition system (DAQ) of the future Cherenkov Telescope Array (CTA) must be ef- ficient, modular and robust to be able to cope with the very large data rate of up to 550 Gbps coming from many telescopes with different characteristics. The use of modern middleware, namely ZeroMQ and Protocol Buffers, can help to achieve these goals while keeping the development effort to a reasonable level. Protocol Buffers are used as an on-line data for- mat, while ZeroMQ is employed to communicate between processes. The DAQ will be controlled and monitored by the Alma Common Software (ACS). Protocol Buffers from Google are a way to define high-level data structures through an in- terface description language (IDL) and a meta-compiler. ZeroMQ is a middleware that augments the capabilities of TCP/IP sockets. It does not implement very high-level features like those found in CORBA for example, but makes use of sockets easier, more robust and almost as effective as raw TCP. The use of these two middlewares enabled us to rapidly develop a robust prototype of the DAQ including data persistence to compressed FITS files.Comment: In Proceedings of the 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC2015), The Hague, The Netherlands. All CTA contributions at arXiv:1508.0589

Pair Contact Process with Diffusion: Failure of Master Equation Field Theory

We demonstrate that the `microscopic' field theory representation, directly derived from the corresponding master equation, fails to adequately capture the continuous nonequilibrium phase transition of the Pair Contact Process with Diffusion (PCPD). The ensuing renormalization group (RG) flow equations do not allow for a stable fixed point in the parameter region that is accessible by the physical initial conditions. There exists a stable RG fixed point outside this regime, but the resulting scaling exponents, in conjunction with the predicted particle anticorrelations at the critical point, would be in contradiction with the positivity of the equal-time mean-square particle number fluctuations. We conclude that a more coarse-grained effective field theory approach is required to elucidate the critical properties of the PCPD.Comment: revtex, 8 pages, 1 figure include

Towards production of novel catalyst powders from supported size-selected clusters by multilayer deposition and dicing

A multilayer deposition method has been developed with the potential to capture and process atomic clusters generated by a high flux cluster beam source. In this deposition mode a series of sandwich structures each consisting of three layers—a carbon support layer, cluster layer and polymer release layer—is sequentially deposited to form a stack of isolated cluster layers, as confirmed by through-focal aberration-corrected HAADF STEM analysis. The stack can then be diced into small pieces by a mechanical saw. The diced pieces are immersed in solvent to dissolve the polymer release layer and form small platelets of supported clusters

Renormalized field theory of collapsing directed randomly branched polymers

We present a dynamical field theory for directed randomly branched polymers and in particular their collapse transition. We develop a phenomenological model in the form of a stochastic response functional that allows us to address several interesting problems such as the scaling behavior of the swollen phase and the collapse transition. For the swollen phase, we find that by choosing model parameters appropriately, our stochastic functional reduces to the one describing the relaxation dynamics near the Yang-Lee singularity edge. This corroborates that the scaling behavior of swollen branched polymers is governed by the Yang-Lee universality class as has been known for a long time. The main focus of our paper lies on the collapse transition of directed branched polymers. We show to arbitrary order in renormalized perturbation theory with $\varepsilon$-expansion that this transition belongs to the same universality class as directed percolation.Comment: 18 pages, 7 figure

Mit Spot Farming zur nachhaltigen Intensivierung in der Pflanzenproduktion

Die Landwirtschaft steht vor umwälzenden Veränderungen, die sich aus verschiedenen Herausforderungen ökologischer, ökonomischer und gesellschaftlicher Art ergeben. Mit einer Fortschreibung des aktuellen technischen Entwicklungspfades werden diese zukünftig nicht zu meistern sein. Daraus resultiert die Notwendigkeit, das System Pflanzenbau sowie die zur verfahrenstechnischen Ausgestaltung notwendigen Prozesse grundlegend auf den Prüfstand zu stellen, um zu der geforderten nachhaltigen Intensivierung landwirtschaftlicher Produktion zu kommen. Vor diesem Hintergrund wird das Anforderungsprofil für eine zukünftige Pflanzenproduktion definiert, sich daraus ergebende Herausforderungen formuliert und einzelne Aspekte eines alternativen Produktionssystems betrachtet, wie mit Hilfe moderner Technik neue Wege in der Pflanzenproduktion ermöglicht werden könnten. Dabei liegt der Fokus darauf, zunächst einmal die Grundansprüche der Kulturpflanze sowie weitere übergeordnete Anforderungen und Restriktionen insbesondere im Hinblick auf Strukturen zu befriedigen, um dann darauf aufbauend die erforderliche Verfahrenstechnik für eine teilflächenspezifische Bewirtschaftung abzuleiten. Dies steht im Gegensatz zur bisherigen Praxis, bei der u.a. auch die technische Entwicklung zur uniformen Bewirtschaftung immer größer werdender Schläge geführt hat

Efficient Luminescent Solar Concentrators Based on Environmentally Friendly Cd‐Free Ternary AIS/ZnS Quantum Dots

Luminescent solar concentrators (LSC) allow to obtain renewable energy from building integrated photovoltaic systems. As promising efficient and long-term stable LSC fluorophores semiconductor nanocrystals like quantum dots (QDs) with size and composition tunable optoelectronic properties have recently emerged. The most popular II/VI or IV/VI semiconductor QDs contain, however, potentially hazardous cadmium or lead ions, which is a bottleneck for commercial applications. A simple aqueous based, microwave-assisted synthesis for environmentally friendly and highly emissive AgInS2/ZnS QDs is developed using 3-mercaptopropionic acid (MPA) and glutathione (GSH) and their incorporation into polylaurylmethacrylate (PLMA) polymer slabs integrable in LSC devices (10.4 × 10.4 × 0.2 cm3, G = 12.98). With this simple approach, optical power efficiencies (OPE) of 3.8% and 3.6% and optical quantum efficiencies (OQE) of 24.1% and 27.4% are obtained, which are among the highest values yet reported.German Research CouncilEuropean Union's Horizon 2020Marie Sklodowska‐CurieDeutsche Forschungsgemeinschaft http://dx.doi.org/10.13039/501100001659Peer Reviewe