Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05

Molecular recognition, programmability, self-assembling capabilites and biocompatibility are unique features of DNA. The basic approach of DNA nanotechnology is to exploit these properties in order to fabricate novel materials and structures on the nanometer scale. This cumulative dissertation deals with three aspects of this young research area: fast analysis, autonomous control of functional structures, and biocompatible autonomous delivery systems for nanoscale objects.

1. At low temperatures and under favorable buffer conditions, two complementary DNA strands will form a double-helical structure in which the bases of the two strands are paired according to the Watson-Crick rules: adenine bases bind with thymine bases, guanine bases with cytosine bases. The melting temperature TM of a DNA duplex is defined as the temperature at which half of the double strands are separated into single strands. The melting temperature can be calculated for DNA strands of known sequences under standard conditions. However, it has to be determined experimentally for strands of unknown sequences and for applications under extreme buffer conditions. A method for fast and reliable determination of DNA melting temperatures has been developed. Stable gradients of the denaturing agent formamide were generated by means of diffusion in a microfluidic setup. Formamide lowers the melting temperature of DNA and a given formamide concentration can be mapped to a corresponding virtual temperature along the formamide gradient. Differences in the length of complementary sequences of only one nucleotide as well as a single nucleotide mismatch can be detected with this method, which is of great interest for the detection of sequence mutations or variations such as single nucleotide polymorphisms (SNPs).

2. Knowledge of the stability of DNA duplexes is also of great importance for the construction of DNA-based nanostructures and devices. Conformational changes occuring in artificially generated DNA structures can be used to produce motion on the nanometer scale. Usually, DNA devices are driven by the manual addition of fuel molecules or by the periodic variation of buffer conditions. One prominent example of such a conformational change is the formation of the so-called i-motif, which is a folded four-stranded DNA structure characterized by noncanonical hemiprotonated cytosine-cytosine base-pairs. In order to achieve controlled autonomous motion, the oscillating pH-value of a chemical oscillator has been employed to drive the i-motif periodically through its conformational states. The experiments were conducted with the DNA switch in solution and attached to a solid substrate and constitute the first example of DNA-based devices driven autonomously by a chemical non-equilibrium reaction.

3. Finally, a DNA-crosslinked and switchable polyacrylamide hydrogel is introduced, which is used to trap and release fluorescent colloidal quantum dots in response to externally applied programmable DNA signal strands. Trapping and release of the nanoparticles is demonstrated by studying their diffusion properties using single molecule fluorescence microscopy, single particle tracking and fluorescence correlation spectroscopy. Due to the biocompatibility of the polymerized acrylamide and the crosslinking DNA strands, such gels could find application in the context of controlled drug delivery, where the autonomous release of a drug-carrying nanoparticle could be triggered by naturally occurring, potentially disease-related DNA or RNA strands.

Eine der fundamentalen Fragen der aktuellen Wissenschaft ist die Entschlüsselung des globalen Kohlenstoff-Kreislaufs insbesondere vor dem Hintergrund des anthropogenen Einflusses durch die Emission großer Mengen von CO2 in die Atmosphäre. Aktuell gibt es keine Messsysteme, die die nötige Messgenauigkeit zur Bestimmung von Quellen, Senken und Flüssen atmosphärischen Kohlendioxids erreichen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der aktiven Fernerkundung atmosphärischen Kohlendioxids mittels Lidar theoretisch und experimentell untersucht. Im Vordergrund stand dabei die Entwicklung eines Differential-Absorptions-Lidars (DIAL). Der Aufbau und die Charakterisierung einer geeigneten Laserlichtquelle sowie einer präzisen Wellenlängen-Stabilisierung stellten zentrale Aspekte dar. Für ein einsetzbares System mussten darüber hinaus ein Empfangssystem, eine Steuerung und Datenerfassung sowie Systeme zur Analyse der Strahlqualität aufgebaut werden. Da die atmosphärische Rückstreuung im verwendeten Wellenlängenbereich bei 1,57 µm gering ist, wurde das System in der DIAL-Variante IPDA (Integrated Path Differential Absorption) verwirklicht, das statt der atmosphärischen Rückstreuung den Laser-Reflex einer festen Oberfläche verwendet, womit der CO2-Säulengehalt entlang der Messstrecke bestimmt wird. Als Laserlichtquelle wurde ein Nd:YAG-gepumptes KTP-OPO-System mit alternierendem Injection Seeding durch zwei DFB-Laserdioden verwirklicht.

Sensitivitätsstudien anhand von numerischen Simulationen lieferten Informationen über geeignete Messwellenlängen, über die maximal erreichbare Messgenauigkeit und über Anforderungen an das Messsystem. Es ergab sich, dass sich im Hinblick auf die untersuchten Aspekte die geforderte Genauigkeit im Subprozent-Bereich erreichen lässt, wobei höchste Anforderungen an die spektralen Eigenschaften der Laserlichtquelle gestellt werden.

In Testmessungen wurde die erreichbare Messgenauigkeit des entwickelten Labor-Prototypen untersucht. Es wurden Stärken und Schwächen des aufgebauten Systems und der Messmethode herausgearbeitet. So zeigte sich insbesondere, dass die beim IPDA-Messprinzip notwendige Leistungsreferenz-Messung sowie die räumliche Laserstrahl-Qualität als kritisch zu betrachten sind. Bei direkten Vergleichsmessungen mit einem In-situ-Gerät erreichte der Prototyp auf Anhieb eine Standardabweichung von 2 % bei einem Bias von unter 10 %. Die erreichte spektrale Qualität der Laserstrahlung übertraf die aufgestellten Anforderungen.

Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Fortschritt auf dem Gebiet der Entwicklung aktiver Systeme zur Fernerkundung atmosphärischen Kohlendioxids.

In the semi-analytical work presented here the feedback from supermassive

black holes on galaxy clusters is investigated. In particular we aim at providing

simple diagnostics tools to constrain the characteristic velocities

and spatial scales of the hot Intra Cluster Medium (ICM) motions. In

the so-called "cold core'' clusters these motions are believed to be

driven by the activity of a central black hole. The methods

developed here, together with present-day and future observations, are designed to help to solve the puzzle of cooling flow clusters (see section $1.3$)

and understand better the AGN/gas interaction in smaller systems (down

to individual galaxies).\\

Clusters of galaxies are the largest gravitationally bound systems in

the Universe: they are composed of hundreds to thousands of galaxies,

moving in a deep potential well set by the dominating dark matter. The

whole volume of clusters is filled with hot (temperature $\sim

10^7-10^8$~K) and rarefied (electron density $10^{-4}-10^{-1} {\rm

cm^{-3}}$) gas. In such a high-temperature regime even heavy elements

(e.g. silicon, sulfur, iron etc.) are highly ionized up to [H]- or

[He]-like ions and they emit in bright lines with energies from $\sim

0.7$ to $\sim 8$ keV. Using X-ray observations one can reliable

measure all the major gas properties: the temperature, density and abundance

of heavy elements.\\

A significant fraction of clusters (called "cool core'' clusters)

show distinct signatures in the central region: the gas temperature

drops inward, while the gas density increases. The central gas

radiative cooling time in such clusters is much shorter than the age

of the cluster and without any external source of energy the gas would cool

well below X-ray temperatures. However observations suggest that the

gas temperature drops only to 1-2 keV. One plausible explanation of

this problem is that the activity of a central supermassive black hole

deposits large amounts of mechanical energy into the cluster gas and that this

balances the gas radiative losses. A direct implication of this

hypothesis is that the hot gas is not at rest, but it is continuously stirred

by the AGN activity.\\

The same class of cool core clusters is characterized by a centrally

peaked distribution of the heavy elements abundance (usually measured

using the He-like iron 6.7 keV line). The peaked abundance profiles are

likely associated with the metals ejection by the stars of very massive

elliptical galaxies, that are always present at the centers of these clusters.

However the observed abundance distributions are significantly broader

than the central galaxy light profiles, suggesting that some gas motions

are spreading the metals ejected from the galaxy. We treat this

process in a diffusion approximation to derive, from the X-ray

observations, constraints on the characteristic velocities and

spatial scales of the gas motions for a sample of cool core clusters and

groups (Chapters $2$ and $3$). The parameters derived from a simple

semi-analytic model are then compared with the results of numerical

simulations of the AGN/gas interaction in the cluster core (Chapter $4$).\\

In Chapter $5$ we discuss the impact of the gas motions on the width of

the strongest X-ray emission lines. Since the characteristic thermal

velocities of heavy ions (e.g. iron) are much smaller than the sound speed

of the gas, the width of the lines sensitively depends on the presence

of gas motions. We show that both the absolute value of the linewidth

and its dependence on the projected distance from the cluster center

provide valuable diagnostics of the gas motions. Such measurements

will soon become possible with the launch of X-ray micro-calorimeters

in space.\\

This work has been done in collaboration with E.Churazov, R.Sunyaev,

H.B\"ohringer, M.Br\"uggen, W.Forman and E.Roediger.

Natürliche Blitzentladungen können aufgrund ihrer abgestrahlten, elektromagnetischen

Impulswellen (Atmospherics) in verschiedenen Frequenzintervallen geortet werden. Unter

Verwendung magnetischer Sensoren wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Messsystem

entwickelt und erprobt, dessen Detektionsschwerpunkt im VLF-Bereich liegt.

Unterschiedlichste Blitzentladungen wurden mit Messnetzen in Deutschland, Brasilien

und Australien gezielt geortet und analysiert.

Durch eine aufwendige Ermittlung der Signalankunftszeiten an den Messstationen und

die Verwendung eines erweiterten Laufzeitverfahrens zur Blitzpeilung, welches neben Länge

und Breite auch die Höhe der Blitzentladung als Parameter zulässt, ergaben sich mittlere

Laufzeitfehler von nur 0,2 µs. Simulationen, statistische Vergleiche und alternative

Verfahren zur Blitzhöhenbestimmung belegen, dass die jeweils berechnete Höhe eine sinnvolle,

physikalische Größe darstellt. Durch diese wird es möglich, Wolken- und Erdblitze auf

einfache Art voneinander zu unterscheiden.

Die Peilgenauigkeit und Effizienz der erfassten Blitzereignisse wurden durch Vergleiche

mit einer Reihe von anderen Blitzmessnetzen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass

von unseren Netzwerken bis zu zehn Mal so viele reale Blitzereignisse gemeldet wurden.

Die Vergleiche der Stromamplituden zeigen, dass die zusätzlich erfassten Ereignisse fast

ausschließlich zu schwächeren Blitzen mit Entladungsströmen unter 5 kA gehören. Die

starken Amplituden werden von den verschiedenen Netzen in sehr guter Übereinstimmung

gemessen. Die Peildifferenzen zwischen zeitgleichen Ereignissen der verglichenen Datensätze

liegen in den meisten Fällen unterhalb eines Kilometers.

Aufgrund der großen Datenfülle und der Emissionshöhenbestimmung der Impulse wurde

es erstmals möglich, mit einem VLF-Messnetz dreidimensionale Entladungsstrecken

darzustellen. Durch die Analyse der aufgezeichneten Wellenformen wurden Einteilungen der

Impulse in verschiedene Kategorien möglich. So ließen sich signifikante Unterschiede

zwischen Wolken- und Erdblitzen, aber auch bei Vor- und Hauptentladungen aufzeigen.

Over the last years, weather services have developed a new generation of high resolution mesoscale numerical weather prediction (NWP) models with the aim to explicitly predict convection. New methods are required to validate the representation of precipitation processes in these NWP models against observations. Polarimetric radar systems are especially suited for model validation as they provide information on the intensity and the microphysical characteristics of a precipitation event at a high temporal and spatial resolution. However, the observations can not be directly employed for model evaluation as polarimetric radar systems do not explicitly measure the parameters represented in microphysical parameterization schemes.

In order to establish a relationship and allow for a direct comparison between the model parameters and the observations, the polarimetric radar forward operator SynPolRad (Synthetic Polarimetric Radar) has been developed. SynPolRad simulates synthetic polarimetric radar quantities out of model forecasts which permits an evaluation in terms of observed quantities. In a first step, the synthetic reflectivity, LDR, and ZDR are computed from predicted bulk water quantities and in a second step, the beam propagation in the model domain is simulated under consideration of refractivity and attenuation effects. In order to successfully employ SynPolRad for model evaluation purposes, the link between the forward operator and the mesoscale model has to conform as closely as possible to the model assumptions. However, in the case of a polarimetric radar forward operator not all the input parameters are defined by the model. Within this work, these free parameters are derived on theoretical terms accordingly to the model assumptions such that the polarimetric quantities match the thresholds of a hydrometeor classification scheme. Furthermore, special care is given to the representation of brightband signatures.

The application of SynPolRad on two case studies proves the potential of the new method. A stratiform and a convective case study are chosen to assess the ability of mesoscale models to represent precipitation in different dynamical regimes. LMK (Lokal-Modell-Kürzestfrist) and MesoNH (Mesoscale Non-Hydrostatic Model) simulations considering different microphysical parameterization schemes are evaluated. The evaluation concentrates on the representation of life cycle, intensity, and the spatial distribution of synthetic reflectivity, LDR, and ZDR. Furthermore, hydrometeor types derived from the observed and synthetic polarimetric quantities employing a classification scheme are compared. Large discrepancies are found between the model simulations and the observations. However, the consideration of an additional ice hydrometeor category in the 3 component scheme significantly improves the performance of the LMK.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des dreidimensionalen

Strahlungstransportes, insbesondere der differentiellen Einstrahlung,

auf die Wolkenbildung und -entwicklung untersucht. Hierzu wurde ein

Verfahren zur Berechnung der Bestrahlungsstärke am Boden unter inhomogener

Bewölkung entwickelt und in das Grobstruktursimulationsmodell EULAG

implementiert. Durch Vergleich von Simulationen mit der originalen

Modellversion und dem weiterentwickelten Modell wurde der Einfluss

der differentiellen Einstrahlung, verursacht durch Wolkenschatten,

auf die konvektive Grenzschicht untersucht.

Das Verfahren beruht auf der tilted independent column approximation

(TICA). Hierbei werden einzelne Säulen, die in Richtung der Sonne

ausgerichtet sind, betrachtet und für diese die Strahlung unabhängig

voneinander berechnet. Die Methode wurde optimiert, parallelisiert

und dadurch so stark beschleunigt, dass die Rechenzeiten der in dieser

Arbeit durchgeführten Simulationen mit EULAG-TICA nur maximal 3%

über denen mit EULAG ohne Strahlung liegen. Durch Vergleich mit exakten

dreidimensionalen Strahlungstransportrechnungen wurde gezeigt, dass

die TICA eine sehr gute Näherung zur Berechnung solarer Bestrahlungsstärken

am Boden für unterschiedliche Wolkensituationen und verschiedene Sonnenzenitwinkel

darstellt. Hingegen ist die verbreitete independent column approximation

(ICA) zur Berechnung von Bestrahlungsstärken am Boden nur für im Zenit

stehende Sonne geeignet, da die ICA aufgrund der Beschränkung auf

den Strahlungstransport in senkrechten Säulen keinen realistischen

Schatten produziert. Die berechnete Bestrahlungsstärke wurde an die

Modellphysik gekoppelt durch die Anpassung des Wärmeflusses am Boden.

Dieser wirkt sich auf die Temperatur in der Atmosphäre aus. Anhand

von Vergleichen mit Messreihen unter gleichen Wolkenbedingungen wurde

gezeigt, dass die durch die Wolkenschatten verursachten Temperaturfluktuationen

am Boden in Simulationen mit EULAG-TICA realistisch sind.

Zur Untersuchung des Einflusses der differentiellen Einstrahlung auf

die Wolkenbildung wurden Simulationen einer einzelnen konvektiven

Wolke durchgeführt. Der Einfluss auf die Wolkenentwicklung wurde anhand

von Simulationen der konvektiven Grenzschicht untersucht. Die Simulationen

mit und ohne Wolkenschatten zeigen deutliche Unterschiede. Im Bereich

des Wolkenschattens ist der Aufwind wie erwartet schwächer ausgeprägt

als in der Referenzsimulation ohne Schatten. Als Folge des schwächeren

Aufwindes reicht die Wolke in den Simulationen mit Schatten weniger

hoch und weist daher ein geringeres Volumen und einen geringeren Flüssigwasserpfad

auf. Ist das Wolkenwachstum nach oben durch eine Inversion begrenzt,

so wie in der konvektiven Grenzschicht, zeigen sich kaum Unterschiede

im Bedeckungsgrad und Wolkenvolumen zwischen den Berechnungen mit

und ohne Wolkenschatten. In jedem Fall hat die differentielle Einstrahlung

jedoch einen starken Einfluss auf die Zirkulation. Vertikalprofile

der horizontalen Windgeschwindigkeiten zeigen mittleren Wind von der

Wolke in Richtung ihres Schattens in Höhe der Wolken und in entgegengesetzter

Richtung in Bodennähe. Dies bedeutet, dass die an konvektiven Wolken

vorhandene Zirkulation (aufsteigende Luft unterhalb der Wolke, Ausfließen

in der Höhe der Wolke aus der Wolke heraus in alle Richtungen, absinkende

Luft neben der Wolke und am Boden Luftbewegung von allen Seiten unter

die Wolke) in Richtung des Schattens orientiert wird. Des Weiteren

zeigen die Ergebnisse eine Bewegung der Wolken weg von ihrem Schatten,

bzw. eine Auflösung der Wolken oberhalb ihres Schattens und Wolkenwachstum

auf der der Sonne zugewandten Seite. Steht die Sonne im Zenit ist

die Lebensdauer der einzelnen Wolken kürzer. Sie lösen sich schneller

wieder auf, da der sie bildende Aufwind durch den Schatten abgeschwächt

wird.

Abell 1689 is a massive galaxy cluster that has an impressive number of gravitationally lensed background galaxies. In this thesis more than 30 multiple image systems identified in A1689 are used to derive an accurate mass profile for the cluster. It is also shown how strong lensing in cluster can be used to constrain the sizes of the dark matter haloes of cluster galaxies and to place upper limits on the amount of dark substructure in clusters.

Der Erfolg chirurgischer Eingriffe wird nicht selten durch überschießende Wundheilung zunichte gemacht, so daß ein erneuter Eingriff notwendig wird. Am Wundort lokal eingesetzte Radionuklide mit kurzreichweitiger Strahlung können solche gutartigen Wucherungen verhindern. Das Radionuklid P-32 eignet sich als reiner Elektronenemitter

mit einer Halbwertszeit von 14,3 Tagen und einer mittleren Energie von 694,9 keV (Emax=1710,48 keV) für diese Aufgabe und kann durch den Einfang thermischer Neutronen (1 · 10^14 /s/cm^2) im Kernreaktor aus dem stabilen P-31

hergestellt werden. Nach einer typischen Bestrahlungszeit (14 Tage) beträgt der P-32–Anteil 1,4 · 10^-5.

Implantate aus Polymer bzw. bioresorbierbarem Material als Träger des radioaktiven Strahlers ermöglichen gegenüber metallischen Implantaten neue Anwendungen für diese Art der Strahlentherapie. In dieser Arbeit wurde eine Herstellungsmethode für bisher nicht verfügbare organische radioaktive Implantate entwickelt und ein

dazugehöriges Dosimetriesystem aufgebaut.

Mittels Ionenimplantation können P-32–Ionen mit bis zu 180 keV einige 100 nm tief in organische Implantatmaterialien eingeschossen werden. Für eine typische Dosis (15 Gy in 7 Tagen in 1 mm Abstand zum Implantat) wird eine Aktivität von

75 kBq benötigt, dies entspricht 1,3 · 10^11 P-32–Ionen. Die dafür optimierte Zerstäubungsionenquelle ermöglicht einen Ionenstrahl mit hohem Strahlstrom (>14 µA P–) und geringer Emittanz (<4 pi mm mrad MeV^1/2). Wegen der guten Strahlqualität können auch kleine Implantate (<1 mm^2) mit hoher Effizienz hergestellt werden.

Durch eine Verbesserung der Isotopenselektion bei der Erzeugung des P-32–Strahls konnte der ungewollt mitimplantierte Anteil von Molekülen und Nukliden gleicher

Masse (z. B. P-31H, O-16_2 und S-32) von etwa 500 auf 50 reduziert werden und somit im Vergleich zu den besten bisherigen Implantationsmethoden die Strahlenbelastung

des Implantates um eine Größenordnung verringert werden.

Bei der Betadosimetrie von 1–2 MeV Elektronen liegt die Herausforderung in der kurzen Reichweite (wenige Millimeter) im Gewebe und dem daraus folgenden starken Dosisabfall innerhalb dieses Bereichs. Dafür wurde eine Monte–Carlo–Simulation, basierend auf der Bibliothek Geant4, entwickelt. In diesem Dosisplanungssystem wurde, neben der Möglichkeit schematischer Geometrien, neu die Möglichkeit geschaffen, Rechnungen auf Basis von CT–Daten eines Patienten durchzuführen. Zur Überprüfung der Simulation wurde ein System für dreidimensionale dosimetrische

Messungen mittels eines Plastikszintillators im Wasserphantom aufgebaut und die

Simulationen innerhalb 10 % Abweichung reproduziert.

Für die Überprüfung der Aktivität jedes hergestellten Implantates im Rahmen der Qualitätssicherung wurde ein Elektronenzählersystem aufgebaut. Die Kalibration

erfolgte neben der herkömmlichen Methode durch Flüssigszintillationszählung zusätzlich mit Monte–Carlo–Simulationen. Diese ermöglichen die Kalibration auch für Implantatmaterialien, die sich nur schwer in Lösung bringen lassen wie die hier verwendeten Materialien Silikon oder Nickel–Titan–Legierungen.

Die gemessenen, herstellungsbedingten Veränderungen der Materialeigenschaften von Silikon und dem bioresorbierbaren Polymer PLGA waren tolerierbar und bestätigten

die Eignung als Implantatmaterial, insbesondere für die dauerhafte Fixierung des Radionuklids.

An zwei klinischen Problemstellungen wurden die Implantate im Rahmen einer präklinischen Studie erprobt. Im Bereich der Hals–Nasen–Ohren–Medizin gibt es immer wieder Probleme mit verschlossenen Nasennebenhöhlen, die Infektionen zur

Folge haben. Durch den Einsatz eines radioaktiven Silikonstents mit einer Liegezeit von 7 Tagen wurde gezeigt, daß eine künstlich geschaffene Öffnung langfristig offengehalten werden kann. Im Bereich der Augenheilkunde ist das Glaukom eine weit verbreitete Krankheit, die zur Erblindung führen kann. Diese durch einen übermäßigen

Augeninnendruck erzeugte Krankheit kann mit Hilfe eines chiru