Fachbereich Ingenieur- und Naturwissenschaften
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Automatic image reconstruction is critical to cope with steadily increasing data from advanced microscopy. We describe here the Fiji macro 3D ART VeSElecT which we developed to study synaptic vesicles in electron tomograms. We apply this tool to quantify vesicle properties (i) in embryonic Danio rerio 4 and 8 days past fertilization (dpf) and (ii) to compare Caenorhabditis elegans N2 neuromuscular junctions (NMJ) wild-type and its septin mutant (unc-59(e261)). We demonstrate development-specific and mutant-specific changes in synaptic vesicle pools in both models. We confirm the functionality of our macro by applying our 3D ART VeSElecT on zebrafish NMJ showing smaller vesicles in 8 dpf embryos then 4 dpf, which was validated by manual reconstruction of the vesicle pool. Furthermore, we analyze the impact of C. elegans septin mutant unc-59(e261) on vesicle pool formation and vesicle size. Automated vesicle registration and characterization was implemented in Fiji as two macros (registration and measurement). This flexible arrangement allows in particular reducing false positives by an optional manual revision step. Preprocessing and contrast enhancement work on image-stacks of 1nm/pixel in x and y direction. Semi-automated cell selection was integrated. 3D ART VeSElecT removes interfering components, detects vesicles by 3D segmentation and calculates vesicle volume and diameter (spherical approximation, inner/outer diameter). Results are collected in color using the RoiManager plugin including the possibility of manual removal of non-matching confounder vesicles. Detailed evaluation considered performance (detected vesicles) and specificity (true vesicles) as well as precision and recall. We furthermore show gain in segmentation and morphological filtering compared to learning based methods and a large time gain compared to manual segmentation. 3D ART VeSElecT shows small error rates and its speed gain can be up to 68 times faster in comparison to manual annotation. Both automatic and semi-automatic modes are explained including a tutorial.
Turkey is located in an important geographical location, in terms of the epidemiology of vector-borne diseases, linking Asia and Europe. Cutaneous leishmaniasis (CL) is one of the endemic diseases in a Turkey and according to the Ministry Health of Turkey, 45% of CL patients originate from Şanlıurfa province located in southeastern Turkey. Herein, the epidemiological status of CL, caused by L. tropica, in Turkey was examined using multilocus microsatellite typing (MLMT) of strains obtained from Turkish and Syrian patients. A total of 38 cryopreserved strains and 20 Giemsa-stained smears were included in the present study. MLMT was performed using 12 highly specific microsatellite markers. Delta K (ΔK) calculation and Bayesian statistics were used to determine the population structure. Three main populations (POP A, B and C) were identified and further examination revealed the presence of three subpopulations for POP B and C. Combined analysis was performed using the data of previously typed L. tropica strains and Mediterranean and Şanlıurfa populations were identified. This finding suggests that the epidemiological status of L. tropica is more complicated than expected when compared to previous studies. A new population, comprised of Syrian L. tropica samples, was reported for the first time in Turkey, and the data presented here will provide new epidemiological information for further studies.
Daten liegen in modernen Fahrzeugen in einer großen Menge vor. Die Daten, welche die Sensoren des Fahrzeuges erzeugen, werden über Bus-Systeme zentral zur Verfügung gestellt und für die jeweiligen Anwendungen von den Steuergeräten ausgewertet. Nach diesem Einsatz werden die Sensordaten verworfen. Eine Herausforderung an die Verwendung jener Daten sind die Historisierung und systematische Auswertung dieser. Dafür werden Data-Mining-Methoden angewandt, welche die internen sowie die externen Daten (Car2X-Kommunikation) in Echtzeit auswerten und mit dem digitalem Gedächtnis abgleichen. Ziel dessen ist die Erkennung von Mustern, zur Identifikation von Situationen (z.B. Verkehrsunfall) und Fahrzuständen (z.B. Autobahnfahrt). Als Ergebnisse sollen der Komfort der Insassen und die Sicherheit des Straßenverkehrs verbessert werden. Potentiell bedrohliche Situationen sollen dabei vor dem Eintreffen erkannt werden, um Fahrer und Fahrzeug entsprechend zu konditionieren.
Das Vorhaben zielt konkret auf ein Echtzeit-Data-Mining von Fahrzeugdaten ab. Dabei wird Stream-Machine-Learning als möglicher Lösungsansatz verwendet, da große Datenmengen vorhanden sind und diese in Echtzeit ausgewertet werden müssen, um potentiell bedrohliche Situationen frühzeitig zu erkennen. Der klassische Batch-Learning-Ansatz ist dazu nicht geeignet, da jener alle Daten mit einmal verarbeiten will. Stream-Machine-Learning kombiniert das Konzept von Datenströmen mit dem Online-Lernen. Dadurch verwendet der Ansatz nur die im Stream empfangenden Daten und zudem lernt er während des Betriebs weiter. Nach jeder verarbeiteten Instanz ist es dem Algorithmus möglich ein Modell auszugeben bzw. das vorhandene Modell wird weiter trainiert. Ein selbstständiges Lernen wird ermöglicht.
Für die Umsetzung ist eine Toolchain erstellt worden, die das Vorhaben mit vom Fahrzeug erzeugten und über die OBD2-Schnittstelle bereitgestellten Datensätzen simuliert darstellt. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die Komptabilität zu in Fahrzeugen genutzten Betriebssysteme (Linux, Autosar [WaPa12]) gelegt, damit eine Migration gewährleistet wird.
Through Silicon Via (TSV) technology is a key feature of new 3D integration of circuits by creation of interconnections using vias, which go through the silicon wafer. Typically, the highly-selective Bosch Si etch process, characterized by a high etch rate and high aspect ratio and forming of scallops on the sidewalls is used. As presented in this paper, we have developed an experimental setup and a respective evaluation algorithm for the control and monitoring of very high aspect ratio TSV profiles by spectroscopic reflectometry. For this purpose square via arrays with lateral dimension from 3 to 10 μm were fabricated by a Bosch etch process and analyzed by our setup. By exploiting interference and diffraction effects of waves reflected from the top and bottom surfaces as well as from the side walls of the TSV patterns, the measurements provided etch depths, CD values and scallop periods. The results were compared with data obtained by a commercial wafer metrology tool. Aspect ratios of up to 35:1 were safely evaluable by our setup.
The successful integration of graphene into microelectronic devices depends strongly on the availability of fast and nondestructive characterization methods of graphene grown by CVD on large diameter production wafers [1-3] which are in the interest of the semiconductor industry. Here, a high-throughput optical metrology method for measuring the thickness and uniformity of large-area graphene sheets is demonstrated. The method is based on the combination of spectroscopic ellipsometry and normal incidence reflectometry in UV-Vis wavelength range (200-800 nm) with small light spots (~ 30 μm2) realized in wafer optical metrology tool. In the first step graphene layers were transferred on a SiO2/Si substrate in order to determine the optical constants of graphene by the combination of multi-angle ellipsometry and reflectometry. Then these data were used for the development of a process control recipe of CVD graphene on 200 mm Ge(100)/Si(100) wafers. The graphene layer quality was additionally monitored by Raman spectroscopy. Atomic force microscopy measurements were performed for micro topography evaluation. In consequence, a robust recipe for unambiguous thickness monitoring of all components of a multilayer film stack, including graphene, surface residuals or interface layer underneath graphene and surface roughness is developed. Optical monitoring of graphene thickness uniformity over a wafer has shown an excellent long term stability (s=0.004 nm) regardless of the growth of interfacial GeO2 and surface roughness. The sensitivity of the optical identification of graphene during microelectronic processing was evaluated.
This optical metrology technique with combined data collection exhibit a fast and highly precise method allowing one an unambiguous detection of graphene after transferring as well as after the CVD deposition process on a Ge(100)/Si(100) wafer. This approach is well suited for industrial applications due to its repeatability and flexibility.
Structured light has become a widespread technique for the development of camera-based 3D sensors. The structured illumination provides texture to homogeneous objects and thus allows for the reliable determination of the disparity of each object point in a stereo-camera setting. Even a monocular 3D sensor is possible if the light projector has a fixed relative position to the camera and if the structured light is coded, i.e. the position within the whole light pattern can be reconstructed uniquely from a small local window of the pattern, the uniqueness window. Coded patterns with such a uniqueness property are called Perfect SubMaps (PSM). In our paper we focus on the design and evaluation of the subset of symmetric isolated binary toroidal PSMs (SIBTPSM) for structured light patterns, because of their beneficial properties with respect to the signal-to-noise ratio and the use with laser light sources and DOEs. We define several figures of merit that are relevant for the practical use of PSMs in a 3D sensor: the PSM size, the size of the uniqueness window, the Hamming distance, the density, and the homogeneity. We have created SIBTPSMs using our own dedicated algorithms and have designed and fabricated DOEs that produce these patterns with large fan angles of 61° × 47° when used with near-infrared diode lasers (λ = 830nm). We analyze the influence of these characteristics on the 3D measurement process by theory, simulations, and experiments. The patterns of publicly available DOEs based on SIBTPSMs are used for comparison and reference. Our results show that the PSM width, the uniqueness window size, the minimum and average Hamming distances, and the uniformity have strong impact on either speed or quality of the 3D reconstruction, whereas the point density and the PSM height are of minor importance.
We identified Alizarin Red S and other well known fluorescent dyes useful for the online detection of pyrophosphate in enzymatic assays, including the loop mediated isothermal amplification (LAMP) and polymerase chain reaction (PCR) assays. An iterative screening was used for a selected set of compounds to first secure enzyme compatibility, evaluate inorganic pyrophosphate sensitivity in the presence of manganese as quencher and optimize conditions for an online detection. Of the selected dyes, the inexpensive alizarin red S was found to selectively detect pyrophosphate under LAMP and PCR conditions and is superior with respect to its defined red-shifted spectrum, long shelf life and low toxicity. In addition, the newly identified properties may also be useful in other enzymatic assays which do not generate nucleic acids but are based on inorganic pyrophosphate. Finally, we propose that our screening method may provide a blueprint for rapid screening of compounds for detecting inorganic pyrophosphate.
Hintergrund: Etablierte Protein- und Nukleinsäure-basierte Methoden für den spezifischen Pathogennachweis sind nur unter standardisierten Laborbedingungen von geschultem Personal durchführbar und daher mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. In der Nukleinsäure-basierten Diagnostik kann durch die Einführung der isothermalen Amplifikation eine schnelle und kostengünstige Alternative zur Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden. Die Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) bietet aufgrund der hohen Amplifikationseffizienz vielfältige Detektionsmöglichkeiten, die sowohl für Schnelltest- als auch für Monitoring-Anwendungen geeignet sind.
Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Anwendbarkeit der LAMP und die Entwicklung einer neuen Methode für den einfachen, schnellen und günstigen Nachweis von Pathogenen mittels alternativer DNA- oder Pyrophosphat-abhängiger Detektionsverfahren. Hier wurden zunächst direkte und indirekte Detektionsmethoden untersucht und darauf aufbauend ein Verfahren entwickelt, mit dem neue Metallionen-abhängige Fluoreszenzfarbstoffe für die selektive Detektion von Pyrophosphat in der LAMP und anderen enzymatischen Reaktionen identifiziert werden können. Als Alternative für die DNA-basierte Detektion in der digitalen LAMP sollten die zuvor etablierten Farbstoffe für den Pyrophosphatnachweis in einer Emulsion getestet werden. Abschließend wurde ein neuer Reaktionsmechanismus für die effiziente Generierung hochmolekularer DNA unter isothermalen Bedingungen als Alternative zur LAMP entwickelt.
Ergebnisse: Für den Nachweis RNA- und DNA-basierter Phythopathogene konnte die Echtzeit- und Endpunktdetektion mit verschiedenen Farbstoffen in einem geschlossenen System etabliert werden. Hier wurde Berberin als DNA-interkalierender Fluoreszenzfarbstoff mit vergleichbarer Sensitivität zu SYBR Green und EvaGreen erfolgreich in der LAMP mit Echtzeitdetektion eingesetzt. Ein Vorteil von Berberin gegenüber den anderen Farbstoffen ist die Toleranz der DNA-Polymerase auch bei hohen Farbstoffkonzentrationen. Berberin kann daher auch in der geschlossenen LAMP-Reaktion ohne zusätzliche Anpassung der Reaktionsbedingungen für die Endpunktdetektion verwendet werden. Darüber hinaus konnte Hydroxynaphtholblau (HNB), das für den kolorimetrischen Endpunktnachweis bekannt ist, erstmals auch für die fluorimetrische Detektion der LAMP in Echtzeit eingesetzt werden. Zusätzlich konnten in der Arbeit weitere Metallionen-abhängige Farbstoffe zur indirekten Detektion der LAMP über das Pyrophosphat identifiziert werden. Dafür wurde eine iterative Methode entwickelt, mit der potenzielle Farbstoffe hinsichtlich ihrer Enzymkompatibilität und ihrer spektralen Eigenschaften bei An- oder Abwesenheit von Manganionen selektiert werden können. Mithilfe eines kombinatorischen Screenings im Mikrotiterplattenformat konnte die komplexe Konzentrationsabhängigkeit zwischen den einzelnen Komponenten für einen fluorimetrischen Verdrängungsnachweis untersucht werden. Durch die Visualisierung des Signal-Rausch-Verhältnis’ als Intensitätsmatrix (heatmap) konnten zunächst Alizarinrot S und Tetrazyklin unter simulierten Reaktionsbedingungen selektiert werden. In der anschließenden enzymatischen LAMP-Reaktion konnte insbesondere Alizarinrot S als günstiger, nicht-toxischer und robuster Fluoreszenzfarbstoff identifiziert werden und zeigte eine Pyrophosphat-abhängige Zunahme der Fluoreszenzintensität. Die zuvor etablierten Farbstoffe (HNB, Calcein und Alizarinrot S) konnten anschließend erfolgreich für die indirekte, fluorimetrische Detektion von Pyrophosphat in einer LAMP-optimierten Emulsion eingesetzt werden. Die Stabilität und Homogenität der generierten Emulsion wurde durch den Zusatz des Emulgators Poloxamer 188 verbessert. Durch die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Emulsion war eine eindeutige Diskriminierung der positiven und negativen Tröpfchen vor allem bei Einsatz von Calcein und Alizarinrot S möglich. Aufgrund des komplexen Primer-Designs und der hohen Wahrscheinlichkeit unspezifischer Amplifikation in der LAMP wurde eine neue Bst DNA-Polymerase-abhängige isothermale Amplifikationsreaktion entwickelt. Durch die Integration einer spezifischen Linkerstruktur (abasische Stelle oder Hexaethylenglykol) zwischen zwei Primersequenzen konnte ein bifunktioneller Primer die effiziente Regenerierung der Primerbindungsstellen gewährleisten. Der neue Primer induziert nach der spezifischen Hybridisierung auf dem Templat die Rückfaltung zu einer Haarnadelstruktur und blockiert gleichzeitig die Polymeraseaktivität am Gegenstrang, wodurch eine autozyklische Amplifikation trotz konstanter Reaktionstemperatur möglich ist. Die Effizienz der „Hinge-initiated Primer dependent Amplification“ (HIP) konnte abschließend durch die Verkürzung der Distanz zwischen einem modifizierten Hinge-Primer und einem PCR-ähnlichen Primer verbessert werden.
Schlussfolgerung: Die LAMP hat sich aufgrund der hohen Robustheit und Effizienz zu einer leistungsfähigen Alternative für die klassische PCR in der molekularbiologischen Diagnostik entwickelt. Unterschiedliche Detektionsverfahren verbessern die Leistungsfähigkeit der qualitativen und quantitativen LAMP für die Feldanwendungen und für die Diagnostik, da die neuen DNA- und Pyrophosphat-abhängigen Nachweismethoden in einer geschlossenen Reaktion eingesetzt werden können und so eine einfache Pathogendiagnostik ermöglichen. Die gezeigten Methoden können darüber hinaus zu einer Kostensenkung und Zeitersparnis gegenüber den herkömmlichen Methoden beitragen. Ein attraktives Ziel stellt die Weiterentwicklung der HIP für den Pathogennachweis als Alternative zur LAMP dar. Hierbei können die neuen LAMP-Detektionsverfahren ebenfalls Anwendung finden. Die Verwendung von Bst DNA-Polymerase-abhängigen Reaktionen ermöglicht darüber hinaus die Integration einer robusten isothermalen Amplifikation in mikrofluidische Systeme. Durch die Kombination der Probenvorbereitung, Amplifikation und Detektion sind zukünftige Anwendungen mit kurzer Analysezeit und geringem apparativen Aufwand insbesondere in der Pathogendiagnostik möglich.
Helium implanted tungsten-titanium ODS alloys are investigated using positron annihilation spectroscopy and nanoindentation. Titanium reduces the brittleness of the tungsten alloy, which is manufactured by mechanical alloying. The addition of Y2O3 nanoparticles increases the mechanical properties at elevated temperature and enhances irradiation resistance. Helium ion implantation was applied to simulate irradiation effects on these materials. The irradiation was performed using a 500 kV He ion implanter at fluences around 5 × 1015 cm−2 for a series of samples both at room temperature and at 600 °C. The microstructure and mechanical properties of the pristine and irradiated W-Ti-ODS alloy are compared with respect to the titanium and Y2O3 content. Radiation damage is studied by positron annihilation spectroscopy analyzing the lifetime and the Doppler broadening. Three types of helium-vacancy defects were detected after helium irradiation in the W-Ti-ODS alloy: small defects with high helium-to-vacancy ratio (low S parameter) for room temperature irradiation, larger open volume defects with low helium-to-vacancy ratio (high S parameter) at the surface and He-vacancy complexes pinned at nanoparticles deeper in the material for implantation at 600 °C. Defect induced hardness was studied by nanoindentation. A drastic hardness increase is observed after He ion irradiation both for room temperature and elevated irradiation temperature of 600 °C. The Ti alloyed tungsten-ODS is more affected by the hardness increase after irradiation compared to the pure W-ODS alloy.
Cutaneous leishmaniasis (CL) is a skin infection caused by a single-celled parasite that is transmitted by the bite of a phlebotomine sandfly. CL is the most common form of leishmaniasis characterized by localized lesions in the skin and mucous membranes. The disease is prevalent in all countries around the Mediterranean Basin. In this paper, we describe spatiotemporal and eco-epidemiological parameters of CL in Libya. Moreover, we explored current spatiotemporal distributions of CL cases and explored the future projection of the disease. Our study indicates the presence of higher risk of CL in the coastal regions of Libya. Future projection until 2060 showed a trend of increasing incidence of CL in the north-western part of Libya, a spread along the coastal region and a possible emergence of new endemics in the north-eastern districts of Libya. These scenarios should be considered by health authorities in order to develop appropriate intervention strategies and plan effective control programs.