TY  - THES
A1  - Goldau, Rainer
T1  - Clinical evaluation of novel methods to determine dialysis parameters using conductivity cells
T1  - Klinische Untersuchung neuer Methoden zur Ermittlung von Dialyseparametern mit Hilfe von Leitfähigkeits-Messzellen
N2  - During the last two decades an ongoing discussion about the necessary dose of dialysis brought the result that the urea based Kt/V value is significantly correlated to morbidity of the end stage renal disease (ESRD) patients. Even if it is not completely accepted, it seems to be more and more agreement of the nephrological community that for good dialysis practice Kt/V should be kept above 1.2 to 1.3 in the usual 3X4 hours per week dialysis schedule for patients without own residual clearance to assure long term quality of life, low morbidity and mortality. K is the clearance of urea the dialysis system can apply, t is the treatment time and V is the urea distribution volume of the patient, which is nearly equal to total body water. Kt/V has the unit of a drug dose (ml of drug per ml of patient volume) and therefore sometimes is called dialysis 'dose', even if this is subject of discussion because it implies that the dose can be described with only one urea related number. This work does not participate in this discussion. The premise of this work is more technical: Whatever the final result of the above discussion will be, a patient-friendly, precise cost-neutral and handy technical solution should be given to the hand of the interested nephrologist to continuously supervise the urea based Kt/V that is applied to the patient. Of course this is combined with the hope that the long term mortality can be decreased if a covering online dialysis success control is facilitated. The technical solution that has been chosen is based on the equivalence of the diffusion coefficients of sodium chloride and urea. It is central subject of the investigation if the diffusive behaviour of sodium is equal to that of urea crossing the dialysis filter membrane. The advantage that makes the principle so handy is that sodium can be measured very precise by standard conductivity cells as they are implemented in dialysis machines in large numbers. The only necessary hardware modification is a second conductivity cell downstream the dialyser to be able to measure the mass balance over the filter. This is more complicated with urea that can only be measured undergoing an enzymatic conversion to ammonium ions. The ammonium ions induce a membrane potential, which is measured with very sensitive amplifiers. A cooling chain for the enzyme must be maintained. To find and approve the conductivity based technical solution two in-vivo studies have been conducted. In the first study a conductivity step profile, varying the conductivity in static levels in a baseline - 7 min high - 7min low- baseline shape, was applied that can be utilised to measure the urea clearance very accurate. This principle has been described in 1982 in a patent application. In a sequence of 206 computer recorded dialysis sessions with 22 patients it was found that urea clearance could be electrolytically measured with a mean error+/-standard deviation of -1.46+/-4.75% , n=494. The measurement of Kt/V according to a single pool model was of similar accuracy: 2.88+/-4.15% . Although in accordance with other studies these findings at an average confirmed the high correlation of ionic and urea based clearance measurements, an effect was found that was not consistent with the theory that was existent so far. It was found in the first study that the accuracy of the step profile measurements were dependent of the size of the patient, in particular of the urea distribution volume. Moreover it was of relevance which part of the step profile was used: the high-low states, the baseline- low or the baseline-high states. This was a theoretical lack. Careful analysis led to the result that sodium transfer from and into the patient was the reason for the dependence. This led to the enhancement of the theory that seems to correctly describe the nature of the effect. A new demand now was to minimise the sodium transfer. This was limited using static step profiles because in the time it needs to become stable sodium is shifted. In consequence non-stable, dynamic short conductivity boli were developed that allowed to minimise the amount of sodium to be shifted to the limits of the technical resolution of the measurement systems. Also the associated mathematical tools to evaluate the boli had to be suited to the problem. After termination of this process a second study was conducted to approve the new method found. In this study with 10 patients and 93 sessions, 264 step profile measurements and 173 bolus ionic dialysance measurements it was found that the bolus measurements matched their related blood side urea clearance references with the outstanding accuracy of (error+/-SD) 0.06+/-4.76%. The result was not significantly different (p=0.87) from the reference by student's t-test for paired data. The Kt/V reference according to the single pool variable volume urea kinetic model (sPVVUKM) was found to be matched by the bolus principle with 5.32+/-3.9% accuracy and a correlation of 0.98. The remaining difference of 5.32% can be attributed to the neglect of the urea generation rate. Also the step profile was found to be very precise here. The error versus sPVVUKM was 0.05%+/-5%, r=0.96. However it did not image the neglect of urea generation correctly. Also a two pool modelling that comprises an internal compartimentation of the fluid pools of the patient was applied to the continuously recorded data. This two pool urea kinetic model (2PUKM) is regarded to be a more precise theoretical approach and now includes the urea generation. It found the bolus principle to deviate -3.04 +/- 14.3%, n.s., p=0.13. The high standard deviation is due to the complexity of the model. Further from the developed theory a simplified method to roughly measure the sodium distribution volume could be derived. This method was tested in-vitro versus a container with dialysate of known volume and in-vivo versus the urea distribution volume. The in-vitro results were -19.9+/-34%, r=0.92, n.s, p=0.916. In-vivo they were found to be -7.4+/-23.2%, r=0.71, n.s., p=0.39. Due to dilution theory the sodium and urea distribution volumes virtually appear to be very similar using this method, although they absolutely differ significantly. Facing the strong simplifications that were made before applying this theory these results seem to be very encouraging that it could be possible to develop a principle to measure not only K but also V electrolytically. This would allow a true Kt/V measurement. The empirical urea distribution volume measurement using anthropometrical formulas has been compared to analytical methods. It has been found that the use Watson's formula with a -13% correction gives good results. The correction should be applied with great care because it increases Kt/V just on a arithmetical base to the disadvantage of the patient. Also electrolytical plasma sodium measurement was evaluated and can be measured using a mixed analytic-empirical formula with an accuracy of 4.3+/-1.2%. In summary, conductivity based methods seem to be a convenient method to measure several dialysis parameters of some clinical interest without effort. The results of this work meanwhile are implemented with substantial numbers into commonly available dialysis machines and the experience of the first time shows that the principle is well accepted by the clinicians.
N2  - Eine die letzten beiden Jahrzehnte anhaltende Diskussion über die erforderliche Dosis Dialyse, die ein Patient benötigt, ergab, daß der Harnstoff-basierte Kt/V-Wert signifikant mit der Morbidität von ‚end stage renal deasease' (ESRD)- Patienten korreliert. Wenn auch nicht vollständig akzeptiert, so scheint es doch zunehmende Übereinkunft zwischen Nephrologen, daß eine angemessene Dialysebehandlung von Patienten ohne Restdiurese im Rahmen eines 3x4 Stunden pro Woche- Schemas mindestens einen Kt/V-Wert von 1.2 bis 1.3 ergeben sollte, um auf lange Sicht die Lebensqualität zu sichern und die Morbidität und Mortalität niedrig zu halten. K ist die vom Dialysesystem erbrachte Clearance, t die Behandlungszeit und V das Harnstoff-Verteilungsvolumen, welches dem Gesamt-Körperwasser nahezu gleicht. Kt/V wird in der Dosiseinheit (ml Medikament pro ml Körperwasser) ausgedrückt und daher auch häufig als Dialyse-‚Dosis' bezeichnet, auch wenn darüber wegen der Zusammenfassung in nur einer Harnstoff-korrelierten Zahl konträr diskutiert wird. Diese Arbeit besitzt eine eher technische Prämisse und möchte sich nicht an dieser Diskussion beteiligen. Sie möchte dem interessierten Nephrologen lediglich eine patientenfreundliche, präzise, kostenneutrale und leicht zu handhabende technische Lösung an die Hand geben, um kontinuierlich die in Kt/V ausgedrückte Dialysedosis zu überwachen. Natürlich ist damit auch die Hoffnung verbunden, daß die Langzeit-Sterblichkeit verringert werden kann, wenn eine flächendeckende, zeitnahe Erfolgskontrolle der Dialyse ermöglicht wird. Die gewählte technische Lösung basiert auf der Äquivalenz der Diffusionskoeffizienten von gelöstem Harnstoff und Natriumchlorid. Es ist das zentrale Anliegen dieser Studie, festzustellen, ob das Diffusionsverhalten von NaCl und Harnstoff beim Durchtritt durch die Membran des Dialysefilters gleich ist. Der entscheidende Vorteil, der das Verfahren so leicht handhabbar macht, besteht darin, daß NaCl-Konzentrationen sehr genau durch die ohnehin in großer Zahl in Dialysegeräten verwendeten Leitfähigkeitsmeßzellen bestimmt werden können. Um die NaCl-Massenbilanz über den Dialysefilter zu bestimmen, benötigt man lediglich eine weitere Meßzelle, die stromab des Filters zu installieren ist. Die Messung von Harnstoff, die indirekt über die enzymatische Zerlegung in Ammonium-Ionen und das anschließende Erzeugen eines hoch zu verstärkenden elektrischen Potentials an einer Membran geschieht, ist komplizierter. Zudem ist eine geschlossene Kühlkette für das Enzym sicher zu stellen. Um eine leitfähigkeitsbasierte technische Lösung abzusichern, wurden zwei klinische Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde die Leitfähigkeit in Form von konstanten Stufenprofilen variiert. Sie wurde ausgehend von der Grundlinie für 7 min erhöht und anschließend für 7 min erniedrigt. Das Prinzip einer solchen Messung wurde erstmals 1982 in einer Patentschrift beschrieben. In einer Sequenz von 494 solchen Messungen in 206 automatisch aufgezeichneten Dialysesitzungen an 22 Patienten wurde gefunden, daß sich die Harnstoff- Clearance elektrolytisch mit einer Genauigkeit von -1.46+/-4.75% (Fehler+/-Standardabweichung) messen ließ. Die Messung von Kt/V gemäß dem Ein-Kompartment-Modell ergab eine ähnliche Genauigkeit von 2.88+/-4.15%. Obgleich diese Ergebnisse in Übereinstimmung mit anderen Studien stehen, wurde ein Effekt bemerkt, der nicht in Einklang mit der zunächst bestehenden Theorie zu bringen war. Dieser Effekt besteht darin, daß die Genauigkeit der elektrolytischen Clearancemessung vom beim Patienten vorhandenen Harnstoff-Verteilungsvolumen abhängig war. Weiter war es nicht bedeutungslos, welchen Teil des dreiteiligen Stufenprofils man zur Auswertung heranzog: Den Grundlinie-Hoch- Übergang, den von der Grundlinie zum Niedrig-Nieveau oder den Hoch-Niedrig- Übergang. Dies deutete auf einen Mangel an theoretischem Verständnis hin. Eine genaue weitere Untersuchung führte zu dem Ergebnis, daß unerwünschter NaCl-Transfer vom und zum Patienten die Ursache für die Abhängigkeit vom Verteilungsvolumen war. Es wurde daraufhin die Theorie dahingehend erweitert, daß dieser Effekt korrekt und plausibel beschrieben werden konnte. Aus dieser Erweiterung ergab sich die neue Forderung, den NaCl-Transfer bei der Messung weitestgehend zu minimieren. Die Benutzung von Stufenprofilen stellte hier jedoch an sich eine Limitierung dar, da in der zum Einnehmen eines stabilen Zustandes erforderlichen Zeit zuviel NaCl über die Membran transferiert wurde. Die Konsequenz war, von den Stufenprofilen auf kurze, dynamische Leitfähigkeitsboli überzugehen, die erlaubten, die NaCl-Gabe auf das Maß zu verringern, welches aufgrund der technischen Auflösung erforderlich war. Hierzu mußten jedoch die notwendigen mathematischen Algorithmen neu zugeschnitten werden. Nach diesem Schritt wurde eine weitere klinische Studie gestartet, die den Zweck verfolgte, das neue Verfahren am Patienten zu verifizieren. In dieser Studie mit 10 Patienten und 93 Dialysesitzungen, 264 Stufenprofil- und 173 Bolus-Dialysancemesssungen wurde gefunden, daß die Bolus-Messungen ihre zugehörigen blutseitigen Referenzmessungen mit außergewöhnlicher Genauigkeit von 0.06+/-4.76% trafen. Student's t-Test für gepaarte Daten ergab, daß sich die Datensätze nicht signifikant unterschieden (p=0.87). Die blutseitige Kt/V-Referenz auf der Basis des equilibrierten Einkompartment-Modells mit variablem Volumen wurde mit 5.32+/-3.9% getroffen, wobei eine Korrelation von 0.98 erzielt wurde. Die verbleibende Differenz von 5.32% wird der Vernachlässigung der Harnstoff-Erzeugung während der Messung zugeschrieben. Auch das Stufenprofil zeigte trotz seiner Abhängigkeit vom Verteilungsvolumen gegenüber dem gleichen Modell einen mittleren Fehler von 0.05+/-5% bei einer Korrelation von 0.96. Jedoch konnte es die Vernachlässigung der Harnstoff-Erzeugung nicht korrekt abbilden. Die kontinuierlich aufgenommenen Daten wurden auch nach dem 2-pool Modell untersucht, welches auch die Harnstoff-Erzeugung enthält sowie eine innere Kompartimentierung des Patienten annimmt und damit die tatsächlichen Verhältnisse besser beschreibt. Danach weicht das Bolus-Meßprinzip -3.04+/-14.3% von der Referenz ab (n.s.,p=0.13). Die relativ hohe Standardabweichung wird mit der Komplexität des Modells erklärt. Weiter ist aus der Theorie zum Na-Transfer eine vereinfachende Methode zur Messung des Na-Verteilungsvolumens abgeleitet worden. Diese Methode wurde in-vitro gegen ein Behältnis mit einer bekannten Menge an Dialysat geprüft. Es wurde ein mittlerer Fehler von -19.9+/-34% gefunden. Die Korrelation war 0.92 (n.s., p=0.916). Die gleiche Prüfung fand in-vivo gegen das Harnstoff-Verteilungsvolumen statt und ergab einen mittleren Fehler von -7.4+/-23.2% (r=0.71, n.s., p=0.39). Es hat den Anschein, als würden sich gemäß der Theorie der Dilution die Verteilungsvolumina für Natrium und für Harnstoff scheinbar nur wenig unterscheiden, obwohl sie sich absolut natürlich deutlich unterscheiden. In Anbetracht der erheblichen Vereinfachungen, die bei der Ableitung dieses Ansatzes gemacht wurden, scheint es ausgesprochen ermutigend, auf diesem Weg möglicherweise ein Verfahren entwickeln zu können, welches auf rein elektrolytischem Wege nun nicht mehr nur K, sondern auch V und damit alle zur Quantifizierung gesuchten Größen analytisch ermitteln kann. Weiter wurde im Rahmen dieser Arbeit anhand der analytisch ermittelten Volumina verglichen, ob man mit Hilfe anthropometrischer Formeln zur Ermittlung des Harnstoff-Verteilungsvolumens zu einer guten Abschätzung kommen kann. Es wurde gefunden, daß man das Ergebnis der Watson-Formel um ca. 13% vermindern kann und dann zu einem recht guten Wert für das tatsächliche Harnstoff-Verteilungsvolumen gelangt. Dies ist jedoch mit Vorsicht und Erfahrung zu tun, da sich damit Kt/V rechnerisch zum Nachteil des Patienten verändert. Auch ein elektrolytisches Verfahren mit empirischen Komponenten zur Ermittlung des Plasma-Natriums des Patienten wurde erprobt und konnte mit einer Genauigkeit von 4.3+/-1.2% den Laborwert vorhersagen. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich im Rahmen dieser Arbeit die leitfähigkeitsbasierten Methoden zur Messung von einigen wichtigen Dialyseparametern als sehr nützlich für die klinische Praxis erwiesen haben und zudem mit keinem Zusatzaufwand für die Beteiligten verbunden sind. Das Ergebnis dieser Arbeit ist mittlerweile in größeren Stückzahlen in frei erhältliche Dialysegeräte implementiert worden. Die Erfahrung der ersten Zeit zeigt, daß das verwendete Prinzip von den Klinikern gut angenommen wird.
KW  - Hämodialyse
KW  - Erfolgskontrolle
KW  - Natriumchlorid
KW  - Membran
KW  - Diffusion
KW  - Harnstoff
KW  - Messung
KW  - Bolus
KW  - Clearance
KW  - Leitfähigkeit
KW  - Kt/V
KW  - Harnstoffverteilungsvolumen
KW  - Harnstoff-Natrium- Clearance Verhältnis
KW  - Bolus
KW  - Clearance
KW  - Conductivity
KW  - Kt/V
KW  - Urea distribution volume
KW  - urea- sodium- clearance relation
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3125
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kackstaetter, Uwe R.
T1  - Contaminant diffusion and sorption of an artificial leachate in selected geologic barriers of Frankonia, Bavaria, Germany
T1  - Schadstoffdiffusion und Sorption eines künstlichen Sickerwassers in ausgewählten geologischen Barrieren aus dem Raum Franken
N2  - The geologic barrier represents the final contact between a landfill and the environment. Ideally suited are clays and mudstones because of sufficient vertical and lateral extent, low hydraulic conductivities and high sorptive characteristics. Since hydraulic conductivity is no longer the single criteria to determine transport and retardation of contaminants in geologic landfill barrier materials, diffusive and sorptive characteristics of 4 different clay and mudstone lithologies in Northern Bavaria, were investigated. Cored samples from various depths were included in this study and subjected to evaluations of geochemistry, mineralogy, physical parameters, sorption and diffusion. A transient double reservoir with decreasing source concentration was designed and constructed using clear polycarbonate cylinders for undisturbed clay plugs of 2 to 4cm thickness. Samples were also fitted with internal electrical conductivity probes to determine the migration of the diffusive front. A multi chemical species synthetic landfill leachate was contrived to simulate and evaluate natural pollutant conditions. A computational method for determining mineralogy from geochemical data was also developed. It was found that sorptive processes are mostly controlled by the quality and type of fine grained phyllosilicates and the individual chemical species involved exhibited linear, Freundlich, as well as Langmuir sorption properties. Effective diffusion and sorption coefficients were also determined using POLLUTEv6 (GAEA, 1997) software and receptor reservoir concentrations for K, Na, Ca, Cu, NH4, Cl, NO3, SO4, and concentration totals at predetermined time intervals. Anion exclusion proved to be a major factor in the diffusion process and was used to explain many observed anomalies. Furthermore, diffusion coefficients were found not to be static with a multi chemical species leachate, but actually varied during the course of the experiment. Strong indications point toward the major role of pore space quality, shape, and form as control of diffusive properties of a geologic barrier. A correlation of CECNa of the samples with De may point to a possible deduction of diffusive properties for multi species leachates without extensive and time consuming laboratory tests
N2  - Die geologische Barrier stellt die letzte Verbindung zwischen Mülldeponie und Umwelt dar. Ideal geeignet sind Tone und Tonsteine, da diese ausgedehnten horizontalen und vertikalen Mächtigkeiten, niedriger hydraulischen Koeffizienten, und hohen Sorptionskapazitäten aufweisen. Da hydraulische Konduktivitäten nicht länger alleine maßgebend sind, um Transport und Rückhaltevermögen verschiedener Kontaminanten in geologischen Deponiebarrieren zu beurteilen, wurden 4 verschieden Tonsteine des Nordbayerischen Raumes auf ihre Sorptions- und Diffusionseigenschaften hin untersucht. Dazu wurde ein zweikammer, zeitabhängiges Diffusionssystem für abnehmende Anfangskonzentrationen aus durchsichtigem Polykarbonat für 2 bis 4 zentimeter dicke ungestörte Tonproben entwickelt. Jede Probe wurde auch mit internen Sensoren zur elektrischen Leitfähigkeitsmessung bestückt, um das Fortschreiten der Diffusionsfront zu ergründen. Ein synthetisches Deponiesickerwasser wurde entworfen, das sich in Zusammensetzung den natürlichen Inhaltsstoffen und Konzentration authentischer Sickerwässer annähernd. Auch wurde eine Methode zur Berechnung der Mineralogie der Tonsteine anhand geochemischen Analysen entwickelt. Es zeigte sich, dass Sorptionsprozesses hauptsächlich durch die Eigenschaften der vorhandenen, feinkörnigen Phyllosilikate beeinflusst werden. Die gegebenen chemischen Inhaltsstoffe des Sickerwassers zeigen dabei lineare, Freundlich und Langmuir Sorptionseigenschaften. Effektive Diffusions- und Sorptionskoeffizienten wurden auch mit Hilfe des Computerprograms POLLUTEv6 (GAEA, 1997) und der Konzentrationsstärken von K, Na, Ca, Cu, NH4, Cl, NO3, SO4, und Konzentrationssummen zu bestimmten Zeiteinheiten ermittelt. Ausschluss von Anion stellte sich als grundlegender Einfluss während der Diffussions heraus und viele beobachtete Anomalien ließen sich dadurch erklären. Auch liefen die Diffusionsprozesse mit einem Gemisch chemischer Inhaltsstoffe keineswegs statisch ab, sondern variierten während des Versuchsdurchlaufs. Vieles weist auf den starken Einfluss der Porenraumeigenschaften und Charaktere hin, welche die Diffusionseigenschaften der geologischen Barrieren zu beeinflussen scheinen. Eine Verbindung von KAKNa und De könnte sich als mögliche zeitsparende Methode zur Ermittlung von Diffusionskoeffizienten herausstellen, ohne auf langwierige und ausgedehnte Laborversuche angewiesen zu sein.
KW  - Diffusion
KW  - Sorption
KW  - Tonsteine
KW  - Mineralogie
KW  - Schadstoffe
KW  - Diffusion
KW  - Sorption
KW  - Clay
KW  - Mineralogy
KW  - Contaminants
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16151
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bieker, Steffen
T1  - Time and Spatially Resolved Photoluminescence Spectroscopy of Hot Excitons in Gallium Arsenide
T1  - Orts- und Zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie Heißer Exzitonen in Galliumarsenid
N2  - The present thesis investigates the impact of hot exciton effects on the low-temperature time and spatially resolved photoluminescence (PL) response of free excitons in high-purity gallium arsenide (GaAs). The work at hand extends available studies of hot carrier effects, which in bulk GaAs have up to now focused on hot electron populations. In crucial distinction from previous work, we extensively study the free exciton second LO-phonon replica. The benefit of this approach is twofold. First, the two LO phonon-assisted radiative recombination allows to circumvent the inherent interpretation ambiguities of the previously investigated free exciton zero-phonon line. Second, the recombination line shape of the second LO-phonon replica provides direct experimental access to the exciton temperature, thereby enabling the quantitative assessment of hot exciton effects.

In the first part of the thesis, we address the influence of transient cooling on the time evolution of an initially hot photocarrier ensemble. To this end, we investigate time-resolved photoluminescence (TRPL) signals detected on the free exciton second LO-phonon replica. Settling a long-standing question, we show by comparison with TRPL transients of the free exciton zero-phonon line that the slow free exciton photoluminescence rise following pulsed optical excitation is dominated by the slow buildup of a free exciton population and not by the relaxation of large K-vector excitons to the Brillouin zone center. To establish a quantitative picture of the delayed photoluminescence onset, we determine the cooling dynamics of the initially hot photocarrier cloud from a time-resolved line shape analysis of the second LO-phonon replica. We demonstrate that the Saha equation, which fundamentally describes the thermodynamic population balance between free excitons and the uncorrelated electron-hole plasma, directly translates the experimentally derived cooling curves into the time-dependent conversion of unbound electron-hole pairs into free excitons. 

In the second part of the thesis, we establish the impact of hot exciton effects on low-temperature spatially resolved photoluminescence (SRPL) studies. Such experiments are widely used to investigate charge carrier and free exciton diffusion in semiconductors and semiconductor nanostructures. By SRPL spectroscopy of the second LO-phonon replica, we show that above-band gap focused laser excitation inevitably causes local heating in the carrier system, which crucially affects the diffusive expansion of a locally excited exciton packet. Undistorted free exciton diffusion profiles, which are correctly described by the commonly used formulation of the photocarrier diffusion equation, are only observed in the absence of spatial temperature gradients. At low sample temperatures, the reliable determination of free exciton diffusion coefficients from both continuous-wave and time-resolved SRPL spectroscopy requires strictly resonant optical excitation.

Using resonant laser excitation, we observe the dimensional crossover of free exciton diffusion in etched wire structures of a thin, effectively two-dimensional GaAs epilayer. When the lateral wire width falls below the diffusion length, the sample geometry becomes effectively one-dimensional. The exciton diffusion profile along the wire stripe is then consistently reproduced by the steady-state solution to the one-dimensional diffusion equation.

Finally, we demonstrate the formation of macroscopic free and bound exciton photoluminescence rings in bulk GaAs around a focused laser excitation spot. Both ring formation effects are due to pump-induced local heating in the exciton system. For a quantitative assessment of the mechanism underlying the free exciton ring formation, we directly determine the exciton temperature gradient from a spatially resolved line shape analysis of the free exciton second LO-phonon replica. We demonstrate that a pump-induced hot spot locally modifies the thermodynamic population balance between free excitons and unbound electron-hole pairs described by the Saha equation, which naturally explains the emergence of macroscopic free exciton ring structures. 

In summary, we demonstrate that quantitative consideration of hot exciton effects provides a coherent picture both of the time-domain free exciton luminescence kinetics and of the distinct spatially resolved photoluminescence patterns developing under the influence of spatial photocarrier diffusion.
N2  - Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Überheizungseffekten aufgrund nichtresonanter optischer Anregung auf die orts- und zeitaufgelöste Photolumineszenz-Dynamik freier Exzitonen in hochreinem Galliumarsenid (GaAs). Die Arbeit baut damit vorhandene Studien von Überheizungseffekten aus, welche sich in Volumen-GaAs vornehmlich auf die Untersuchung heißer Elektronenpopulationen konzentriert haben. In Abgrenzung zu vorherigen Studien erfolgt eine umfängliche Untersuchung der zweiten LO-Phonon Replik des freien Exzitons. Dieser Ansatz bietet zweifachen Nutzen. Zum einen können durch die Betrachtung des strahlenden Zerfalls freier Exzitonen unter gleichzeitiger Emission zweier LO Phononen die inhärenten Mehrdeutigkeiten bei der Interpretation der direkten Lumineszenz freier Exzitonen umgangen werden. Des Weiteren gestattet eine Linienformanayse der zweiten LO-Phonon Replik die direkte experimentelle Bestimmung der Exzitonentemperatur und schafft damit die Voraussetzung zur quantitativen Untersuchung von Überheizungseffekten im Exzitonensystem.

Im ersten Teil der Arbeit wird der Einfluss des transienten Kühlens auf die Zeitentwicklung eines anfänglich heißen Ladungsträgerensembles untersucht. Durch einen Vergleich des Signalverlaufs der direkten Exzitonenlumineszenz mit der zweiten LO-Phonon Replik kann zweifelsfrei gezeigt werden, dass der verzögerte Anstieg der Exzitonenlumineszenz durch den relativ langsamen Aufbau einer Exzitonenpopulation dominiert wird und nicht lediglich die Relaxation von Exzitonen mit großen K-Vektoren zum Zentrum der Brillouinzone widerspiegelt. Zum quantitativen Verständnis des verzögerten Lumineszenzanstiegs wird das Abkühlverhalten des anfänglich heißen Ladungsträgerensembles durch eine zeitaufgelöste Linienformanalyse der zweiten LO-Phonon Replik bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Saha-Gleichung, welche das thermodynamische Populations-Gleichgewicht zwischen freien Exzitonen und dem unkorrelierten Elektron-Loch-Plasma beschreibt, die experimentell bestimmten Kühlkurven direkt in die zeitabhängige Umwandlung von ungebundenen Elektron-Loch-Paaren in freie Exzitonen übersetzt.

Im zweiten Teil der Arbeit werden die Auswirkungen von Überheizungseffekten im Exzitonensystem auf ortsaufgelöste Photolumineszenzmessungen bei tiefen Gittertemperaturen untersucht. Experimente dieser Art werden häufig zur Bestimmung von Ladungsträger- und Exzitonen-Diffusionskoeffizienten in Halbleitern und Halbleiter-Nanostrukturen genutzt. Durch die ortsaufgelöste Auswertung der zweiten LO-Phonon Replik kann gezeigt werden, dass fokussierte nichtresonante Laseranregung unweigerlich zu einer lokalen Überheizung des Ladungsträgersystems führt. Solche optisch induzierten Temperaturgradienten beeinflussen entscheidend die diffusive Ausbreitung eines lokal erzeugten Exzitonen-Pakets. Unverfälschte Diffusionsprofile, die korrekt durch die üblicherweise herangezogene Formulierung der Diffusionsgleichung beschrieben werden, sind ausschließlich bei Nichtanwesenheit von räumlichen Temperaturgradienten beobachtbar. Die verlässliche Bestimmung von Exzitonen-Diffusionskoeffizienten sowohl mittels zeitaufgelöster als auch stationärer ortsaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie erfordert daher scharf resonante optische Anregung.

Unter resonanter  Laseranregung kann der Übergang von einem effektiv zweidimensionalen zu einem effektiv eindimensionalen Diffusionsverhalten freier Exzitonen in geätzten GaAs-Strukturen beobachtet werden. Die untersuchten Streifenstrukturen werden in eine dünne, effektiv zweidimensionale GaAs-Epischicht geätzt. Der dimensionale Übergang vollzieht sich, wenn die laterale Abmessung der geätzten Struktur die Diffusionslänge unterschreitet. Das stationäre Exzitonen-Diffusionsprofil wird dann korrekt durch die Lösung der eindimensionalen Diffusionsgleichung beschrieben.

Abschließend wird die Bildung makroskopischer Ringstrukturen freier und gebundener Exzitonen in Volumen-GaAs um einen fokussierten Laserspot demonstriert. Beide Ringstrukturen resultieren aus lokalen Überheizungen des Exzitonensystems, die durch nichtresonante optische Anregung hervorgerufen werden. Zum quantitativen Verständnis des zugrunde liegenden Mechanismus für die Entstehung der beobachteten Ringstrukturen wird der Temperaturgradient im Exzitonensystem durch eine ortsaufgelöste Linienformanalyse der zweiten LO-Phonon Replik bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Ringstrukturen freier Exzitonen auf natürliche Weise durch das lokale thermodynamische Saha-Gleichgewicht zwischen Exzitonen und ungebundenen Elektron-Loch-Paaren entstehen.

Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass die quantitative Berücksichtigung von Überheizungseffekten im Exzitonensystem zu einem kohärenten Gesamtbild des Lumineszenzprozesses führt, welches sowohl die zeitaufgelöste Lumineszenzkinetik freier Exzitonen als auch das Auftreten exzitonischer Ringstrukturen unter dem Einfluss räumlicher Ladungsträgerdiffusion erklärt.
KW  - Exziton
KW  - Galliumarsenid
KW  - Photoanregung
KW  - Dimensional Crossover
KW  - Photolumineszenzspektroskopie
KW  - Exciton
KW  - Diffusion
KW  - Photoluminescence
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-134419
ER  - 
TY  - THES
A1  - Quast, Jan-Henrik
T1  - Influence of Hot Carriers on Spin Diffusion in Gallium Arsenide
T1  - Über den Einfluss heißer Ladungsträger auf Spindiffusion in Galliumarsenid
N2  - Since the late 20th century, spintroncis has become a very active field of research [ŽFS04]. The prospect of spin based information technology, featuring strongly decreased energy consumption and possibly quantum-computation capabilities, has fueled this interest. Standard materials, like bulk gallium arsenide (GaAs), have experienced new attention in this context by exhibiting extraordinarily long lifetimes for nonequilibrium spin information, which is an important requirement for efficient spin based information storage and transfer. Another important factor is the lengthscale over which spin information can be transported in a given material and the role of external influences. Both aspects have been studied experimentally with innovative optical methods since the late 1990s by the groups of D. D. AWSHALOM and S. A. CROOKER et al. [KA99, CS05, CFL+05]. Although the pioneering experimental approaches presented by these authors led to a variety of insights into spin propagation, some questions were raised as well. Most prominently, the classical Einstein relation, which connects the mobility and diffusivity of a given particle species, seemed to be violated for electron spins in a bulk semiconductor. In essence, nonequilibrium spins appeared to move (diffuse) faster than the electrons that actually carry the spin. However, this contradiction was masked by the fact, that the material of interest was n-type GaAs with a doping concentration directly at the transition between metallic and insulating behavior (MIT). In this regime, the electron mobility is difficult to determine experimentally. Consequently, it was not a priori obvious that the spin diffusion rates determined by the newly introduced optical methods were in contradiction with established electrical transport data.

However, in an attempt to extend the available data of optical spin microscopy, another issue surfaced, concerning the mathematical drift-diffusion model that has been commonly used to evaluate lateral spin density measurements. Upon close investigation, this model appears to have a limited range of applicability, due to systematic discrepancies with the experimental data (chapter 4). These deviations are noticeable in original publications as well, and it is shown in the present work that they originate from the local heating of electrons in the process of optical spin pumping. Based on insights gained during the second half of the 20th century, it is recapitulated why conduction electrons are easily overheated at cryogenic temperatures. The main reason is the poor thermal coupling between electrons and the crystal lattice (chapter 3). Experiments in the present work showed that a significant thermal gradient exists in the conduction band under local optical excitation of electron–hole pairs. This information was used to develop a better mathematical model of spin diffusion, which allowed to derive the diffusivity of the undisturbed system, due to an effective consideration of electron overheating. In this way, spin diffusivities of n-GaAs were obtained as a function of temperature and doping density in the most interesting regime of the metal–insulator-transition.

The experiments presented in this work were performed on a series of n-type bulk GaAs samples, which comprised the transition between metallic conductivity and electrical insulation at low temperatures. Local electron temperature gradients were measured by a hyperspectral photoluminescence imaging technique with subsequent evaluation of the electron–acceptor (e,A$^0$) line shape. The local density of nonequilibrium conduction electron spins was deduced from scanning magneto-optic Kerr effect microscopy. Numerical evaluations were performed using the finite elements method in combination with a least-squares fitting procedure.

Chapter 1 provides an introduction to historical and recent research in the field of spintronics, as far as it is relevant for the understanding of the present work. Chapter 2 summarizes related physical concepts and experimental methods. Here, the main topics are semiconductor optics, relaxation of hot conduction electrons, and the dynamics of nonequilibrium electron spins in semiconductors.

Chapter 3 discusses optical heating effects due to local laser excitation of electron–hole pairs. Experimental evaluations of the acceptor-bound-exciton triplet lines led to the conclusion that the crystal lattice is usually not overheated even at high excitation densities. Here, the heat is efficiently dissipated to the bath, due to the good thermal conductivity of the lattice. Furthermore, the heating of the lattice is inherently limited by the weak heat transfer from the electron system, which on the other hand is also the reason why conduction electrons are easily overheated at temperatures below ≈ 30 K. Spatio-spectral imaging of the electron–acceptor-luminescence line shape allowed to trace the thermal gradient within the conduction band under focused laser excitation. A heat-diffusion model was formulated, which reproduces the experimental electron-temperature trend nicely for low-doped GaAs samples of n- and p-type. For high-doped n-type GaAs samples, it could be shown that the lateral electron-temperature profile is well approximated by a Gaussian. This facilitated easy integration of hot electron influence into the mathematical model of spin diffusion.

Chapter 4 deals with magneto-optical imaging of optically induced nonequilibrium conduction-electron spins in n-GaAs close to the MIT. First, the spectral dependence of the magneto-optic Kerr effect was examined in the vicinity of the fundamental band gap. Despite the marked differences among the investigated samples, the spectral shape of the Kerr rotation could be described in terms of a simple Lorentz-oscillator model in all cases. Based on this model, the linearity of the Kerr effect with respect to a nonequilibrium spin polarization is demonstrated, which is decisively important for further quantitative evaluations.

Furthermore, chapter 4 presents an experimental survey of spin relaxation in n-GaAs at the MIT. Here, the dependence of the spin relaxation time on bath temperature and doping density was deduced from Hanle-MOKE measurements. While all observed trends agree with established literature, the presented results extend the current portfolio by adding a coherent set of data.

Finally, diffusion of optically generated nonequilibrium conduction-electron spins was investigated by scanning MOKE microscopy. First, it is demonstrated that the standard diffusion model is inapplicable for data evaluation in certain situations. A systematic survey of the residual deviations between this model and the experimental data revealed that this situation unfortunately persisted in published works. Moreover, the temperature trend of the residual deviations suggests a close connection to the local overheating of conduction electrons. Consequently, a modified diffusion model was developed and evaluated, in order to compensate for the optical heating effect. From this model, much more reliable results were obtained, as compared to the standard diffusion model. Therefore, it was shown conclusively that the commonly reported anomalously large spin diffusivities were at least in parts caused by overheated conduction electrons.

In addition to these new insights some experimental and technological enhancements were realized in the course of this work. First, the optical resolution of scanning MOKE microscopy was improved by implementing a novel scanning mechanism, which allows the application of a larger aperture objective than in the usual scheme. Secondly, imaging photoluminescence spectroscopy was employed for spatially resolved electron-temperature measurements. Here, two different implementations were developed: One for lattice-temperature measurements by acceptor–bound exciton luminescence and a second for conduction-electron temperature measurements via the analysis of the electron–acceptor luminescence line shape.

It is shown in the present work that the originally stated anomalously high spin diffusivities were caused to a large extent by unwanted optical heating of the electron system. Although an efficient method was found to compensate for the influence of electron heating, it became also evident that the classical Einstein relation was nonetheless violated under the given experimental conditions. In this case however, it could be shown that this discrepancy did not originate from an experimental artifact, but was instead a manifestation of the fermionic nature of conduction electrons.
N2  - Seit dem späten 20. Jahrhundert hat sich die sogenannte Spintronik zu einem sehr aktiven Forschungsgebiet entwickelt [ŽFS04]. Die Aussichten auf eine Spin-basierte Informationsverarbeitung mit stark reduziertem Energieverbrauch und eventuell möglichen Quantenrechenfähigkeiten hat das Forschungsinteresse erheblich angeheizt. Standard-Halbleiter-Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) erfuhren in diesem Zusammenhang neue Aufmerksamkeit auf Grund von außergewöhnlich langen Lebensdauern für Nichtgleichgewichts-Spins, welche eine wichtige Voraussetzung für eine effiziente Spin-basierte Speicherung und Übertragung von Informationen darstellt. Weitere wichtige Faktoren sind die Distanz über die Spin-Information in einem gegebenen Material transportiert werden kann sowie die Rolle von äußeren Einflüssen. Beide Aspekte wurden experimentell mit innovativen optischen Methoden seit den späten 1990er Jahren durch die Gruppen von D. D. AWSHALOM und S. A. CROOKER untersucht [KA99, CS05, CFL+05]. Obwohl diese zukunftsweisenden experimentellen Ansätze zu einer Vielzahl von Einsichten in die Ausbreitung und Dynamik von Nichtgleichgewichts-Spins führten, wurden auch einige Fragen aufgeworfen. Am deutlichsten fiel auf, dass die Einsteinsche Beziehung zwischen Mobilität und Diffusivität für Elektronenspins in einem Volumenhalbleiter verletzt zu sein scheint. Stark vereinfacht gesagt, scheinen Nichtgleichgewichts-Spins schneller zu diffundieren als sich die dazugehörigen Elektronen bewegen können. Dieser Widerspruch könnte allerdings auch daher stammen, dass das hier untersuchte Material n-Typ GaAs mit Dotier-Konzentrationen direkt am Metall-Isolator-Übergang war. In diesem Bereich ist die korrekte experimentelle Bestimmung der Elektronenbeweglichkeit aus praktischen Gründen schwierig. Folglich konnte nicht von vornherein der Schluss gezogen werden, dass die mit den neuen optischen Methoden bestimmten Spindiffusionsraten tatsächlich im Widerspruch zu etablierten elektrischen Transportdaten standen. Es gab somit keinen unmittelbaren Grund, die quantitativen Ergebnisse in Frage zu stellen.

Bei dem Versuch, die Datenlage zur optischen Spin-Mikroskopie an GaAs systematisch zu erweitern, hat sich allerdings gezeigt, dass die mathematisch-numerische Drift-Diffusions-Analyse, die gemeinhin verwendet wurde um laterale Spindichte-Messungen auszuwerten, grundlegende Probleme aufweist. Eine genaue Analyse der Thematik hat ergeben, dass das verwendete Modell bei sehr tiefen Temperaturen nur bedingt anwendbar ist (Kapitel 4). Dies äußert sich zum Beispiel in den oben erwähnten Publikationen bereits durch deutlich sichtbare Abweichungen zwischen dem Modell und den experimentellen Daten. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass diese Diskrepanzen durch eine lokale Überhitzung der Leitungsband-Elektronen hervorgerufen wird, wie sie bei optischen Band-Band-Anregungen kaum zu vermeiden ist. Mit Hilfe von Erkenntnissen aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird rekapituliert, warum Leitungselektronen bei kryogenen Temperaturen durch optische Anregung extrem leicht überhitzt werden. Der Grund dafür ist die schlechte thermische Kopplung zwischen den Elektronen und dem Kristallgitter (Kapitel 3). Außerdem wird experimentell direkt gezeigt, dass unter lokaler optischer Anregung von Elektron–Loch-Paaren deutliche thermische Gradienten im Leitungsband entstehen. Die daraus gewonnenen Informationen werden anschließend verwendet, um das mathematische Diffusionsmodell für die Auswertung optischer Spin-Mikroskopie-Daten zu verbessern. Dies ermöglichte schließlich, die Diffusion von Nichtgleichgewichts-Spins im Leitungsband über einen weiten Temperatur- und Dotierdichtebereich am Metall-Isolator-Übergang zu untersuchen (Kapitel 4.4). Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente wurden an einer Reihe von n-Typ Volumen-GaAs Proben mit Dotierdichten zwischen 7 × 10$^15$cm$^−3$ und 7 × 10$^16$cm$^−3$ bei Badtemperaturen zwischen 5K und 40K durchgeführt. Die lokale Elektronentemperatur wurde mit Hilfe verschiedener bildgebender Methoden vermessen, die auf der Photolumineszenz-Messung des Elektron–Akzeptor-Übergangs (e, A$^0$) basieren. Ortsaufgelöste Spindichte-Messungen wurden mit Hilfe der abrasternden magneto-optischen Kerr-Mikroskopie vorgenommen. Die numerische Auswertung basiert größtenteils auf der Finite-Elemente-Methode in Kombination mit der iterativen Anpassung der Modelle durch die Minimierung der quadratischen Abweichung. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert.

Die Einleitung in Kapitel 1 fasst einige zurückliegende Forschungsergebnisse und Erkenntnisse zusammen, die für das Verständnis der vorliegenden Arbeit relevant sind. In Kapitel 2 werden anschließend grundlegende physikalische Konzepte erläutert, die für die nachfolgenden Erörterungen von Bedeutung sind. Insbesondere werden hier die Themen Halbleiter-Optik, Relaxation heißer Leitungselektronen und die dynamischen Eigenschaften von Nichtgleichgewichts-Elektronenspins in Halbleitern sowie die dazugehörigen experimentellen Methoden und Techniken diskutiert.

Kapitel 3 thematisiert die Heizwirkung, die sich bei lokaler optischer Anregung von Elektron–Loch-Paaren ergibt. Experimentelle Untersuchungen der Photolumineszenz von Akzeptor-gebundenen Exzitonen führen zu dem Schluss, dass das Kristallgitter in der Regel nicht signifikant überhitzt wird. Dies gilt auch bei relativ hohen Anregungsdichten, da die eingetragene Wärme auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit des Gitters effizient im Kristall verteilt und zum Wärmebad abgeführt wird. Des Weiteren wird der Wärmeeintrag ins Gitter durch die schlechte thermische Kopplung der Elektronen zum Gitter beschränkt. Dies ist zugleich auch der Grund, warum die Leitungsband-Elektronen bei Temperaturen unterhalb von ca. 30K sehr leicht überhitzen können. Die räumlich-spektrale Abbildung der Photolumineszenz des Elektron–Akzeptor-Übergangs erlaubt es hier, den räumlichen Temperaturverlauf innerhalb des Leitungsbandes unter fokussierter Laseranregung sichtbar zu machen. Ein Wärmetransport-Modell wird formuliert, das bei niedrig dotierten GaAs Proben den experimentellen Verlauf der Elektronentemperatur gut wiedergibt. Bei hochdotierten Proben kann der räumliche Temperaturverlauf allerdings auch sehr gut durch eine Gauß-Kurve beschrieben werden. Diese Näherung hat den praktischen Vorteil, dass sie sich auf handhabbare Weise mit dem mathematisch Modell zur Beschreibung der Spindiffusion verbinden lässt.

Kapitel 4 befasst sich mit magneto-optischer Bildgebung von optisch induzierten Nichtgleichgewichts-Leitungselektronen-Spins in n-Typ GaAs am Metall-Isolator-Übergang. Zuerst wird die spektrale Abhängigkeit des magneto-optischen Kerr-Effekts in der spektralen Umgebung der Fundamentalbandlücke untersucht. Es wird gezeigt, dass trotz der deutlichen Unterschiede zwischen den untersuchten Proben die spektrale Form in allen Fällen sehr gut mit einem einfachen Lorentz-Oszillator-Modell angenähert werden kann. Basierend auf diesem Modell wird die Linearität des Kerr-Effekts in Bezug auf den Grad der Spinpolarisation untersucht, was für eine quantitative Auswertungen von entscheidender Bedeutung ist.

Des Weiteren wird in Kapitel 4 eine umfangreiche experimentelle Untersuchung von Spin-Relaxationszeiten in n-Typ GaAs am Metall-Isolator-Übergang vorgestellt. Dabei wurde die Abhängigkeit der Spinrelaxationszeit von der Badtemperatur und der Dotierungsdichte mit Hilfe von Hanle-MOKE Messungen ermittelt. Alle beobachteten Trends stimmen gut mit publizierten Daten überein, erweitern jedoch die vorhandene Datenlage erstmals um einen zusammenhängenden Datensatz, der einen großen Temperatur- und Dotierdichtebereich abdeckt.

Zu guter Letzt wird die Diffusion von optisch erzeugten Nichtgleichgewichts-Leitungselektronen-Spins durch abrasternde MOKE-Mikroskopie untersucht. Hier wird erstmals gezeigt, dass das Standard-Diffusions-Modell in bestimmten Situationen nicht zur Auswertung verwendet werden kann. Eine systematische Übersicht über die Abweichungen zwischen diesem Modell und den experimentellen Daten zeigt, dass dies leider in einigen der oben erwähnten Veröffentlichungen der Fall ist. Des Weiteren deutet die Temperaturabhängigkeit der Abweichungen auf einen engen Zusammenhang zur lokalen Überhitzung der Leitungselektronen hin. Basierend darauf wird ein modifiziertes Diffusionsmodell vorgestellt, bei dem die Auswirkung der Elektronenüberhitzung berücksichtigt wird. Dieses Modell erweist sich als sehr viel zuverlässiger für die Ermittlung von Spindiffusionsraten, welche dadurch erstmals systematisch für einen großen Temperatur- und Dotierbereich erfasst werden konnten. Dies ist ein starkes Indiz dafür, dass die häufig beobachteten ungewöhnlich hohen Spindiffusionsraten zumindest teilweise auf die Überhitzung der Leitungselektronen zurückzuführen sind.

Zusätzlich zu diesen neuen Erkenntnissen wurden im Zuge dieser Arbeit einige experimentelle und technologische Optimierungen entwickelt und realisiert. Zunächst wurde die optische Auflösung der Raster-MOKE-Mikroskopie durch die Implementierung einer neuen Raster-Methode verbessert. Des Weiteren wurden zwei verschiedene Arten der bildgebenden Photolumineszenz-Spektroskopie implementiert und optimiert, um ortsaufgelöste Messungen der Elektronen- und Gittertemperatur durchzuführen.

In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die oftmals angegeben sehr hohen Spindiffusionsraten zu einem großen Teil durch die Überhitzung des Elektronensystems verursacht werden. Obwohl eine effiziente Methode gefunden wurde, den Einfluss dieser Überhitzung mathematisch zu berücksichtigen, ist es dennoch offensichtlich, dass die klassische Einstein-Beziehung unter den gegebenen Versuchsbedingungen nicht immer erfüllt war. In diesem Fall kann jedoch argumentiert werden, dass die Ursache hierfür kein experimentelles Artefakt war, sondern eine Manifestation der fermionischen Natur der Leitungsbandelektronen.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Heißes Elektron
KW  - Spindiffusion
KW  - Spintronik
KW  - spindiffusion
KW  - Semiconductor
KW  - Hot electron
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - Spintronics
KW  - Diffusion
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147611
ER  - 
TY  - THES
A1  - Staiger, Simona
T1  - Chemical and physical nature of the barrier against active ingredient penetration into leaves: effects of adjuvants on the cuticular diffusion barrier
T1  - Chemische und physikalische Beschaffenheit der Barriere gegenüber Wirkstoffen: Adjuvantieneffekte auf die kutikuläre Diffusionsbarriere
N2  - Agrochemicals like systemic active ingredients (AI) need to penetrate the outermost barrier of the plant, known as the plant cuticle, to reach its right target site. Therefore, adjuvants are added to provide precise and efficient biodelivery by i.a. modifying the cuticular barrier and increasing the AI diffusion. This modification process is depicted as plasticization of the cuticular wax which mainly consists of very long-chain aliphatic (VLCA) and cyclic compounds. Plasticization of cuticular waxes is pictured as an increase of amorphous domains and/or a decrease of crystalline fractions, but comprehensive, experimental proof is lacking to date. Hence, the objective of this thesis was to i) elucidate the permeation barrier of the plant cuticle to AIs in terms of the different wax fractions and ii) holistically investigate the modification of this barrier using selected oil and surface active adjuvants, an aliphatic leaf wax and an artificial model wax. Therefore, the oil adjuvant methyl oleate (MeO) and other oil derivatives like methyl linolenate (MeLin), methyl stearate (MeSt) and oleic acid (OA) were selected. Three monodisperse, non-ionic alcohol ethoxylates with increasing ethylene oxide monomer (EO) number (C10E2, C10E5, C10E8) were chosen as representatives of the group of surface active agents (surfactants). Both adjuvant classes are commonly used as formulation aids for agrochemicals which are known for its penetration enhancing effect. The aliphatic leaf wax of Schefflera elegantissima was selected, as well as a model wax comprising the four most abundant cuticular wax compounds of this species. Permeation, transpiration and penetration studies were conducted using enzymatically isolated cuticles of Prunus laurocerasus and Garcinia xanthochymus.

Cuticular permeability to the three organic solutes theobromine, caffeine and azoxystrobin differing in lipophilicity was measured using a steady-state two-chamber system separated by the isolated leaf cuticles of the evergreen species P. laurocerasus and G. xanthochymus. Treating the isolated cuticles with methanol selectively removed the cyclic fraction, and membrane permeability to the organic compounds was not altered. In contrast, fully dewaxing the membranes using chloroform resulted in a statistically significant increase in permeance for all compounds and species, except caffeine with cuticles of G. xanthochymus due to a matrix-specific influence on the semi-hydrophilic compound. Crystalline regions may reduce the accessibility to the lipophilic pathway across the waxes and also block hydrophilic domains in the cuticle.
Knowing that the aliphatic wax fraction builds the cuticular diffusion barrier, the influence of the adjuvants on the phase behaviour of an aliphatic cuticular wax as well as the influence on the cuticular penetration of AIs were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were selected to investigate the phase behaviour and thus possible plasticization of pure Schefflera elegantissima leaf wax, its artificial model wax comprising the four most abundant compounds (n-nonacosane, n-hentriacontane, 1-triacontanol and 1-dotriacontanol) and wax adjuvant mixtures. DSC thermograms showed a shift of the melting ranges to lower temperatures and decreased absolute values of the total enthalpy of transition (EOT) for all adjuvant leaf wax blends at 50 % (w/w) adjuvant proportion. The highest decrease was found for C10E2 followed by MeO > OA and C10E8 > MeLin > MeSt. The aliphatic crystallinity determined by FTIR yielded declined values for the leaf and the artificial wax with 50 % MeO. All other adjuvant leaf wax blends did not show a significant decrease of crystallinity. As it is assumed that the cuticular wax is formed by crystalline domains which consist of aliphatic hydrocarbon chains and an amorphous fraction comprising aliphatic chain ends and functional groups, the plasticizers are depicted as wax disruptors influencing amorphization and/or crystallization. The adjuvants can increase crystalline domains using the aliphatic tail whereas their more hydrophilic head is embedded in the amorphous wax fraction. DSC and FTIR showed similar trends using the leaf wax and the model wax in combination with the adjuvants.
In general, cuticular transpiration increased after adding the pure adjuvants to the surface of isolated cuticles or leaf envelopes. As waxes build the cuticular permeation barrier not only to AIs but also to water, the adjuvant wax interaction might affect the cuticular barrier properties leading to increased transpiration. Direct evidence for increased AI penetration with the adjuvants was given using isolated cuticles of P. laurocerasus in combination with the non-steady-state setup simulation of foliar penetration (SOFP) and caffeine at relative humidity levels (RH) of 30, 50 and 80 %. The increase in caffeine penetration was much more pronounced using C10E5 and C10E8 than MeO but always independent of RH. Only C10E2 exhibited an increased penetration enhancing effect positively related to RH. The role of the molecular structure of adjuvants in terms of humectant and plasticizer properties are discussed. 
Hence, the current work shows for the first time that the cuticular permeation barrier is associated with the VLCAs rather than the cyclic fraction and that adjuvants structurally influence this barrier resulting in penetration enhancing effects. Additionally, this work demonstrates that an artificial model wax is feasible to mimic the wax adjuvant interaction in conformity with a leaf wax, making it feasible for in-vitro experiments on a larger scale (e.g. screenings). This provides valuable knowledge about the cuticular barrier modification to enhance AI penetration which is a crucial factor concerning the optimization of AI formulations in agrochemistry.
N2  - Um ihren optimalen Wirkort in der Pflanze zu erreichen, müssen Agrochemikalien wie systemische Wirkstoffe zunächst die Kutikula überwinden, die die äußerste Barriere der Pflanze darstellt. Es werden sogenannte Adjuvantien verwendet, die unter anderem die kutikuläre Barriere modifizieren, um eine präzise und effiziente Bereitstellung des Wirkstoffs wie auch eine erhöhte Wirkstoffdiffusion zu ermöglichen. Diese Modifikation wird als Weichmachereffekt der Adjuvantien im kutikulären Wachs verstanden. Die Wachse umfassen hauptsächlich langkettige Aliphaten (VLCA) und zyklische, organische Komponenten. Da die Wachse aus kristallinen, für Wirkstoffe unzugänglichen und amorphen, zugänglichen Bereichen bestehen, wird angenommen, dass der Weichmacherprozess eine Zunahme der amorphen Phase und/oder eine Abnahme der kristallinen Phase hervorruft. Allerdings sind umfassende, experimentelle Beweise bisher nicht verfügbar. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf i) der Aufklärung, wie die verschiedenen Wachsfraktionen zur kutikulären Permeationsbarriere gegenüber Wirkstoffen beitragen und ii) der ganzheitlichen Untersuchung der kutikulären Penetrationsbarriere hinsichtlich eines aliphatischen Pflanzen- und Modelwachses und des Einflusses ausgewählter Öl- und Tensid-Adjuvantien. Hierfür wurden die Öle Methyloleat (MeO), Methyllinolenat (MeLin), Methylstearat (MeSt) und Ölsäure (OA) und drei monodisperse, nicht-ionische Alkoholethoxylate (C10E2, C10E5, C10E8) mit zunehmender Ethylenoxidmonomerzahl (EO) verwendet. Beide Gruppen sind gängige Hilfsstoffe der Formulierung von Agrochemikalien, die für die Aufnahmebeschleunigung des Wirkstoffs bekannt sind. Das aliphatische Blattwachs von Schefflera elegantissima wurde verwendet wie auch ein Modelwachs, dass die vier Hauptkomponenten dieses kutikulären Blattwachses enthielt. Permeabilitäts-, Transpirations- und Penetrationsstudien wurden unter Verwendung enzymatisch isolierter Kutikeln von Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus durchgeführt. 

Die kutikuläre Permeabilität gegenüber drei organischen Stoffen unterschiedlicher Lipophilie (Theobromin, Coffein und Azoxystrobin) wurde an isolierten Blattkutikeln der immergrünen Spezies Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus mittels des Zweikammersystems im steady-state Zustand gemessen. Die zyklische Wachsfraktion konnte mit Hilfe von Methanol aus den isolierten Membranen extrahiert werden und die Membranen wiesen keine Veränderung in der Permeabilität gegenüber den drei Wirkstoffen auf. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Anstieg der Permeabilität für alle Substanzen und Spezies beobachtet werden, nachdem die Membranen vollkommen mittels Chloroform entwachst wurden. Einzig und allein für Coffein und Membranen von G. xanthochymus konnte keine Veränderung des Leitwerts festgestellt werden, was auf einen Matrix-spezifischen Einfluss auf semi-hydrophile Substanzen zurückzuführen ist. Hydrophile Bereiche in der Kutikula können durch kristalline, aliphatische Wachse blockiert werden und sind somit unzugänglich für hydrophile Substanzen. 
Auf Basis dieses neu gewonnenen Wissens der kutikulären Diffusionsbarriere wurde der Einfluss der Adjuvantien auf das Phasenverhalten eines aliphatischen Wachses wie auch ihr Einfluss auf die kutikuläre Wirkstoffpenetration untersucht. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden verwendet, um das Phasenverhalten des Blattwachses von Schefflera elegantissima, ihres artifiziellen Modelwachses, das die vier Hauptkomponenten n-Nonacosan, n-Hentriacontan, 1-Triacontanol und 1-Dotriacontanol enthielt, und mögliche Weichmachereffekte durch Adjuvantien zu untersuchen. Mittels DSC konnten Schmelzbereiche, die zu niedrigeren Temperaturen verschobenen waren, und verringerte Beträge der Übergangsenthalpien (EOT) für alle Blattwachs-Adjuvantien-Mischungen bei 50 % Adjuvans-Zugabe (w/w) festgestellt werden. Die stärkste Abnahme wurde für C10E2 gefunden, gefolgt von MeO > OA und C10E8 > MeLin > MeSt. Die mittels FTIR bestimmte aliphatische Kristallinität war bei einem MeO-Anteil von 50 % signifikant gegenüber dem puren Blattwachs vermindert. Alle anderen Adjuvantien zeigten keine signifikanten Veränderungen der Kristallinität im Vergleich zum nativen Blattwachs. Es wird angenommen, dass das kutikuläre Wachs aus kristallinen und amorphen Bereichen aufgebaut ist: erstere umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffketten, letztere ihre Kettenenden und funktionellen Gruppen. Die Weichmacheradjuvantien können auf diese Bereiche mit einer Erhöhung der amorphen und/oder Erniedrigung der kristallinen Fraktion einwirken. Sie können mit ihrer aliphatischen Kette in die kristallinen Bereiche eindringen und diese erhöhen, wohingegen sich ihr hydrophilerer Kopf in der amorphen Phase verteilen kann. DSC und FTIR zeigten ähnliche Trends für das Pflanzen- und das Modelwachs in Kombination mit den Adjuvantien.
Im Allgemeinen wiesen die isolierten Kutikeln und Blattumschläge von P. laurocerasus und G. xanthochymus erhöhte Leitwerte in Verbindung mit den Adjuvantien auf. Da die Wachse nicht nur die Permeationsbarriere für Wirkstoffe, sondern auch für Wasser darstellen, wird angenommen, dass die Wachs-Adjuvans-Interaktion verantwortlich für die erhöhte Transpiration ist. Erhöhte Wirkstoffpenetration durch Adjuvantien wurde mittels des non-steady-state Versuchs der Simulation der Blattpenetration (SOFP) an isolierten, kutikulären Membranen von P. laurocerasus unter Verwendung von Koffein bei relativen Luftfeuchten (RH) von 30, 50 und 80 % nachgewiesen. Die Zunahme der Flussrate unter Verwendung von C10E5 und C10E8 war deutlich höher als für C10E2, jedoch unabhängig von der RH. Nur für C10E2 konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Luftfeuchte festgestellt werden. Die Rolle der molekularen Struktur der Adjuvantien in Bezug auf „Humectant“- und Weichmachereigenschaften wird diskutiert.
Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass die kutikuläre Permeationsbarriere mit den VLCAs und nicht mit der zyklischen Fraktion assoziiert ist und dass Adjuvantien wie Öle und Tenside diese Barriere strukturell beeinflussen können, was zu einer erhöhten Penetration führt. Außerdem veranschaulicht diese Arbeit, dass ein artifizielles Modelwachs die Wachs-Adjuvans-Interaktion eines Blattwachses imitieren kann und es gut geeignet für in-vitro Experimente ist, die in größerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. Screenings). Das liefert bedeutsames Wissen über die kutikuläre Barriere und ihre Modifikation zur Erhöhung der Wirkstoffpenetration, die wichtige Faktoren in Bezug auf die optimierte Wirkstoffformulierung in der Agrarchemie darstellen.
KW  - Adjuvans
KW  - Pflanzenschutzmittel
KW  - Kutikula
KW  - Adjuvant
KW  - Plant Protection
KW  - Plant cuticle
KW  - Diffusion
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-199375
ER  -