@phdthesis{Grebner2012,
  author    = {Grebner, Christoph},
  title     = {New Tabu-Search Algorithms for the Exploration of Energy Landscapes of Molecular Systems},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-75591},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {The visualization of energy functions is based on the possibility of separating different degrees of freedom. The most important one is the Born-Oppenheimer-approximation, which separates nucleus and electron movements. This allows the illustration of the potential energy as a function of the nuclei coordinates. Minima of the surface correspond to stable points like isomers or conformers. They are important for predicting the stability or thermodynamical of a system. Stationary points of first order correspond to transition points. They describe phase transitions, chemical reaction, or conformational changes. Furthermore, the partition function connects the potential hypersurface to the free energy of the system. The aim of the present work is the development and application of new approaches for the efficient exploration of multidimensional hypersurfaces. Initially, the Conformational Analysis and Search Tool (CAST) program was developed to create a basis for the new methods and algorithms. The development of CAST in object oriented C++ included, among other things, the implementation of a force field, different interfaces to external programs, analysis tools, and optimization libraries. Descriptions of an energy landscape require knowledge about the most stable minima. The Gradient Only Tabu Search (GOTS) has been shown to be very efficient in the optimization of mathematical test functions. Therefore, GOTS was taken as a starting point. Tabu-Search is based on the steepest descent - modest ascent strategy. The steepest descent is used for finding local minima, while the modest ascent is taken for leaving a minimum quickly. Furthermore, Tabu-Search is combined with an adaptive memory design to avoid cycling or returning. The highly accurate exploration of the phase space by Tabu-Search is often too expensive for complex optimization problems. Therefore, an algorithm for diversification of the search is required. After exploration of the proximity of the search space, the algorithm would guide the search to new and hopefully promising parts of the phase space. First application of GOTS to conformational search revealed weaknesses in the diversification search and the modest ascent part. On the one hand, the original methodology for diversification is insufficiently diverse. The algorithm is considerably improved by combining the more local GOTS with the wider searching Basin Hopping (BH) approach. The second weak point is a too inaccurate and inefficient modest ascent strategy. Analysis of common transition state search algorithms lead to the adaption of the Dimer-method to the Tabu-Search approach. The Dimer-method only requires the first derivatives for locating the closest transition state. For conformational search, dihedral angles are usually the most flexible degrees of freedom. Therefore, only those are used in the Dimer-method for leaving a local minimum. Furthermore, the exact localization of the reaction pathway and the transition state is not necessary as the local minimum position should only be departed as fast as possible. This allows for larger step sizes during the Dimer-search. In the following optimization step, all coordinates are relaxed to remove possible strains in the system. The new Tabu-Search method with Dimer-search delivers more and improved minima. Furthermore, the approach is faster for larger systems. For a system with approximately 1200 atoms, an acceleration of 40 was measured. The new approach was compared to Molecular Dynamics with optimization (MD), Simulated Annealing (SA), and BH with the help of conformational search problems of bio-organic systems. In all cases, a better performance was found. A comparison to the Monte Carlo Multiple Minima/Low Mode Sampling (MCMM/LM) method proved the outstanding performance of the new Tabu-Search approach. The solvation of the chignolin protein further revealed the possibility of uncovering discrepancies between the employed theoretical model and the experimental starting structure. Ligand optimization for improvement of x-ray structures was one further new application field. Besides the global optimization, the search for transition states and reaction pathways is also of paramount importance. These points describe different transitions of stable states. Therefore, a new approach for the exploration of such cases was developed. The new approach is based on a global minimization of a hyperplane being perpendicular to the reaction coordinate. Minima of this reduced phase space belong to traces of transition states between reactant and product states on the unchanged hypersurface. Optimization to the closest transition state using the Dimer-method delivers paths lying between the initial and the final state. An iterative approach finally yields complex reaction pathways with many intermediate local minima. The PathOpt algorithm was tested by means of rearrangements of argon clusters showing very promising results.},
  subject      = {Globale Optimierung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Freitag2011,
  author    = {Freitag, Claudia},
  title     = {Quantifizierung von Aminos{\"a}uren in Infusionsl{\"o}sungen mittels Hochleistungsfl{\"u}ssigkeitschromatographie-(Tandem) - Massenspektrometrie(HPLC-[MS/]MS) Methodenentwicklung und Validierung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-65198},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Das Ziel vorliegender Arbeit war die Entwicklung einer HPLC-MS(/MS)-Methode, die im Rahmen der pharmazeutischen Qualit{\"a}tskontrolle zur direkten Quantifizierung von Aminos{\"a}uren (AS) in Infusionsl{\"o}sungen angewendet werden kann. Die Zielset-zung schloss eine Validierung innerhalb der f{\"u}r die Zweckbestimmung vorgesehenen Grenzen ein. Im Rahmen der Methodenentwicklung wurde das ESI-MS/MS-Fragmentierungs-muster von 21 Aminos{\"a}uren, von 20 stabil-isotopenmarkierten Aminos{\"a}uren, die als interne Standards verwendet wurden, sowie von einigen weiteren Substanzen bestimmt. Nach Kenntnis von Precursor- und Produktionen erstellte man eine SRM-Methode zur spezifischen MS/MS-Analyse. Dabei wurden durch das jeweilige Frag-mentierungsmuster bedingte Interferenzen bei den zu untersuchenden Aminos{\"a}uren bestimmt, die bei der zu erarbeitenden HPLC-MS-Methode beachtet werden mussten. Die Methodenentwicklung zur HPLC-MS-Analytik von underivatisierten AS umfasste mit der RP-HPLC unter Verwendung eines Ionenpaarreagenzes (IP) und der hydrophilen Interaktionschromatographie (HILIC) zwei verschiedene chromatographi-sche Ans{\"a}tze. Bei der Anwendung der RP-HPLC ergaben sich Probleme. Die Verwendung eines IP, im vorliegenden Fall TDFHA (Tridecafluorheptans{\"a}ure), f{\"u}hrte zu langen Equilibrierungs-, Re-Equilibrierungs- und Sp{\"u}lzeiten und damit bei zwar relativ kurzer HPLC-Laufzeit zu einem aber insgesamt hohen Zeitaufwand. Gleich-zeitig war die LC-MS-Anlage auf diese Anwendung fixiert, da das Ionenpaarreagenz das Ger{\"a}t stark verschmutzte und dadurch andere Analysen erheblich st{\"o}rte. Zudem waren die Retentionszeiten der Analyten trotz langer Equilibrierungszeiten schlecht reproduzierbar, so dass eine solche Methode im Rahmen der pharmazeutischen Qualit{\"a}tskontrolle schwer validierbar w{\"a}re. Weiterf{\"u}hrende Untersuchungen erfolgten daher nicht. In nachfolgenden Studien mit der HILIC wurden verschiedene Einflussparameter (Anteil organischer Phase im Fließmittel, pH-Wert des Fließmittels, Temperatur der S{\"a}ule, Pufferkonzentration im Fließmittel, Gradientenelution) auf die Trennung der AS an einer ZIC®-HILIC-S{\"a}ule untersucht. Durch Optimierung der Parameter wurde so eine HILIC-HPLC-Methode entwickelt, bei der 21 AS und 20 ihrer isotopen-markierten Referenz-AS innerhalb von 20 min eluierten. Diejenigen AS, bei denen im Rahmen der Fragmentierungsstudien Interferenzen aufgrund gleicher bzw. {\"a}hnlicher Massen der Precursor- bzw. Produktionen aufgetreten waren, wurden chroma-tographisch getrennt. Gleichzeitig hat sich die SIM-Analyse als anwendbar erwiesen. Die Anwendung des spezifischeren SRM-Modus und damit der Tandem-Massenspektrometrie war nicht erforderlich. Im Rahmen der nachfolgenden Studien zur Validierung ergab sich, dass die entwickelte Methode {\"u}ber einen weiten Bereich eine lineare Abh{\"a}ngigkeit zwischen Konzentrations- und Messwerten zeigte. F{\"u}r drei der 21 AS (NAcCys, NAcTyr, Pro) wurde die quadratische Regression mit dem Anpassungstest nach Mandel als geeig-neteres Regressionsmodell ermittelt. Bei Untersuchungen zur Wiederfindung wurde ein Einfluss der Matrix-L{\"o}sung der Infusionsl{\"o}sung festgestellt, der zu Abweichungen hinsichtlich des Quotienten AreaAS / AreaIS f{\"u}hrte, so dass eine Quantifizierung innerhalb der geforderten Grenzen bei Kalibrierung {\"u}ber reine Standardl{\"o}sungen nicht m{\"o}glich war. Die Validierung wurde daher nachfolgend in der Matrixl{\"o}sung durchgef{\"u}hrt. Dabei wurde gezeigt, dass mit der entwickelten HILIC-HPLC-MS-Methode Aminos{\"a}uren in Infusionsl{\"o}sungen mit hoher Pr{\"a}zision und Richtigkeit bestimmt werden k{\"o}nnen. Neun der 21 untersuchten AS konnten im Bereich von 30\% - 350\%, zehn weitere im Bereich von 50\% - 350\% innerhalb der zur Gehaltsbestimmung von pharmazeutischen Formulierungen vorgeschriebenen Grenzen (Wiederfindung Einzelbestimmung: 98\% -102.0\%, Mittelwert einer Dreifachbestimmung: 98.5\% - 101.5\%) quantifiziert werden. F{\"u}r His und Phe gelang allerdings keine Quantifizierung innerhalb der Akzeptanzkriterien, wobei der Grund hierf{\"u}r in weiteren Studien gekl{\"a}rt werden m{\"u}sste. Mit der entwickelten Methode ist damit eine gleichzeitige Quantifizierung verschiedener AS-Infusionsl{\"o}sungsformulierungen m{\"o}glich, die sich bei gleicher Matrix in der Konzentration an AS unterscheiden. Beispielsweise seien hier die Formulierungen „Aminoplasmal® E 5\% / 10\% /15\%" genannt, die mit der validierten Methode erfassbar sind. Die Probenvorbereitung beschr{\"a}nkt sich dabei auf den Zusatz der IS-Formulierung zur Infusionsl{\"o}sung und einen Verd{\"u}nnungsschritt. Die Quanti-fizierung erfolgt {\"u}ber eine 5-Punkt-Kalibriergerade, die aus einer AS- und IS-Standardmischung, nach Zusatz der einfach herzustellenden Elektrolyt-Matrix, erstellt wird. Die Analysenzeit der HPLC-MS-Methode betr{\"a}gt einschließlich Equilibrie-rungszeit 35 min und ist damit deutlich k{\"u}rzer als die 120 min, die bei der nach wie vor zur AS-Analytik allgemein gebr{\"a}uchlichen Ionenaustauschchromatographie mit Ninhydrin-Nachs{\"a}ulenderivatisierung anzusetzen sind.},
  subject      = {Aminos{\"a}uren},
  language  = {de}
}