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The lecture about gas sensor characterization and calibration contains the content of 3S: Sensitivity, selectivity and stability, sensor drift, aging and poisoning as well as gas mixing systems for laboratory and field calibration, measurement uncertainty for sensor calibration and traceable calibration of gas sensor systems.
Since cereals constitute a staple food worldwide, monitoring of growth, storage and processing represent a perseverative challenge of analytical sciences. Especially during storage infested grains breed fungal clusters (“hot spots”) in which mycotoxins accumulate and can highly exceed allowed maximum levels. Because of their unpredictable presence, analytical procedures – including representative sampling - contain invasive and time intensive steps.
To avoid erroneously negative results in mycotoxin analysis in cereals, the samples´ homogeneous headspace might be investigated instead of analyzing subsamples of the grains. So-called microbial volatile organic compounds (MVOC´s) provide information for instance about the fungal status of grains. Previous investigations revealed trichodiene to be a precursor of trichothecene mycotoxins which comprises more than 180 different compounds. Due to its non-functionalised sesquiterpene structure, quantification of trichodiene using Headspace GC-MS methods is possible. Thereby, it could be used as biomarker for trichothecene contamination of cereals.
Nevertheless, further investigations are necessary. To be able to draw conclusion about the trichothecene content in cereal samples, a possible correlation between trichodiene concentration in the gas phase and trichothecene concentration in the sample must be examined. Realizing this idea would widely extend the applicability of trichodiene and enormously simplify trichothecene detection. Hence, the first step of an ongoing study aims to develop a laboratory reference method using trichodiene as volatile biomarker to quantify trichothecenes in cereals. Both static headspace and SPME-enrichment coupled to gas chromatography with mass spectrometry (GC-MS) were tested and compared. In a second step, this reference method is intended to validate new approaches for fast on-site screening of trichodiene in cereals.
Die Bildgebung oder Analyse von Materialien mittels luftgekoppelten Ultraschalls profitiert von einer hohen Geschwindigkeit, Flexibilität und Materialschonung des assoziierten Verfahrens. Die Luftankopplung hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die auftretenden Impedanzsprünge an Grenzflächen zu enormen Verlusten in den Signalamplituden führen. Ultraschallwandler, die laut genug senden und sensitiv genug empfangen, um die geringen Signalamplituden noch auswerten zu können, sind somit zentraler Gegenstand der aktuellen Forschung und Entwicklung. Vielversprechende Wandlertypen sind piezokeramische Wandler, Elektretwandler, aber auch passive, breitbandige Ultraschallempfänger, wie optische Mikrophone. Die quantitative Charakterisierung der Sensitivitäten solcher Wandler wird oft vernachlässigt, da kein simples, universelles Verfahren zur Verfügung steht. In diesem Beitrag geht es um die Methodik der Charakterisierung von Luftultraschallwandlern mittels thermoakustischer Ultraschallsender. Thermoakustische Wandler erzeugen Ultraschall durch das schnelle heizen eines finiten Volumens an Luft vor dem Wandler. Die erhöhte interne Energie führt zu einer Druckänderung, welche sich als akustische Welle fortpflanzen kann. Da keine mechanische Volumenarbeit vom Wandler erbracht wird, funktioniert das Verfahren resonanzfrei.
Die Charakterisierung wird am Beispiel von Elektretwandlern durchgeführt. Elektretwandler sind sensitive und immer verschleißresistentere Schallwandler, wodurch sie verbreitet Einsatz im Hör- und Ultraschallbereich finden. Geladene, zelluläre Polypropylen-Folien eignen sich besonders gut als Wandlermaterial aufgrund ihrer, verglichen mit Piezokompositen, hundertfach niedrigeren akustischen Impedanz bei gleichem piezoelektrischem Koeffizienten. Doch das winkel- und frequenzabhängige Verhalten der Wandler ist kaum untersucht und wenig quantifiziert. Es wird gezeigt, dass diese Folien eine schichtdickenabhängige Sensitivität in Größenordnungen zwischen 0.1 mV/Pa und 10 mV/Pa aufwiesen. Ein Maximum in der Sensitivität fand sich nahe ihrer mechanischen Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich, aber auch im niederfrequenten Hörschallbereich. Darüber hinaus konnte die Winkelabhängigkeit der Sensitivität charakterisiert werden. Die Analyse konnte dabei zeiteffizient gestaltet werden, da pro Winkel eine Messung für die Berechnung der Übertragungsfunktion des Wandlers genügte. Quantifiziert wurden die Ergebnisse durch das einmalige Vermessen des Emitters mittels Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Mit den erzielten Ergebnissen wurde zum einen das komplexe Sensitivitätsverhalten der Wandler untersucht, aber auch eine grundlegende Methodik aufgezeigt, wie Wandler quantitativ, multivariat charakterisiert werden können. Winkel- und frequenzaufgelöste Sensitivitäten erlauben zum einen die Analyse der Anwendbarkeit der Wandler für sämtliche Einsatzgebiete, zum anderen stehen so Rückschlüsse über die mechanische Dynamik von Elektretfolien in Aussicht, da deren Sensitivität direkt mit ihrem Elastizitätsmodul skaliert.
Shortly after founding the CCQM in 1993, the first key comparison (CCQM-K2) about the determination of Cd and Pb content in river water was hosted by IRMM. It has been clear from the beginning that for the determination of an element mass fraction in a matrix, accurate reference solutions would be the key point for a metrologically sound analysis. Triggered by the not entirely satisfactory results it was decided to investigate the basis of all measurements: the reference solutions. Thus in 1999, CCQM-K8, hosted by EMPA/LNE, started the tedious but indispensable work on elemental solutions standards.
Additionally, PTB, BAM and Merck KGaA initiated a project to establish a traceability system for inorganic analysis based on accurate monoelemental solutions. Within this unique approach ten high purity reference materials were fully characterized, and solutions were prepared gravimetrically thereof. These materials (forming the primary standards of elemental analysis) are available for NMIs/DIs from BAM.
CCQM-P46 (Cu, Mg, Rh) demonstrated the actuality of the topic and the challenges to prepare elemental solutions for every element. The accurate preparation and use of monoelemental solutions is consequently reflected in the recurrent conduct of (key) comparisons: CCQM-P149 (purity of zinc), CCQM-K87 (Co, Cr, Pb), and the current CCQM-K143/P181 (Cu solutions), to name only a few in a long series.
Is it necessary to put so much effort into the preparation of reference solutions? It clearly is! An example outside the world of academia: Recently, EDQM*, PTB, BAM and JRC have developed monoelemental reference standards traceable to the SI for toxic elements in support of the chapters of the European Pharmacopoeia, related to the analysis of elemental impurities in medicinal products. A new ICP OES method has been established allowing the comparison of two 1 g/kg mercury solutions with an outstandingly small uncertainty of Urel(w(Hg)) = 0.16 %. However, this technical progress would not have been possible without the ongoing effort of the metrological community within 25 years of research in the field of high accuracy monoelemental solutions.
* EDQM: European Directorate for the Quality of Medicines and HealthCare
Plasmas as atomization and ionization/excitation sources have been used for more than 50 years. The term plasma spectrochemistry was introduced in the 1980s and is nowadays a topic of annual reviews and different conferences such as the Winter Conference on Plasma Spectrochemistry (held in USA), the European Winter Conference on Plasma Spectrochemistry, and The Nordic conference on Plasma Spectrochemistry.
The development of advanced materials is inherently connected with improvements in analytical chemistry, and often is the driving force for method development in plasma-based spectrometry. Besides the determination of physical characteristics such as tensile strength, density, and conductivity, the investigation of their chemical constituents down to the trace and ultra-trace levels becomes more and more important and, therefore, the demand of sensitive and precise analytical methods is growing. In some cases, the determination of the average content is a sufficient result, for instance for the characterisation of raw material or waste management. However, lately laterally resolved analysis, depth profiling of layered materials and characterization of high purity materials are of growing importance. The aim of this article is to give an introduction into plasma spectrometry and its application in materials science. A theoretical overview of the used plasma techniques and a review on applications with a special focus on direct solid sampling will be presented.
Elemental impurities (EI) in medicinal products for human use are limited according to ICH guideline Q3D, which is in force since December 2017 in Europe and US.
As a consequenceconsequence, the relevant texts of the European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) and the United States Pharmacopeia (USP) have been modified to reflect and complement ICH Q3D, providing details on the analytical methods to be used. In those chapters (Ph. Eur. 2.4.20., USP <233>), it is stated that for the quantification of elemental impurities, certified reference materials (CRM) from a national metrology institute (NMI) or reference materials that are traceable to the CRM of an NMI should be used.
The Ph. Eur. has so far implemented elemental impurity standards of this type for the four most important elemental impurities i.e. those corresponding to ICH Q3D Class 1: lead, cadmium, mercury and arsenic.
The poster provides details on the development of those four reference standards, which was undertaken in partnership with a major institute accredited CRM producer (JRC, European Commission), and a national metrology institute (BAM and PTB, Germany), and a Designated Institute and accredited CRM producer (BAM, Germany). The reference standards were established and characterised according to rigorous metrological principles and are supplied with extended supporting information as required for the intended use.
After successful completion of the project, the four reference standards have been added to the Ph.Eur. catalogue and are in distribution. It is expected that another three elemental impurity standards will be implemented and made available to users within the next three years.
Messergebnisse in der chemischen Analyse müssen vergleichbar sein. Dies wird durch die metrologische Rückführbarkeit (traceability) auf SI realisiert. In der Chemie dienen Reinststoffe als Primärnormale, deren Reinheit mit einer Unsicherheit von < 0.01% ermittelt werden soll. Ein eleganter Weg, die Reinheit eines realen Materials mit hoher Präzision zu bestimmen, ist, alle Verunreinigungen zu messen, diese aufzusummieren und von der idealen Reinheit von 100 Prozent abzuziehen. Die metallischen Verunreinigungen in Metallen lassen sich mittels hochauflösender Massenspektrometer ermitteln. Eine weit größere Herausforderung ist die Bestimmung von Nichtmetallen wie Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff im Metall, zumal diese auch oft die Hauptverunreinigung darstellen. Für die quantitative Bestimmung von Verunreinigungen wurden mit Standards dotierte Pulverpresslinge und mit H, O und N dotierte, gesinterte Materialien auf ihre Eignung als Kalibrierstandards für die GD-OES und GD-MS untersucht. Dabei kamen unterschiedliche Plasmabedingungen (pulsed/ continuous mode; verschiedene Plasmagase) zum Einsatz. Ein Überblick über analytische Kenngrößen und Grenzen der verwendeten Kalibrierstrategien wird gegeben.
Für Bauteile (Komponenten) von Versorgungsanlagen für flüssige Brenn- und Kraftstoffe muss die Beständigkeit der metallenen Werkstoffe und Polymere nachgewiesen werden. Im Anwendungsfall von Heizöl mit 20 % biogenen Anteilen in Form von Rapsölfettsäuremethylester (FAME, Biodiesel) ist es für eine konservative Beurteilung des Korrosionssystems Werkstoff/Medium/Umgebung wichtig, die Alterungseffekte des Mediums einzubeziehen.
Entwicklung eines Prüfverfahrens für die Untersuchung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen und Polymeren in Heizöl und Heizöl-FAME-Blends, das für eine Vorauswahl der Werkstoffe und zum Nachweis der Beständigkeit im Hinblick auf die bauaufsichtlichen Zulassungsverfahren geeignet ist. Ein Schwerpunkt wird bei den metallenen Werkstoffen auf der Erprobung von Messmethoden liegen, mit denen sich in kurzer Versuchszeit ein Korrosionsangriff detektieren lässt.
Metallene Werkstoffe:
Weder örtliche Korrosion noch erhöhte Flächenkorrosion (Korrosionsrate:< 0,1 m/Jahr) sind bei den bisher geprüften Werkstoffen: Aluminium,
C-Stahl 1.0037, austenitischer CrNi-Stahl 1.4301, Kupfer und Messing in Heizöl und B20 (Heizöl mit 20% Biodiesel) aufgetreten. Diese Werkstoffe sind in den Prüfmedien Heizöl und B20 als beständig zu bewerten.
Es wurde keine signifikante Veränderung des pH-Wertes der Prüfmedien gemessen.
Polymere:
Massebestimmung:
Die Prüfkörper der Elastomere ACM, HNBR und PUR sowie in geringerem Maße PE neigten zur Quellung in Heizöl und B20 nach 42 d und 84 d Auslagerung; für PA 6, POM und PVC wurde keine Masseänderung gemessen. Die Masseänderung der Prüfkörper in Heizöl und B20 ist mit Ausnahme von PUR vergleichbar. Bei PE traten Verfärbungen durch die Brennstoffe auf.
Zugeigenschaften:
ACM, HNBR, PE und PVC sind in Heizöl und B20 beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 15 % beträgt. PA und POM sind bedingt beständig, da die Änderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung < 30% beträgt.
Metal phosphonates are metal-organic compounds consisting of a metal core and a phosphonate ligand. Depending on the nature of the ligand, metal phosphonates appear in different structures covering the range from molecular compounds to three-dimensional networks. Due to their structural diversity, the chemistry of metal phosphonates has gained great interest during the last decades. Metal phosphonates can be used for various applications as gas storage and separation, magnetism, and energy conversion. Especially transition metal phosphonates are promising candidates as electrocatalysts. Mechanochemistry is a versatile approach for green and fast synthesis of pure substances. By milling the reactants, various organic, inorganic, and metal-organic compounds can be obtained in high yields. Here, we present the synthesis of different new metal phosphonates obtained by grinding of metal acetates with respective phosphonic acids. By varying the ratio of the reactants, we are able to determine the composition of the final products. The addition of small amounts of liquid to the grinding process tends to increase the product’s crystallinity. The crystal structures of the new compounds were determined from powder X-ray data.
View into the depths of copolymer microstructure by a special approach of LC-MS data evaluation
(2019)
It is a well-known story that copolymers beside their molar mass distribution (MMD) can exhibit a functionality type distribution (FTD), a copolymer composition distribution (CCD), a monomer sequence distribution (MSD) and additionally different topologies within one sample. This is and will remain a challenge for analysts.
First a very short overview will be given concerning the common liquid separation techniques for polymers (SEC, LAC, LCCC, GELC) coupled to soft ionization mass spectrometric methods like MALDI and ESI-MS with focus on their limitations. For very broadly distributed samples or chemical very similar species the superposition of different separation mechanisms in chromatography is unavoidable or the separation efficiency cannot be optimized.
Different ionization probabilities and species of the same nominal mass with completely different structures are just two problems of mass spec of complex polymer mixtures.
Subsequently, different examples will be shown how these limitations in some cases could be outsmarted.
First example will be the separation of statistical EO-PO copolymers of different chemical compositions by end group functionality and the quantification of end group fractions over the whole CCD. Here an UP-LCCC / ESI-TOF-MS coupling is applied.
Further for different kinds of polymers it will be shown how it could be realized to obtain information on small isobaric/isomeric topological heterogeneities by coupling UP-SEC / ESI-TOF-MS.
All results are based on the data processing of reconstructed ion chromatograms of single mass traces of complex ESI-MS spectra.