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Organisationseinheit der BAM
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (62)
- 1.4 Prozessanalytik (62)
- 1.5 Proteinanalytik (3)
- 6 Materialchemie (3)
- 6.3 Strukturanalytik (3)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (3)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (3)
- 1.7 Organische Spuren- und Lebensmittelanalytik (2)
- 4 Material und Umwelt (2)
- 1.2 Biophotonik (1)
Paper des Monats
- ja (1)
Eingeladener Vortrag
- nein (31)
Ratiometric green–red fluorescent nanosensors for fluorometrically monitoring pH in the acidic range were designed from 80 nm-sized polystyrene (PS) and silica (SiO2) nanoparticles (NPs), red emissive reference dyes, and a green emissive naphthalimide pH probe, analytically and spectroscopically characterized, and compared regarding their sensing performance in aqueous dispersion and in cellular uptake studies. Preparation of these optical probes, which are excitable by 405 nm laser or LED light sources, involved the encapsulation of the pH-inert red-fuorescent dye Nile Red (NR) in the core of self-made carboxylated PSNPs by a simple swelling procedure and the fabrication of rhodamine B (RhB)-stained SiO2-NPs from a silane derivative of pH-insensitive RhB. Subsequently, the custom-made naphthalimide pH probe, that utilizes a protonation-controlled photoinduced electron transfer process, was covalently attached to the carboxylic acid groups at the surface of both types of NPs. Fluorescence microscopy studies with the molecular and nanoscale optical probes and A549 lung cancer cells confirmed the cellular uptake of all probes and their penetration into acidic cell compartments, i.e., the lysosomes, indicated by the switching ON of the green naphthalimide fluorescence. This underlines their suitability for intracellular pH sensing, with the SiO2-based nanosensor revealing the best performance regarding uptake speed and stability.
In den letzten Jahren erfreut sich die Benchtop-NMR-Spektroskopie steigender Beliebtheit. Zusätzlich zu Anwendungen im Labor werden die kompakten Geräte auch zunehmend in industriellen Bereichen eingesetzt. Neben geringeren Investitions- und Betriebskosten sind insbesondere die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme entscheidende Faktoren. Ein prozessnaher Einsatz kann sowohl nach Probenahme im Rahmen der Betriebsanalytik erfolgen als auch als Online-Analytik mit direkter Ankopplung an Prozesse. Insbesondere bei der direkten Kopplung mittels Durchflusszellen spielt der Probentransfer eine entscheidende Rolle. Dies zeigt sich auch am Beispiel eines Extraktionsprozesses im Labormaßstab. Das in einem Bioprozess aus tierischen Altfetten hergestellte Copolymer PHB(Co-HHX) wurde in einem Batch-Prozess mit organischen Lösungsmitteln aus gefrier-getrockneten Zellen extrahiert. Unter Variation der Parameter wurde der Prozess direkt in der mehrphasigen Suspension mittels Benchtop-NMR-Spektroskopie verfolgt.
Eine große Limitierung für den Einsatz als Online-Methode ist die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme. Während die Umgebungstemperatur gut kontrollierbar ist, stellt sich die Thematik der Probentemperatur komplexer dar. Bei größeren Abweichungen von der Magnettemperatur kommt es bereits nach kurzer Zeit zu Drift-Effekten, die die Lock-Systeme nur begrenzt kompensieren können. Ein Ansatz ist die Nutzung temperierter Luftströme, ähnlich bekannter VT-Einheiten ergänzt um eine aktive Isolierung zum Magneten. An einem Modellaufbau wurden dazu verschiedene Konstruktionen zunächst mittels Thermographie charakterisiert und anschließend die Anwendbarkeit in einem Prototyp-Gerät überprüft.
In der rauen industriellen Umgebung von Produktionsanlagen sind weitere Maßnahmen zum Betrieb eines Laborgerätes nötig (z.B. Temperierung, Witterungsschutz). Zusätzlich bestehen häufig strikte Anforderungen an den Explosionsschutz. Zu diesem Zweck wurde gemeinsam mit der Evonik Rheinfelden eine Einhausung entwickelt, die es ermöglicht neben der NMR-Spektroskopie auch eine weitere analytische Methode möglichst flexibel direkt an großtechnische Anlagen anzubinden.
Die NMR-Spektroskopie ist eine der zentralen nicht-invasiven Analysenmethoden in der organischen Chemie und aus dem Laboralltag nicht mehr wegzudenken. Die direkte Proportionalität zwischen der Anzahl der Atomkerne im Messvolumen und der Signalfläche im Spektrum ist vergleichbar mit einem „Zählen der Kernspins“. Der Kalibrieraufwand für die Quantifizierung ist minimal und aus dem NMR-Spektrum sind Informationen zu Struktur und Identität zugänglich.
Online-NMR-Spektroskopie wird unter Zuhilfenahme von speziellen Durchflussproben-köpfen und Messzellen bereits seit Jahrzehnten erforscht und eingesetzt. Durch die hohen Anforderungen an die Aufstellung und den Betrieb von klassischen Hochfeld-NMR-Spektrometern konnte sie allerdings nie den Sprung vom Labor in den Prozess schaffen. Dies hat sich durch die Entwicklungen im Bereich mobil einsetzbarer Benchtop-NMR-Spektrometer grundlegend verändert. Geringere Investitions- und Betriebskosten, sowie die Robustheit und einfache Bedienbarkeit dieser Systeme sind entscheidende Faktoren. Damit rückt eine Anwendung als Online-PAT-Methode technisch in greifbare Nähe. Designierte Prozess-NMR-Spektrometer sucht man heutzutage allerdings auf dem Markt meist noch vergebens.
Die Reaktionsverfolgung im Labormaßstab konnte an unterschiedlichen Systemen erfolgreich demonstriert werden. Dabei zeigten sich allerdings Limitierungen in Hinblick auf einen möglichen Prozesseinsatz. Insbesondere die Temperaturempfindlichkeit der Magnetsysteme ist hier zu nennen. Anhand eines Prototyps wurde eine aktive Temperaturisolation mittels temperierter Luftströmungen entwickelt und erprobt.
Eine Feldintegration von Laborsystemen geht sowohl technisch als auch regulatorisch mit zahlreichen Herausforderungen einher. Das raue Umfeld von Produktionsanlagen, sowie die Anforderungen an Explosionsschutz erfordern eine zugelassene Einhausung. Auf Basis von Erfahrungen mit einem ersten Prototyp erfolgte die gemeinsame Entwicklung eines möglichst flexibel einsetzbaren Analysenschranks. Neben der Hardware-Integration sind die automatisierte modellbasierte Auswertung der NMR-Spektren, sowie die Einbindung in die Prozessleittechnik essenziell für einen zuverlässigen Betrieb als PAT-Analysengerät.
qNMR - The handbook
(2023)
Quantitative NMR (qNMR) has been around for a long time, but also has great potential to solve future problems in any quantitative analysis. As a primary method, it differs fundamentally from chromatographic methods: it is better described as a quantum mechanical balance. Succesful implementation of qNMR requires certain attention to detail. "qNMR - the handbook" is intended to be a guide for analysts to help understand the fundamental principles of NMR and the significant points relating to its implementation for quantitation. Regulatory considerations of qNMR adoption are explained. NMR fundamentals are explained to provide understanding. Together with many useful examples, the book is a compelling addition to the laboratory's reference library, providing all the tools that any practitioner should know to successfully implement qNMR.
The authors are qNMR pioneers and come from a variety of backgrounds including business, government and academia.
Quantitative 1H Nuclear Magnetic Resonance (qNMR) of Aromatic Amino Acids for Protein Quantification
(2023)
Hydrolysis of protein samples into amino acids facilitates the use of NMR spectroscopy for protein and peptide quantification. Different conditions have been tested for quantifying aromatic amino acids and proteins. The pH-dependent signal shifts in the aromatic region of amino acid samples were examined. A pH of 12 was found to minimize signal overlap of the four aromatic amino acids. Several aromatic compounds, such as terephthalic acid, sulfoisophthalic acid, and benzene tricarboxylic acid, were applied as internal standards. The quantification of amino acids from an amino acid standard was performed. Using the first two suggested internal standards, recovery was ~97% for histidine, phenylalanine, and tyrosine at a concentration of approximately 1 mM in solution. Acidic hydrolysis of a certified reference material (CRM) of bovine serum albumin (BSA) and subsequent quantification of Phe and Tyr yielded recoveries of 98% ± 2% and 88% ± 4%, respectively, at a protein concentration of 16 g/L or 250 µM.
Plastic pollution is the biggest environmental concern of our time. Breakdown products like micro- and nanoplastics inevitably enter the food chain and pose unprecedented health risks. In this scenario, bio-based and biodegradable plastic alternatives have been given a momentum aiming to bridge a transition towards a more sustainable future. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are one of the few thermoplastic polymers synthesized 100 % via biotechnological routes which fully biodegrade in common natural environments. Poly(hydroxybutyrate-cohydroxyhexanoate) [P(HB-co-HHx)] is a PHA copolymer with great potential for the commodity polymers industry, as its mechanical properties can be tailored through fine-tuning of its molar HHx content. We have recently developed a strategy that enables for reliable tailoring of the monomer content of P(HB-co-HHx).
Nevertheless, there is often a lack of comprehensive investigation of the material properties of PHAs to evaluate whether they actually mimic the functionalities of conventional plastics. We present a detailed study of P(HB-co-HHx) copolymers with low to moderate hydroxyhexanoate content to understand how the HHx monomer content influences the thermal and mechanical properties and to link those to their abiotic degradation. By increasing the HHx fractions in the range of 2 – 14 mol%, we impart an extension of the processing window and application range as the melting temperature (Tm) and glass temperature (Tg) of the copolymers decrease from Tm 165 ◦C to 126 ◦C, Tg 4 ◦C to − 5.9 ◦C, accompanied by reduced crystallinity from 54 % to 20 %.
Elongation at break was increased from 5.7 % up to 703 % at 14 mol% HHx content, confirming that the range examined was sufficiently large to obtain ductile and brittle copolymers, while tensile strength was maintained throughout the studied range. Finally, accelerated abiotic degradation was shown to be slowed down with an increasing HHx fraction decreasing from 70 % to 55 % in 12 h.