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Charakterisierung von Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen mittels Elektronentomografie
(2010)
Zur Optimierung moderner Katalysatoren für Brennstoffzellen werden diese elektronen-tomografisch charakterisiert. Die Elektronentomografie ermöglicht einzigartige Einblicke in die Nanometer-Strukturen der metallischen Katalysatorpartikel, die auf einem elektrisch leitenden, inerten Kohlenstoffträger abgeschieden werden. Die dreidimensional bildgebende Methode ermöglicht über qualitative Untersuchungen hinaus detaillierte quantitative Form- und Strukturanalysen der Katalysatormaterialien. So werden beispielsweise die Positionen der Katalysatorpartikel relativ zum Trägermaterial analysiert. Ihre Form und Einbettung in den Träger, welche die für die katalytische Reaktion maßgebliche "freie Oberfläche" definieren, werden bestimmt. Die Elektronentomografie ermöglicht somit quantitative Vergleiche zwischen verschiedenen Katalysatormaterialien und Herstellungsverfahren. Sie erweitert die Möglichkeiten der Korrelation gewünschter elektrochemischer Eigenschaften mit der Nanostruktur dieser Materialien und macht so weitere Optimierungen der Katalysatormaterialien möglich.
Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten können Brennstoffzellen einen wichtigen Beitrag zur zukünftigen Energieversorgung leisten. Für die Optimierung der Brennstoffzellentechnik ist es erforderlich, die während des Zellbetriebs ablaufenden Prozesse zu verstehen und exakt zu charakterisieren. Ein ausbalanciertes Wassermanagement ist die Grundlage für die optimale Leistungsfähigkeit einer wasserstoffbetriebenen Zelle. Das während des Betriebs entstehende Wasser muss die Membran ausreichend befeuchten, um deren Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Andererseits behindern zu große Wasseransammlungen in der Zelle die Gaszufuhr durch die porösen Materialien sowie in den Kanälen der Gasverteilerstrukturen. Alterungsphänomene einzelner Zellkomponenten können die Verteilung der Wasseransammlungen und somit das Wassermanagement empfindlich stören und so die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle herabsetzen. Zur Analyse der Wasserverteilung werden zerstörungsfreie, bildgebende Methoden, wie die Ex-situ-Neutronentomografie und die In-situ-Synchrotronradiografie, eingesetzt. Diese Methoden können während des Brennstoffzellenbetriebs mit weiteren Messverfahren, beispielsweise der ortsaufgelösten Stromdichtemessung, kombiniert werden. Auf diese Weise werden einzelne Komponenten, wie zum Beispiel die Gasdiffusionsschichten, charakterisiert.
Dye-biomolecule conjugates and NIR-fluorescent particles for targeting of disease-related biomarkers
(2011)
Indispensable for fluorescence imaging are highly specific and sensitive molecular probes that absorb and emit in the near infrared (NIR) spectral region and respond to or target molecular species or processes. Here, we present approaches to targeted fluorescent probes for in vivo imaging in the intensity and lifetime domain exploiting NIR dyes. Screening schemes for the fast identification of suitable fluorophores are derived and design criteria for highly emissive optical probes. In addition, as a signal amplification strategy that enables also the use of hydrophobic NIR fluorophores as fluorescent reporters, first steps towards versatile strategies for the preparation of NIR-fluorescent polymeric particles are presented that can be utilized also for the design of targeted and analyte-responsive probes.
Auf Grund des hohen Wirkungsgrades und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten stellen Brennstoffzellen sowie Brennstoffzellenverbünde eine vielversprechende Energiequelle dar. Daher ist es wichtig, die Prozesse während des Betriebs einer Brennstoffzelle exakt charakterisieren zu können, um diese im nächsten Schritt zu optimieren.
So ist ein ausbalanciertes Wassermanagement in einer mit Wasserstoff betriebenen Zelle ausschlaggebend für ihre Leistungsfähigkeit. Für eine dauerhafte Leistungsfähigkeit muss das entstehende Wasser die Membran feucht halten, um so die Protonenleitfähigkeit aufrecht zu erhalten. Zu viel Wasser kann jedoch die Gaszufuhr durch die porösen Materialien in Richtung Membran verhindern.
Alterungsphänomene der einzelnen Komponenten können dieses sensible Wassermanagement stören und so die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle
herabsetzen. Zum tieferen Verständnis der Wasserverteilung werden zerstörungsfreie Methoden, wie zum Beispiel die ex situ Neutronentomografie oder die in situ Synchrotronradiografie eingesetzt. Letztere Methode kann während des Brennstoffzellenbetriebs in Kombination mit weiteren Messmethoden, wie der ortsaufgelösten Stromdichtemessung, eingesetzt werden. So können einzelne Brennstoffzellenkomponenten, wie die Gasdiffusionsschichten, charakterisiert werden.
Dye–biomolecule conjugation is frequently accompanied by considerable spectral changes of the dyes absorption spectrum that limit the use of the common photometrical method for the determination of labeling densities. Here, we describe an improvement of this method using the integral absorbance of the dye instead of its absorbance at the long wavelength maximum to determine the concentration of the biomolecule-coupled dye. This approach is illustrated for three different cyanine dyes conjugated to the antibody IgG.
Purpose: To prospectively depict carcinoembryonic antigen (CEA)-expressing tumors in mice with a high-affinity probe consisting of a near-infrared (NIR) fluorochrome and the clinically used anti-CEA antibody fragment arcitumomab.
Materials and Methods: This study was approved by the regional animal committee. By coupling a NIR fluorescent (NIRF) cyanine dye (DY-676) to a specific antibody fragment directed against CEA (arcitumomab) and a nonspecific IgG Fab fragment, a bio-optical high-affinity fluorescent probe (anti-CEADY-676) and a low-affinity fluorescent probe (FabIgGDY-676) were designed. The dye-to-protein ratios were determined, and both probes were tested for NIRF imaging in vitro on CEA-expressing LS-174T human colonic adenocarcinoma cells and CEA-nonexpressing A-375 human melanoma cells by using a bio-optical NIR small-animal imager. In vivo data of xenografted LS-174T and A-375 tumors in mice (n = 10) were recorded and statistically analyzed (Student t test).
Results: The dye-to-protein ratios were determined as 3.03.5 for both probes. In vitro experiments revealed the specific binding of the anti-CEADY-676 probe on CEA-expressing cells as compared with CEA-nonexpressing cells; the FabIgGDY-676 probe showed a markedly lower binding affinity to cells. In vivo LS-174T tumors xenografted in all mice could be significantly distinguished from A-375 tumors with application of the anti-CEADY-676 but not with that of the FabIgGDY-676 at different times (224 hours, P < .005) after intravenous injection of the probes. Semiquantitative analysis revealed maximal fluorescence signals of anti-CEADY-676 to CEA-expressing tumors about 8 hours after injection.
Conclusion: Findings of this study indicate the potential use of the high-affinity probe anti-CEADY-676 for specific NIRF imaging in in vivo tumor diagnosis.
In-situ-Neutronenradiografie wird erfolgreich eingesetzt, um flüssiges Wasser in Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen während des Betriebs zerstörungsfrei abzubilden und das sogenannte Wassermanagement eine der größten Herausforderungen der Entwicklung durch Anpassung der Materialeigenschaften zu optimieren. Dabei werden die besonderen Eigenschaften der Neutronen genutzt, die metallische Bauteile relativ leicht durchdringen, während selbst kleine Wassermengen durch ihre starke Streuung leicht nachweisbar sind. Die relativ langen Messzeiten für die Neutronentomografie werden durch den Betrieb der Zelle im angehaltenen Zustand realisierbar, sodass die dreidimensionale Wasserverteilung darstellbar wird.
The spectroscopic properties, stability, and cytotoxicity of series of cyanine labels, the dyes DY-681, DY-731, DY-751, and DY-776, were studied to identify new tools for in vivo fluorescence imaging and to find substitutes for DY-676 recently used by us as fluorescent label in a target-specific probe directed against carcinoembryonic antigen (CEA). This probe enables the selective monitoring of CEA-expressing tumor cells in mice, yet displays only a low fluorescence quantum yield and thus, a non-optimum sensitivity. All the DY dyes revealed enhanced fluorescence quantum yields, a superior stability, and a lower cytotoxicity in comparison to clinically approved indocyanine green (ICG). With DY-681 and far-red excitable DY-731 and DY-751, we identified three dyes with improved properties compared to DY-676 and ICG.