Analytische Chemie
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Früh- bis spätmittelalterliche Stuckausstattungen bilden ein regionales, da an Gips-vorkommen korreliertes kunsttechnologisches Spezifikum. Aufgrund der beschränkten Kontrollmöglichkeiten über die in einem Meiler oder Feldofen herrschenden Parameter charakterisiert mittelalterliche Hochbrandgipse ein Phasengemisch aus Calciumsulfat-Hydratstufen und thermisch mehr oder weniger stark geschädigten Nebenbestandteilen aus der Gipslagerstätte. Die Analyse mittelalterlicher Hochbrandgipse erfordert die genaue Kenntnis der Bildungs- und Stabilitätsbereiche der Phasen im System CaSO4–H2O. Gips CaSO4 x 2 H2O entwässert beim Brennen über Halbhydrat CaSO4 x 0.5 H2O zu Anhydrit III CaSO4, welches schließlich in den für mittelalterliche Hochbrandgipse relevanten Anhydrit II (AII) übergeht. Für diesen wurden aufgrund der Abbindeeigenschaften drei bis vor kurzem nicht spektroskopisch unterscheidbare Sub-Phasen postuliert: Anhydrit II schwerlöslich (300-500°C, AII-s), unlöslich (500-700°C, AII-u) und Estrichgips (> 700°C, AII-E). Anhydrit I ist nur über 1180°C stabil.
Mittels strukturanalytischer Methoden wie Röntgenbeugung (XRD) und Raman-Spektroskopie lassen sich nur die verschiedenen Hydratstufen sowie AIII, AII und AI eindeutig aufgrund unterschiedlicher Kristallstrukturen identifizieren. Ein neues auf Raman-mikrospektroskopischer Bildgebung basierendes Verfahren ermöglicht den Nachweis verschiedener Brenntemperaturen aufgrund der Auswertung von Raman-Bandenbreiten von AII, welche ein Maß für die mit steigender Brenntemperatur zunehmende Kristallinität der Anhydritkörner sind.
Die Anwendung dieser Methode sowie der Nachweis pyrometamorpher Umwandlun-gen von Begleitmineralien aus dem Gipsstein als Mineralthermometer zur Bestimmung von Brenntemperaturen wird anhand von Proben früh- und spätmittelalterlicher Skulpturen und Stuckdekorationen aus Südtirol diskutiert. Außerdem wird gezeigt, wie die Analyse solch komplexer Materialien Rückkopplungen in die Analytische Chemie erzeugen kann, da zur erfolgreichen Analytik eine Möglichkeit zur reproduzierbaren Bestimmung von Ramanbandenbreiten und der Korrektur instrumentenabhängiger Verbreiterung gefunden und optimiert werden musste.
Damit sollten überzeugende Belege dafür erbracht werden können, dass die Komplexität des monomineralischen Bindemittels Gips bezüglich der je nach Brandbedingungen unterschiedlichen Eigenschaften und insbesondere bezüglich der Herausforderungen an die Analytische Chemie häufig unterschätzt wird.
The use of high-fired gypsum as binder for masonry and joint mortars or stuccowork in Central Europe in the Early and High Middle Ages was a regional specific as it depended on local gypsum deposits. The calcination technology possible at the time resulted in an assemblage of calcium sulphate phases dehydrated to different degrees and partly thermally damaged accessory minerals of the raw gypsum. Not hydrated clusters of firing products preserved in the binder matrix are a typical feature of such mortars. A novel Raman microspectroscopic approach, providing access to the burning history of individual anhydrite grains, was applied to samples from medieval South Tyrolean stucco decorations and sculptures. Beyond that, Raman microspectroscopy was employed for tracing and visualising pyrometamorphic reactions in natural impurities of the kiln run. In the discussed examples mineral thermometry indicates process temperatures above 800°C: the breakdown of magnesium-rich chlorite led to the formation of forsterite Mg2SiO4, while the thermal decomposition of dolomite CaMg(CO3)2 to periclase MgO and lime CaO yielded – after hydration and carbonation – magnesite MgCO3, CaCO3 polymorphs and magnesian calcite. Hydration of periclase in the mixed gypsum paste containing sulphate ions also resulted in magnesium sulphate hydrates, here identified in the form of hexahydrite MgSO4·6H2O. Lower burning temperatures left the accessory minerals in their pristine form, but can be traced by measuring the spectra of individual anhydrite crystals in grains of firing products and evaluating Raman band widths. Throughout the present study, calcination temperatures ranging from approx. 600°C to 900°C were determined.
Die Untersuchungen sind durch das das DFG Schwerpunktprogramm 1374 für Biodiversitätsforschung motiviert. Anhand des überwachten Abbaus von Totholz soll untersucht werden, welche Auswirkung unterschiedliche Formen und Intensitäten der Landnutzung auf die Biodiversität innerhalb von drei Exploratorien zeigen. Bei den vorangegangenen Studien wurden Nahrungs¬netzte auf organismischer Ebene sowie Klima- und Umgebungsdaten untersucht und die Veränderung des ausgebrachten Totholzes als Masseverlust erfasst. Es wird jedoch erwartet, dass in Anhängigkeit der beteiligten Organismen und Umgebungsparameter verschiedene Mechanismen des Holzabbaus vorliegen, die in unterschiedlichen Abbauraten der Holzkomponenten Lignin, Cellulose und Hemicellulose resultieren. Aus diesem Grund ist die quantitative Untersuchung des Ligningehalts an Hölzern ein wesentlicher Schritt für ein verbessertes Verständnis der Biodiversität in den untersuchten Exploratorien. Um der hohen Probenanzahl, die sich aus der Kontrolle von jeweils 100 Proben (Plots) in den drei Exploratorien für Hölzer aus 13 Baumarten ergibt, gerecht zu werden, wird eine schnelle und effiziente Untersuchungsmethode benötigt. Diese wird derzeit in Form einer NIR-spektroskopischen Bestimmung des Ligningehalts entwickelt. Um basierend auf den NIR Spektren vermahlener Holzproben Lignin und weitere Holzkomponenten korrekt vorherzusagen, muss zunächst basierend auf nasschemischen Analysen ein chemometrisches Modell kalibriert werden. Dazu ist die Charakterisierung von mindestens 20 – 30 Proben, die eine hohe Varianz des Ligningehalts aufweisen, notwendig. Im Vortrag werden erste Untersuchungs¬ergebnisse für die Vorhersage des Ligningehalts von Kiefernhölzern, die für ein Jahr in dem Exploratorium Schorfheide exponiert wurden, vorgestellt. Die anschließende explorative Datenanalyse (PCA) unter Verwendung von insgesamt 28 Variablen zur Beschreibung klimatischer und Umgebungsparameter weist eine Reihe interessanter Korrelationen auf. Demnach ist der Ligningehalt auf der ersten Hauptkomponente (29% erklärte Varianz) positiv mit dem C/N-Verhältnis und negativ mit Landnutzungsindex korreliert. Masseverlust und Temperatur hingegen dominieren die zweite Hauptkomponente (12% erklärte Varianz).
The transformation of a base-catalyzed, mechano-assisted Knoevenagel condensation of mono-fluorinated benzaldehyde derivatives (p-, m-, o-benzaldehyde) with malonodinitrile was investigated in situ and in real time. Upon milling, the para-substituted product was found to crystallize initially into two different polymorphic forms, depending on the quantity of catalyst used. For low catalyst concentrations, a mechanically metastable phase (monoclinic) was initially formed, converting to the mechanically stable phase (triclinic) upon further grinding. Instead, higher catalyst concentrations crystallize directly as the triclinic product. Inclusion of catalyst in the final product, as evidenced by mass spectrometric analysis, suggests this complex polymorphic pathway may be due to seeding effects. Multivariate analysis for the in situ Raman spectra supports this complex formation pathway, and offers a new approach to monitoring multi-phase reactions during ball milling.
Spatial Heterodyne Spectroscopy (SHS) is a spectrometric technique that combines both dispersive and interferometric features into a customizable instrument. The Basis of SHS is a Michelson interferometer with its mirrors replaced by diffraction gratings and with no moving parts. The output signal from SHS is the interferogram, which is recorded with a 1D or 2D pixel array detector. The spatial periodicity of the fringes on the interferogram is a function of the wavelength of the diffracted light. Using the Fast Fourier Transform, the original optical spectrum that enters SHS is retrieved. The light that is analyzed by SHS can come from a variety of sources. In our work, we used Raman scattering and Laser-Induced Plasma to perform quantitative and qualitative analyses. Figure 1 compares the performance of the SHS with that of high Resolution echelle and portable low-resolution asymmetrically crossed Czerny-Turner spectrometers (OO in Fig.1). The analyzed light came from the plasma induced on a stainless-steel reference material. The SHS exhibits the resolution comparable to that of the echelle spectrometer used, about 8000. Due to a high throughput of the SHS (theoretically, ~200 times higher than that of grating instruments), the number of spectra needed to be accumulated for comparable signal-to-noise ratios is much smaller than in the case of the echelle and comparable to OO spectrometers.
Examples of Raman SHS applied to several pure liquids are given in Fig. 2. Raman SHS was used in three different settings: (i) for classification of six types of oils, (ii) for univariate/multivariate analysis of binary mixture cyclohexane-isopropanol, and (iii) for multivariate analysis of glycerol solution in water. For the last two settings, chemometric analysis of the spectra yielded linear calibration plots over the range 1-90% of concentrations of isopropanol in cyclohexane, and 0.5-10% of glycerol in water.
Raman band widths of anhydrite II reveal the burning history of high‐fired medieval gypsum mortars
(2019)
When used as a mineral binder, gypsum is thermally dehydrated and mixed with water, resulting in a paste hardening in the backreaction to calcium sulphate dihydrate (CaSO4 · 2 H2O). Although nowadays mainly hemihydratebased (CaSO4 · ½ H2O) binders are employed, higher firing temperatures in medieval kilns yielded anhydrite II (CaSO4). Except for the discrimination of the metastable phases anhydrite III and I due to different crystal structures, variations within the production temperature range of anhydrite II (approximately 300 to 1180°C) were not analytically accessible until recently. This study describes the development of an analytical technique, which is based on steady changes of band widths in room‐temperature Raman spectra of anhydrite II as a function of burning temperature. Raman microspectroscopic mapping experiments enable to pinpoint individual unreacted grains of thermal anhydrite in mortars and to discriminate them from natural anhydrites originating from the raw gypsum. The determination of band full widths at half maximum of down to 3 cm−1 and differences between them of a few tenths of wavenumbers is not a trivial task. Thus, a focus of this work is on peak fitting and strategies for correction of instrument‐dependent band broadening, which is often neglected also beyond the field of mortar analysis. Including other potential influences on band widths, burning temperatures of 400 to 900°C can be retraced in high‐fired medieval gypsum mortars with an uncertainty of approximately ± 50 K, as demonstrated with sample material of a stucco sculpture dated around 1400.
µ-FTIR spectroscopy is a widely used technique in microplastics research. It allows to simultaneously characterize the material of the small particles, fibers or fragments, and to specify their size distribution and shape. Modern detectors offer the possibility to perform two-dimensional imaging of the sample providing detailed information. However, datasets are often too large for manual evaluation calling for automated microplastic identification. Library search based on the comparison with known reference spectra has been proposed to solve this problem.
To supplement this ‘targeted analysis’, an exploratory approach was tested. Principal component analysis (PCA) was used to drastically reduce the size of the data set while maintaining the significant information. Groups of similar spectra in the prepared data set were identified with cluster analysis. Members of different clusters could be assigned to different polymer types whereas the variation observed within a cluster gives a hint on the chemical variability of microplastics of the same type. Spectra labeled according to the respective cluster can be used for supervised learning. The obtained classification was tested on an independent data set and results were compared to the spectral library search approach.
Binder remnants in historical mortars represent a record of the connection between the raw materials that enter the kiln, the process parameters, and the end product of the calcination. Raman microspectroscopy combines high structural sensitivity with micrometre to sub-micrometre spatial resolution and compatibility with conventional thin-sectional samples in an almost unique fashion, making it an interesting complementary extension of the existing methodological arsenal for mortar analysis. Raman spectra are vibrational fingerprints of crystalline and amorphous compounds, and contain marker bands that are specific for minerals and their polymorphic forms. Relative intensities of bands that are related to the same crystalline species change according to crystal orientations, and band shifts can be caused by the incorporation of foreign ions into crystal lattices, as well as stoichiometric changes within solid solution series. Finally, variations in crystallinity affect band widths. These effects are demonstrated based on the analysis of three historical mortar samples: micrometric distribution maps of phases and polymorphs, crystal orientations, and compositional variations of solid solution series of unreacted clinker grains in the Portland cement mortars of two 19th century castings, and the crystallinities of thermal anhydrite clusters in a high-fired medieval gypsum mortar as a measure for the applied burning temperature were successfully acquired.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe (polybromierte Flammschutzmittel) in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.