Analytische Chemie
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Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are widely used for durable water-repellent finishing of different fabrics and textiles like outdoor clothing, carpets, medical textiles and more. Existing PFAS extraction techniques followed by target analysis are often insufficient in detecting widely used side-chain fluorinated polymers (SFPs) that are barely or non-extractable. SFPs are typically copolymers consisting of a non-fluorinated backbone with perfluoroalkyl side-chains to obtain desired properties. We compared the accessible analytical information and performance of complementary techniques based on oxidation (dTOP assay, PhotoTOP), hydrolysis (THP assay), standard extraction, extractable organic fluorine (EOF), and total fluorine (TF) with five functional textiles and characterized 7 further textiles only by PhotoTOP oxidation. The results show that when applied directly to textile samples, oxidation by dTOP and PhotoTOP and also hydrolysis by the THP are able to capture large fractions of the TF in form of perfluoroalkyl side-chains present in the textiles while methods relying on extracts (EOF, target and non-target analysis) were much lower (e.g., factor ~25-50 lower). The conversion of large fractions of the measured TF into PFCAs or FTOHs from fluorinated side chains is in contrast to previous studies. Concentrations ranged from <LOQ to over ~1000 mg F/kg after oxidation/hydrolysis and <LOQ to over 2000 mg F/kg for TF, while EOF and target PFAS in extracts were detected at much lower concentrations (up to ~ 60 mg F/kg) (amount of fluorine in the order: extraction << EOF << oxidation/hydrolysis ≤ TF). Perfluoroalkyl carboxylic acids (PFCAs) and fluorotelomer alcohols (FTOHs) from THP and PhotoTOP both represented the chain-length distribution in the textiles showing that long-chain SFPs are still used in current textiles. Further advantages and disadvantages of the applied methods are discussed.
The microstructure of an apatite-wollastonite (code name AP40) glass-ceramic is analyzed in this study by combining 2D microscopy, phase analysis, X-ray absorption and synchrotron X-ray refraction computed tomography (XCT and SXRCT, respectively). It is shown that this combination provides a useful toolbox to characterize the global microstructure in a wide scale range, from sub-micrometer to millimeter. The material displays a complex microstructure comprising a glassy matrix with embedded fluorapatite and wollastonite small crystals. In this matrix, large (up to 200 μm) spike-shaped structures are distributed. Such microstructural features are oriented around a central sphere, thereby forming a structure resembling a sea urchin. A unique feature of SXRCT, in contrast to XCT, is that internal interfaces are visualized; this allows one to show the 3D distribution of these urchins with exceptionally good contrast. Furthermore, it is revealed that the spike-shaped structures are not single crystals, but rather composed of sub-micrometric crystals, which are identified as fluorapatite and diopside phases by SEM-EDX analysis.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung bei der Auswertung von Schienenprüfungen zu verbessern. Der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung wird analysiert und die Schienenfehler sowie Artefakte werden in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem weiteren Schritt die automatische Fehlererkennung und Klassifizierung mit KI-Algorithmen trainieren zu können. Zu diesem Zweck werden Ultraschalldatensätze auf der Grundlage der Regelwerke und Informationen aus der Instandhaltung mit einer Simulationssoftware erstellt, die Anzeigen der verschiedenen Schienenschädigungen und Artefakte enthalten.
Die Schienenfehler werden bei der Auswertung in Fehlerklassen eingeordnet, für das KI-Training priorisiert und auf Basis der von der DB Netz AG ausgewählten Informationen untersucht. Hierfür werden die Schienenfehler nach den für das KI-Training relevanten Merkmalen zerlegt und die Konfiguration der Parameter der Simulation entsprechend abgestimmt.
Für die Grundstruktur des Datensatzes wird ein Schienenmodell mit einer Länge von einem Meter für die Simulation eingesetzt, auf dessen Basis alle bei der Schienenprüfung zu verwendenden Prüfköpfe für den jeweiligen Reflektortyp betrachtet werden. Die simulierten Daten werden auf einer Testschiene im Labormaßstab validiert. Mögliche Einflussparameter wie z. B. der Signal-Rausch-Abstand sowie die Fahrgeschwindigkeit werden in den Datensätzen herangezogen. Die Zusammenstellung eines Testdatensatzes mit lokal veränderlichen Einflussgrößen erfolgt aus den simulierten Daten unter Verwendung der skriptbasierten Programmierumgebung Python und Matlab.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AIFRI „Arteficial Intelligence for Rail Inspection“ wird der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem zweiten Schritt mit KI-Algorithmen eine automatisierte Defekterkennung und -klassifizierung trainieren zu können. Hierzu werden relevante Schienenschädigungen und in der Schiene vorhandene Artefakte analysiert und in skalierbare Modelle übertragen.
Die Norm DIN EN 16729-1 „Bahnanwendungen - Infrastruktur - Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis - Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ gilt für die Prüfausrüstung von Schienenprüffahrzeugen und handgeführten Rollgeräten und legt die Anforderungen an die Prüfgrundsätze und -systeme bei der Prüfung verlegter Eisenbahnschienen fest, um vergleichbare Ergebnisse in Bezug auf Lage, Art und Größe der Unregelmäßigkeiten in den Schienen zu erhalten.
Um die Performance von Prüfsystemen in der Simulation zu evaluieren, wurden die in den Anhängen der DIN EN 16729-1 angegebenen Bezugsreflektoren als künstliche Reflektoren (nach Anhang A) und simulierte Reflektoren (nach Anhang B) in einem digitalen Zwilling mit einem Schienenprofil 54E4 nach DIN EN 13674-1 sowie mit vereinfachter Geometrie als virtuelle Testschienen abgebildet.
Die Simulationen wurden mit den in den Tabellen 3 und 4 nach DIN EN 16729-1 definierten Prüfkopfwinkeln durchgeführt. Die Rechnungen wurden im Labormaßstab an Testkörpern verifiziert und die Signal-Rausch-Abstände für Untersuchungen im Feld ermittelt.
Ergebnisse der Untersuchungen und Möglichkeiten der Anwendung werden vorgestellt.
Das Forschungsvorhaben wird durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) im Rahmen von mFund unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 gefördert.
An observation of the fracture process in front of the crack tip inside a dentin sample by means of ex-situ X-ray computed tomography after uniaxial compression at different deformation values was carried out in this work. This ex-situ approach allowed the microstructure and fracturing process of human dentin to be observed during loading. No cracks are observed up to the middle part of the irreversible deformation in the samples at least visible at 0.4μm resolution. First cracks appeared before the mechanical stress reached the compression strength. The growth of the cracks is realized by connecting the main cracks with satellite cracks that lie ahead of the main crack tip and parallel its trajectory. When under the stress load the deformation in the sample exceeds the deformation at the compression strength of dentin, an appearance of micro-cracks in front of the main cracks is observed. The micro-cracks are inclined (~60°) to the trajectory of the main cracks. The further growth of the main cracks is not realized due to the junction with the micro-cracks; we assume that the micro-cracks dissipate the energy of the main crack and suppressed its growth. These micro-cracks serve as additional stress accommodations, therefore the samples do not break apart after the compression test, as it is usually observed under bending and tension tests.
Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) emerged as a powerful technique for trace analysis of soil due to its multi-element capability, high sensitivity and low sample consumption. However, despite its success and widespread use, ICP-MS has several persistent drawbacks, such as high argon gas consumption, argon-based polyatomic interferences and the need for complicated RF-power generators. Unlike argon-based ICP, the nitrogen microwave inductively coupled atmospheric pressure mass spectrometry (MICAP-MS) uses nitrogen as plasma gas, which eliminates high operating costs associated with argon-gas consumption as well as the argon-based interferences1. In this work, the applicability of MICAP-MS for elemental analysis in different matrices is investigated. For this purpose, reference soil samples and steel samples are digested with aqua regia and used for analysis. Concentrations of selected elements are determined using MICAP-MS and validated with ICP-MS und certified values. Sensitivities, limits of detection and gas consumption for both methods are compared and discussed in detail. Performance of MICAP-MS under different nitrogen plasma gas concentrations is investigated and compared. Moreover, the performance of MICAP-MS in alloy matrices is investigated and discussed.
The digitalization of quality control processes and the underlying data infrastructures for safety relevant components, such as hydrogen pressure vessels, plays a significant role in the transition towards Industry 4.0. In the current safety regulations for hydrogen pressure vessels, there is no established concept for structural health monitoring. The development of a reliable structural health monitoring methodology for monitoring the structural integrity of pressure vessels enables a fast-forward transition from personnel- and costintensive recurring inspections, a.k.a. periodic maintenance, to predictive maintenance. In the work presented; we investigated the application of ultrasonic guided wave propagation to monitor and assess the condition of Type IV composite overwrapped pressure vessel (COPV). A sensor network of fifteen piezo-electric wafers is placed on the carbon fibre reinforced composite cylinder. Five different artificial damage configurations are created by gluing two different weight blocks on three different locations. The database containing measured guided wave data sets is enriched by two different boundary conditions. We utilized an open-source software, openBIS labnotebook, to store and analyse experimental datasets. The guided wave ultrasonic signals were investigated and analysed by using commonly used ultrasonic features (e.g., amplitude, frequency, time of flight) as well as non-traditional time-series features (kurtosis, skewness, variance). The features were used to calculate damage index and the detection performance for the results has been evaluated. The results suggest that both traditional and non-traditional features assume significant importance in artificial damage detection. The future works will additionally involve the impacts of operational conditions, such as periodic pressure variations temperature loadings as well as material degradations.
Accurate and precise isotope ratio measurements of heavy elements are playing an increasinglyimportant role in modern analytical sciences and have numerous applications. Today, isotope ratio measurements are typically performed with two principal techniques: thermal ionization mass spectrometry (TIMS) and multiple collector-inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS). To obtain accurate results by mass spectrometry, isotopic certified reference materials (iCRMs) are needed for mass bias correction and for the validation of the method used for analysis.Thus, it is of paramount importance to achieve measurement comparability of all data reported, and to assess measurement capability of each CRM producer/National Metrology Institute (NMI). Therefore, the international comparison (CCQM-P213) was performed to assess the analytical capabilities of NMIs for the accurate determination of copper isotope ratio delta values in high purity materials. The study was proposed by the coordinating laboratories, National Research Council Canada (NRC), National Institute of Standards and Technology (NIST), Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), as an activity of the Isotope Ratio Working Group (IRWG) of the Consultative Committee for Amount of Substance - Metrology in Chemistry and Biology (CCQM). Participants included six NMIs and one designated institute (DI) from the six countries. Although no measurement method was prescribed by the coordinating laboratories, MC-ICP-MS with either standard-sample bracketing (SSB) or combined SSB with internal normalization (C-SSBIN) models for mass bias correction were recommended. Results obtained from the six NMIs and one DI were in good agreement.