Analytische Chemie
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Prozess-Sensoren 4.0 vereinfachen ihre Einbindung über Plug and Play, obwohl sie komplexer werden. Sie bieten Selbstdiagnose, Selbstkalibrierung und erleichterte Parametrierung. Über die Konnektivität ermöglichen die Prozess-Sensoren den Austausch ihrer Informationen als Cyber-physische Systeme mit anderen Prozess-Sensoren und im Netzwerk. Der Aufbruch von der aktuellen Automation zum smarten Sensor hat bereits begonnen. Automatisierungstechnik und Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) verschmelzen zunehmend. Wenn die Prozessindustrie dieses nicht definiert, tun es andere.
Für die weitere Entwicklung von der Ist‐Situation zu einer Industrie-4.0-Welt in der Prozessindustrie werden mehrere Szenarien diskutiert. Diese reichen vom erleichterten Abruf sensorbezogener Daten über zusätzliche Kommunikationskanäle zwischen Sensor und mobilen Endgeräten über vollständig bidirektionale Kommunikation bis hin zur Einbindung der Cloud und des Internets in virtualisierte Umgebungen.
Um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Sensoren untereinander zu kommen, muss mindestens ein einheitliches Protokoll her, das alle Sensoren sprechen und verstehen. Der derzeit greifbarste offengelegte Standard, der moderne Kommunikationsanforderungen erfüllt, ist OPC Unified Architecture (OPC-UA). Viele halten das Sortieren der Kommunikationsstandards für eines der wesentlichen Errungenschaften von Industrie 4.0.
Eine Topologie für smarte Sensoren, das Zusammenwirken mit daten- und modellbasierte Steuerungen bis hin zur Softsensorik sowie weitere Anforderungen an Sensoren sind jedoch heute noch nicht angemessen beschrieben. Wir müssen jetzt schnell die Weichen für eine smarte und sichere Kommunikationsarchitektur stellen, um zu einer störungsfreien Kommunikation aller Sensoren auf Basis eines einheitlichen Protokolls zu kommen, welches alle Sensoren ausgeben und verstehen.
Aktuelle und zukünftige öffentliche Förderung von Industrie 4.0-Projekten sind eine gute Investition. Wegen der hohen Komplexität und Interdisziplinarität gelingt die Umsetzung nur gemeinsam zwischen Anwendern aus der Prozessindustrie, Software- und Geräteherstellern und Forschungsgruppen. Anwender sind gefragt, diese neue Technologie durch eine beschleunigte Validierung und Akzeptanz umzusetzen. Sie erhalten die einzigartige Chance, ihre Prozesse und Anlagen wettbewerbsfähig zu halten. Kooperativ betriebenen F&E-Zentren und gemeinsam anerkannten Applikationslaboren kommt dafür eine hohe Bedeutung zu.
2D evaluation of spectral LIBS data derived from heterogeneous materials using cluster algorithm
(2017)
Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is capable of providing spatially resolved element maps in regard to the chemical composition of the sample. The evaluation of heterogeneous materials is often a challenging task, especially in the case of phase boundaries. In order to determine information about a certain phase of a material, the need for a method that offers an objective evaluation is necessary. This paper will introduce a cluster algorithm in the case of heterogeneous building materials (concrete) to separate the spectral information of non-relevant aggregates and cement matrix. In civil engineering, the information about the quantitative ingress of harmful species like Cl−, Na+ and SO2−4 is of great interest in the evaluation of the remaining lifetime of structures (Millar et al., 2015; Wilsch et al., 2005). These species trigger different damage processes such as the alkali-silica reaction (ASR) or the chloride-induced corrosion of the reinforcement. Therefore, a discrimination between the different phases, mainly cement matrix and aggregates, is highly important (Weritz et al., 2006). For the 2D evaluation, the expectation-maximizationalgorithm (EM algorithm; Ester and Sander, 2000) has been tested for the application presented in this work. The method has been introduced and different figures of merit have been presented according to recommendations given in Haddad et al. (2014). Advantages of this method will be highlighted. After phase separation, non-relevant information can be excluded and only the wanted phase displayed. Using a set of samples with known and unknown composition, the EM-clustering method has been validated regarding to Gustavo González and Ángeles Herrador (2007).
Graphene derivatives have shown great promise in the field of pathogen binding and sensing. Due to their diverse applications, they show a variety of activities that range from bacterial adhesion to bacterial resistance. Therefore, domination of the graphene-pathogen interactions is highly relevant for producing 2D platforms with the desired applications. In order to gain control over the interactions between graphene and biosystems, mechanisms should be fully understood. The surface functionality of graphene is one of the most important factors that dominates its interactions with biosystems and pathogens. Covalent functionalization is a robust method through which functionality, chemical structure, and subsequently physicochemical properties of graphene are abundantly manipulated. A critical issue for preparing graphene-based 2D materials with a defined surface structure, however, is controlling the functionalization in terms of number, position, and type of functional groups.
Graphene and its derivatives have recently attracted much attention for sensing and deactivating pathogens. However, mechanism of multivalent interactions at the graphene-pathogen interface are not fully understood. Since different physicochemical parameters of graphene play a role at this interface, control over graphene’s structure is necessary to study the mechanism of these interactions. In this work, zwitterionic graphene nanomaterials (ZGNMs) were synthesized with defined isoelectric points and exposure, in terms of polymer coverage and functionality. Then, the switchable interactions of ZGNMs with E. coli were investigated to study the validity of the generally proposed “trapping” mechanism for inactivating pathogens by functionalized graphene derivatives. The ZGNMs were able to controllably trap and release E. coli by crossing their isoelectric points.
A series of twelve 3-piperazinyl propenylidene indolone merocyanines was synthesized in a one-pot fashion using a consecutive three-component insertion-coupling-Michael addition sequence. Physicalorganic treatment of the absorption data of a consanguineous series of this library allows semiquantitative Linear Free Energy Relationships (LFERs) to be established and confirmation of the positive Absorption solvatochromicity. All Boc-substituted piperazinyl merocyanines display aggregation induced Emission (AIE), which was corroborated for two solvent systems. In particular, crystallization-induced Emission enhancement (CIEE) induced by ultrasonication could be shown for a model chromophore by confocal laser scanning microscopy (CLSM).
Structure elucidation of complex synthetic copolymers still represents a challenge. A one-dimensional separation technique cannot give the answer to the question: What are the molar mass distribution (MMD), the functionality distribution (FTD), the chemical composition distribution (CCD), the monomer sequence distribution (MSD), the topology differences within a single broad distributed polymer sample?
Is the coupling of liquid chromatographic separation techniques to mass spectrometry able to fill the gaps to a certain degree?
Different LC separation techniques as size exclusion chromatography (SEC), liquid adsorption chromatography (LAC), liquid chromatography at critical conditions (LCCC) and gradient elution liquid chromatography (GELC) combined with Matrix assisted Laser Desorption Ionization (MALDI) respectively Electrospray Ionization (ESI) Time of Flight (TOF) mass spectrometry are able to give information which otherwise are completely inaccessible. In some cases, CID tandem mass spectrometry is applied. Fragmentation of suitable precursor ions resulted in typical fragment ion patterns. This technique enables an additional information on e.g. sequences, structural defects and topology of complex polymer mixtures.
Often the deficiencies of stand-alone methods can be bridged. LC, blind to structural information needs mass spectrometry as one of the most powerful detectors able to give detailed information on e.g. the repeat units, functionalization or copolymer composition of the chromatographic separated constituents. A separation prior to MS reduces radical the dispersity which is one of the reasons for failing of MS. Also problems with different ionization probabilities in complex mixtures can partly be overcame.
The lecture will provide a series of examples where LC-MS has been applied to evaluate complex macromolecules and mixtures of these.
On- and offline coupling principles will be compared and the pros and cons of both mass spectrometric techniques will be discussed.
Most crucial for components of complex shape or heterogeneous micro structure, precise control of sintering has decisive influence on dimensional accuracy, mechanical integrity and reliability of sintered components. In these cases, only in situ 3D high-temperature shape screening during shrinkage would allow revealing temporary sinter warpage and hereby caused potential defects. Against this background, nokra Optische Prüftechnik und Automation GmbH, HTM Reetz GmbH and BAM developed a testing device for in situ 3D shape screening for ceramic and glass-ceramic tapes up to 1000°C by means of high-temperature laser profilometry. The local repeatability of the sample-sensor distance (sample height profile) is 10 µm at 1000°C. Current work is focused on dropping these restrictions in sample shape and temperature. In a second testing device, currently being in development, samples up to 5 cm x 5 cm x 5 cm can be measured at temperatures up to 1500°C.The presentation illustrates the current state of this work and possible applications of the method.
Aktive Thermografie wird zunehmend für die zerstörungsfreie Prüfung insbesondere von dünnwandigen Bauteilen eingesetzt. Neben der Ortung und der Bestimmung der lateralen Ausdehnung von Fehlstellen und Inhomogenität in der Ebene parallel zur Oberfläche sind in den Messdaten auch Informationen über die Tiefe bzw. Überdeckung von Fehlstellen enthalten. In der Vergangenheit wurden verschiedene analytische Ansätze zur Rekonstruktion dieser Tiefeninformationen umgesetzt:
- Bestimmung der Blindfrequenz über die Phaseninformationen der Puls-Phasen-Thermografie
- Bestimmung des Phasenkontrastes bei der Lockin Thermografie
- Bestimmung der Fehlstellentiefe mittels Thermal Signal Reconstruction (TSR), d. h. aus dem
doppeltlogarithmisch dargestellten zeitlichen Verlauf der Abkühlung nach impulsartiger Erwärmung
Nachteil aller bisherigen analytischer Verfahren basierend auf eindimensionalen Modellen ist, dass der Einfluss lateraler Wärmeleitungseffekte nicht berücksichtigt wird. Dieser kann jedoch bei kleineren Fehlstellen nicht mehr vernachlässigt werden, wozu bisher jedoch nur teilempirische Ansätze realisiert wurden. Erst numerische Rekonstruktionsverfahren ermöglichen eine Rekonstruktion auch komplexerer Defektgeometrien unter Berücksichtigung lateraler Wärmeleitungsprozesse sowie anisotroper thermischer Materialeigenschaften. In diesem B
eitrag werden die verschiedenen Ansätze in der 3D-Datenanalyse der aktiven Thermografie miteinander verglichen und die Möglichkeiten und Grenzen der Verfahren vorgestellt.