Analytische Chemie
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Eingeladener Vortrag
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Themenschwerpunkt des 11. Kolloquiums war „Vom Sensor zur Prozessintelligenz“. Diskutiert wurde damit über die neusten Fortschritte in der Messtechnik und deren Implementierung sowie über neue Aspekte der Modellierung und das Umsetzen, also das Leben des daraus generierten Wissens im Prozess.
Das 11. Kolloquium Prozessanalytik in Wien startete mit einem Konferenzvorkurs zum Thema Ressourcenanalytik. Bei der Erschließung, Förderung und Umsetzung von natürlichen Rohstoffen gewinnen analytische Online-Verfahren eine immer größere Bedeutung. Gleichzeitig liegen die Analyte jedoch in sehr heterogenen Matrizes vor, sodass die Ressourcenanalytik ein sehr herausforderndes, für Fachleute damit aber auch sehr spannendes Thema ist.
Für diesen interdisziplinären Brückenschlag fanden an den beiden Hauptveranstaltungstagen vier Sessions mit jeweils drei Fachvorträgen und anschließender Diskussion statt: Im ersten Vortragsblock Sensoren – „messen“ wurden beispielhaft neue Messtechniken sowie übergeordnet deren Einbindung in die digitale Welt über Zukunftstrends wie Industrie 4.0 oder die Technologieroadmap Prozess-Sensoren 4.0 beschrieben. Mit Automatisierung – „implementieren“ wurden in einer zweiten Session Herausforderungen aber auch konkrete Lösungswege bei der Implementierung von Messtechnik im industriellen Umfeld aufgezeigt. Die Vortragsreihe Modelle – „erkennen“ widmete sich am zweiten Veranstaltungstag der Fragestellung, wie Messergebnisse in Wissen transferiert werden können, wobei insbesondere entsprechende Erfahrungen aus der Bioprozesstechnik zugänglich gemacht wurden.
Ebenfalls am zweiten Tag war schließlich Life-Cycle-Management – „leben“ Titel der „österreichischen Session“ zum Schwerpunktthema des Kolloquiums. In den drei Vorträgen wurde gezeigt, wie einmal generiertes Prozesswissen durch gutes Wissensmanagement und dessen Werkzeuge nicht nur tradiert sondern auch transferiert werden kann.
Besondere Berücksichtigung fanden beim diesjährigen Kolloquium auch die fast 40 hochqualitativen Posterbeiträge. Neben den ausgedehnten Postersessions an beiden Veranstaltungstagen erhielten die Autoren in zwei Posterslams jeweils eineinhalb Minuten Zeit, ihre Arbeit vorzustellen und das Fachpublikum zu vertiefenden Gesprächen im Anschluss einzuladen. Damit rückten nicht nur diese wertvollen Beiträge noch mehr ins Zentrum der Aufmerksamkeit, auch das Auditorium hatte so Gelegenheit, die Posterausstellung noch gezielter wahrzunehmen.
The modeling of waveguides by means of the Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) has recently been addressed and is considered an effective procedure for the simulation of ultrasonic guided waves in plates and uniform structures, as well as their interaction with defects. This work presents the extension of the known applications like uniform concrete foundation cylinders to structures with more complex shapes and defects. The main focus is the required modeling of 3-D structures in SBFEM to solve these efficiently. Furthermore the coupling of different models is discussed. This involves models like a mainly uniform foundation cylinder with varying material behavior or geometry in certain areas which has to be modeled in 3-D SBFEM. With the presentation of numerical examples the accuracy and performance of the modeling is discussed and the advantages in improving numerical stability are shown.
Das interdisziplinäre Doktorandenseminar, das unter den Teilnehmerinnen und Teilnehmern mittlerweile als echter Geheimtipp gehandelt wird, startete dieses Mal gleich in medias res mit einem Design-Thinking-Workshop zum Thema "Prozessanalytik für Industrie 4.0". Das Thema ist derzeit in aller Munde, erfährt eine eigene Dynamik und es wird hierzulande kräftig an Roadmaps und White Papers gestrickt. So kam aus Fachkreisen der VDI/GMA und NAMUR der Vorschlag, die Generation der zukünftigen Kolleginnen und Kollegen zu dem Thema zu befragen, die die heute verbrochenen Konzepte zukünftig selber ausbaden müssen.
Die Vorträge der nächsten beiden Tage umfassten wieder ein sehr breites und interdisziplinäres Themen-, Methoden- und Anwendungsspektrum. Neben lumineszenten Temperatursensoren in Mikrochipreaktoren, Mikromischer NMR-Detektion und in Arbeitsschutzkleidung integrierte Chemosensorik folgten einige Vorträge zu Verbesserungen und neunen Konzepten von Biosensoren sowie für Immuno-Micorarray-Verfahren. Die ebenfalls diskutierten Identifizierungs- und Quantifizierungsverfahren reichten von der Kokskohle bis zur Arzneitablette. Desweiteren wurde der Bogen von lumineszenten Nanopartikeln zu Kalibrationsstandards für Trübungssonden gespannt. Neben den Erzeugen der Daten ist ein intelligentes Datenmanagement notwendig um die Informationen auch zu verarbeiten und entsprechend dem User zu präsentieren.
Die interdisziplinäre Ausrichtung und Vielfalt der verschiedenen Forschungsbereiche spiegelte sich auch in den Postersession wieder. Die Themen umfassten etwa Softsensoren für die Regelung von CHO-Zellkultivierungen, Prozessanalytik für die Reaktivabsorption von CO2 aus industriellen Gasströmen oder Alkoholmarker in menschlichem Haar, um nur einige zu nennen.
The syntheses, crystal structures, and physical properties of [HFe19O14(OEt)30] and {Fe11(OEt)24}1 are reported. [HFe19O14(OEt)30] has an octahedral shape. Its core with a central Fe metal ion surrounded by six m6-oxo ligands is arranged in the rock salt structure. {Fe11(OEt)24}1 is a mixedvalence coordination polymer in which FeIII metal ions form three 3D interpenetrating (10,3)-b nets. The arrangement of the FeIII ions can also be compared to that of Si ions in a-ThSi2. Thus, the described structures are at the interface between molecular and solid-state chemistry.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is a powerful tool for probing the local chemical environment ofatoms near surfaces. When applied to soft matter, such as polymers, XPS spectra are frequently shifted andbroadened due to thermal atom motion and by interchain interactions. We present a combined quantummechanical QM/molecular dynamics (MD) simulation of X-ray photoelectron spectra of polyvinyl alcohol(PVA) using oligomer models in order to account for and quantify these effects on the XPS (C1s) signal. Inour study, molecular dynamics at finite temperature were performed with a classical forcefield and by abinitio MD (AIMD) using the Car–Parrinello method. Snapshots along the trajectories represent possibleconformers and/or neighbouring environments, with different C1s ionization potentials for individualC atoms leading to broadened XPS peaks. The latter are determined by Δ-Kohn Sham calculations. Wealso examine the experimental practice of gauging XPS (C1s) signals of alkylic C-atoms in C-containingpolymers to the C1s signal of polyethylene. We find that (i) the experimental XPS (C1s) spectra of PVA (position and width) can be roughly repre-sented by single-strand models, (ii) interchain interactions lead to red-shifts of the XPS peaks by about0.6 eV, and (iii) AIMD simulations match the findings from classical MD semi-quantitatively. Further, (iv)the gauging procedure of XPS (C1s) signals to the values of PE, introduces errors of about 0.5 eV.
Reliable analysis of chemical indicators in water, sediment and soil samples for the purpose of environmental pollution assessment poses one of the greatest analytical challenges, having in mind the complexity of sample matrix and low concentrations of pollutants. Organics (pesticides, PAHs, PCBs, etc.) and heavy metals (Hg, Cd, Ni, Pb and As) represent target parameters. Laboratories performing sampling and tests in this field regulated by respective EU directives, need strong support in terms of providing them with appropriate matrix CRMs enabling the process of quality control. NMIs and DIs with proven metrological capabilities for the production and certification of such materials are necessary for the provision of quality data. This project is aiming to develop capacity to produce CRMs for environmental analysis by transferring the theoretical and practical know-how between the partners and combining their skills to focus on environmental CRM production in accordance with ISO Guide 34. Production process includes good manufacturing practices for processing materials, method development and validation for homogeneity, stability and characterisation tests, characterisation of selected analytes together with additional information about matrix constituents, the calculation of individual uncertainties (between units inhomogeneity, long term stability, characterisation) and combination of uncertainties to determine overall uncertainty of the matrix reference materials. Inter laboratory comparison registered as EURAMET project is set as the ultimate project outcome, confirming the partners’ capabilities in applying newly acquired skills.
This project aims to develop capacity to produce certified reference materials (CRMs) for environmental analysis by transferring know-how between the partners and combining their skills to focus on environmental CRM production. The production process includes good manufacturing practices for processing materials, method development, the validation and application of homogeneity, stability and characterisation tests, the calculation of individual uncertainties (between-unit inhomogeneity, long term stability, characterisation) and combination of uncertainties to determine overall uncertainty of the matrix reference materials. An inter laboratory comparison registered as a EURAMET project is set as the ultimate project outcome, confirming the partners’ capabilities in applying newly acquired skills.
Supplementary cementitious materials (SCMs) are largely used all over the world. The leading SCMs are fly ash (FA) and slag. However, such materials originate from industries that are not well established in sub-Saharan Africa (SSA). Therefore, it becomes extremely challenging and expensive to build up sustainable cement and concrete. For SSA, agriculture is one of the leading economic sectors. Agricultural by-products such as rice husk ash (RHA), can be a potential binder material beneficial for use in a cementitious system. RHA combined with limestone filler (LSF) is an option that can be practised for rice producing countries in Africa.
The importance of microRNA (miRNA) dysregulation for the development and progression of diseases and the discovery of stable miRNAs in peripheral blood have made these short-sequence nucleic acids next-generation biomarkers. Here we present a fully homogeneous multiplexed miRNA FRET assay that combines careful biophotonic design with various RNA hybridization and ligation steps. The single-step, single-temperature, and amplification-free assay provides a unique combination of performance parameters compared to state-of-the-art miRNA detection technologies. Precise multiplexed quantification of miRNA-20a, -20b, and -21 at concentrations between 0.05 and 0.5 nm in a single 150 mL sample and detection limits between 0.2 and 0.9 nm in 7.5 mL serum samples demonstrate the feasibility of both highthroughput and point-of-care clinical diagnostics.
Quo Vadis – Kurzdarstellung
Im Fokus von Quo Vadis stehen die Qualitätssicherung von Verbundwerkstoffen und die Validierung der Zentrifugentechnologie zur quantitativen Bestimmung von Festigkeitswerten in der Beanspruchung auf Zug als Mehr-Proben-Prüfverfahren unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge (nachfolgend als „Adhesion Analyser LUMiFrac®“ bezeichnet). Zu den Festigkeiten, die mit Hilfe des LUMiFrac® unter Verwendung aufgeklebter Prüfstempel bestimmt werden, gehören die Fügefestigkeit (FF) von Klebverbindungen, die Haftfestigkeit (HF) von Beschichtungen sowie die Verbundfestigkeit (VF) von Faserverbundwerkstoffen. Aufbauend auf zwei Funktionsmustern der analytischen Zentrifuge sollen für die genannten Anwendungsszenarien (FF, HF, VF) in Anlehnung an die geltenden Normen DIN EN 15870 „Klebstoffe – Zugprüfung zur Bestimmung der Zugfestigkeit von Stumpfklebungen“ und DIN EN ISO 4624 „Beschichtungsstoffe – Abreißversuch zur Beurteilung der Haftfestigkeit“ geeignete Prüfstrategien und -abläufe sowie zum Klebprozess kompatible Aufnahmen für den Prüfkörperverbund in der Zentrifuge entwickelt werden.
Im Ergebnis des Vorhabens soll ein automatisiertes und validiertes Mehr-Proben-Prüfverfahren zur Qualitätssicherung von Verbundfestigkeiten zur Verfügung stehen, welches neben der Hardware auch eine Software für die angepassten Prüfstrategien in Form von SOPs (standard operating procedures) bereitstellt.
Die Online-medium-resolution-NMR-Spektroskopie wurde als neue Technik zur Überwachung verfahrenstechnischer Prozesse weiterentwickelt. Entlang der Prozesskette wurden an den verschiedenen Elementen der Online-Spektroskopie gearbeitet. Ein temperierbarer und druckfester Bypass erlaubt, die reagierende Mischung bei Reaktionsbedingungen über eine Pumpe in die NMR-Messzelle zu fördern, für die verschiedene Versionen von temperatur-isolierten NMR-Durchflusszellen berechnet, realisiert und mittels MRI hinsichtlich ihrer strömungsdynamischen und NMR-Eigenschaften charakterisiert wurden. Austauschbare Polymerleitungen für robuste, industrielle Anwendungen kamen ebenso zum Einsatz wie maßgeschneiderte Flusszellen zur Reduktion der Verweilzeitverteilung und des Stoffdurchsatzes. Bewertungsverfahren für MR-NMR-Spektrometer und Durchflusszellen auf Basis leicht verfügbarer Flüssigkeiten (wie z. B. Aceton, Ethanol, Wasser) wurden abgeleitet, Mindestspezifikationen für die Anwendbarkeit der MR-NMR im Prozessmonitoring wurden erarbeitet. Auf der Basis des Bypasssystems konnten einige verschiedene chemische Reaktionen im Bereich einiger 10 s zeitaufgelöst gemessen und ihre Kinetik auch im Fall von Nichtgleichgewichtsmagnetisierung und schneller Strömung analysiert werden. Voraussetzung ist eine stabile und automatisierte Datenbearbeitung, die sich nahtlos in den Workflow von der Datenakquisition bis zur Datenanalyse einbindet. Daher war ein weiteres Augenmerk auf die Datenvorbehandlung gelegt. Bekannte Algorithmen wie die automatisierte Phasenkorrektur entlang der „Minimum Entropy“ Methode und der Maximierung des Realteilspektrums wurden zusammen mit neuen Methoden wie dem Softewarelock implementiert und angewandt. Zur Bestimmung der Konzentrationen wurden verschiedene Verfahren wie die direkte Integration, die Spektrenmodellierung mit und ohne Vorkenntnisse sowie statistische Methoden der Chemometrie angewandt und verglichen. Ebenso ließen sich erstmalig quasiparallel akquirierte 1H- und 19F-MR-NMR-Spektren für die Prozesskontrolle mit gutem Ergebnis analysieren. Die erarbeiteten Konzepte und Verfahren sind unabhängig von der Hard- und -Software des MR-NMR Geräts und damit allgemein einsetzbar. Während des Projektverlaufs kamen Benchtop-Laborgeräte von einer wachsenden Zahl an Herstellern auf den Markt, die immer besser den Anforderungen der Spektroskopie gerecht werden. Online-MR-NMR-Spektroskopie erweitert die Prozessanalytik um eine bislang nur im Labor bekannte chemische Sensitivität gegenwärtig mit der Fähigkeit zur Unterscheidung von beispielsweise Aliphaten, Olefinen oder Aromaten (z. B. Hydrierung) oder Strukturänderungen (z. B. Isomerisierung), bei denen klassische Techniken an ihre Grenzen stoßen. Sie stellt nun eine Alternative für die Prozessanalyse dar, insbesondere wenn schnelle, zerstörungsfreie und integral arbeitende Methoden erforderlich sind.
Amplitudes variation of GPR rebar reflection due to the influence of concrete aggregate scattering
(2015)
Dense GPR measurements of rebar reflection amplitudes Show relative variations, which can be in the order of more than 10% - 20%. Former investigations demonstrated that these variations are caused by the heterogeneity of concrete, i.e. due to the inclusion of aggregates in concrete. These amplitude variations make it difficult to analyse single reflection amplitudes in order to determine the rebar diameter or to estimate the concrete deterioration state. In a systematic study we have quantified the statistical variation of the rebar reflection amplitude for concrete covers of 6 cm, 9 cm, 12 cm, 15 cm and 18 cm, for two different grading curves and for the rebar diameters 12 mm and 28 mm. Also the influence of the wavelength has been investigated by using antennas with different centre frequencies in relation to the aggregate size. The results are discussed with regard to a quantitative amplitude evaluation of GPR measurements and also the potential of using these variations for a characterization of concrete material properties.
N4-acetyl-SMX is the most important cross-reacting compound for the SMX-ELISA with concentrations of 1064 - 2488 ng/L in influent wastewater and 40 - 160 ng/L in effluent wastewater.
The ELISAgrams for estrone show less interfering signals than for SMX.
ELISAgrams of SMX and estrone display in effluent wastewater more interfering signals than in influent wastewater.
One of the most important collections of manuscripts and wall paintings from sites of the northern Silk Road, discovered at the beginning of the 20thC, are deposited in Berlin. The fragments represent a broad spectrum of scripts, languages, and painting styles depending on the region of origin and purpose of dissemination. The manufacturing material reflects the various influences in the oasis sites. Based on analyses of some pigments, examples are posed.
A new method for sampling wear particles directly from the lubricant reservoir has been developed and applied successfully for analyzing wear particles by high-resolution scanning electron microscopy in transmission mode having coupled energy-dispersive X-ray spectroscopy. The lubricated tribological testing was carried out with fully formulated as well as with non-formulated synthetic base oil. It was possible to analyze individual particles with dimensions as small as about 5–30 nm which are likely the 'primary' wear particles. A majority of the particles, however, are agglomerated and, thus, lead to the formation of larger agglomerates of up to a few micrometers. Chemical analysis led to the conclusion that most of the observed particles generated in formulated oil, especially the larger ones, are composed of the additives of the lubricant oil. In non-formulated base oil, the primary particles are of similar dimensions but contain only iron, chromium and oxygen, but most likely stem from the mating materials. This finding points to the fact that the main wear mechanism under lubricated conditions with fully formulated oil is more like a continuous shearing process rather than a catastrophic failure with the generation of larger primary particles. When the oil is non-formulated, however, several wear mechanisms act simultaneously and the wear rate is increased significantly. Generated larger primary particles are milled down to the nanoscale. When the oil is fully formulated, wear mainly takes places at the additive layer or tribofilm; thus, the steel surface is protected.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a fast and versatile technique for (semi) quantitative element analysis of solids, liquids, gases, and particulate matter. The LIBS method is used for optical sensing in various branches of industrial production. In the contribution we review some of our recent results on LIBS analysis of slags from secondary metallurgy in industrial steel making. Major oxides in steel slags are measured at-line and after homogenization using a calibration-free (CF) method. Two approaches for CF analysis based on the Boltzmann plot method and on the calculation of synthetic spectra are compared for the analysis of quaternary oxides. We also present the research in cooperation with our industrial partners in the process-analytical chemistry network PAC.
The development of innovative medium resolution NMR spectrometers (MR-NMR) is remarkable due to their possible applications in quality control, education, or process monitoring.
The use of compact permanent magnets allows to employ NMR devices in an industrial environment without high maintenance requirements and without the need for cryogenic liquids.
A benchtop 43 MHz MR-NMR spectrometer was used for reaction monitoring. Quasi-simultaneous proton and fluorine NMR spectra were acquired. Automatic data pretreatment and evaluation methods were applied and compared to quantitative 500 MHz HR-NMR spectroscopy
Dieser Bericht beschreibt die Herstellung und Zertifizierung einer Cadmiumlösung mit natürlicher Isotopenzusammensetzung. Für das Isotopen-Referenzmaterial sind sowohl die Isotopenverhältnisse als auch Isotopenhäufigkeiten und die molare Masse von Cadmium zertifiziert. Die Unsicherheiten sind erweiterte Messunsicherheiten U = k.uc mit k = 2. Der Cadmium-Massenanteil in der Lösung wird als indikativer Wert angegeben mit einer erweiterten Messunsicherheit U = k.uc mit k = 4,5.
Die meisten organischen Biozide gehören zu der Gruppe der schwerflüchtigen organischen Verbindungen (SVOC – semi volatile organic compounds). Zu den klassischen Bioziden zählen u.a. Lindan, Pentachlorphenol PCP) und Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) und zu den neueren u.a. Dichlofluanid, Tebuconazol und Permethrin. Biozide kamen in Museen vor allem in den 50er und 60er Jahren zum Schutz der Exponate zum Einsatz,1 wo sie hauptsächlich in Depoträumen zu finden sind, in welchen sie zum akuten und zum präventiven Schutz vor Schadorganismen eingesetzt wurden.2 Im Laufe der Zeit wurde jedoch festgestellt, dass sich der Einsatz von Bioziden negativ auf die menschliche Gesundheit auswirkt und auch zu Schäden an den behandelten Exponaten führen kann. 3 Verschiedene Möglichkeiten der Biozidanalytik und der Einfluss von Senkeneffekten auf die Analytik werden in diesem Beitrag vorgestellt.