Analytische Chemie
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Mit dem zerstörungsfreien Verfahren der nuklear magnetischen Resonanz (NMR) mit Fokus auf 1H-Protonen lässt sich der Feuchtegehalt in porösen Materialien bestimmen und bei einem vollgesättigten Medium eine Porengrößenverteilung ableiten. Für die Ermittlung der Porengrößenverteilung muss die gemessene T2-Relaxationszeitenverteilung mit dem Parameter Oberflächenrelaxivität (OR) umgerechnet werden. Ist dieser Parameter für das zu untersuchende Medium unbekannt, kann dieser mithilfe von Vergleichsverfahren abgeschätzt werden. Dabei kommen z. B. Gassorption, Quecksilberporosimetrie (MIP), Dünnschliff-Mikroskopie oder µ-Computer-Tomographie (µ-CT) zum Einsatz. Da die verschiedenen Verfahren allerdings unterschiedliche Auflösungsgrenzen aufweisen und auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen, können die ermittelten ORs für ein Medium stark variieren. Um ein besseres Verständnis für die OR und die Einflüsse der Vergleichsverfahren zu bekommen, wurden 19 verschiedene Sandsteintypen untersucht. Die OR wurde zum einen basierend auf der spezifischen inneren Oberfläche aus der dynamischen Dampfsorption (DVS) und der Gassorption abgeleitet. Zum anderen wurden die Relaxationszeitenverteilungen durch manuelles Anpassen der OR derart in Porengrößenverteilungen umgerechnet, sodass es eine Übereinstimmung mit den Porengrößenverteilungen aus MIP und/oder µ-CT gibt. Die Umrechnung von Relaxationszeitverteilungen in eine Porengrößenverteilung berücksichtigt dabei sowohl fast- als auch slow-diffusion. Insgesamt ergab sich für die Sandsteine ein breites Spektrum an ORs, bei dem die über die innere spezifische Oberfläche ermittelten ORs andere Größenordnungen aufwiesen (< 10 µm/s), als bei dem Vergleich mit MIP oder µ-CT (bis 600 µm/s). Die mit MIP und µ-CT ermittelten Werten lagen dabei um einen Faktor von 1 bis 30 auseinander. Dieser umfangreiche Datensatz, der vier verschiedene Vergleichsverfahren einbezieht, soll neue Erkenntnisse in der Charakterisierung von porösen Materialien (z. B. bezüglich der Oberflächenrauigkeit) und in der Ursache für die starke Variation der OR ermöglichen. Durch das Berücksichtigen von fast- als auch slow-diffusion, können dabei sogar Daten in eine Porengrößenverteilung umgerechnet werden, bei denen das fast-diffusion-Kriterium nach Brownstein und Tarr nicht erfüllt ist. Außerdem ergibt sich aus der Berücksichtigung des slow-diffusion-Regimes ein neues Verständnis für die obere Auflösungsgrenze von NMR.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
The Sharp GP2Y1010AU0F is a widely used low-cost dust sensor, but despite its popularity, the manufacturer provides little information on the sensor. We installed 16 sensing nodes with Sharp dust sensors in a hot rolling mill of a steel factory. Our analysis shows a clear correlation between sensor drift and accumulated production of the steel factory. An eye should be kept on the long-term drift of the sensors to prevent early saturation. Two of 16 sensors experienced full saturation, each after around eight and ten months of operation.
Luminescence techniques are amongst the most commonly used analytical methods in the life and material sciences due to their high sensitivity and non-destructive and multiparametric character. Photoluminescence signals are, however, affected by wavelength-, polarization-, and time-dependent instrument specific effect and the compound-specific photoluminescence quantum yield. The former hamper the comparability of fluorescence measurements, while the relative determination of the latter requires suitable quantum yield standards with well-known photoluminescence quantum yields (QY). For the simple correction of instrument specific effects in the wavelength region of 300 nm to 950 nm, the set of the five certified spectral fluorescence standards BAM-F001 – BAM-F005, has been extended to the NIR range by including two new fluorescence standards currently under certification. For the reliable and accurate determination of QY which is the key performance parameter for the comparison of different luminophores, we certified a set of 12 quantum yield standards, which absorb and emit in the wavelength range from 300 nm to 1000 nm.
The BAMline at the synchrotron X-ray source BESSY II (Berlin, Germany) is supporting researchers in a wide range of research areas since more than 20 years. These fields include biology, cultural heritage, medicine, and also materials science. As a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography with hard X-Rays, plays an important role in structural 3D characterization. A recent upgrade of key equipment at the BAMline expands the imaging capabilities towards shorter acquisition times. Therefore, in-situ and operando experiments can now be routinely conducted. Also, different energy resolutions can be set up to optimize flux and energy resolution as desired. This requires an adaptation of the used reconstruction methods in order to perform necessary analyses also during the experiment. In this presentation the equipment, data handling pipeline as well as various examples from material science are presented.
pH presents one of the most important analytes in the life and material sciences, indicating, e.g., diseases and corrosion processes. This includes the optical monitoring of pH in living cells for studying cellular internalization pathways, such as phagocytosis, endocytosis, and receptor mediated internalization with the aid of molecular and nanoscale fluorescent sensors. Nanoparticle (NP)-based sensors, that are labelled or stained with a multitude of sensor dyes, have several advantages as compared to conventional molecular probes like enhanced brightness, i.e., amplified signals, ease of designing ratiometric systems by combining analyte-sensitive and inert reference dyes, and increased photostability. Moreover, this can enable the use of hydrophobic dyes in aqueous environments. Versatile templates and carriers for the fabrication of nanosensors by staining and/or labelling with different fluorophores and sensor molecules are surface-functionalized particles like silica (SiO2) and polystyrene (PS) particles. Here we present a platform of blue-red-green fluorescent pH nanosensors for the measurement of acidic, neutral, and basic pH utilizing both types of matrices and two spectrally distinguishable sensor dyes with an integrated reference dye and demonstrate its applicability for cellular studies.
Several countries, which use or used nuclear power, started to destruct nuclear power plants. Thus, large amounts of radioactive waste have to be stored safely during the next decades. Large underground caverns will
be used a nuclear waste disposal. Once the cavern is full, a sealing construction is required. The sealing should avoid the contact to any fluids or substances of the storage barrels and reduce hazardous radiation.
Bei der simulationsunterstützten Planung kritischer Ultraschallprüfaufgaben ist die detaillierte Kenntnis der Parameter der eingesetzten Prüfköpfe von entscheidender Bedeutung. Durch die, in den Regelwerken (DIN EN ISO 22232-2) zugelassenen Toleranzen bei der Herstellung der Prüfköpfe sind einige Prüfkopfparameter nur ungefähr bekannt. Durch die Alterung von Prüfköpfen und Verschleiß können auch Parameter variieren, die nicht vollständig durch die erforderliche Justierung ausgeglichen werden können. Daher sind zusätzlichen Vorversuche oft unvermeidlich. In dieser Arbeit wurden nach einer statistischen Versuchsplanung (DoE) Untersuchungen zur relativen Echo-Empfindlichkeit von konventionellen Prüfköpfen durchgeführt. Die Auswertung wurde für prüfkopfbezogene und personenbezogene Stichproben durchgeführt. Es wird gezeigt, wie weit die Daten um den Zentralwert herum verteilt sind bzw. wie sehr sich das Testobjekt im untersuchten Merkmal unterscheidet. Gerade in Hinblick auf die Beurteilung der intrinsischen Fähigkeit von Prüfverfahren und der Human Factors wird das POD-Analysekonzept zur quantitativen Bewertung der Zuverlässigkeit weiterentwickelt. Die HF-Quantifizierung bezieht sich auf verschiedene Faktoren und Methoden, die in der Veröffentlichung von M. Bertovic et al. [1] ausführlich beschrieben wurden. Die Schritte, die für das Bewertungsverfahren zur POD-Analyse erforderlich sind, werden in der Veröffentlichung von D. Kanzler et al. [2] detailliert dargestellt. Die grundlegenden Anforderungen an die Testkörpersätze für die POD-Analyse wurden in der Publikation von A. Jüngert et al. [3] zusammengefasst. Diesbezüglich wurden mit Hilfe von Simulationsrechnungen die möglichen Abweichungen an Beispielen der im Projekt norm- POD ausgewählten Prüfanordnungen dargestellt. Die Ergebnisse wurden Messungen an Testkörpern gegenübergestellt.
Photothermal characterization of polyester composites loaded with parallelly arranged graphite rods
(2022)
One of the biggest challenges in the measurement of thermal properties is to measure inhomogeneous materials This work focuses on measuring the thermal properties of cylindrical polyester resin composite materials loaded with graphite rods oriented in the direction of the resin thickness, varying the graphite concentrations starting from zero to 8 75 of volumetric fraction and changing the distribution of graphite rods inside the polyester matrix
The BAMline at the 3rd generation synchrotron X-ray source BESSY II has been supporting researchers in a wide range of research areas for over 20 years. In addition to materials science, these fields also include biology, cultural heritage, and medicine. Being a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, in particular tomography (SXCT), plays a particularly important role in structural characterization. A recent upgrade of key BAMline equipment expands the imaging capabilities: The upgraded dual multilayer monochromator offers flexibility by providing different energy spectra to optimize flux and energy resolution as desired. Different spectra (8 – 60 keV with ΔE/E 0.01%, 1.5%, 4% and pink beam) can be selected. The upgraded detector (in white beam configuration, equipped with an sCMOS camera) allows the higher flux to be exploited with reduced readout times. Shorter tomographic acquisition times in the range of seconds are now possible. Hence, in-situ and operando examinations are routinely available. An integrated slip ring allows continuous rotation of the sample stage for ease of wiring. The pink beam option allows tomographic observation of processes occurring in the time domain of a few seconds with a resolution down to ~ 1 µm. Different scan methods, optimized for quality and speed are available and discussed. Examples of energy related materials from fuel cell and battery research are shown.
An optional end station allows refraction enhanced imaging (synchrotron X-Ray refraction radiography (SXRR) and tomography (SXRCT)). That includes an analyzer Si-crystal in Bragg alignment between sample and detector. This technique obtains sensitivity to smaller structures (cracks, pores) down to a few wavelengths, while obtaining field of view sizes in the range of several mm. Besides medicine (e.g., teeth explants), several applications are found in material science, like studies on diesel particulate filters, ceramics, additively manufactured (AM) alloys and metal matrix composites (MMC). The in-situ capabilities include mechanical load (tension and compression) and heating up to 1100°C. A case study, the microstructural evolution during heat treatment of an AM AlSi10Mg, will be shown.