Analytische Chemie
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In the KonSens Project, sensor systems are developed, validated, and operated in form of functional models for the application areas Structure Integrated Sensors and Mobile Multi-gas Sensors. Key aspects are the detection and evaluation of corrosion processes in reinforced concrete structures as well as the detection and quantification of very low concentrations of toxic gases in air. The adaption of sensor principles from the lab into real-life application including appropriate communication techniques is a major task.
In recent years, Structural Health Monitoring have gained in importance, since growing age of buildings and infrastructure as well as increasing load requirements demand for reliable surveillance methods. In this regard, the project follows two strategies: First, the development and implementation of completely embedded sensor systems consisting of RFID-tag and in situ sensors, and their further application potential (e.g. for precast concrete elements, roadways, wind power plants, and maritime structures). Secondly, the development of a long-term stable, miniaturized, fiber optic sensor for a ratiometric and referenced measurement of the pH-value in concrete based on fluorescence detection as an indicator for carbonation and corrosion.
Environmental pollution through emission of toxic gases becomes an increasing problem not only in agriculture (e.g. biogas plants) and industry but also in urban areas. This leads to increasing demand to monitor environmental emissions as well as ambient air and industrial air components in many scenarios and in even lower concentrations than nowadays. The selectivity of luminescence-based sensors is enabled by the combination of the sensing dye and the material, which is used as accumulation medium for concentration of the analyte. This principle allows for developing gas sensors with high selectivity and sensitivity of defined substances. Additional benefits, particularly of fluorescence-based sensors, are their capability for miniaturization and potential multiplex mode. Objective is the development and implementation of sensors based on fluorescence detection for defined toxic gases (ammonia, hydrogen sulfide, ozone, and benzene) with sensitivity in the low ppm or even ppb range. Additionally, the integration of such sensors in mobile sensor devices is addressed.
Laser ablation with inductively coupled plasma is still more used in life science as biology and biomedicine and the utilization of metals and proteins determination simultaneously is also growing up. We have developed a new strategy of labeling of antibody (it can specific binds to proteins) by nanoparticles and quantum dots which is composed of thousands of atoms and thus increases the sensitivity enormously and of course decreases the Limit of detection, compare to lanthanoids labeling. The ability of successfully tagged antibodies bound to Antigen (protein) was proved by dot blot on membrane imaged by LA-ICP-MS.
Die Gehalte von für das Pflanzenwachstum relevanten Nährstoffen divergieren innerhalb einer landwirtschaftlichen Nutzfläche sehr stark. Für eine ertragssteigernde Bewirtschaftung ist daher eine gezielte Düngung unabdingbar. Die Nachfrage nach einer kostengünstigen, flächendeckenden Kartierung von Ackerflächen in Bezug auf die im Boden enthaltenen Nährstoffe steigt demnach. Hierzu werden schnelle, mobil einsetzbare und verlässliche Messmethoden benötigt.
Eine geeignete Methode stellt die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (kurz: LIBS aus dem Englischen für laser-induced breakdown spectroscopy) dar. Die LIBS ermöglicht eine schnelle und simultane Multielementanalyse und ist dabei nahezu zerstörungsfrei. Des Weiteren bedarf es für die Analyse kaum bis keine Probenvorbereitung was den Einsatz auf dem Feld begünstigt. Die Methode beruht auf der Ionisierung des Probenmaterials (Plasmabildung) durch den Beschuss dieser mit kurzen Laserpulsen. Während der Expansion des Plasmas wird Strahlung emittiert, welche charakteristisch für die in der Probe enthaltenen Elemente ist.
Das hier verwendete LIBS-System verfügt über einen Doppelpuls-Laser, bei dem zwei Laserpulse im kurzen Abstand hintereinander ausgesendet werden. Der erste Laserpuls ist für die “Vorbehandlung“ der Probe und der zweite Laserpuls für die Erwärmung des Plasmas. Dadurch können die Nachweisgrenzen im Vergleich zu einem einfach gepulsten Laser deutlich verbessert werden.
Die Probenzufuhr findet durch einen drehbaren Probenteller statt auf dem der lose Boden in Form einer Spur aufgetragen wird. Der Probenteller kann in verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben werden, um die Anwendung auf dem Feld zu simulieren.
Da es sich bei der LIBS um eine Relativmethode handelt, ist eine Kalibrierung mit exakten Referenzwerten von verschiedenen Bodenproben notwendig. Böden weisen eine sehr komplexe Matrix auf, was die verlässliche Analyse mittels LIBS erschwert. Daher ist zunächst das Ziel die verschiedenen Messparameter des LIBS-Systems für unterschiedliche Böden zu optimieren und mögliche Störeffekte, wie Korngrößen und Feuchtigkeitsgrad, durch eine geeignete Probenkonditionierung zu eliminieren.
Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Forschungsinitiative BonaRes hat sich zum Ziel gesetzt Strategien zu erarbeiten um Boden als nachhaltige Ressource für die Bodenökonomie zu nutzen. Sie ist in 10 interdisziplinären Forschungskonsortien eingeteilt, wobei das Teilprojekt „Intelligence for soil“ (I4S) für die Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit zuständig ist. Das System soll sowohl verschiedene Bodensensoren sowie Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen vereinen. So kann die Umweltbelastung durch die im Dünger enthaltenen Nitrate reduziert werden und die durch Überdüngung entstehenden Kosten für die Landwirte minimiert werden. Hierzu ist eine flächendeckende Kartierung der Ackerflächen hinsichtlich der für Pflanzen wichtigen Makro- und Mikronährstoffe, wie Calcium nötig.
Ziel der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) innerhalb von I4S ist die Optimierung eines auf der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) basierenden Sensors für die mobile online-Applikation auf dem Feld. Diese zerstörungsfreie und kontaktlose Methode eignet sich besonders für den Feldeinsatz dank minimaler Probenvorbereitung und vor allem schneller, simultaner Multielementanalyse. Hauptkomponente der robusten und transportablen Messstation ist neben dem Sensor ein drehbarer Probenteller um das Messen während der Fahrt bei verschiedenen Geschwindigkeiten auf einem Feld unter Laborbedingungen zu simulieren. Der energiedispersive RFA-Sensor besitzt ein mit Helium gespültes Messvolumen womit auch die für diese Aufgabenstellung interessanten, leichten Elemente detektiert werden können.
Schwierigkeiten beim Einsatz der RFA liegen in der Kalibrierung des Geräts um richtige und präzise Ergebnisse zu erhalten. Der Fokus zu Beginn richtet sich somit auf die Entwicklung eines Kalibriermodells, welches die verschiedenen Hauptbodenarten berücksichtigt. Gerade die zu untersuchenden Makro- und Mikronährstoffe wie Schwefel liegen im Vergleich zu SiO2 in sehr geringen Konzentrationen im Boden vor. Die Optimierung der Parameter wie Leistung oder auch Messzeit können an dieser Stelle die erhaltenen Signalintensitäten deutlich beeinflussen. Zusätzlich sind gerade bei einer komplexen Matrix wie Boden genaue Untersuchungen verschiedener Störgrößen wichtig. Hierzu zählen unter anderem der Feuchtigkeitsgrad der Probe, aber auch Korngrößeneffekte haben einen entscheidenden Einfluss. Beide Parameter müssen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Messergebnisse der mobilen-RFA sowohl bei stationären, als auch bei bewegten Bodenproben betrachtet werden.
LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) is known as a fast and simultaneous multi-element analysis with little or no sample preparation. In the last few years there has been a growing interest in applications of LIBS in the field of agriculture. As part of the National Research Strategy BioEconomy 2030 the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) started an innovation programme called BonaRes. BonaRes consists of ten interdisciplinary research project associations which are dealing with soil as a sustainable resource for the bio-economy. One of these research projects is I4S (intelligence for soil) which has the goal to develop an integrated system for site-specific soil fertility management. This system includes a sensor platform, which contains different sensors, like XRF, VIS-NIR, Gamma and LIBS. The main task of LIBS measurements in this project is the real time determination of the elemental contents of nutrients in soils, like calcium, magnesium, potassium. For this purpose, a special setup has been designed. The sample uptake operates with the help of a rotatable sample plate which circulates with different velocities to simulate the application on the field. To provide a higher intensity and a better reproducibility of the obtained signal, a double-pulse Nd:YAG laser was used. In order to minimize dust formation from the soil during the operation of the laser, a dust removal by suction has been integrated. When using relative methods such as LIBS, a suitable calibration curve is needed for absolute quantification. With the help of 16 certified reference soils, calibration curves for different elements were initially calculated and used for the quantification of seven soil samples from different testing grounds in Germany. The complex matrix of soils, as well as the influence of moisture and grain size in soils makes the absolute quantification by LIBS challenging. To overcome these influences, a calibration curve based on multivariate analysis (partial least square regression) was generated.
LIBS (laserinduzierte Plasmaspektroskopie) ist bekannt für eine schnelle, simultane Multielementanalyse, welche kaum bis keine Probenvorbereitung benötigt. Im Hinblick dessen ist das Interesse an LIBS als Online-Analysentechnik für den Einsatz auf Agrarflächen in den letzten Jahren stark gestiegen.
Im Rahmen des Projekts I4S (engl. für: intelligence for soil) soll mithilfe von LIBS der Elementgehalt von Makro- und Mikronährstoffen in Böden in Echtzeit bestimmt werden. I4S gehört zu den zehn interdisziplinären Forschungsprojekten des Innovationsprogramms BonaRes und arbeitet an der Entwicklung einer Sensorplattform für ein ortsspezifisches Management der Bodenfruchtbarkeit. BonaRes ist vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und beschäftigt sich mit Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie.
Für die Anwendung von LIBS an Böden wurde ein spezieller Aufbau konstruiert. Die Probenzufuhr erfolgt über einen drehbaren Probenteller, auf den der lose Boden in Form einer Spur aufgetragen oder als gepresste Tablette platziert werden kann. Der Probenteller kann in unterschiedlichen Geschwindigkeitsstufen betrieben werden, um die Anwendung auf dem Feld zu simulieren. Für eine höhere Signalintensität und eine bessere Reproduzierbarkeit wird eine Doppel-Puls (DP) Nd:YAG Lasereinheit verwendet. Weiterhin besitzt der LIBS-Messkopf eine integrierte Absaugvorrichtung, um bei dem Ablationsprozess entstehende Stäube zu minimieren und eine störungsfreie Detektion des Signals zu gewährleisten.
Da es sich bei LIBS um eine Relativmethode handelt, muss das System für eine absolute Quantifizierung hinsichtlich der Zielanalyten kalibriert werden. Hierfür werden realitätsnahe Proben benötigt. Es wurden 16 freiverkäufliche, zertifizierte Referenzmaterialien gemessen und für die Kalibrierung verwendet. Aufgrund der komplexen Bodenmatrix und Einflüsse, wie Korngrößeneffekte und Feuchtigkeit, stellt die absolute Quantifizierung mittels LIBS eine Herausforderung dar. Für die Kalibrierung wurde sowohl ein univariater als auch ein multivariater Analyseansatz (Partial least square regression) verwendet. Mittels der multivariaten Auswertung konnte ein robusteres Kalibriermodell aufgrund einer besseren Korrelation zwischen Signalintensität und Elementkonzentration erstellt werden.
Innerhalb des I4S-Verbundes gibt es eine Vielzahl von Bodenproben von unterschiedlichen Testackerflächen mit bereits bekannten Informationen über die chemische Zusammensetzung, Textur und Korngrößenverteilung. Diese Bodenproben sollen im nächsten Schritt für weitere Berechnungen und zu Validierungszwecken verwendet werden.
Mit wachsenden Bevölkerungszahlen steigt auch der Rohstoffkonsum, und der nachhaltigere und effizientere Umgang mit knappen Ressourcen wie Wasser und Boden rückt in den Fokus.
Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsinitiative BonaRes werden Strategien entwickelt, um Boden als nachhaltige Ressource in der Bioökonomie zu nutzen. Das interdisziplinäre Teilprojekt I4S – Intelligence for soil – ist dabei für die Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit zuständig. Hierfür wird eine Plattform gebaut, auf der verschiedene Sensoren installiert werden sollen, deren in Echtzeit erhaltene Messdaten in Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen einfließen sollen. So wären Untersuchungen in engmaschigen, dynamischen Rastern und schnelle Analysen großer Flächen möglich, um höhere Erträge zu erwirtschaften.
Einer dieser Sensoren, auf dessen Grundlage ein robustes Online-Verfahren zur Bestimmung der Makro- und Mikronährstoffe, wie Ca, K und Mn in Böden entwickelt werden soll, ist die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). Die RFA eignet sich vor allem durch ihre schnelle, kontaktlose, simultane Multielementanalyse und wird bereits zur Bestimmung von Schwermetallen in Böden eingesetzt. Ein weiterer Vorteil der RFA ist die geringe Probenvorbereitung. Um Messungen auf einem Feld zu simulieren, wurde in einen Laboraufbau ein Probenteller installiert, der sich bei verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten bewegen lässt und so dynamisches Messen der als Spur aufgetragenen Probe ermöglicht.
Gerade bei einer komplexen Matrix wie Boden, die eine breite Elementverteilung aufweist, ist die Datenauswertung ein wichtiger Faktor. Die bisher verwendete univariate Datenanalyse liefert gute Ergebnisse und zeigt, dass durch Kalibrierung der RFA mit 14 Referenzmaterialien große Ackerflächen ausgewertet werden können. Dies funktioniert aber nur, solange die Elementgehalte der Proben mit denen der Referenzmaterialien vergleichbar sind.
Die zusätzlich verwendete multivariate Datenanalyse bietet hingegen die Möglichkeit, Modellrechnungen der Böden durchzuführen und Böden mithilfe der Hauptkomponentenanalyse (PCA) besser zu klassifizieren. Des Weiteren können basierend auf der Partial Least Squares Regression (PLSR) Kalibriermodelle erstellt werden, welche Prognosen zu den Elementgehalten unbekannter Ackerböden ermöglichen. Zusätzlich bietet die multivariate Datenanalyse die Möglichkeit, Störgrößen wie unterschiedliche Korngrößenverteilung und Feuchtigkeitsgrad der Probe in das Modell miteinzubeziehen. Beide Auswertemethoden sollen anhand statisch gemessener Proben verglichen werden und durch Messung einer Vielzahl realer Bodenproben von unterschiedlichen Standorten erweitert werden. Im weiteren Verlauf müssen beide Modelle auf dynamisch bewegte Proben übertragen werden.
Ammonia and its reaction products can cause considerable damage of human health and ecosystems, increasing the necessity for reliable and reversible sensors to monitor traces of gaseous ammonia in ambient air directly on-site or in the field. Although various types of gas sensors are available, fluorescence sensors have gained importance due to advantages such as high sensitivity and facile miniaturization.
Here, we present the development of a sensor material for the detection of gaseous ammonia in the lower ppm to ppb range by incorporation of a fluorescent dye, which shows reversible fluorescence modulations as a function of analyte concentration, into a polymer matrix to ensure the accumulation of ammonia. A gas standard generator producing standard gas mixtures, which comply with the metrological traceability in the desired environmentally relevant measurement range, was used to calibrate the optical sensor system. To integrate the sensor material into a mobile device, a prototype of a hand-held instrument was developed, enabling straightforward data acquisition over a long period.
Simple calibration concept of an online NMR module demonstrated in a modularised production plant
(2017)
Monitoring specific information (such as physico-chemical properties, chemical re-actions, etc.) is the key to chemical process control. Within the CONSENS Project, the challenge to adapt a commercially available benchtop NMR spectrometer to the full requirements of an automated chemical production environment was tack-led. The developed online NMR module was provided in an explosion proof housing and involves a compact 43.5 MHz NMR spectrometer together with an acquisition unit, a programmable logic controller for automated triggering, flow con-trol, as well as data communication.
First results of an aromatic coupling reaction in lab scale showed a general feasibil-ity according to the signal information in the acquired NMR spectra even though with a considerable overlap. Due to the comparatively low field strength of the NMR spectrometer multivariate methods had to be considered for the prediction of con-centration profiles based on spectral data. Typically, for industrial application of those methods, e.g. Partial Least Squares Regression (PLS-R) as well as Indirect Hard Modeling, large amount of calibration data is demanded, which must be ac-quired in time consuming lab-scale experiments and offline analytics. When it comes to changes in raw materials (e.g., varying functional groups, additional stabi-lizing agents) calibration experiments and data evaluation models are developed again. Here we present an approach of automated data analysis tools for low field NMR spectra with minimal calibration effort. The algorithms are based on Indirect Hard Modeling, whereby each component in each mixture spectra can be rep-resented by several flexible peak functions (pure component models). This means, that only pure component NMR spectra are needed to generate a first evaluation model. The flexibility of peak functions in the spectral model can be adjusted via constraints of peak parameters. The area of any pure component model can either be converted to concentrations based on a one-point calibration on raw material concentration or even neat solvent signals. In several cases it has been shown, the IHM works almost independently of the matrix of the real samples. Such a calibration can be repeated daily in the beginning of each process run with minimal time effort. Moreover, additional pure components can be added to the model or even substitut-ed while keeping the previously adjusted peak function constraints. The proposed method exhibited good agreement of resulting concentration data from low field NMR spectra, when compared to an online high field NMR spectrometer as refer-ence instrument.
Keramikdurchflusszellen für das industrielle Reaktionsmonitoring mit Niederfeld-NMR-Spektroskopie
(2017)
Derzeit verfügbare Niederfeld-NMR-Spektrometer sind oft für Laborapplikationen konzipiert. Für den Einsatz im industriellen Prozessmonitoring müssen deshalb Anpassungen vorgenommen werden. Ein wichtiger Aspekt ist die Gestaltung der Messzelle. Sie muss über eine hohe thermische-, chemische und vor allem mechanische Beständigkeit verfügen. Hinzu kommt die Besonderheit des NMR-Experiments, das auf die Durchlässigkeit von Radiofrequenzen angewiesen ist. Keramik ist ein in der Hochfeld-NMR-Spektroskopie bewährtes Material das diese Eigenschaften vereint. Um im Prozessmonitoring die Interessen kleiner Bypass-Volumina, großer Durchflussgeschwindigkeit und großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit der nötigen Vormagnetisierungszeit in Einklang zu bringen, ist eine im Messbereich aufgeweitete Zellgeometrie vorteilhaft. Die Fertigung einer Keramikmesszelle für die Niederfeld-NMR-Spektroskopie für Drücke bis 7 MPa mit dieser besonderen Geometrie wurde mit Hilfe eines modernen additiven Fertigungsverfahrens realisiert.
Quantitative NMR-Messungen an konstant durch das Spektrometer strömenden Flüssigkeiten werden durch eine maximale Durchflussgeschwindigkeit limitiert. Diese wird von vielen Einflussgrößen bestimmt und sollte vor jeder quantitativen Messreihe experimentell für das individuelle System ermittelt werden. Zu diesem Zweck wurde eine automatisierte Laboranordnung konzipiert. Der Vergleich der neuen NMR-Keramikzelle mit bestehenden Messzellen u. a. anhand dieses Parameters untermauert ihre Eignung für das industrielle Prozessmonitoring.