Analytische Chemie
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- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (53)
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- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (44)
- 8.5 Röntgenbildgebung (44)
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- 1.2 Biophotonik (40)
- 6.3 Strukturanalytik (40)
- 1.8 Umweltanalytik (35)
- S Qualitätsinfrastruktur (32)
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- S.2 Digitalisierung der Qualitätsinfrastruktur (30)
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- 1.4 Prozessanalytik (26)
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- 1.7 Organische Spuren- und Lebensmittelanalytik (19)
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- 6.0 Abteilungsleitung und andere (14)
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- 9.0 Abteilungsleitung und andere (4)
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- 1.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (2)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (2)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (2)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (2)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (2)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (2)
- P Präsident (2)
- P.0 Präsident und andere (2)
- S.1 Qualität im Prüfwesen (2)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (1)
- 2.5 Konformitätsbewertung Explosivstoffe/Pyrotechnik (1)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (1)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (1)
- 6.7 Materialsynthese und Design (1)
- 7.1 Baustoffe (1)
- 7.3 Brandingenieurwesen (1)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (1)
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- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (1)
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Paper des Monats
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Due to the diffusive nature of heat propagation in solids, the detection and resolution of internal defects with active thermography based non-destructive testing is commonly limited to a defect-depth-to-defect-size ratio greater than or equal to one. In the more recent past, we have already demonstrated that this limitation can be overcome by using a spatially modulated illumination source and photothermal super resolution-based reconstruction. Furthermore, by relying on compressed sensing and computational imaging methods we were able to significantly reduce the experimental complexity to make the method viable for investigating larger regions of interest. In this work we share our progress on improving the defect/inhomogeneity characterization using fully 2D spatially structured illumination patterns instead of scanning with a single laser spot. The experimental approach is based on the repeated blind pseudo-random illumination using modern projector technology and a high-power laser. In the subsequent post-processing, several measurements are then combined by taking advantage of the joint sparsity of the defects within the sample applying 2D-photothermal super resolution reconstruction. Here, enhanced nonlinear convex optimization techniques are utilized for solving the underlying ill-determined inverse problem for typical simple defect geometries. As a result, a higher resolution defect/inhomogeneity map can be obtained at a fraction of the measurement time previously needed.
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Grenze für 1D- und 2D Defektgeometrien mit Hilfe des Abscannens des Prüfkörpers mittels einzelner Laserspots und der anschließenden Anwendung von photothermischer Super-Resolution-Rekonstruktion überwunden werden kann. Bei dieser Methode wird eine Kombination aus sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und numerischen Optimierungsmethoden eingesetzt. Dies geschieht allerdings auf Kosten der experimentellen Komplexität, die zu einer langen Messdauer, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung führt.
In dieser Arbeit berichten wir über einen neuen experimentellen Ansatz, bei dem räumlich strukturierte 2D-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit Compressed-Sensing und Computational-Imaging-Methoden verwendet werden, um die experimentelle Komplexität deutlich zu verringern und die Methode für die Untersuchung größerer Prüfflächen nutzbar zu machen.
Der experimentelle Ansatz basiert dabei auf der wiederholten (blinden) photothermischen Anregung mit räumlich strukturierten 2D-Mustern unter Verwendung moderner Projektortechnik und eines Hochleistungslasers. In der anschließenden numerischen Rekonstruktion werden mehrere Messungen unter Ausnutzung der Joint-Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers mittels nichtlinearer konvexer Optimierungsmethoden kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/Inhomogenitätskarte erstellt werden.
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Grenze für 1D- und 2D-Defektgeometrien mit Hilfe des Abscannens des Prüfkörpers mittels einzelner Laserspots und der anschließenden Anwendung von photothermischer Super-Resolution-Rekonstruktion überwunden werden kann. Bei dieser Methode wird eine Kombination aus sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und numerischen Optimierungsmethoden eingesetzt. Dies geschieht allerdings auf Kosten der experimentellen Komplexität, die zu einer langen Messdauer, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung führt.
In dieser Arbeit berichten wir über einen neuen experimentellen Ansatz, bei dem räumlich strukturierte 2D-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit Compressed-Sensing und Computational-Imaging-Methoden verwendet werden, um die experimentelle Komplexität deutlich zu verringern und die Methode für die Untersuchung größerer Prüfflächen nutzbar zu machen.
Der experimentelle Ansatz basiert dabei auf der wiederholten (blinden) photothermischen Anregung mit räumlich strukturierten 2D-Mustern unter Verwendung moderner Projektortechnik und eines Hochleistungslasers. In der anschließenden numerischen Rekonstruktion werden mehrere Messungen unter Ausnutzung der Joint-Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers mittels nichtlinearer konvexer Optimierungsmethoden kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/Inhomogenitätskarte erstellt werden.
In this work, we report on our progress for investigating a new experimental approach for thermographic detection of internal defects by performing 2D photothermal super resolution reconstruction. We use modern high-power laser projector technology to repeatedly excite the sample surface photothermally with varying spatially structured 2D pixel patterns. In the subsequent (blind) numerical reconstruction, multiple measurements are combined by exploiting the joint-sparse nature of the defects within the specimen using nonlinear convex optimization methods. As a result, a 2D-sparse defect/inhomogeneity map can be obtained. Using such spatially structured heating combined with compressed sensing and computational imaging methods allows to significantly reduce the experimental complexity and to study larger test surfaces as compared to the one-dimensional approach reported earlier.
Zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit von Bauteilen sind regelmäßige Prüfungen notwendig. Für oberflächennahe Risse wurde bereits das Potenzial von Flying-Spot-Untersuchungen gezeigt, bei denen das Messfeld mit einem Laserpunkt, z.B. mittels eines Laserscanners, abgerastert wird. Eine Beschleunigung der Messung durch die Verwendung von Laserlinien ist möglich, wobei die Detektierbarkeit von Rissen u.a. von ihrer Ausrichtung zur Scanrichtung abhängt. Zudem können bei stark gekrümmten Oberflächen, wie z.B. denen von Turbinenschaufeln oder Maschinenteilen mit einem einzelnen stationären Messaufbau nur ein Teil der Oberfläche mit aktiver Thermografie auf Risse untersucht werden da die begrenzte Tiefenschärfe der optischen Systeme (Laser und Kamera)die mechanischen Nachführung innerhalb des Schärfentiefe-Bereichs erforderlich macht.
Um eine vollständige Untersuchung der Oberfläche durchzuführen, sind daher mehrere Perspektiven notwendig. Die hier angewandte Laserthermografie erzeugt dabei die Relativbewegung durch die Manipulation des Prüfobjektes mit einem Roboterarm, welcher es erlaubt, komplexe Oberflächen abzuscannen. Es erfolgt ein systematisches Abfahren mit einer Laserlinie entlang zuvor geplanter Bahnen der gesamten erreichbaren Oberfläche. Da der Roboterarm das Prüfobjekt trägt, sind die eingesetzten Messsysteme unbeeinflusst. Die Bewegung des Prüfobjektes ist dabei mit vielen Freiheitsgraden möglich, was eine Optimierung für das Messproblem erlaubt. Es können unter anderem die Scangeschwindigkeit, Laserleistung, Laserspotgeometrie, Laserwellenlänge, Scanschema und Kamerabildrate variiert werden. Mithilfe der Positionsdaten des Roboterarms kann jedem Punkt auf dem Prüfkörper ein Temperaturverlauf zugeordnet werden, um einen ortsaufgelösten Temperaturverlauf zu erzeugen. Das Ziel ist es, die oberflächennahen Defekte zu detektieren und deren Position auf der Oberfläche des 3D Models positionsgenau darstellen zu können.
In diesem Vortrag werden die Ergebnisse zur robotergestützten Thermografie an unterschiedlichsten Prüfkörpern vorgestellt. Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden werden erläutert und aktuelle Herausforderungen auf der Hard- und Softwareseite für den praktischen Einsatz diskutiert.
Thermographic non-destructive testing is based on the interaction of thermal waves with inhomogeneities. The propagation of thermal waves from the heat source to the inhomogeneity and to the detection surface according to the thermal diffusion equation leads to the fact that two closely spaced defects can be incorrectly detected as one defect in the measured thermogram. In order to break this spatial resolution limit (super resolution), the combination of spatially structured heating and numerical methods of compressed sensing can be used. The improvement of the spatial resolution for defect detection then depends in the classical sense directly on the number of measurements. Current practical implementations of this super resolution detection still suffer from long measurement times, since not only the achievable resolution depends on performing multiple measurements, but due to the use of single spot laser sources or laser arrays with low pixel count, also the scanning process itself is quite slow. With the application of most recent high-power digital micromirror device (DMD) based laser projector technology this issue can now be overcome.
By means of laser thermography, surface defects, in particular surface breaking cracks, can be detected with high sensitivity. Basically, this requires a focused heat source (high-power laser), a thermographic camera and a relative movement between laser and test object, as well as a suitable evaluation algorithm to distinguish between surface defects and defect-free areas. In this paper we report on a method in which the relative motion is realised by a robot to fully inspect large and non-planar test objects such as rail sections, turbine blades, gears, etc. We show the influence of the excitation laser, which can be varied in terms of spot geometry, wavelength, and scan scheme, and we demonstrate our evaluation algorithms with the aim of automatically detecting surface defects.
In this work, we report on a method for automatic inspection of components using laser scanning thermography, in which the relative motion is performed by a robot to fully inspect complex test objects such as turbine blades. We demonstrate our evaluation algorithms with the aim of automatically detecting surface defects on calibrated specimens. We show the influence of the excitation laser, which can be varied in terms of spot geometry, wavelength, and scan scheme. Additionally, we show some advantages, versatility, and current challenges of using a programmed robot for non-destructive evaluation in thermography.
Due to the diffusive nature of heat propagation in solids, the detection and resolution of internal defects with active thermography based non-destructive testing is commonly limited to a defect-depth-to-defect-size ratio greater than or equal to one. In the more recent past, we have already demonstrated that this limitation can be overcome by using a spatially modulated illumination source and photothermal super resolution-based reconstruction. Furthermore, by relying on compressed sensing and computational imaging methods we were able to significantly reduce the experimental complexity to make the method viable for investigating larger regions of interest. In this work we share our progress on improving the defect/inhomogeneity characterization using fully 2D spatially structured illumination patterns instead of scanning with a single laser spot. The experimental approach is based on the repeated blind pseudo-random illumination using modern projector technology and a high-power laser. In the subsequent post-processing, several measurements are then combined by taking advantage of the joint sparsity of the defects within the sample applying 2D-photothermal super resolution reconstruction. Here, enhanced nonlinear convex optimization techniques are utilized for solving the underlying ill-determined inverse problem for typical simple defect geometries. As a result, a higher resolution defect/inhomogeneity map can be obtained at a fraction of the measurement time previously needed.
In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. VOC in combination may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. Emission concentrations can become further elevated in new or refurbished buildings where the rate of air exchange with fresh ambient air may be limited due to improved energy saving aspects. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use (building) materials proved to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable emission reference materials (ERM). For the emission test chamber procedure according to EN 16516, no artificial ERM is commercially available. The EU-funded EMPIR project MetrIAQ aims to fill this gap by developing new and improved ERMs. The goal is to obtain a material with a reproducible and temporally constant compound release (less than 10% variability over 14 days). Different approaches, such as the impregnation of porous materials, are being tested. The generation as well as results of the most promising materials will be presented.
Micro-(nano-)encapsulation technology involves building a barrier between the core and the environment and offers several benefits to preserve the functional and physicochemical properties of core material. Tremendous progress has been made in synthesizing well-defined capsules to achieve desired properties such as particle size, chemical composition, and controlled release of loaded compounds.
Encapsulation of volatile organic compounds (VOCs) that could evaporate with a defined rate is of immense interest for application in emission reference materials (ERM). These are urgently needed for quality assurance and quality control purposes (QA/QC) required by test standards for the determination of chemical emissions of construction and other materials for interior use. As such ERMs are hardly available on the market, the EU-funded EMPIR project MetrIAQ was started to fill this gap by developing a material with temporally constant emission of VOCs typically found in indoor air.
Driven by recent technological advances and the need for improved viral diagnostic applications, mass spectrometry-based proteomics comes into play for detecting viral pathogens accurately and efficiently. However, the lack of specific algorithms and software tools presents a major bottleneck for analyzing data from host-virus samples. For example, accurate species- and strain-level classification of a priori unidentified organisms remains a very challenging task in the setting of large search databases. Another prominent issue is that many existing solutions suffer from the protein inference issue, aggravated because many homologous proteins are present across multiple species. One of the contributing factors is that existing bioinformatic algorithms have been developed mainly for single-species proteomics applications for model organisms or human samples. In addition, a statistically sound framework was lacking to accurately assign peptide identifications to viral taxa. In this presentation, an overview is given on current bioinformatics developments that aim to overcome the above-mentioned issues using algorithmic and statistical methods. The presented methods and software tools aim to provide tailored solutions for both discovery-driven and targeted proteomics for viral diagnostics and taxonomic sample profiling. Furthermore, an outlook is provided on how the bioinformatic developments might serve as a generic toolbox, which can be transferred to other research questions, such as metaproteomics for profiling microbiomes and identifying bacterial pathogens.
In view of the increasing digitization of research and the use of data-intensive measurement and analysis methods, research institutions and their staff are faced with the challenge of documenting a constantly growing volume of data in a comprehensible manner, archiving them for the long term, and making them available for discovery and re-use by others in accordance with the FAIR principles. At BAM, we aim to facilitate the integration of research data management (RDM) strategies during the whole research cycle from the creation and standardized description of materials datasets to their publication in open repositories. To this end, we present the BAM Data Store, a central system for internal RDM that fulfills the heterogenous demands of materials science and engineering labs. The BAM Data Store is based on openBIS, an open-source software developed by the ETH Zurich that has originally been created for life science laboratories but that has since been deployed in a variety of research domains. The software offers a browser-based user interface for the digital representation of lab inventory entities (e.g., samples, chemicals, instruments, and protocols) and an electronic lab notebook for the standardized documentation of experiments and analyses.
To investigate whether openBIS is a suitable framework for the BAM Data Store, we carried out a pilot phase during which five research groups with employees from 16 different BAM divisions were introduced to the software. The pilot groups were chosen to represent a diverse array of domain use cases and RDM requirements (e.g., small vs big data volume, heterogenous vs structured data types) as well as varying levels of prior IT knowledge on the users’ side.
Overall, the results of the pilot phase are promising: While the creation of custom data structures and metadata schemas can be time-intensive and requires the involvement of domain experts, the system offers specific benefits in the form of a simplified documentation and automation of research processes, as well as constituting a basis for data-driven analysis. In this way, heterogeneous research workflows in various materials science research domains could be implemented, from the synthesis and characterization of nanomaterials to the monitoring of engineering structures. In addition to the technical deployment and the development of domain-specific metadata standards, the pilot phase also highlighted the need for suitable institutional infrastructures, processes, and role models. An institute-wide rollout of the BAM Data Store is currently being planned.
Process analytical technology (PAT) is a cross-sectional technology and thus essential for future smart production. While in the past decades, the focus of process optimization strategies was on increasing efficiency, in the future, the focus will be on the sustainability of a production and its products. In addition, products will be increasingly personalized in order to match the property profile exactly to the intended use. PAT is able to provide context-sensitive information at the molecular level for process control. Spectroscopic sensors can determine inline and simultaneously both the chemical composition and its sub-microscopic morphology. The article will focus on the optical spectroscopy and therefore starts with a brief introduction on the basic concepts of molecular spectroscopy. In addition, the particularities of measuring liquids, surfaces, or particulate systems in PAT applications are described. This should enable the reader to select the appropriate method for the specific problem. Many examples from everyday industrial practice illustrate the applications. The areas covered are the manufacturing industry, process and pharmaceutical industry, food industry, as well as biotechnology and medical technology. Future will show that PAT is especially important for applications in the field of medicine (point of care) circular economy (recycling, water–wastewater, etc.). It is important to emphasize that sustainability in industrial production can only be successful with an inter- and transdisciplinary close exchange between the different disciplines.
Der Beitrag beinhaltet Themen vom H2Safety@BAM-Kompetenzfeld Sensorik, Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien (SensRef) mit Fokus auf Mess- und Prüfverfahren mit verschiedenen Sensortechnologien und Ultraschallwellen:
Metrologie zur Wasserstoffspeicherung - Euramet-Vorhaben "MefHySto",
Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhälntisses mit Gassensoren, zerstörungsfreie Fehlstellenerkennung mit integriertem Zustandsüberwachungssystem basierend auf geführten Ultraschallwellen zur Lebensdauerüberwachung von Composite-Behältern (Wasserstoffspeicher) sowie faseroptische Sensorik zur Schadenfrüherkennung von Wasserstoffspeichern aufgrund erkennbarer Dehnungsänderungen an Druckbehältern.
Unternehmen der Prozessindustrie müssen neue Wege finden, um in einem sich wandelnden Umfeld erfolgreich zu überleben, und gleichzeitig flexiblere Wege der Produkt- und Prozessentwicklung finden, um ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen – insbesondere hochwertige, hochwertige Produkte wie Feinchemikalien oder Arzneimittel. Dies wird zukünftig durch Veränderungen in den Wertschöpfungsketten entlang einer potenziellen Kreislaufwirtschaft erschwert.
Anhand von Beispielen wird in diesem Vortrag ein möglicher ganzheitlicher Ansatz zur Digitalisierung und zum Einsatz maschineller Verfahren in der Produktion von Spezialchemikalien durch die Einführung integrierter und vernetzter Systeme und Prozesse skizziert.
Es wird auch auf die aktuelle Technologie-Roadmap „Prozess-Sensoren 2027+“ eingegangen, die Ende 2021 erschienen ist. Im Zentrum dieser Roadmaps stehen Sensoren zur Erfassung von physikalischen und chemischen Messgrößen mittels spezifischer und unspezifischer Messverfahren, die zur Steuerung und dem besseren Verständnis von Prozessen dienen. Die Roadmap fasst die gemeinsame Technologie- und Marktsicht von Anwendern, Herstellern und Forschungs¬einrichtungen im Bereich Prozess-Sensorik in der verfahrenstechnischen Industrie zusammen. Digitalisierung und Nachhaltigkeit sind übergreifende Kernthemen der künftigen Entwicklung.
Die BAM setzt in ihren analytischen Labors zunehmend Labor-Robotik ein, um gefähliche oder zeitraubende Routineaufgaben zu automatisieren. Durch Automation kann auch die Reproduzierbarkeit solcher Anwendungen erhöht werden.
Im Beitrag werden einige aktuelle Beispiele aus den Analytiklabors diskutiert, wie z. B. die Anwendung für die Herstellung und RFA-Analytik von Gläsern, eine Feinwäge-Robotik für 10-L-Gaszylinder im Rahmen der Herstellung von Primärnormalen oder die Automatisierung von Probenpräsentationen für optische Spektroskopie und chemical Imaging. Auch wird kurz auf den Einsatz von Speicherprogrammierbaren Steuerungen in der modularen Laborautomation und die Virtualisierung von analytischen Laborrechnern eingengangen.
Tire wear (TW) constitutes a significant source of microplastic in terrestrial ecosystems. It is known that particles emitted by roads can have an effect up to 100 m into adjacent areas. Here, we apply for the first-time thermal extraction desorption gas chromatography-mass spectrometry (TED-GC/MS) to determine TW in soil samples by detection of thermal decomposition products of styrene-butadiene rubber (SBR), without additional enrichment. Additionally, zinc contents were determined as an elemental marker for TW. Mixed soil samples were taken along three transects along a German motorway in 0.3, 2.0, and 5.0 m distance from the road. Sampling depths were 0–2, 2–5, 5–10, and 10–20 cm. Four fine fractions, 1 000–500, 500–100, 100–50, and <50 μm, were analyzed.
TW contents based on SBR ranged from 155 to 15 898 mg kg−1. TW contents based on zinc were between 413 and 44 812 mg kg−1. Comparison of individual values of SBR and zinc reveals SBR as a more specific marker. Results confirm that most TW ends up in the topsoil within a 2 m distance.
The sampling strategy resulted in representative data for a larger area. Standard deviations of quadruple TED-GC/MS determination of SBR were <10% for all grain size fractions. TED-GC/MS is a suitable analytical tool for determining TW in soil samples without the use of toxic chemicals, enrichment, or special sample preparation.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
Die Thermo Extraktion Desorption Gas Chromatograpie Massen Spektrometrie (TED-GC/MS) ist ein schnelles thermoanalytisches Verfahren zur Bestimmung von Gehalten an Mikroplastik (MP). Die Kombination aus teils schwerflüchtigen Analyten und Kältebrücken führt zu Memory-Effekten, denen u.a. durch häufige Blindwertmessungen begegnet werden muss. Reduzierte Probedurchsätze sind die Folge. Um Messergebnisse abzusichern und den Gerätestatus bei gleichzeitig hoher Messleistung überwachen zu können, wurde die sequentielle Standardmethode überarbeitet.
Microplastic detection in water samples becomes important for tracing microplastic sources. Microplastic may harm desalination facilities by blocking filters and disturbing the marine food chain. Thermo analytical methods such as pyrolysis gas chromatography mass spectroscopy, and spectroscopic methods like (micro) Raman spectroscopy or (micro) Fouriertransform infrared spectroscopy in combination with appropriate filters and sample preparation are suitable for analyzing microplastics on a scale from 1 µm to 1000 µm fast and unambiguous. While the thermo analytical methods are suitable for larger sample volumes, Raman spectroscopy and Fouriertransform infrared spectroscopy are able to detect and analyze single microplastic particles for instance in bottled water. Machine learning algorithms ensure a reliable classification of different plastic materials.
Near-infrared (NIR) spectroscopy is a promising candidate for low-cost, nondestructive, and highthroughput mass quantification of microplastics in environmental samples. Widespread application of the technique is currently hampered mainly by the low sensitivity of NIR spectroscopy compared to thermoanalytical approaches commonly used for this type of analysis. This study shows how the application of NIR spectroscopy for mass quantification of microplastics can be extended to smaller analyte levels by combining it with a simple and rapid microplastic enrichment protocol. For this purpose, the widely used flotation of microplastics in a NaCl solution, accelerated by centrifugation, was chosen which allowed to remove up to 99 % of the matrix at recovery rates of 83–104 %. The spectroscopic measurements took place directly on the stainless-steel filters used to collect the extracted particles to reduce sample handling to a minimum. Partial least squares regression (PLSR) models were used to identify and quantify the extracted microplastics in the mass range of 1–10 mg.
The simple and fast extraction procedure was systematically optimized to meet the requirements for the quantification of microplastics from common PE-, PP-, and PS-based packaging materials with a particle size < 1 mm found in compost or soils with high natural organic matter content (> 10 % determined by loss on ignition). Microplastics could be detected in model samples at a mass fraction of 1 mg g-1. The detectable microplastic mass fraction is about an order of magnitude lower compared to previous studies using NIR spectroscopy without additional enrichment. To emphasize the cost-effectiveness of the method, it was implemented using some of the cheapest and most
compact NIR spectrometers available.
Im Rahmen von der BAM und anderen Partnern ins Leben gerufene Initiative „Digitale Qualitätsinfrastruktur“ ist der Fokus auf die Entwicklung von neuen Regelwerken und Zertifizierungsworkflows ausgerichtet. Dabei ist eine besondere Bedeutung dem Zusammenführen von Operational Technology (OT) und Informationstechnik (IT) beizumessen, wenn aktuelle Prozess- und Parameterdaten
zuverlässig zur Verfügung gestellt werden sollen. In dem Use Case Wasserstofftankstelle werden digitale Abbilder erprobt, die u.a. der Kalibrierung von Sensoren, dem Nachweis über die Wasserstoffreinheit und der vorausschauenden Wartung dienen sollen.
Großenteils der verfahrenstechnischen Bestandsanlagen, die sogenannten Brownfield-Anlagen, sind nach einem konservativen und hierarchischen Automatisierungskonzept ausgelegt. Hierbei können sämtliche Prozessdaten,
besonders aus der Feldebene, einer oberen informationstechnische Ebene
unzugänglich bleiben. Eine Brückentechnologie nach der NAMUR Open Architecture (NOA) soll möglichst viele Informationen und Daten aus der vorgegebenen Brownfield-Automatisierung sicher und rückwirkungsfrei zur
Verfügung stellen. Zusätzliche Sensorik soll ebenso zu der Datenerweiterung beitragen und letztendlich den digitalen Zwilling, bzw. das digitale Abbild des verfahrenstechnischen Prozesses, ergänzen.
Die Herausforderungen einer solchen Infrastruktur gelten vor allem einer universellen
Kommunikationsschnittstelle und der Sicherheit. Darüber hinaus werden vorgeschlagene Normen und Empfehlungen untersucht und erprobt.
Detektion von Mikroplastik
(2022)
The rails of modern railways face an enormous wear and tear from ever increasing train speeds and loads. This necessitates diligent non-destructive testing for defects of the entire railway system.
Non-destructive testing of rail tracks is carried out by rail inspection trains equipped with ultrasonic and eddy current test devices. However, the evaluation of the gathered data is mainly done manually with a strong focus on ultrasonic data, and defects are checked on-site using hand-held testing equipment. Maintenance measures are derived based on these on-site findings.
The aim of the AIFRI project (Artificial Intelligence For Rail Inspection) is to
- increase the degree of automation of the inspection process, from the evaluation of the data to the planning of maintenance measures,
- increase the accuracy of defect detection,
- automatically classify detected indications into risk classes.
These aims will be achieved by training a neural network for defect detection and classification. Since the current testing data is unbalanced, insufficiently labeled and largely unverified we will supplement fused, simulated eddy current and ultrasonic testing data in form of a configurable digital twin.
Das thermografische Nachweisprinzip beruht auf der Analyse von instationären Temperaturverteilungen, welche durch die Wechselwirkung eines von außen zugeführten Wärmestroms mit der inneren Geometrie des Prüfobjekts oder mit darin eingeschlossenen Inhomogenitäten verursacht werden. Eine äquivalente Beschreibung dieses wechselwirkenden Wärmestroms ist die Ausbreitung von Wärmewellen im Inneren des Prüfobjekts. Obwohl die Thermografie für die Erkennung einer Vielzahl von Inhomogenitäten und für die Prüfung verschiedenster Materialien geeignet ist, besteht die grundlegende Einschränkung in der diffusen Natur der Wärmewellen und der Notwendigkeit, ihre Wirkung nur an der Prüfobjektoberfläche radiometrisch messen zu können. Der fundamentale Nachteil von diffusen Wärmewellen gegenüber propagierenden Wellen, wie sie z. B. im Ultraschall vorkommen, ist die dadurch verursachte schnelle Verschlechterung der räumlichen Auflösung mit zunehmender Defekttiefe. Diese Verschlechterung schränkt in der Regel die Anwendbarkeit der Thermografie bei der Suche nach kleinen tiefliegenden Defekten ein.
Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und damit der Erkennungsempfindlichkeit und der Rekonstruktionsqualität in der thermografischen Prüfung liegt in der speziellen Formung dieser diffusen Wärmewellenfelder mittels strukturierter Laserthermografie bzw. photothermischer Anregung. Einige Beispiele sind:
- Schmale rissartige Defekte unterhalb der Oberfläche können durch Überlagerung mehrerer interferierender Wärmewellenfelder mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden,
- Nahe beieinander liegende Defekte können durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Heizstrukturen getrennt werden,
- Defekte in unterschiedlichen Tiefen können durch eine optimierte zeitliche Gestaltung der thermischen Anregungsfunktion unterschieden werden,
- Schmale Risse auf der Oberfläche können durch robotergestütztes Scannen mit fokussierten Laserspots gefunden werden,
- Defekte, die während der additiven Fertigung auftreten, können bereits im Bauraum und mit dem Fertigungslaser detektiert werden.
Wir präsentieren die neuesten Ergebnisse dieser Technologie, die mit Hochleistungslasersystemen und modernen numerischen Methoden erzielt wurden.
Safe food is a prerequisite for good human health, however currently almost one in ten people in the world fall ill after eating contaminated food. National food safety authorities need to be able to manage food safety risks along the entire food chain. The Official Controls Regulation (EU) 2017/625 was put in place to ensure that food and feed law stipulates the need for validated analytical methods. However, whilst method development for food control and proficiency testing are well established by European Union Reference Laboratories and National Reference Laboratories, validation of the measurements involved, certified reference materials and internationally recognised calibration and measurement capabilities are currently often (?) lacking. This may erode trust in the accuracy of the measurements.
This poster presents Food-MetNet, a coordinated preparatory initiative to establish the European Metrology Network for Safe and Sustainable Food, recently approved by the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET). Food-MetNet aims to establish an ongoing dialogue between the metrology community, reference laboratories and regulatory bodies, in order to (i) identify stakeholders’ needs, (ii) develop a sustainable knowledge-sharing programme and web-based platform for stakeholders and (iii) develop roadmaps and a strategic research agenda. Improved access to more reliable and accurate food safety measurements will enable reference laboratories to more confidently and effectively compare their measurement results and support accreditation. This is particularly important where national food safety authorities need to assess potential new contaminants, novel food ingredients and newly emerging food risks, and new measurements methods may be required as well as input into new documentary standards. The activities for sustainable food intend to boost the activity within the "EU green deal framework" to reduce food waste and losses, and the development of standards and methods that allow for the reuse of food waste. The support to new business opportunities and innovation will allow increasing the market competitiveness of EU food industries and the valorisation of waste by reducing environmental impacts.
Quality assessment of components produced by metal based additive manufacturing (AM) technologies such as laser powder bed fusion is rising in importance due to the increased use of AM in industrial production. Here, the presence of internal porosity was identified as a limiting factor for the final component quality. The utilization of thermography as an in-situ monitoring technique allows the determination of the part’s thermal history which was found to be connected to the porosity formation [1]. Combining the local thermal information derived from thermography with the porosity information obtained by x-ray micro computed tomography, machine learning algorithms can be utilized to predict the porosity distribution in the part. In this study, a first approach for the prediction of keyhole porosity in a cylindric specimen from AISI 316L stainless steel is presented. It is based on data augmentation using the “SmoteR” algorithm [2] to cure the dataset imbalance and a 1-dimensional convolutional neural network.
[1] C.S. Lough et al., Local prediction of Laser Powder Bed Fusion porosity by short-wave infrared thermal feature porosity probability maps. Journal of Materials Processing Technology, 302, p. 117473 (2022)
https://dx.doi.org/10.1016/j.imatprotec.2021.117473
[2] L. Torgo et al., SMOTE for Regression. Progress in Artificial Intelligence, Chapter 33, p. 378-289 (2013)
https://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-40669-0_33
This report summarizes findings from the first comprehensive study on digitalization in conformity assessment in Italy. The reults are based on data from a survey among conformity assessment bodies (CABs) conducted in 2022. It highlights the digital maturity of the organizations, the motives, benefits and obstacles of digital transformation as well as the actual technology trends.
The study on Italian CABs is part of a global project that covers various other countries (see www.qi-fokus.de).
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
Contamination of the environment with antibiotics is of great concern as it promotes the evolution of antimicrobial resistances. In case of amoxicillin (AMX) in the aquatic environment, further risk arises from hydrolysis products (HPs) which can cause allergy. To assess these risks, a comprehensive investigation and understanding of the degradation of AMX is necessary. We investigated the hydrolysis rate of AMX in different types of water as well as the influence of temperature and irradiation. The content of the heavy metal ions copper and zinc was found to be crucial for the hydrolysis rate of AMX and stability of HPs. Eventually, a new degradation pathway for AMX could be elaborated and confirmed by tandem mass spectrometry (LC-MS/MS).
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast & cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) allow for implementation into an immunosensor for online testing. Particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically (chronoamperometry) on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast & cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) allow for implementation into an immunosensor for online testing. Particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically (chronoamperometry) on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
2. Projekttreffen mit dem Umweltbundesamt zum Projekt MARKERIA (VH1802).
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
Vortrag zum Kick-off des Projektes.
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
A vast number of emerging pollutants is being detected in the environment. Another lingering problem are health-threatening contaminants, such as mycotoxins, that deteriorate food and feed, and the pathogens themselves. Analytical methods, suitable for trace analysis, are needed that are desirably also fast, inexpensive and, if possible, robust and portable. It is set out, how immunoana-lytical, i.e., antibody-based methods, which are elaborated in a broad range of formats, can be profitably used to gain insights on the distribution and concentration trends of the target analytes at the point-of-need.
In urban waters, a multitude of organic micropollutants, often termed emerging pollutants, has been found over the last decades. Analytical methods suitable for trace analysis are needed that are desirably also fast, inexpensive and, if possible, robust and portable. Immunoanalytical, i.e., antibody-based, methods which are available in a broad range of formats, can be profitably used here to screen for the distribution and to monitor the trends of concentration levels of contaminants of emerging concern in the environment. Some of these formats are single-analyte but high-throughput methods. To use them wisely, indicator substances, sometimes called anthropogenic markers, should be selected and used in screening approaches, i.e., as indicators for contamination and the pre-selection of samples at which to have a closer look by multiplex methods like LC-MS/MS. Other methods are suitable to be performed on portable instrumentation in the field (on-site) or in facilities such as wastewater treatment plants for on-line monitoring of the treatment and elimination process. Furthermore, array technologies have been established that allow for parallel (multiplex) analysis of several analytes of interest.
The microtiter-plate based ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) is the method of choice for the analysis of a large number of samples [1]. ELISAs are available to monitor for anthropogenic markers such as the antiepileptic carbamazepine, the analgesic diclofenac, the antihistaminic cetirizine, the steroid hormone estrone, the antimicrobial sulfamethoxazole, psychoactive caffeine and cocaine, the priority pollutant bisphenol A, and the bile acid isolithocholic acid. For on-site screening and monitoring, simpler formats, like mix-and-read assays, e.g., the Fluorescence Polarization Immunoassay (FPIA) [2] or Lateral-flow Immunoassays (LFIA) [3] are more suitable tools, the latter based on dipsticks or little cassettes, with which users have become very familiar during the COVID-19 pandemic via rapid antigen tests. The suitability of multi-analyte formats such as immunomicroarrays depends on the choice of a signal-producing system that provides small uncertainties and good reproducibility of the measurements. Bead-based (“suspension”) arrays, read out in flow cytometers, are a powerful platform for multiplex assays [4]. Electrochemical formats, run on portable devices, provide additional advantages as no light source is required. They are most promising for stand-alone analysers and biosensors [5].
The speed, low cost and on-site capabilities of these methods allow to gather a lot more data on anthropogenic compounds which enables to quantify inputs, differences in degradation power of elimination processes, dilution phenomena and a more precise image of individual water cycles which is demonstrated by several examples.
Analytical methods based on the selectivity of antibodies, often called immunoassays, are a back-bone of clinical laboratory diagnostics. To bring them to the field, i.e., to make immunoanalytical methods portable, hopefully even faster, more sensitive, and robust, advanced materials are re-quired. Materials can be novel labels, e.g., chemical or particle labels, such as fluorophores or na-noparticles. Carrier particles, such as magnetic or polymer beads, make it possible to adopt the as-says to meso- or microfluidic set-ups and encoding them opens the path to multiplex analysis. Spe-cialty electrodes can enable for higher sensitivity in electrochemical detection. Without research into better materials, efforts to bring analysis to the point-of-need will not bear fruit.
Immunoanalytical Techniques, i.e., antibody-based analytical methods, have been used for decades in clinical diagnostics. What makes them attractive for other fields of application is their short time-to-result and high sensitivity. Microplate-based assays such as ELISA have been adopted early in environmental and food analysis. Yet, to make immunoassays even faster, more sensitive, robust, and, most desirable, portable, advanced materials, sometimes developed for other purposes, can be profitably used to achieve these goals. Materials can be novel labels, e.g., chemical or particle labels, such as fluorophores or nanoparticles. Carrier particles, such as magnetic or polymer beads, make it possible to adopt the assays to meso- or microfluidic set-ups and encoding them opens the path to multiplex analysis. Specialty electrodes can enable for higher sensitivity in electrochemical detection. All this broadens the scope of application and lowers effort and cost for analysis at the point-of-need.
ESI-CorA ist ein nationales Verbundprojekt mit dem Ziel des Nachweises von SARS-CoV-2 im Abwasser.
Das UBA hat als Teilprojekt das Projekt MARKERIA (VH1802) an die BAM vergeben.
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
1. Projektreffen mit dem Umweltbundesamt für das Projekt MARKERIA (VH1802).
Ziel des Projektes ist es, die Eignung der Bestimmung eines oder mehrerer der genannten anthropogenen Marker im Abwasser zur Volumenkorrektur („Kalibration“) im SARS-CoV-2-Monitoring von Abwässern auf der Basis eines von der BAM zu erhebenden Messdatensatzes zu evaluieren.
Fumonisins are a class of toxic secondary metabolites produced by various Fusarium species. The two most important producers of fumonisins are F. verticillioides and F. proliferatum but also Aspergillus niger is known to produce fumonisins. Most frequently they occur on maize, but also other grains can be contaminated with this group of mycotoxins. Exposure to fumonisins by dietary intake can have serious health effects on farm animals such as equine leukoencephalomalacia and porcine pulmonary oedema and is associated with neural tube defects and esophageal cancer in humans. Thus, the European Commission sets legal limits for fumonisins in foodstuffs. The detection of fumonisins is frequently performed in laboratories by chromatographic methods, which are costly and require trained personnel. Simplifying the analysis is therefore a major goal using portable detection systems. Electrochemical enzymatic biosensors offer great promise to meet this demand. Here we report for the first time an enzymatic fumonisin sensing approach with amperometric detection. For this purpose, an Aspergillus niger fumonisin amine oxidase (AnFAO) catalyzing the oxidative deamination of fumonisins, producing hydrogen peroxide, was recombinantly produced in E. coli. For the first time, the specific enzyme activity of AnFAO was determined using a horseradish peroxidase-based fluorescence assay. It was found that the specific activity of AnFAO using 20 μM Fumonisin B1 as substrate is higher than for 20 μM Fumonisin B2 with 0.122 U mg-1 and 0.058 U mg-1, respectively. It was possible to show a dependence of enzyme activity with enzyme – and substrate-concentration. For fumonisin B1 detection, the enzyme was coupled covalently to magnetic particles and the enzymatically produced H2O2 was detected amperometrically in a flow injection system using Prussian blue carbon electrodes. The developed method allows to quantify fumonisin B1 concentrations down to 1.5 µM and demonstrates that the recombinantly produced AnFAO was able to deaminate different concentrations of fumonisin even in immobilized form. Thus, this enzyme is well suited to develop an enzyme based electrochemical biosensor for fumonisin contaminated food and feed.
Introduction of a monitoring system for Bingham fluids in additive manufacturing with concrete
(2022)
Freeform additive manufacturing of concrete structures is a rising technology in civil engineering with several fascinating advantages. Nonetheless, to ensure reliability and structural integrity, standards and quality control are required in the future to bring this technology into the market. As the concrete is manufactured continuously, continuous quality control of the printing process is also required, i.e. comprehensive process monitoring. At BAM, a test rig will be installed, enabling the printing of concrete structures with a maximum size of 2 m x 1 m x 1 m (l x w x h). Here, process monitoring is the focus of the test rig. In this study, we show the results of the first pump tests, including the measurement of several parameters such as temperature and pressure along the supply system, i.e. from the concrete pump to the printer head.
Remote sensing of hazardous substances is a key task that can be achieved with the help of remotely operated platforms equipped with specific sensors. A huge variety of methods and used vehicles have been developed for different purposes in recent years. The term smart dust refers to a science fiction novel and develop shortly after into a research proposal at UC Berkley funded by DARPA. Subsequently, the topic gained attraction but was overall considered as to complex for the technologies available at that time. In the launched passive smart dust project, we shift to a simple “chemical intelligent” passive sensor particle on the ground combined a read-out active sensor attached to an Unmanned Aerial Vehicle (UAV). The reactive particle surface can be preadjusted in the lab for exact desired properties regarding certain reactions to hazardous substances.
Moreover, the aimed interaction with the active sensor can be modified. Planed applications allow for different materials e.g., for short time measurement, being ecologically degradable, or weather stable for long time monitoring.
High demand for remote sensing of hazardous substances. Possible solution: Use of distributed, low cost, and environmentally safe particles as passive sensors that can be read out remotely
Chemical intelligence on the particle surface can be easily modified Particles enable optically quantifiable response and inference of target substances (also no maintenance or power supply required