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Die Nanomedizin beschäftigt sich unter anderen mit der Frage, wie sich die Behandlung gefährlicher Krankheiten effizienter und sicherer gestalten lässt, deren konventionelle Therapie oftmals mit schweren Nebenwirkungen einhergeht. Die Vision ist, ein theranostisches Wirkstoffträgersystem zu schaffen, das seinen therapeutischen Cargo sicher an den Wirkort transportiert, dort freisetzt und gleichzeitig in Echtzeit verfolgt werden kann, um die Therapie individuell anzupassen. Die Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung eines Wirkstoffträgersystems bilden Untersuchungen zum Verhalten von nanopartikulären Substanzen in physiologischer Umgebung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden polymere Nanopartikel unterschiedlicher Morphologie durch die kontrollierte Selbstorganisation amphiphiler Blockcopolymere hergestellt, charakterisiert und auf ihre Wechselwirkungen mit menschlichen Zellen und Serumproteinen untersucht. Dazu wurde eine Studie zur Geometrie- und Größenabhängigkeit der Zytoxizität von nanoskaligen Kugel- und Zylindermizellen sowie Vesikelstrukturen durchgeführt. Des Weiteren wurde das Agglomerationsverhalten von verschiedenen polymeren Nanopartikeln in Anwesenheit von Serumproteinen untersucht. Mit Hilfe eines Mikromischer-basierenden Verfahrens gelang es, kontinuierlich sehr einheitliche Polymervesikel herzustellen und diese in situ mit unterschiedlichen Komponenten zu beladen - unter anderem mit dem Wirkstoff Camptothecin sowie einer hohen Dichte an hydrophoben Eisenoxid-Nanopartikeln. Diese wirkstoffbeladenen Hybridvesikel zeigten in vitro im Vergleich zum freien Wirkstoff eine erhöhte zytotoxische Wirksamkeit gegen die Krebszelllinie PC-3. Nach einer Funktionalisierung mit einem krebszellspezifischen Targeting-Peptid und einer zusätzlichen Fluoreszenzmarkierung wurde mit Hilfe der Durchflusszytometrie und konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie eine rezeptor-spezifische Zellaufnahme in PC-3-Krebszellen demonstriert. Messungen zur magnetischen Charakterisierung bestätigten zudem die potenzielle Anwendung magnetischer Polymervesikel als MRT-Kontrastmittel wie auch als Tracer für das Magnetic Particle Imaging (MPI). Kontinuierlich hergestellte, wirkstoffbeladene, magnetische Polymervesikel erfüllen somit viele Grundvoraussetzungen für ein theranostisches Wirkstoffträgersystem und bieten weitere Entwicklungsmöglichkeiten im Hinblick auf Magnetfluid-Hyperthermie, magnetisches Targeting oder eine durch ein Magnetfeld induzierte Wirkstofffreisetzung.
132
The aim of this thesis was the development of switchable information carriers based on shape memory polymers (SMPs) and the investigation of their durability. Deployed as a new kind of security label, such technology may be an effective tool to prevent counterfeiting and product piracy.
Thermoplastic as well as thermoset SMPs turned out to be applicable as a specific substrate for the fabrication of switchable information carriers. In particular, a physically cross-linked and semi-crystalline poly(ester urethane) (PEU), and a chemically cross-linked epoxy-based polymer were investigated. Both SMPs were able to undergo distinct changes in shape upon triggering, which is commonly known as the shape memory effect (SME).
A key step for the fabrication of switchable information carriers was the development of a suitable technique for a surface-specific coloring of the polymeric base material. In particular, it was necessary to have a thin coat of paint in order to assure sufficient surface contrasts within the subsequently laser-engraved barcodes (e.g. quick response (QR) codes). In detail, coloring was conducted by diffusion of staining solutions, based on organic dyes, into the polymeric matrix. As a result of properly selected exposure times, homogenous layers of paint having thicknesses of about 100 μm, could be produced.
In order to obtain room temperature stable, temporary shapes with non-decipherable code information, various programming procedures were applied to the information carriers. These were either based on tensile or on compressive deformation. For instance, when using plane steel plates in the course of compressive deformation, code areas were randomly distorted. By contrast, selective distortions could be achieved using a steel ball type indenter. However, the triggering of the SME resulted in almost complete shape recoveries. As a result, the information carriers could reliably be switched back to readable states.
Before the developed information carriers can be brought onto the market, it is important to evaluate their durability against various environmental impacts. Artificial weathering was conducted exemplarily on blue and black colored QR code carriers based on PEU. Various scenarios were selected: exposure to UVA irradiation and aging in aqueous solution. In both cases, the durability was investigated at temperatures below and above the switching temperature of the employed SMP. It turned out, that the limiting factor for the usage of switchable information carriers was a lack of contrast and thus was dye-related. In the case of UV irradiation, the color of the dyes started fading, culminating in unreadable QR codes. For hydrolytic degradation, the non-colored code regions were stained in the course of aging. This originates from the fact that the organic dyes used for coloring were soluble in water. As a consequence, they were able to diffuse easily in and out of the swollen polymeric matrix. For both scenarios, aging at elevated temperature caused acceleration of the observed effects. However, the shape memory properties of the PEU were only slightly influenced by the applied aging scenarios.
Next, an additional thermo-responsive security feature was added to the information carriers. Therefore, thermochromic pigments (T-PIGs) were embedded into a PEU matrix. However, in contrast to the organic dyes, the size of the thermochromics microcapsules was too large to diffuse into the polymeric matrix. Thus, another procedure for a surface-specific coloring of the PEU was developed. This mainly included the preparation of a PEU-paste doped with T-PIG by solution mixing. The thermochromic paste was deposited by means of a solvent casting technique as thin layer atop the PEU plaque. After solvent evaporation, tightly connected PEU/PEU-T-PIG laminates were obtained. Beyond that, the layer thickness was adjustable by using a doctor blade for the paste deposition. Subsequent laser ablation finalized the QR code carriers. These were readable at room temperature, but unreadable above the color switching temperature of the employed T-PIGs due to a lack of contrast. Hence, the obtained multifunctional information carriers were characterized by distinct shape memory properties and tunable color switching performances. Furthermore, the combination of several T-PIGs having different colors and switching temperatures resulted in surfaces with multiple and unique temperature-dependent changes in color. Besides that, information carriers with temporarily concealed information could be obtained by covering the QR code with an additional layer doped with T-PIG.
131
Silbernanopartikel (Ag-NP) können, bedingt durch ihre wachsende Anwendung im Lebensmittelbereich, vermehrt oral aufgenommen und über den Intestinaltrakt resorbiert werden. Die Diversität der physikalisch-chemischen Eigenschaften, der in toxikologischen Studien eingesetzten Nanopartikel (NP), macht eine allgemein gültige Aussage zu ihren physiologischen Wirkungen nicht trivial. Auch die Ursachen ihrer zytotoxischen Eigenschaften werden weiterhin kontrovers diskutiert.
Basierend auf diesen Fragestellungen, wird in dieser Arbeit die physikalisch-chemische Charakterisierung von toxikologisch relevanten Partikeleigenschaften vorgestellt, welche das Zellkulturmedium (ZKM) als chemische Umgebung der NP berücksichtigt. Durch in-vitro Experimente mit dem humanen Modell des Intestinaltraktes (Caco-2 Zellen) wurden anschließend die relevanten molekularen Effekte des charakterisierten Ag-NP Referenzmaterials hinsichtlich partikulärer, ionischer oder synergistischer Wirkung untersucht.
Mittels einer Kombination aus Asymmetrischer-Fluss-Feldflussfraktionierung (A4F) sowie dynamischer Licht- und Röntgenkleinwinkelstreuung konnte eine Zunahme des hydrodynamischen Radius der Partikel im ZKM beobachtet werden. Dieser ließ sich durch nachfolgende energiedispersive Röntgenfluoreszenz Spektroskopie und zweidimensionale Gelelektrophorese mit der Bildung einer Proteinkorona beschreiben, die hauptsächlich aus bovinem Serumalbumin bestand. Die Trennung von ungebundenen Proteinen und Partikeln mit Korona wurde sowohl mittels A4F als auch Zentrifugation durchgeführt, wobei sich die A4F als die sensitivere Methode herausstellte.
Die 24-stündige Exposition der Caco-2 Darmzellen mit jeweils zwei nicht zytotoxischen Konzentrationen des Ag-NP-Referenzmaterials sowie Silberionen aus Silbernitrat (SN) zeigte einen signifikanten Unterschied der Anzahl deregulierter Proteine zwischen partikulärer und ionischer Behandlungsgruppe. Die NP führten im Gegensatz zu den Ionen zu einer vermehrten Herunterregulation der Proteine. Die Auswertung der Proteinderegulationen deutete auf eine Inhibierung pro-inflammatorischer Proteine wie Nuclear Facor Kappa Light Chain Enhancer of Acivated B-Cells (NFκB) durch die NP Behandlungsgruppe hin. SN führte zu einer aktivierten inflammatorischen Antwort. Im Gegensatz zu den SN Behandlungsgruppen zeigten die NP eine vorhergesagte Inhibierung des Nrf2-Signalweges, der oxidativen Stress induziert.
Beide NP-Konzentrationen führten in den Zellen zu einer Suppression tumorassoziierter Proteine wie z.B. ADP-sugar Pyrophosphatase (NUDT5). Die Konzentration tumorassoziierter Proteine nach Inkubation mit SN blieb entweder unverändert oder stieg leicht an.
130
Mit dem Ziel, die auf der Ebene der Kornstruktur ablaufenden Prozesse mit in die Beschreibung des Kriechverhaltens polykristalliner Werkstoffe einzubeziehen, wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst die Schädigungsentwicklung einer einzelnen Korngrenze untersucht.
Hierfür wurde eine spezielle Simulationsmethode verwendet, deren Lösungsansatz auf holomorphen Funktionen basiert. Die für die Simulationen berücksichtigten Mechanismen umfassten insbesondere Nukleation, Wachstum durch Korngrenzendiffusion, Zusammenwachsen und Schrumpfen bis zum vollständigen Sintern von Korngrenzenporen. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse konnte ein vereinfachtes Porositätsmodell entwickelt werden, welches die Korngrenzenschädigung durch zwei Zustandsvariablen und die zeitliche Entwicklung durch eine Mechanismen-orientierte Ratenformulierung beschreibt. Um den Einfluss von Korngrenzen in kontinuumsmechanischen Betrachtungen von Polykristallen berücksichtigen zu können, wurde ein Grenzflächenmodell erarbeitet, welches sowohl Schädigung entsprechend dem vereinfachten Porositätsmodell als auch Korngrenzengleiten in Abhängigkeit von einer phänomenologischen Korngrenzenviskosität umfasst. Darüber hinaus wurde ein mikromechanisches Polykristallmodell entwickelt, welches es im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen erlaubt, das Kriechverhalten unter Einbeziehung der Gefügestruktur eines polykristallinen Werkstoffes zu simulieren. Dabei werden die Deformationen einzelner Körner durch ein viskoplastisches Einkristallmodell und die Korngrenzen durch das entwickelte Grenzflächenmodell beschrieben. Die Gefügestruktur wird durch ein Finite-Elemente-Modell abgebildet, wobei die Korngrenzen durch kohäsive Elemente modelliert werden. Durch Auswertung experimenteller Kriechdaten konnte das Polykristallmodell für eine Kupfer-Antimon-Legierung bei einer Temperatur von 823 K kalibriert werden. Die Anpassung des Einkristallmodells erfolgte dabei anhand der Kriechraten von reinen Kupfereinkristallproben.
Die experimentelle Erfassung der Korngrenzenabgleitung und der Korngrenzenporosität für grobkörnige Kupfer-Antimon-Proben konnten hingegen zur Anpassung des Grenzflächenmodells genutzt werden. Das kalibrierte Polykristallmodell wurde abschließend in Kombination mit künstlich erzeugten Kornstrukturen genutzt, um zum einen numerische und modellierungstechnische Einflüsse auf die Simulationsergebnisse zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Vernetzungsfeinheit nur zu einer vergleichsweise geringen Beeinflussung des makroskopischen Kriechverhaltens führt. Aufgrund des nahezu inkompressiblen Deformationsverhaltens des Einkristallmodells war aber die Nutzung spezieller Kontinuumselementtypen notwendig, um das Auftreten von Volumenlocking zu verhindern. Zum anderen konnte das Kriechverhalten polykristalliner Werkstoffe, zu welchem insbesondere die versagensrelevante Schädigungsentwicklung zählt, für verschiedene Material- und Belastungsparameter analysiert werden. Speziell für die betrachtete Kupfer-Antimon-Legierung zeigte sich, dass das Kriechverhalten durch Korngrenzengleiten geprägt war. Insbesondere die Spannungsumlagerungen an den Korngrenzen waren vergleichbar mit dem Verhalten für ungehindertes Korngrenzengleiten. Darüber hinaus deuteten Simulationen für mehrachsige Belastungszustände darauf hin, dass die Schädigungsentwicklungmaßgeblich durch die maximale Hauptspannung und die von Mises-Spannung beeinflusst wird.
129
In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt.
Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein.
Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile.
128
Für den Transport flüssiger Gefahrguter im Luftverkehr werden unter anderem Kunststoffverpackungen verwendet, die Leckagen aufweisen oder Permeation unterliegen können. Aufgrund der vorhandenen Belüftungsbedingungen ist eine Ansammlung entzündlicher oder gesundheitsschädlicher Gase im Frachtraum von Flugzeugen denkbar. Die Überschreitung ausreichender Konzentrationen solcher Gase kann zu einer Gefährdung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Kabinenluftströmungen und der Stofftransport von Gefahrgut in Flugzeugfrachträumen mittels CFD untersucht. Zunächst erfolgt die Entwicklung eines geeigneten numerischen Modells auf der Grundlage eines generischen Frachtraums mit typischen Merkmalen.
Die verwendeten realitätsnahen Randbedingungen entsprechen aktuellen Flugzeugmustern. Das numerische Modell wird mittels experimenteller Modellversuche im Maßstab 1/10 validiert. Das Strömungsfeld im Frachtraummodell wird mittels eines LDA-Systems vermessen. Das validierte numerische Modell wird sowohl für Simulationen im Maßstab 1/10 als auch im Maßstab 1/1 verwendet. Anhand der drei Validierungskriterien Symmetrie, Verlaufe und Beträge der betrachteten Strömungsgrößen und einer LDA-Spektralanalyse wird insgesamt eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation ermittelt. Eine systematische Untersuchung zeigt den Einfluss relevanter Parameter auf das Strömungsfeld und den Stofftransport. Zunächst werden die Einlassreynoldszahl und der Einlassturbulenzgrad sowie die Wandrauigkeit und Wandunebenheit bewertet. Für kleine Reynoldszahlen werden hohe Konzentrationen und für größere Reynoldszahlen werden deutlich geringeren Konzentrationen von Gefahrgut ermittelt. Anhand einer Variation in vier Schritten wird der Einfluss des Einlassmassenstromverhältnisses aus Luft und Gefahrgut bewertet. Erst für Werte von <1000 lasst sich ein signifikanter Einfluss feststellen. Es werden die Stoffe Toluol und n-Hexan beispielhaft für brennbare Gefahrgüter der Klasse 3 verwendet. Der Einfluss der Position und Gestalt verschiedener Einlassquellen wird an vier realitätsnahen Quellentypen bewertet.
Anhand vier verschiedener Transportszenarien wird die Ausbreitung von Gefahrgut im Modellmaßstab untersucht. Die Szenarien unterscheiden sich durch die Art der Belüftung und durch die Dauer des Gefahrgutaustritts. Szenarien mit aktiver Frachtraumbelüftung sind als eher unkritisch zu beurteilen. Die betrachteten Szenarien ohne aktive Frachtraumbelüftung sind als gefährlich einzustufen. Insbesondere das Szenario mit zeitlich unbegrenztem Gefahrgutmassenstrom erreicht kritische Konzentrationswerte und eine kritische Ausdehnung der Gefahrgutansammlung im Frachtraum. Diese Ergebnisse werden anhand zweier Szenarien im Maßstab 1/1 bestätigt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag, das Verständnis der Strömungs- und Stofftransportvorgange im Flugzeugfrachtraum beim Transport von Gefahrgütern im Luftverkehr zu erweitern, um Risiken im Luftverkehr zu identifizieren. Die Allgemeingültigkeit und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Flugzeugmuster und Flugszenarien mit komplexeren Details sind zu prüfen.
127
Phosphorhaltige Alternativen haben halogenhaltige Flammschutzmittel für PBT zunehmend verdrängt. Die meisten der verwendeten Flammschutzmittel verschlechtern jedoch die mechanischen Eigenschaften des PBT oder neigen zum Ausblühen. Trotz ihrer gängigen Verwendung fehlt ein grundlegendes Verständnis für den Einfluss der chemischen Struktur der Flammschutzmittel auf das Brandverhalten und die Eigenschaften des Werkstoffs. Ebenso lückenhaft ist das Wissen über den Einfluss der Makrostruktur des Werkstoffs auf dessen Brandverhalten und die Flammschutzanforderungen.
Als Alternative zu den gängigen niedermolekularen Flammschutzadditiven werden in dieser Arbeit phosphorhaltige Polyester als Flammschutzmittel für kompaktes, glasfaserverstärktes und geschäumtes PBT vorgestellt und ihr Pyrolyse- und Brandverhalten analysiert. Nicht nur die Makrostruktur des PBT, sondern auch die chemische Struktur der phosphorhaltigen
Polyester wurde gezielt variiert, um entsprechende Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ableiten zu können.
Das glasfaserverstärkte PBT zeigt eine höhere Entflammbarkeit, der PBT Integralschaum ein höheres Risiko durch Flammenausbreitung als kompaktes PBT. Das Vorhandensein von Verbrückungen und P-O-Carom.-Bindungen im Phosphorsubstituenten der phosphorhaltigen Polyester erhöht deren Rückstandsbildung bzw. Aktivität in der kondensierten Phasen. Die Art der aktiven Flammschutzmechanismen entscheidet darüber, welche Brandrisiken reduziert werden.
Als einer der phosphorhaltigen Polyester bildet PET-P-DOPO einen nicht mischbaren Blend mit PBT. Es hat eine gute Flammschutzwirkung und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften nicht so stark wie gängige Flammschutzmittel. PET-P-DOPO birgt dabei das Potential, die mechanischen Eigenschaften und die Flammschutzwirkung durch eine Verbesserung der Mischbarkeit und eine Erhöhung des Phosphorgehaltes noch weiter zu optimieren. Für PBT Integralschaum ist PET-P-DOPO weniger geeignet. In glasfaserverstärktem PBT übertrifft PET-P-DOPO die gängigen Flammschutzmittel, selbst wenn diese mit höherem Phosphorgehalt eingesetzt werden.
Die Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der grundlegenden Struktur- Eigenschaftsbeziehungen im Flammschutz von Polymeren bei. Sie ermöglichen die Vorhersage spezieller Anforderungen an die Flammschutzmittel aus der Makrostruktur des Werkstoffs. Weiterhin erlauben sie eine gezieltere Auswahl und Optimierung bestehender Flammschutzmittel durch die Anpassung ihrer chemischen Struktur sowie das gezielte Design neuer Flammschutzmittel für bestimmte Anwendungen bzw. Schutzziele. Mit PET-P-DOPO wurde außerdem eine vielversprechende Alternative zu gängigen Additiven im Flammschutz von PBT gefunden.
126
Die matrixunterstützte Laser Desorptions/Ionisations Massenspektrometrie (MALDI-MS) hat sich in den letzten Jahren zu einer etablierten Methode zur Charakterisierung von synthetischen Polymeren entwickelt. Neben der Messung von Molmassen und deren Verteilungen bietet diese Technik die Möglichkeit, simultan Monomerstrukturen und Endgruppen eines Polymers zu bestimmen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der einfachen Probenpräparation, die überwiegend durch Auftropfen der Matrix- und Polymerlösung (engl. Dried Droplet Method) erfolgt. Anstelle eines homogenen Probenspots wird nach dem Verdampfen des Lösemittels häufig jedoch die Bildung von Eintrocknungsringen beobachtet. Dies führt zu lokal unterschiedlichen Matrix/Polymer Verhältnissen, was die Qualität und Reproduzierbarkeit der MALDI Methode erheblich beeinträchtigt. Dies ist insbesondere von Interesse, da synthetische Polymere, im Gegensatz zu biologischen Makromolekülen, eine Kettenlängen-Verteilung aufweisen, die ebenfalls Segregationseffekten unterliegen kann. Eine realistische Bestimmung von Molmassen und deren Verteilung ist demzufolge nahezu unmöglich. Auf Grund der weiten Verbreitung der Dried Droplet Methode ist es daher erforderlich, mögliche Ursachen der Segregation aufzuklären und gegebenenfalls alternative Probenpräparationstechniken, basierend auf dieser simplen Tropfenmethode zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde die Trocknung verschiedener Polymer/Matrix Spots bei Verwendung unterschiedlicher Lösemittel untersucht. Da die MALDI Methode auch die Möglichkeit bietet, als bildgebendes Verfahren (MALDI-Imaging Massenspektrometrie) genutzt zu werden, wurde diese Technik primär für die Untersuchung der Segregationseffekte verwendet. In Analogie zum Einsatz in biologischen Systemen, beispielsweise bei der Lokalisierung von Metaboliten oder Wirkstoffen in Gewebeproben, kann mittels MALDI-Imaging MS die laterale Verteilung von Polymeren mit unterschiedlichen Strukturen und Molmassen sowie der Matrix simultan bestimmt werden.
Im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Prozessen, wie Kapillarfluss oder Marangoni Strömung, die u.a. für die Ringbildung verantwortlich gemacht wurden, zeigen die Ergebnisse der hier vorgestellten Experimente deutlich, dass die Löslichkeit von Polymer und Matrix im verwendeten Lösemittel von entscheidender Bedeutung ist. Im Verlauf des Verdampfungsprozesses findet eine Aufkonzentrierung der Moleküle im abgesetzten Tropfen statt. Beim Erreichen der Sättigungskonzentration beginnen die Polymermoleküle mit den hohen Molmassen zuerst auszufallen, während die restlichen, immer noch gelösten Homologen weiterhin den Transportvorgängen unterliegen, die beim Eintrocknen generiert werden. Bei Lösemitteln die langsam verdunsten kann das zur molmassenabhängigen Segregation von Polymerhomologen führen. Verwendet man Lösemittel die schnell verdunsten erfolgt keine Molmassen-Segregation der Polymere, sondern ausschließlich eine Entmischung von Matrix und Polymer. Auf Grund ihrer geringen Molmasse bleibt die Matrix am längsten gelöst und kann demzufolge bis unmittelbar vor dem Eintrocknen an den Tropfenrand transportiert werden. Dies erklärt die Bildung von hauptsächlich aus Matrix bestehenden Ringen bei der üblicherweise verwendeten Konzentration von 10 mg ml-1. Die Experimente haben jedoch auch gezeigt, dass die beobachtete Entmischung bei einer deutlich höheren Konzentration von 100 mg ml-1 ohne Einschränkungen in der Qualität der Spektren vermieden werden kann. Bei dieser Konzentration wird die Sättigungskonzentration der Matrix bereits vor dem ersten Ausfallen der Polymere erreicht. Dadurch entsteht eine hoch viskose Lösung, welche die folgenden Transportprozesse der Polymermoleküle behindert. Eine Entmischung kann somit nicht mehr erfolgen und man erhält eine chemisch homogene Spotoberfläche.
Eine andere einfache Möglichkeit die Viskosität der Probenspots soweit zu erhöhen, dass keine Segregation erfolgen kann, bietet die Verwendung von Matrizes basierend auf ionischen Flüssigkeiten. Neben der einfachen Synthese zeichnen sich diese Verbindungen durch ihre hohe Stabilität und der Vermeidung einer Sublimation im Vakuum aus. Selbst nach 24h im Hochvakuum der MALDI-Quelle konnten reproduzierbare Spektren gemessen werden. Die Intensität der Spektren ist dabei deutlich höher als bei der Verwendung konventioneller Matrizes. Dies ermöglicht die Aufnahme von Spektren bei geringerer Bestrahlungsstärke, was wiederum zu weniger Fragmentierungen führt und insbesondere für labile Polymere interessant sein könnte. Die mit der Dried Droplet Methode und ionischen Matrizes erzeugten Spots weisen eine überragende Homogenität auf. Diese Matrixklasse stellt somit eine neue und interessante Alternative zur konventionellen Spotpräparation in der MALDI-TOF Massenspektrometrie dar.
125
In this thesis, an alternative approach to the well-known optical time domain reflectometry (OTDR) technique is presented. A thorough analysis regarding distributed backscatter measurement in optical fibres is provided and its prospects for optical fibre sensing applications are demonstrated and discussed. The measurement approach is referred to as incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR): the frequency response of the fibre under test is measured and transferred into its time domain equivalent using inverse Fourier transform. This general technique has been studied and used for the measurement of nonlinear scattering effects in optical fibres. The requirements, limitations and prospects for general backscatter measurement, however, are different and have not been studied in detail prior to this work. Distributed sensing using Rayleigh scattering and reflective events in the fibre is first demonstrated using I-OFDR with remarkable measurement resolution. The incoherent detection technique allows for measuring singlemode fibres as well as multimode fibres. The first part of this work deals with the theoretical analysis and optimized implementation of the frequency domain approach. Necessary signal processing and its impact on the time domain response are presented. Sources of deviation from the linearity of the I-OFDR system are identified and an optimized laboratory setup is introduced; the crucial impact of the source coherence is thoroughly discussed. Suitable system parameters for the I-OFDR approach are defined: the system dynamic range and sensitivity are determined. A technique to suppress the dynamic range-limiting signal originating from strong reflections in the fibre is suggested. It is demonstrated that the I-OFDR technique has advantages over OTDR in terms of implementation for high-resolution measurement, measurement accuracy and signal stability. These advantages and measurement possibilities specific to the frequency domain approach are utilized for spatially resolved sensing applications in the second part of this work: A low optical loss polymer optical fibre (POF) is for the first time studied and analyzed for distributed strain sensing. The backscatter level dependence on strain in the fibre can be used to detect and locate strained fibre sections. Also, a correlation algorithm is proposed and demonstrated to measure length changes along the fibre with mm-resolution by correlating the typical backscatter signature of this fibre type. The fibre type is analyzed in detail regarding cross-sensitivities to temperature, relative humidity as well as mode propagation influences. The proposed sensing principles in combination with the highresolution I-OFDR allow for promising distributed sensing applications. Special interest is expressed by the structural health monitoring (SHM) sector since the fibre can measure strain values exceeding 100 %. Another sensing technique, specific to I-OFDR, is proposed for quasi-distributed and dynamic measurement of length changes and optical power changes at reflective events along the fibre. Precise calculation of the positions and reflected powers of multiple reflections can be conducted in parallel from the measurement of a few sampling points of the complex-valued frequency response. That allows for measuring with an increased repetition rate up to 2 kHz or at μm-scale length changes resolution at lower measurement frequencies. The approach is demonstrated in the laboratory and in a field application by measuring the deformation of a masonry building on a seismic shaking table. The I-OFDR exhibits competitive performance for general high-resolution backscatter measurement and the proposed optical fibre sensor principles may have promising prospects in the structural health monitoring (SHM) sector.
124
Die vorgelegte Arbeit zeigt die Ausarbeitung und die Überprüfung einer Theorie, mit welcher die Ergebnisse aus einem neu entwickelten Mess-Verfahren (DySEM-Technik) beschrieben werden können. Mit dem Begriff “DySEM“ (Dynamic Scanning Electron Microscopy) wird ein experimentelles Verfahren bezeichnet, bei dem ein Elektronenstrahl als Mess-Sonde über einem mikroskaligen Schwinger verfahren wird, wobei die Schwingung durch eingesetzte Lock-In Technik frequenzaufgelöst dargestellt werden kann. Neben dem klassischen Sekundärelektronen-Signal wird zur Bildgebung auch der Anteil aus dem Signal genutzt, der sich anregungssynchron ändert. Die DySEM-Technik ermöglicht eine direkte Visualisierung der Schwingungsdynamik der oszillierenden Struktur, da zwischen unterschiedlichen Eigenmoden (flexural, torsional) als auch den jeweiligen höheren Harmonischen optisch eindeutig unterschieden werden kann. Damit bietet sich dieses Verfahren als ein Werkzeug der Modal-Analyse mikroskaliger Schwinger an, welche in mikro- bzw. nanoelektromechanischen Systemen (MEMS bzw. NEMS) häufig Verwendung finden und bei denen eine Optimierung der Designparameter oft erst durch die Bildgebung der Schwingung zu erreichen ist. Zusätzlich zeigen die DySEM-Bilder charakteristische Amplituden-abhängige Bildmerkmale, die theoretisch verstanden werden müssen. Prinzipiell ist die DySEM-Technik nicht an den Elektronenstrahl als Mess-Sonde gekoppelt. Allerdings erweist sich gerade im Zuge fortschreitender Miniaturisierung mit immer kleinskaligeren Schwingern eine elektronenoptische Orts-Auflösung als günstig. Bei der theoretischen Analyse des Abbildungsmechanismus liegt der Fokus auf der Untersuchung der raum-zeitlichen Dynamik der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und der periodisch darunter hinweg schwingenden Mikrostruktur, für die erstmals ein umfängliches Modell abgeleitet werden konnte, wodurch die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse möglich wurde. Zusätzlich spielen lokale Eigenschaften (Materialeigenschaften) des Schwingers eine Rolle. Ebenso müssen die Beiträge von Energieverlustmechanismen zur Bildgebung berücksichtigt werden. Um die bildgebenden Gleichungen explizit ableiten zu können, beschränkt sich die mathematische Analyse in dieser Arbeit auf die Annahme eines frei oszillierenden, einseitig geklemmten Schwingers ohne Wechselwirkung mit Materie, wie es im DySEM-Experiment durch die Bildgebung im Hochvakuum angenähert wird. Die aufgrund dieses Modells simulierten DySEM-Bilder stimmen mit den experimentell gewonnenen Ergebnissen qualitativ und quantitativ gut überein.