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Nanoporous carbon materials (NCMs) provide the "function" of high specific surface area and thus have large interface area for interactions with surrounding species, which is of particular importance in applications related to adsorption processes. The strength and mechanism of adsorption depend on the pore architecture of the NCMs. In addition, chemical functionalization can be used to induce changes of electron density and/or electron density distribution in the pore walls, thus further modifying the interactions between carbons and guest species. Typical approaches for functionalization of nanoporous materials with regular atomic construction like porous silica, metal-organic frameworks, or zeolites, cannot be applied to NCMs due to their less defined local atomic construction and abundant defects. Therefore, synthetic strategies that offer a higher degree of control over the process of functionalization are needed. Synthetic approaches for covalent functionalization of NCMs, that is, for the incorporation of heteroatoms into the carbon backbone, are critically reviewed with a special focus on strategies following the concept "from molecules to materials." Approaches for coordinative functionalization with metallic species, and the functionalization by nanocomposite formation between pristine carbon materials and heteroatom-containing carbons, are introduced as well. Particular focus is given to the influences of these functionalizations in adsorption-related applications.
We report on a further development of [1,3]-dioxolo[4.5-f]benzodioxole (DBD) fluorescent dyes by replacement of the four oxygen atoms of the heterocyclic core by sulfur atoms. This variation causes striking changes of the photophysical properties. Whereas absorption and emission significantly shifted to longer wavelength, the fluorescence lifetimes and quantum yields are diminished compared to DBD dyes. The latter effect is presumably caused by an enhanced intersystem crossing to the triplet state due to the sulfur atoms. The very large Stokes shifts of the S-4-DBD dyes ranging from 3000 cm(-1) to 7400 cm(-1) (67 nm to 191 nm) should be especially emphasized. By analogy with DBD dyes a broad variation of absorption and emission wavelength is possible by introducing different electron withdrawing substituents. Moreover, some derivatives for coupling with biomolecules were developed.
Focusing on the phase-coexistence region in Langmuir films of poly(L-lactide), we investigated changes in nonequilibrated morphologies and the corresponding features of the isotherms induced by different experimental pathways of lateral compression and expansion. In this coexistence region, the surface pressure II was larger than the expected equilibrium value and was found to increase upon compression, i.e., exhibited a nonhorizontal plateau. As shown earlier by using microscopic techniques [Langmuir 2019, 35, 6129-6136], in this plateau region, well-ordered mesoscopic clusters coexisted with a surrounding matrix phase. We succeeded in reducing Pi either by slowing down the rate of compression or through increasing the waiting time after stopping the movement of the barriers, which allowed for relaxations in the coexistence region. Intriguingly, the most significant pressure reduction was observed when recompressing a film that had already been compressed and expanded, if the recompression was started from an area value smaller than the one anticipated for the onset of the coexistence region. This observation suggests a "self-seeding" behavior, i.e., pre-existing nuclei allowed to circumvent the nucleation step. The decrease in Pi was accompanied by a transformation of the initially formed metastable mesoscopic clusters into a thermodynamically favored filamentary morphology. Our results demonstrate that it is practically impossible to obtain fully equilibrated coexisting phases in a Langmuir polymer film, neither under conditions of extremely slow continuous compression nor for long waiting times at a constant area in the coexistence region which allow for reorganization.
Gadolinium-doped ceria or gadolinium-stabilized ceria (GDC) is an important technical material due to its ability to conduct O2- ions, e.g., used in solid oxide fuel cells operated at intermediate temperature as an electrolyte, diffusion barrier, and electrode component. We have synthesized Ce1-xGdxO2-y:Eu3+ (0 <= x <= 0.4) nanoparticles (11-15 nm) using a scalable spray pyrolysis method, which allows the continuous large-scale technical production of such materials. Introducing Eu3+ ions in small amounts into ceria and GDC as spectroscopic probes can provide detailed information about the atomic structure and local environments and allows us to monitor small structural changes. This study presents a novel approach to structurally elucidate europium-doped Ce1-xGdxO2-y:Eu3+ nanoparticles by way of Eu3+ spectroscopy, processing the spectroscopic data with the multiway decomposition method parallel factor (PARAFAC) analysis. In order to perform the deconvolution of spectra, data sets of excitation wavelength, emission wavelength, and time are required. Room temperature, time-resolved emission spectra recorded at lambda(ex) = 464 nm show that Gd3+ doping results in significantly altered emission spectra compared to pure ceria. The PARAFAC analysis for the pure ceria samples reveals a high-symmetry species (which can also be probed directly via the CeO2 charge transfer band) and a low-symmetry species. The GDC samples yield two low-symmetry spectra in the same experiment. High-resolution emission spectra recorded under cryogenic conditions after probing the D-5(0)-F-7(0) transition at lambda(ex) = 575-583 nm revealed additional variation in the low-symmetry Eu3+ sites in pure ceria and GDC. The total luminescence spectra of CeO2-y:Eu3+ showed Eu3+ ions located in at least three slightly different coordination environments with the same fundamental symmetry, whereas the overall hypsochromic shift and increased broadening of the D-5(0)-F-7(0) excitation in the GDC samples, as well as the broadened spectra after deconvolution point to less homogeneous environments. The data of the Gd3+-containing samples indicates that the average charge density around the Eu3+ ions in the lattice is decreased with increasing Gd3+ and oxygen vacancy concentration. For reference, the Judd-Ofelt parameters of all spectra were calculated. PARAFAC proves to be a powerful tool to analyze lanthanide spectra in crystalline solid materials, which are characterized by numerous Stark transitions and where measurements usually yield a superposition of different contributions to any given spectrum.
Epoxidized 1,4-polymyrcene
(2020)
1,4-Polymyrcene was synthesized by anionic polymerization and epoxidized using meta-chloroperbenzoic acid. Samples with different degrees of epoxidation (25%, 49%, 74%, and 98%) were prepared and examined according to their chemical and thermal properties. Epoxidation was found to increase the glass transition temperature (T-g = 14 degrees C for the 98% epoxidized 1,4-polymyrcene) as well as the shelf live (>10 months). The trisubstituted epoxide groups were remarkably stable against nucleophiles under basic conditions but cross-linked or hydrolyzed in the presence of an acid. Also, highly epoxidized 1,4-polymyrcene readily cross-linked upon annealing at 260 degrees C to produce an epoxy resin.
Enzyme degradable polymersomes from chitosan-g-[poly-l-lysine-block-epsilon-caprolactone] copolymer
(2020)
The scope of this study includes the synthesis of chitosan-g-[peptide-poly-epsilon-caprolactone] and its self-assembly into polymeric vesicles employing the solvent shift method. In this way, well-defined core-shell structures suitable for encapsulation of drugs are generated. The hydrophobic polycaprolactone side-chain and the hydrophilic chitosan backbone are linked via an enzyme-cleavable peptide. The synthetic route involves the functionalization of chitosan with maleimide groups and the preparation of polycaprolactone with alkyne end-groups. A peptide functionalized with a thiol group on one side and an azide group on the other side is prepared. Thiol-ene click-chemistry and azide-alkyne Huisgen cycloaddition are then used to link the chitosan and poly-epsilon-caprolactone chains, respectively, with this peptide. For a preliminary study, poly-l-lysin is a readily available and cleavable peptide that is introduced to investigate the feasibility of the system. The size and shape of the polymersomes are studied by dynamic light scattering and cryo-scanning electron microscopy. Furthermore, degradability is studied by incubating the polymersomes with two enzymes, trypsin and chitosanase. A dispersion of polymersomes is used to coat titanium plates and to further test the stability against enzymatic degradation.
Enzyme degradable polymersomes from chitosan-g-[poly-l-lysine-block-epsilon-caprolactone] copolymer
(2020)
The scope of this study includes the synthesis of chitosan-g-[peptide-poly-epsilon-caprolactone] and its self-assembly into polymeric vesicles employing the solvent shift method. In this way, well-defined core-shell structures suitable for encapsulation of drugs are generated. The hydrophobic polycaprolactone side-chain and the hydrophilic chitosan backbone are linked via an enzyme-cleavable peptide. The synthetic route involves the functionalization of chitosan with maleimide groups and the preparation of polycaprolactone with alkyne end-groups. A peptide functionalized with a thiol group on one side and an azide group on the other side is prepared. Thiol-ene click-chemistry and azide-alkyne Huisgen cycloaddition are then used to link the chitosan and poly-epsilon-caprolactone chains, respectively, with this peptide. For a preliminary study, poly-l-lysin is a readily available and cleavable peptide that is introduced to investigate the feasibility of the system. The size and shape of the polymersomes are studied by dynamic light scattering and cryo-scanning electron microscopy. Furthermore, degradability is studied by incubating the polymersomes with two enzymes, trypsin and chitosanase. A dispersion of polymersomes is used to coat titanium plates and to further test the stability against enzymatic degradation.
Die Entwicklung nachhaltiger Bewirtschaftungs- und Produktionsmethoden ist eine der zentralen Fragestellungen der modernen Agrarwirtschaft. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Forschungsthemen, die das Konzept Nachhaltigkeit beinhalten. In beiden Fällen werden analytische Grundlagen für die Entwicklung entsprechender landwirtschaftlicher Arbeitsmethoden gelegt.
Das erste Thema ist an den sogenannten Präzisionsackerbau angelehnt. Bei diesem wird die Bearbeitung von Agrarflächen ortsabhängig ausgeführt. Das heißt, die Ausbringung von Saatgut, Dünger, Bewässerung usw. richtet sich nach den Eigenschaften des jeweiligen Standortes und wird nicht pauschal gleichmäßig über ein ganzes Feld verteilt. Voraussetzung hierfür ist eine genaue Kenntnis der Bodeneigenschaften. In der vorliegenden Arbeit sollten diese Parameter mittels der analytischen Technik der Laser-induzierten Breakdown Spektroskopie (LIBS), die eine Form der Elementaranalyse darstellt, bestimmt werden. Bei den hier gesuchten Bodeneigenschaften handelte es sich um die Gehalte von Nährstoffen sowie einige sekundäre Parameter wie den Humusanteil, den pH-Wert und den pflanzenverfügbaren Anteil einzelner Nährstoffe. Diese Eigenschaften wurden durch etablierte Referenzanalysen bestimmt. Darauf aufbauend wurden die Messergebnissen der LIBS-Untersuchungen durch verschiedene Methoden der sogenannten multivariaten Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Daraus sollten Modelle zur Vorhersage der Bodenparameter in zukünftigen LIBS-Messungen erarbeitet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass mit der Kombination von LIBS und MVA sämtliche Bodenparameter erfolgreich vorhergesagt werden konnten. Dies beinhaltete sowohl die tatsächlich messbaren Elemente als auch die sekundären Eigenschaften, welche durch die MVA mit den Elementgehalten in Zusammenhang gebracht wurden.
Das zweite Thema beschäftigt sich mit der Vermeidung von Verlusten durch Schädlingsbefall bei der Getreidelagerung. Hier sollten mittels der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) Schimmelpilzkontaminationen detektiert werden. Dabei wurde nach den flüchtigen Stoffwechselprodukten der Pilze gesucht. Die durch Referenzmessungen mit Massenspektrometern identifizierten Substanzen konnten durch IMS im Gasvolumen über den Proben, dem sogenannten Headspace, nachgewiesen werden. Dabei wurde nicht nur die Anwesenheit einer Kontamination festgestellt, sondern diese auch charakterisiert. Die freigesetzten Substanzen bildeten spezifische Muster, anhand derer die Pilze identifiziert werden konnten. Hier wurden sowohl verschiedene Gattungen als auch einzelne Arten unterschieden. Die Messungen fanden auf verschiedenen Nährböden statt um den Einfluss dieser auf die Stoffwechselprodukte zu beobachten. Auch die sekundären Stoffwechselprodukte der Schimmelpilze, die Mykotoxine, konnten durch IMS detektiert werden.
Beide in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsthemen konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Sowohl LIBS als auch IMS erwiesen sich für den Nachweis der jeweiligen Analyten als geeignet, und der Einsatz moderner computergestützter Auswertemethoden ermöglichte die genaue Charakterisierung der gesuchten Parameter. Beide Techniken können in Form von mobilen Geräten verwendet werden und zeichnen sich durch eine schnelle und sichere Analyse aus. In Kombination mit entsprechenden Modellen der MVA sind damit alle Voraussetzungen für Vor-Ort-Untersuchungen und damit für den Einsatz in der Landwirtschaft erfüllt.
In den letzten Jahrzehnten ist die Nachfrage nach kostengünstigen und flächendeckenden Kartierungsmöglichkeiten im Hinblick auf eine ertragssteigernde und umweltfreundlichere Bewirtschaftung von landwirtschaftlichen Nutzflächen stark gestiegen. Hierfür eignen sich spektroskopische Methoden wie die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), Raman- und Gammaspektroskopie sowie die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS). In Abhängigkeit von der Funktionsweise der jeweiligen Methoden werden Informationen zu verschiedensten Bodeneigenschaften wie Nährelementgehalt, Textur und pH-Wert erhalten.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Online-LIBS-Verfahrens zur Nährelementbestimmmung und Kartierung von Ackerflächen. Die LIBS ist eine schnelle und simultane Multielementanalyse bei der durch das Fokussieren eines hochenergetischen Laserpulses Probenmaterial von der Probenoberfläche ablatiert wird und in ein Plasma überführt wird. Beim Abkühlen des Plasmas wird Strahlung emittiert, welche Rückschlüsse über die elementare Zusammensetzung der Probe gibt. Diese Arbeit ist im Teilprojekt I4S (Intelligenz für Böden) im Forschungsprogramm BonaRes (Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie) des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) entstanden. Es wurden insgesamt 651 Bodenproben von verschiedenen Test-Agrarflächen unterschiedlichster Standorte Deutschlands gemessen, ausgewertet und zu Validierungszwecken mit entsprechender Referenzanalytik wie die Optische Emissionsspektroskopie mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) und die wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (WDRFA) charakterisiert.
Für die Quantifizierung wurden zunächst die Messparameter des LIBS-Systems auf die Bodenmatrix optimiert und für die Elemente geeignete Linien ausgewählt sowie deren Nachweisgrenzen bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass eine absolute Quantifizierung basierend auf einem univariaten Ansatz aufgrund der starken Matrixeffekte und der schlechten Reproduzierbarkeit des Plasmas nur eingeschränkt möglich ist. Bei Verwendung eines multivariaten Ansatz wie der Partial Least Squares Regression (PLSR) für die Kalibrierung konnten für die Nährelemente im Vergleich zur univariaten Variante Analyseergebnisse mit höherer Güte und geringeren Messunsicherheiten ermittelt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das multivariate Modell weiter verbessert werden kann, indem mit einer Vielzahl von gut analysierten Böden verschiedener Standorte, Bodenarten und einem breiten Gehaltsbereich kalibriert wird. Mithilfe der Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde eine Klassifizierung der Böden nach der Textur realisiert. Weiterhin wurde auch eine Kalibrierung mit losem Bodenmaterial erstellt. Trotz der Signalabnahme konnten für die verschiedenen Nährelemente Kalibriergeraden mit ausreichender, analytischer Güte erstellt werden.
Für den Einsatz auf dem Acker wurde außerdem der Einfluss von Korngröße und Feuchtigkeit auf das LIBS-Signal untersucht. Die unterschiedlichen Korngrößen haben nur einen geringen Einfluss auf das LIBS-Signal und das Kalibriermodell lässt sich durch entsprechende Proben leicht anpassen. Dagegen ist der Einfluss der Feuchtigkeit deutlich stärker und hängt stark von der Bodenart ab, sodass für jede Bodenart ein separates Kalibriermodell für verschiedene Feuchtigkeitsgehalte erstellt werden muss. Mithilfe der PCA kann der Feuchtigkeitsgehalt im Boden grob abgeschätzt werden und die entsprechende Kalibrierung ausgewählt werden.
Diese Arbeit liefert essentielle Informationen für eine Echtzeit-Analyse von Nährelementen auf dem Acker mittels LIBS und leistet einen wichtigen Beitrag zu einer fortschrittlichen und zukunftsfähigen Nutzung von Ackerflächen.
Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und -forschung geförderten Forschungsinitiative „BonaRes – Boden als nachhaltige Ressource der Bioökonomie“ soll sich das Teilprojekt „I4S – integrated system for site-specific soil fertility management“ der Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit widmen. Hierfür ist eine Messplattform zur Bestimmung relevanter Bodeneigenschaften und der quantitativen Analyse ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe geplant. In der ersten Phase dieses Projekts liegt das Hauptaugenmerk auf der Kalibrierung und Validierung der verschiedenen Sensoren auf die Matrix Boden, der Probennahme auf dem Acker und der Planung sowie dem Aufbau der Messplattform. Auf dieser Plattform sollen in der zweiten Phase des Projektes die verschiedenen Bodensensoren installiert, sowie Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen erstellt werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Grundlagenuntersuchung und Entwicklung einer robusten Online-Analyse mittels Energie-dispersiver Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDRFA) zur Quantifizierung ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe in Böden für eine kostengünstige und flächendeckende Kartierung von Ackerflächen. Für die Entwicklung eines Online-Verfahrens wurde ein dem Stand der Technik entsprechender Röntgenfluoreszenzmesskopf in Betrieb genommen und die dazugehörigen Geräteparameter auf die Matrix Boden optimiert. Die Bestimmung der analytischen Qualitäts-merkmale wie Präzision und Nachweisgrenzen fand für eine Auswahl an Nährelementen von Aluminium bis Zink statt. Um eine möglichst Matrix-angepasste Kalibrierung zu erhalten, wurde sowohl mit zertifizierten Referenzmaterialien (CRM), als auch mit Ackerböden kalibriert. Da einer der größten Nachteile der Röntgenfluoreszenzanalyse die Beeinflussung durch Matrixeffekte ist, wurde neben der klassischen univariaten Datenauswertung auch die chemometrische multivariate Methode der Partial Least Squares Regression (PLSR) eingesetzt. Die PLSR bietet dabei den Vorteil, Matrixeffekte auszugleichen, wodurch robustere Kalibriermodelle erhalten werden können. Zusätzlich wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Gemeinsamkeiten und Ausreißer innerhalb des Probensets zu identifizieren. Es zeigte sich, dass eine Klassifizierung der Böden anhand ihrer Textur Sand, Schluff, Lehm und Ton möglich ist.
Aufbauend auf den Ergebnissen idealer Bodenproben (zu Tabletten gepresste luftgetrocknete Proben mit Korngrößen < 0,5 mm) wurde im Verlauf dieser Arbeit die Probenvorbereitung immer weiter reduziert und der Einfluss verschiedener Kenngrößen untersucht. Diese Einflussfaktoren können die Dichte und die Homogenität der Probe, sowie Korngrößeneffekte und die Feuchtigkeit sein. Anhand des RMSE (Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme) und unter Berücksichtigung der Residuen werden die jeweils erstellten Kalibriermodelle miteinander verglichen. Um die Güte der Modelle zu bewerten, wurden diese mit einem Testset validiert. Hierfür standen 662 Bodenproben von 15 verschiedenen Standorten in Deutschland zur Verfügung. Da die Ergebnisse an gepressten Tabletten für die Elemente Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, Fe und Zn den Anforderungen für eine spätere Online-Analyse entsprechen, wurden im weiteren Verlauf dieser Arbeit Kalibriermodelle mit losen Bodenproben erstellt. Auch hier konnten gute Ergebnisse durch ausreichende Nachweisgrenzen und eine niedrige gemittelte Messabweichung bei der Vorhersage unbekannter Testproben erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Vorhersagefähigkeit mit der multivariaten PLSR besser ist als mit der univariaten Datenauswertung, insbesondere für die Elemente Mn und Zn.
Der untersuchte Einfluss der Feuchtigkeit und der Korngrößen auf die Quantifizierung der Elementgehalte war vor allem bei leichteren Elementen deutlich zu sehen. Es konnte schließlich eine multivariate Kalibrierung unter Berücksichtigung dieser Faktoren für die Elemente Al bis Zn erstellt werden, so dass ein Einsatz an Böden auf dem Acker möglich sein sollte. Eine höhere Messunsicherheit muss dabei einkalkuliert werden. Für eine spätere Probennahme auf dem Feld wurde zudem der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Messungen betrachtet, wobei sich zeigte, dass beide Varianten genutzt werden können. Zum Abschluss wurde der hier eingesetzte Sensor mit einem kommerziell erhältlichen Hand-Gerät auf sein Quantifizierungspotential hin verglichen. Der Sensor weist anhand seiner Ergebnisse ein großes Potential als Online-Sensor für die Messplattform auf. Die Ergebnisse unter Laborbedingungen zeigen, dass eine robuste Analyse Ackerböden unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren möglich ist.