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The application of Raman and infrared (IR) microspectroscopy is leading to hyperspectral data containing complementary information concerning the molecular composition of a sample. The classification of hyperspectral data from the individual spectroscopic approaches is already state-of-the-art in several fields of research. However, more complex structured samples and difficult measuring conditions might affect the accuracy of classification results negatively and could make a successful classification of the sample components challenging. This contribution presents a comprehensive comparison in supervised pixel classification of hyperspectral microscopic images, proving that a combined approach of Raman and IR microspectroscopy has a high potential to improve classification rates by a meaningful extension of the feature space. It shows that the complementary information in spatially co-registered hyperspectral images of polymer samples can be accessed using different feature extraction methods and, once fused on the feature-level, is in general more accurately classifiable in a pattern recognition task than the corresponding classification results for data derived from the individual spectroscopic approaches.
Die Detektion von Explosivstoffen stellt ein zentrales Feld der zivilen Sicherheitsforschung dar. Eine besondere Herausforderung liegt hierbei in dem Nachweis verpackter Substanzen, wie es bei Unkonventionellen Spreng- und Brandvorrichtung (USBV) häufig der Fall ist. Derzeit eingesetzte Verfahren arbeiten meist mit bildgebenden Techniken, durch die sich ein Anfangsverdacht ergibt. Der tatsächliche chemische Inhalt der USBV lässt sich jedoch nicht exakt ermitteln. Eine genaue Beurteilung der Gefährdung durch solche Substanzen ist allerdings von großer Bedeutung, insbesondere wenn die Entschärfung des Objekts in bewohntem Gebiet stattfinden muss. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das sich als Verifikationsverfahren bei bestehendem Anfangsverdacht gezielt einsetzen lässt. Hierzu wird mittels Laserbohrtechnik zunächst die äußere Hülle des zu untersuchenden Gegenstandes durchdrungen. Anschließend finden eine lasergestützte Probenahme des Inhalts sowie die Detektion unter Verwendung geeigneter Analysemöglichkeiten statt. Der Bohr- und Probenahmefortschritt wird über verschiedene spektroskopische und sensorische Verfahren begleitend überwacht. Zukünftig soll das System abstandsfähig auf Entschärfungsrobotern eingesetzt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren zur Echtzeitüberwachung von Laserbohrprozessen vorgestellt. Die Untersuchungen werden an unterschiedlichen Materialien unter Einsatz eines passiv-gütegeschalteten Nd:YAG Lasers durchgeführt. Prozessbegleitend findet eine Aufzeichnung der akustischen Emissionen mit anschließender Analyse durch schnelle Fourier-Transformation statt. Hierdurch lassen sich der Durchbruch beim Bohren durch ein Material sowie der Materialübergang mehrschichtiger Systeme detektieren. Die akustischen Messungen werden durchAuswertung der Pulsfolge des Lasers mittels einer Fotodiode gestützt. Hierbei zeigt sich eine gute Übereinstimmung der im akustischen Spektrum dominanten Frequenz mit der jeweils im Laserburstauftretenden Pulsfrequenz. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Echtzeitüberwachung beim Laserbohren mittels kostengünstiger und einfacher Hardware. Zudem zeichnet es sich im Gegensatz zu bestehenden Verfahren durch eine hohe Robustheit gegen äußere Störeinflüsse aus, da eine frequenzbasierte Auswertung stattfindet.
In the context of the Franco-German research project Re(h)strain, this work focuses on a global system analysis integrating both safety and security analysis of international and/or urban railway stations. The Re(h)strain project focuses on terrorist attacks on high speed train systems and investigates prevention and mitigation measures to reduce the overall vulnerability and strengthen the system resilience. One main criterion regarding public transport issues is the number of passengers. For example, the railway station of Paris “Gare du Nord” deals with a bigger number of passengers than the biggest airport in the world (SNCF open Data 2014), the Atlanta airport, but in terms of passengers, it is only around the 23rd rank railway station in the world. Due to the enormous mass of people, this leads to the system approach of breaking out the station into several classes of zones, e.g. entrance, main hall, quays, trains, etc. All classes are analysed considering state-of-the-art parameters, like targets attractiveness, feasibility of attack, possible damage, possible mitigation and defences. Then, safety incidence of security defence is discussed in order to refine security requirement with regard to the considered zone. Finally, global requirements of security defence correlated to the corresponding class of zones are proposed.
P30 - Das Elektrospinnen von halbleitenden Zinndioxidfasern für die Detektion von Wasserstoff
(2022)
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von dünnen keramischen Fasern als halbleitendes Sensormaterial zum Nachweis von Wasserstoff, möglichst bei Zimmertemperatur. Die elektrische Leitfähigkeit halbleitender Metalloxide ändert sich durch die Einwirkung von oxidierenden und reduzierenden Gasen auf die Oberfläche des Metalloxids. Dieser Effekt kann zur Messung der Gaskonzentration genutzt werden. Die Reaktion von Zinn(IV)-oxid mit Wasserstoff basiert auf der Reduktion des Zinn(IV)-oxids zum Zinn, wobei die Elektronen des Zinn(IV)-oxids im metallischen Zinn verbleiben und dort im nicht gebundenen Zustand zu einer Leitfähigkeitserhöhung beitragen. Die Reaktion des Wasserstoffes kann sowohl mit den Sauerstoffatomen des Oxids als auch mit adsorbierten Sauerstoffatomen an der Oxidoberfläche stattfinden.[ 6] Da die Reaktionen an der Oberfläche des Oxids stattfinden, sollten Sensoren mit einer großen Oberfläche im Vergleich zu metalloxidischen Bulkmaterialien eine höhere Empfindlichkeit aufweisen. [3] Die Verwendung von Fasern anstelle von Dünn- oder Dickschichten führt dabei zu einer besseren Sensitivität gegenüber Gasen.
Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) with subsequent chemometric evaluation was performed for the rapid and non-destructive differentiation of seven important meat-associated microorganisms, namely Brochothrix thermosphacta DSM 20171, Pseudomonas fluorescens DSM 4358, Salmonella enterica subsp. enterica sv. Enteritidis DSM 14221, Listeria monocytogenes DSM 19094, Micrococcus luteus DSM 20030, Escherichia coli HB101 and Bacillus thuringiensis sv. israelensis DSM 5724. A simple method for collecting spectra from commercial paper-based SERS substrates without any laborious pre-treatments was used. In order to prepare the spectroscopic data for classification at genera level with a subsequent chemometric evaluation consisting of principal component analysis and discriminant analysis, a pre-processing method with spike correction and sum normalisation was performed. Because of the spike correction rather than exclusion, and therefore the use of a balanced data set, the multivariate analysis of the data is significantly resilient and meaningful. The analysis showed that the differentiation of meat-associated microorganisms and thereby the detection of important meat-related pathogenic bacteria was successful on genera level and a cross-validation as well as a classification of ungrouped data showed promising results, with 99.5 % and 97.5 %, respectively.
With the increasing demand for ultrapure water in the pharmaceutical and semiconductor industry, the need for precise measuring instruments for those applications is also growing. One critical parameter of water quality is the amount of total organic carbon (TOC). This work presents a system that uses the advantage of the increased oxidation power achieved with UV/O3 advanced oxidation process (AOP) for TOC measurement in combination with a significant miniaturization compared to the state of the art. The miniaturization is achieved by using polymer-electrolyte membrane (PEM) electrolysis cells for ozone generation in combination with UV-LEDs for irradiation of the measuring solution, as both components are significantly smaller than standard equipment. Conductivity measurement after oxidation is the measuring principle and measurements were carried out in the TOC range between 10 and 1000 ppb TOC. The suitability of the system for TOC measurement is demonstrated using the oxidation by ozonation combined with UV irradiation of defined concentrations of isopropyl alcohol (IPA).
Unkonventionelle Spreng- und Brandvorrichtungen sind Bedrohungen in den weltweiten Konfliktherden und werden bei terroristischen Aktivitäten verwendet. Der Schutz von Menschen und Material erfordert daher effektive Gegenmaßnahmen. Dazu gehört auch die Anforderung an Sicherheitskräfte oder militärisches Personal, unbekannte Substanzfunde mit geringem zeitlichem und logistischem Aufwand vor Ort als gefährdend oder unkritisch einzustufen. Um Explosivstoffe von nicht-explosiven Materialien zu unterscheiden, kann die bei Explosivstoffen initiierbare, stark exotherme Reaktion genutzt werden. Diese resultiert in Strahlungsemissionen sowie in lokaler Druck- und Temperaturerhöhung. Die Messung dieser Reaktionseffekte und die Anforderung an eine mobile, einfach zu bedienende und robuste Analytik werden durch ein System ermöglicht, das Proben im einstelligen mg-Bereich durch schnelles Erhitzen auf mikrostrukturierten Heizern zum chemischen Umsatz anregt. Die emittierte Strahlung wird mit Photodioden im Bereich des sichtbaren und nah-infraroten Lichts aufgenommen, ein Sensor registriert die Druckerhöhung in einer geschlossenen Versuchskammer. In einem zweiten Aufbau werden die gasförmigen Reaktionsprodukte über ein Sensorarray von vier kommerziellen Gassensoren geleitet und die Signalantworten der Halbleitergassensoren mittels Hauptkomponentenanalyse ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die schnelle thermische Aktivierung für die untersuchten primären Explosivstoffe, Treibladungspulver, sowie Trinitrotoluol (TNT) reproduzierbar erfolgt. Nicht-Explosivstoffe werden dabei im untersuchten Umfang sicher als unkritisch erkannt. Die Auswertung der Gassensorsignale liefert eine Unterscheidung von Nitrat- und Peroxid-basierten Sprengstoffen sowie von nicht-explosiven Substanzen.
Because the robust and rapid determination of spoilage microorganisms is becoming increasingly important in industry, the use of IR microspectroscopy, and the establishment of robust and versatile chemometric models for data processing and classification, is gaining importance. To further improve the chemometric models, bacterial stress responses were induced, to study the effect on the IR spectra and to improve the chemometric model. Thus, in this work, nine important food-relevant microorganisms were subjected to eight stress conditions, besides the regular culturing as a reference. Spectral changes compared to normal growth conditions without stressors were found in the spectral regions of 900–1500 cm−1 and 1500–1700 cm−1. These differences might stem from changes in the protein secondary structure, exopolymer production, and concentration of nucleic acids, lipids, and polysaccharides. As a result, a model for the discrimination of the studied microorganisms at the genus, species and strain level was established, with an accuracy of 96.6%. This was achieved despite the inclusion of various stress conditions and times after incubation of the bacteria. In addition, a model was developed for each individual microorganism, to separate each stress condition or regular treatment with 100% accuracy.
Discrimination of Stressed and Non-Stressed Food-Related Bacteria Using Raman-Microspectroscopy
(2022)
As the identification of microorganisms becomes more significant in industry, so does the utilization of microspectroscopy and the development of effective chemometric models for data analysis and classification. Since only microorganisms cultivated under laboratory conditions can be identified, but they are exposed to a variety of stress factors, such as temperature differences, there is a demand for a method that can take these stress factors and the associated reactions of the bacteria into account. Therefore, bacterial stress reactions to lifetime conditions (regular treatment, 25 °C, HCl, 2-propanol, NaOH) and sampling conditions (cold sampling, desiccation, heat drying) were induced to explore the effects on Raman spectra in order to improve the chemometric models. As a result, in this study nine food-relevant bacteria were exposed to seven stress conditions in addition to routine cultivation as a control. Spectral alterations in lipids, polysaccharides, nucleic acids, and proteins were observed when compared to normal growth circumstances without stresses. Regardless of the involvement of several stress factors and storage times, a model for differentiating the analyzed microorganisms from genus down to strain level was developed. Classification of the independent training dataset at genus and species level for Escherichia coli and at strain level for the other food relevant microorganisms showed a classification rate of 97.6%.
The simultaneous operation of multiple different semiconducting metal oxide (MOX) gas sensors is demanding for the readout circuitry. The challenge results from the strongly varying signal intensities of the various sensor types to the target gas. While some sensors change their resistance only slightly, other types can react with a resistive change over a range of several decades. Therefore, a suitable readout circuit has to be able to capture all these resistive variations, requiring it to have a very large dynamic range. This work presents a compact embedded system that provides a full, high range input interface (readout and heater management) for MOX sensor operation. The system is modular and consists of a central mainboard that holds up to eight sensor-modules, each capable of supporting up to two MOX sensors, therefore supporting a total maximum of 16 different sensors. Its wide input range is archived using the resistance-to-time measurement method. The system is solely built with commercial off-the-shelf components and tested over a range spanning from 100Ω to 5 GΩ (9.7 decades) with an average measurement error of 0.27% and a maximum error of 2.11%. The heater management uses a well-tested power-circuit and supports multiple modes of operation, hence enabling the system to be used in highly automated measurement applications. The experimental part of this work presents the results of an exemplary screening of 16 sensors, which was performed to evaluate the system’s performance.