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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.
Detection of triacetone triperoxide using temperature cycled metal-oxide semiconductor gas sensors
(2015)
In this work, the surface reactions of the homemade explosive triacetone triperoxide on tungsten oxide (WO3) sensor surfaces are studied to obtain detailed information about the chemical reactions taking place. Semiconductor gas sensors based on WO3 nanopowders are therefore produced and characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and Raman spectroscopy. To analyze the reaction mechanisms at the sensor surface, the sensor is monitored online under operation conditions using Raman spectroscopy, which allows to identify the temperature-dependent sensor reactions. By combining information from the Raman spectra with data on the changing resistivity of the underlying semiconductor, it is possible to establish a correlation between the adsorbed gas species and the physical properties of the WO3 layer. In the results, it is indicated that a Lewis acid–base reaction is the most likely mechanism for the increase in resistance observed at temperatures below 150 °C. In the results, at higher temperatures, the assumption of a radical mechanism that causes a decrease in resistance is supported.
Sensoren können verschiedene Aufgaben erfüllen, wie beispielsweise die Optimierung von Prozessen, die Interaktion zwischen Geräten oder die Verbesserung der zivilen Sicherheit. [1–3] Ihr Bedarf für die Industrie oder den Alltag wächst seit Jahren stetig. Besonders mobile Gassensoren sind von großem Interesse. Jedoch ist ihre Anwendung meist durch ihre integrierte Batterie begrenzt. Gassensoren ohne oder mit einem nur sehr geringen Energieverbrauch stehen daher im Interesse bei neuen Anwendungsgebieten, beispielsweise im Brandschutz oder in der Textilindustrie. [4,5] Die Sensoren könnten zum Beispiel in die Textilien einer persönlichen Schutzausrüstung eingearbeitet werden und durch einen Farbumschlag die Anwesenheit eines Gases oder die Überschreitung des Grenzwertes toxischer Substanzen anzeigen.
A series of reactive binaphthyl‐diimine‐based dopants is prepared and investigated with respect to their potential for the chiral induction of structural coloration in nematic liquid crystal mixture E7 and the selective photonic sensing of nitrogen dioxide (NO2). Studies of the helical twisting power (HTP) in 4‐cyano‐4′‐pentylbiphenyl (5CB) reveal HTP values as high as 375 µm‐1 and the tremendous impact of structural compatibility and changes of the dihedral binaphthyl angle on the efficiency of the chiral transfer. Detailed investigation of the sensing capabilities of the systems reveals an extraordinarily high selectivity for NO2 and a response to concentrations as low as 100 ppm. The systems show a direct response to the analyte gas leading to a concentration‐dependent shift of the reflectance wavelength of up to several hundred nanometers. Incorporation of copper ions remarkably improves the sensor's properties in terms of sensitivity and selectivity, enabling the tailored tweaking of the system's properties.
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).
Polymer fibers with liquid crystals (LCs) in the core have potential as autonomous sensors of airborne volatile organic compounds (VOCs), with a high surface-to-volume ratio enabling fast and sensitive response and an attractive non-woven textile form factor. We demonstrate their ability to continuously and quantitatively measure the concentration of toluene, cyclohexane, and isopropanol as representative VOCs, via the impact of each VOC on the LC birefringence. The response is fully reversible and repeatable over several cycles, the response time can be as low as seconds, and high sensitivity is achieved when the operating temperature is near the LC-isotropic transition temperature. We propose that a broad operating temperature range can be realized by combining fibers with different LC mixtures, yielding autonomous VOC sensors suitable for integration in apparel or in furniture that can compete with existing consumer-grade electronic VOC sensors in terms of sensitivity and response speed.
Optical gas sensors based on chiral-nematic liquid crystals (N* LCs) forming one-dimensional photonic crystals do not require electrical energy and have a considerable potential to supplement established types of sensors. A chiral-nematic phase with tunable selective reflection is induced in a nematic host LC by adding reactive chiral dopants. The selective chemical reaction between dopant and analyte is capable to vary the pitch length (the lattice constant) of the soft, self-assembled, one-dimensional photonic crystal. The progress of the ongoing chemical reaction can be observed even by naked eye because the color of the samples varies. In this work, we encapsulate the responsive N* LC in microscale polyvinylpyrrolidone (PVP) fibers via coaxial electrospinning. The sensor is, thus, given a solid form and has an improved stability against nonavoidable environmental influences. The reaction behavior of encapsulated and nonencapsulated N* LC toward a gaseous analyte is compared, systematically. Making use of the encapsulation is an important step to improve the applicability.
Durch Dotierung eines nematischen Flüssigkristalles mit einer chiralen Substanz wird eine helikal strukturierte Phase induziert, die in der Lage ist, einfallendes Licht wellenlängenselektiv zu reflektieren. Bei der Reaktion des Dotiermittels mit einem gasförmigen Analyten verändern sich die Ganghöhe dieser Struktur und damit die reflektierte Wellenlänge. Liegt diese im Bereich des sichtbaren Lichts, ist eine Farbänderung mit dem menschlichen Auge zu beobachten. Es ist dabei sinnvoll den Flüssigkristall z.B. in einem Polymer einzukapseln, um ihn vor mechanischen Einflüssen und Umwelteinflüssen zu schützen. Eine Möglichkeit zur Einkapselung ist das koaxiale Elektrospinnen. Vorteile sind unter anderem die Realisierung einer großen Oberfläche und einer sehr geringen Wanddicke der schützenden Schale, die die Diffusion von Gasen durch die Wand hindurch ermöglicht. Um die Funktionsfähigkeit eines solchen Sensors zu testen, wurde ein CO2-sensitiver Flüssigkristall verwendet. Dieser wurde in eine Schale aus Polyvinylpyrrolidon (PVP) versponnen und die Reaktion mit CO2 spektroskopisch analysiert.
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.
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.
Hydrogen‐Bonded Cholesteric Liquid Crystals—A Modular Approach Toward Responsive Photonic Materials
(2022)
A supramolecular approach for photonic materials based on hydrogen-bonded cholesteric liquid crystals is presented. The modular toolbox of low-molecular-weight hydrogen-bond donors and acceptors provides a simple route toward liquid crystalline materials with tailor-made thermal and photonic properties. Initial studies reveal broad application potential of the liquid crystalline thin films for chemo- and thermosensing. The chemosensing performance is based on the interruption of the intermolecular forces between the donor and acceptor moieties by interference with halogen-bond donors. Future studies will expand the scope of analytes and sensing in aqueous media. In addition, the implementation of the reported materials in additive manufacturing and printed photonic devices is planned.
Explorative experiments were done to figure out differences in the emission of volatile organic compounds (VOCs) of not infested trees and trees infested by Anoplophora glabripennis (Asian longhorn beetle, ALB), a quarantine pest. Therefore, VOCs from some native insect species, Anoplophora glabripennis infested Acer, stressed Acer, healthy Acer, Populus and Salix were obtained by enrichment on adsorbents. Qualitative analysis was done by thermal desorption gas chromatography coupled with a mass selective detector (TD-GC/MS). Altogether 169 substances were identified. 11 substances occur from ALB infested or mechanically damaged trees i.e. stressed trees, but not from healthy trees. (+)-Cyclosativene, (+)-α-longipinene, copaene and caryophyllene are detectable only from ALB-infested Acer not from mechanically damaged or healthy Acer. However, these substances are also emitted by healthy Salix. 2,4-Dimethyl-1-heptene is among all tree samples exclusively present in the ambience of ALB-infested trees. It´s rarely detectable from native insect species’ samples.
Raman-microspectroscopy was used for the non-destructive characterization and differentiation of six different meat spoilage associated microorganisms, namely Brochothrix thermosphacta DSM 20171, Micrococcus luteus, Pseudomonas fluorescens DSM 4358, Escherichia coli Top10 and K12 and Pseudomonas fluorescens DSM 50090. To evaluate and classify the Raman-spectroscopic data at species and strain level an adequate preprocessing and subsequent principal component analysis was used. The same procedure was extended to an independent test data set, which could be successfully assigned to the correct bacterial species and even to the right strain. The evaluation was not only successful in differentiation of gram-positive and gram-negative bacteria but also the discrimination between the different bacterial species and strains was possible. This means that the training data set, the preprocessing method and the evaluation of the data lead to a robust principal component analysis. Even the correct assignment of unknown samples is possible. The results show that Raman-microspectroscopy in combination with an appropriate chemometric treatment can be a good tool for a rapid examination and classification of microbial cultures.