540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Development of colored surfaces by formation of nano-structured aggregates is a widely used strategy in nature to color lightweight structures (e.g. butterflies) without the use of dye pigments. The deposition of nanoscale particles mimics nature in it’s approach coloring surfaces. This work presents sol-gel modification of cellulose surfaces used to form a template for growth of Cu/Cu2O core-shell particles with defined size-distributions. Besides improving the adhesion of the deposited particulate material, the sol-gel matrix serves as a template for the control of particle sizes of the Cu/Cu2O structures, and as a consequence of particle size variation the surface color is tunable. As an example, red color was achieved with an average particle size of 35 nm, and shifts gradually to blue appearance when particles have grown to 80 nm on the sol-gel modified fabric. The copper concentration on representative fabrics is kept low to avoid modifying the textile characteristics and were all in the range of 150–170 mg per g of cellulose material. As a result of copper deposition on the surface of the material, the cellulose fabric also became electrically conductive. Remarkably, the electrical conductivity was found to be dependent on the average particle sizes of the deposits and thus related to the change in observed color. The generation of color by growth of nano-sized particles on sol-gel templates provides a highly promising approach to stain surfaces by physical effects without use of synthetic colorants, which opens a new strategy to improve environmental profile of coloration.
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.
In dieser vorliegenden Arbeit wurde der photolytische und photokatalytische Abbau von Lignin untersucht. Eine Charakterisierung des verwendeten Photoreaktors wurde mittels Kalium-Ferrioxalat-Aktinometrie durchgeführt. Zur Analyse der abgebauten Lignine wurde eine Optimierung einer bereits bestehenden Methode zur Bestimmung des Hydroxylgehaltes erarbeitet. Die Bestimmung der Hydroxylgehalte erfolgte demnach bei Raumtemperatur nach einer Acetylierungsdauer von 72 h und zeigte eine Abnahme der Hydroxylgehalte mit andauernder UV-Bestrahlung. Selbige Beobachtung konnte mit Hilfe der ATR-IR-Spektroskopie gemacht werden. Zusätzlich konnte die Bildung von Carbonsäuren und der Abbau von aromatischen Strukturen detektiert werden. Der Abbau aromatischer Strukturen konnte ebenfalls durch UV-VIS-Spektroskopie gezeigt werden. Eine Vermutung, dass es sich bei dem Abbauprozess um einen oxidativen Mechanismus handelt, konnte mit dem Abbau von Hydroxylgruppen über eine Bildung von Carbonsäuren zu Kohlenstoffdioxid bestätigt werden. Eine Freisetzung von Kohlenstoffdioxid konnte durch eine Bestimmung des IC festgestellt werden. Die Ergebnisse der Gel-Permeations-Chromatographie zusammen mit einer TOC-Analyse zeigen einen Abbau der molaren Masse des Lignins auf. Es konnten Fragmente mit einer Molmasse ähnlich der Monomere des Lignins gefunden werden. Der eingesetzte Photokatalysator wurde via Röntgenbeugung untersucht und konnte als das hoch photokatalytisch aktive P25 von Degussa identifiziert werden. Trotz des Einsatzes verschiedener Katalysatorkonzentrationen in einem Bereich von 0-0,5 g L^(-1) konnte kein Einfluss des Photokatalysators auf den Abbauprozess des Lignins beobachtet werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde Kraft-Lignin als Makromonomer für die Synthese von thermoplastischen Polyurethanen mit hoher molarer Masse durch acide Präzipitation aus Schwarzlauge isoliert. Die Charakterisierung des Rohstoffes bezüglich seiner Ausgangsmolmasse erfolgte mittels Gel-Permeations-Chromatographie mit Polystyren-Polymerstandard, welche sich als sehr hilfreiche Analysemethode erwies. Da das Kraft-Lignin die klassische Polyolkomponente bei der Synthese von Polyurethanen ersetzen sollte, war es notwendig, den Hydroxylgehalt des Kraft-Lignins zu bestimmen. Für diesen Zweck wurde eine bereits etablierte Prozedur zur nasschemischen Bestimmung des Hydroxylgehaltes von Polyolen für die Synthese von Polyurethanen einer Adaption unterzogen. Es wurde die Reaktionsdauer bei der Acetylierung des Kraft-Lignins variiert. Das Ergebnis war, dass die Messgenauigkeit durch eine Erhöhung der Reaktionsdauer von 1 h auf 3 h drastisch von 25,5 % auf 3,6 % reduziert werden konnte. Um abschätzen zu können, ob die erzielte Messgenauigkeit im Rahmen einer nasschemischen Prozedur mit manueller Titration liegt, wurden zusätzlich die Hydroxylgehalte von Ethandiol und Saccharose bestimmt. Diese dienten als Referenzsubstanz mit definierten und bekannten Hydroxylgehalten. Die Ermittlung der Hydroxylgehalte mit diesen Substanzen ergab für Ethandiol eine Messgenauigkeit von 2,2 % und für Saccharose eine Messgenauigkeit von 1,4 %. Eine Messgenauigkeit von 3,6 % ist in Anbetracht des Zeitaufwandes akzeptabel.
Für die Synthese von thermoplastischen Polyurethanen wurde Kraft-Lignin mit Methylendiphenyldiisocyanat in Dimethylacetamid mit Zinnoktoat als Katalysator zur Reaktion gebracht. Es wurde das NCO/OH-Verhältnis und die Reaktionsdauer variiert. Die Analyse der synthetisierten Polyurethane erfolgte mittels Ubbelohde-Kapillarviskosimetrie, Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und Schmelzpunktbestimmung. Die FTIR-Spektren bestätigte eine erfolgreiche Synthese von Polyurethanen aus Kraft-Lignin und Methylendiphenyldiisocyanat und zeigte, dass die Variation des NCO/OH-Verhältnisses und der Reaktionsdauer keinerlei Einflüsse auf die chemische Grundstruktur des Polyurethans hat. Die Ubbelohde-Kapillarviskosimetrie belegte die thermoplastischen Eigenschaften des synthetisierten Polyurethans, die sich in einem thermoplastischen Nassprozess verarbeiten lassen. Sie zeigte auch die Abhängigkeit der Molmasse der synthetisierten Polyurethane von der Reaktionsdauer und vom NCO/OH-Verhältnis. So steigt die Molmasse des Polyurethans mit steigender Reaktionsdauer und sinkendem NCO/OH-Verhältnis. Letztere Beobachtung ist sogar praktisch hinsichtlich der gesundheitsgefährdenden Eigenschaft von Isocyanaten, da so der Einsatz von Isocyanaten reduziert werden kann. Um die schmelzflüssige Verarbeitbarkeit des synthetisierten Polyurethans zu untersuchen, wurden die Schmelzpunkte der Polymere bestimmt. Es konnte in einem Temperaturbereich von 25 °C-410 °C keine Aggregatzustandsänderung, sondern lediglich eine Zersetzungsreaktion beobachtet werden.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines, für die kontrollierte Freisetzung hydrophiler Wirkstoffe geeigneten, Verkapselungssystems mit dem Ziel die Freisetzung osteospezifischer P2-Liganden zu verzögern, um bei der Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe die Bildung neuen Knochengewebes zu gewährleisten. Hierfür werden, unter Anwendung der immersiven Layer-by-Layer-Beschichtung, mit den Modell-Substanzen Adenosintriphosphat und Suramin versetzte, Alginat sowie κ-Carrageen-Kapseln mit Chitosan und Lignosulfonat beschichtet und auf ihr Freisetzungsverhalten hin untersucht.
Im Rahmen der Arbeit wurde Kraft-Lignin mit Natriumsulfit demethyliert, um den Gehalt an aromatischen Hydroxygruppen zu erhöhen und damit die Reaktivität des Lignins in Bezug auf Polyurethan-Synthesen zu erhöhen. Variiert wurden die Demethylierungstemperatur (72°C, 90°C) sowie der pH-Wert zur Isolierung des Kraft-Lignins (pH 2, 3, 4 und 5). Die Analyse der demethylierten Proben erfolgte mittels differentieller UV-Spektroskopie und der OH-Gehaltbestimmung via automatischer Titration (angelehnt an ISO 14900:2001(E)). Weitere Untersuchungen umfassten Löslichkeitstests sowie Strukturanalysen via FTIR- und UV/Vis-Spektroskopie.
Pozzolanic properties of Pennisetum purpureum grass ash were tested on Portland cement. Results show that the ash can be blended with cements without compromising binding strength of the cement. It was found that Portland cement could be blended with Pennisetum purpureum up to a ratio of 3:2 compromising compressive strength of mortar.Mortar with lower cement replacement took longer to set as evidenced by lower compressive strength within the 28-day aging time. Mortar with higher cement replacement had lower water absorption capacity, an indication that the test pozzolan was of smaller particulate size. XRF analysis and the FTIR spectrum showed that the ash has a higher content of silica. The XRD pattern of the ash showed that the ash was predominantly amorphous. SEM images showed that the ash produced at 600 o C had residual carbon material.
In an effort to assist researchers in choosing basis sets for quantum mechanical modeling of molecules (i.e. balancing calculation cost versus desired accuracy), we present a systematic study on the accuracy of computed conformational relative energies and their geometries in comparison to MP2/CBS and MP2/AV5Z data, respectively. In order to do so, we introduce a new nomenclature to unambiguously indicate how a CBS extrapolation was computed. Nineteen minima and transition states of buta-1,3-diene, propan-2-ol and the water dimer were optimized using forty-five different basis sets. Specifically, this includes one Pople (i.e. 6-31G(d)), eight Dunning (i.e. VXZ and AVXZ, X=2-5), twenty-five Jensen (i.e. pc-n, pcseg-n, aug-pcseg-n, pcSseg-n and aug-pcSseg-n, n=0-4) and nine Karlsruhe (e.g. def2-SV(P), def2-QZVPPD) basis sets. The molecules were chosen to represent both common and electronically diverse molecular systems. In comparison to MP2/CBS relative energies computed using the largest Jensen basis sets (i.e. n=2,3,4), the use of smaller sizes (n=0,1,2 and n=1,2,3) provides results that are within 0.11--0.24 and 0.09-0.16 kcal/mol. To practically guide researchers in their basis set choice, an equation is introduced that ranks basis sets based on a user-defined balance between their accuracy and calculation cost. Furthermore, we explain why the aug-pcseg-2, def2-TZVPPD and def2-TZVP basis sets are very suitable choices to balance speed and accuracy.
Gas Chromatography
(2019)
Gas chromatography (GC) is one of the most important types of chromatography used in analytical chemistry for separating and analyzing chemical organic compounds. Today, gas chromatography is one of the most widespread investigation methods of instrumental analysis. This technique is used in the laboratories of chemical, petrochemical, and pharmaceutical industries, in research institutes, and also in clinical, environmental, and food and beverage analysis. This book is the outcome of contributions by experts in the field of gas chromatography and includes a short history of gas chromatography, an overview of derivatization methods and sample preparation techniques, a comprehensive study on pyrazole mass spectrometric fragmentation, and a GC/MS/MS method for the determination and quantification of pesticide residues in grape samples.
Due to global ecological and economic challenges that have been correlated to the transition from fossil-based to renewable resources, fundamental studies are being performed worldwide to replace fossil fuel raw materials in plastic production. One aspect of current research is the development of lignin-derived polyols to substitute expensive fossil-based polyol components for polyurethane and polyester production. This article describes the synthesis of bioactive lignin-based polyurethane coatings using unmodified and demethylated Kraft lignins. Demethylation was performed to enhance the reaction selectivity toward polyurethane formation. The antimicrobial activity was tested according to a slightly modified standard test (JIS Z 2801:2010). Besides effects caused by the lignins themselves, triphenylmethane derivatives (brilliant green and crystal violet) were used as additional antimicrobial substances. Results showed increased antimicrobial capacity against Staphylococcus aureus. Furthermore, the coating color could be varied from dark brown to green and blue, respectively.
Background: To protect renewable packaging materials against autoxidation and decomposition when substituting harmful synthetic stabilizers with bioactive and bio-based compounds, extracts from Aesculus hippocastanum L. seeds were evaluated. The study objectives were to determine the antioxidant efficacy of bioactive compounds in horse chestnut seeds with regard to different seed fractions, improve their extraction, and to evaluate waste reuse. Methods: Different extraction techniques for field samples were evaluated and compared with extracts of industrial waste samples based on total phenolic content and total antioxidant capacity (2,2’-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid) (ABTS)). The molecular weight distribution and absorbance in ultraviolet range (UV) of seed coat extracts were determined, and the possibility of extracts containing proanthocyanidins was examined. Results: Seed coat extracts show a remarkable antioxidant activity and a high UV absorbance. Passive extractions are efficient and much less laborious. Applying waste product seed coats leads to a reduced antioxidant activity, total phenolic content, and UV absorbance compared to the field sample counterparts. In contrast to peeled seed extracts, all seed coat extracts contain proanthocyanidins. Discussion: Seed coats are a potential source of bioactive compounds, particularly regarding sustainable production and waste reuse. With minimum effort, highly bioactive extracts with high potential as additives can be prepared.
Lignocellulose feedstock (LCF) provides a sustainable source of components to produce bioenergy, biofuel, and novel biomaterials. Besides hard and soft wood, so-called low-input plants such as Miscanthus are interesting crops to be investigated as potential feedstock for the second generation biorefinery. The status quo regarding the availability and composition of different plants, including grasses and fast-growing trees (i.e., Miscanthus, Paulownia), is reviewed here. The second focus of this review is the potential of multivariate data processing to be used for biomass analysis and quality control. Experimental data obtained by spectroscopic methods, such as nuclear magnetic resonance (NMR) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), can be processed using computational techniques to characterize the 3D structure and energetic properties of the feedstock building blocks, including complex linkages. Here, we provide a brief summary of recently reported experimental data for structural analysis of LCF biomasses, and give our perspectives on the role of chemometrics in understanding and elucidating on LCF composition and lignin 3D structure.
