Using sulfur isotope fractionation to understand the atmospheric oxidation of SO 2

Sulfate aerosol plays an important but uncertain role in cloud formation and radiative forcing of the climate, and is also important for acid deposition and human health. The oxidation of SO2 to sulfate is a key reaction in determining the impact of sulfate in the environment through its effect on aerosol size distribution and composition. This thesis presents a laboratory investigation of sulfur isotope fractionation during SO2 oxidation by the most important gas-phase and heterogeneous pathways occurring in the atmosphere. The fractionation factors are then used to examine the role of sulfate formation in cloud processing of aerosol particles during the HCCT campaign in Thuringia, central Germany. The fractionation factor for the oxidation of SO2 by ·OH radicals was measured by reacting SO2 gas, with a known initial isotopic composition, with ·OH radicals generated from the photolysis of water at -25, 0, 19 and 40°C (Chapter 2). The product sulfate and the residual SO2 were collected as BaSO4 and the sulfur isotopic compositions measured with the Cameca NanoSIMS 50. The measured fractionation factor for 34S/32S during gas phase oxidation is αOH = (1.0089 ± 0.0007) − ((4 ± 5) × 10−5 )T (°C). Fractionation during oxidation by major aqueous pathways was measured by bubbling the SO2 gas through a solution of H2 O2

Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

Investigation of P3HT PCBM particle-based solar cells

Die Herstellung von Polymer-Solarzellen aus wässriger Phase stellt eine attraktive Alternative zu der konventionellen lösemittelbasierten Formulierung dar. Die Vorteile der aus wässriger Lösung hergestellten Solarzellen liegen besonders in dem umweltschonenden Herstellungsprozess und in der Möglichkeit, druckbare optoelektronische Bauteile zu generieren. Die Prozessierbarkeit von hydrophoben Halbleitern im wässrigen Milieu wird durch die Dispergierung der Materialien, in Form von Nanopartikeln, erreicht. Der Transfer der Halbleiter in eine Dispersion erfolgt über die Lösemittelverdampfungsmethode. Die Idee der Verwendung von partikelbasierte Solarzellen wurde bereits umgesetzt, allerdings blieben eine genaue Charakterisierung der Partikel sowie ein umfassendes Verständnis des gesamten Fabrikationsvorgangs aus. Deshalb besteht das Ziel dieser Arbeit darin, einen detaillierten Einblick in den Herstellungsprozess von partikelbasierten Solarzellen zu erlangen, mögliche Schwächen aufzudecken, diese zu beseitigen, um so zukünftige Anwendungen zu verbessern. Zur Herstellung von Solarzellen aus wässrigen Dispersionen wurde Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl)/[6,6]-Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester (P3HT/PCBM) als Donor/Akzeptor-System verwendet. Die Kernpunkte der Untersuchungen richteten sich zum einen die auf Partikelmorphologie und zum anderen auf die Generierung einer geeigneten Partikelschicht. Beide Parameter haben Auswirkungen auf die Solarzelleneffizienz. Die Morphologie wurde sowohl spektroskopisch über Photolumineszenz-Messungen, als auch visuell mittels Elektronenmikroskopie ermittelt. Auf diese Weise konnte die Partikelmorphologie vollständig aufgeklärt werden, wobei Parallelen zu der Struktur von lösemittelbasierten Solarzellen gefunden wurden. Zudem wurde eine Abhängigkeit der Morphologie von der Präparationstemperatur beobachtet, was eine einfache Steuerung der Partikelstruktur ermöglicht. Im Zuge der Partikelschichtausbildung wurden direkte sowie grenzflächenvermittelnde Beschichtungsmethoden herangezogen. Von diesen Techniken hatte sich aber nur die Rotationsbeschichtung als brauchbare Methode erwiesen, Partikel aus der Dispersion in einen homogenen Film zu überführen. Des Weiteren stand die Aufarbeitung der Partikelschicht durch Ethanol-Waschung und thermische Behandlung im Fokus dieser Arbeit. Beide Maßnahmen wirkten sich positiv auf die Effizienz der Solarzellen aus und trugen entscheidend zu einer Verbesserung der Zellen bei. Insgesamt liefern die gewonnen Erkenntnisse einen detaillierten Überblick über die Herausforderungen, welche bei dem Einsatz von wasserbasierten Dispersionen auftreten. Die Anforderungen partikelbasierter Solarzellen konnten offengelegt werden, dadurch gelang die Herstellung einer Solarzelle mit einer Effizienz von 0.53%. Dieses Ergebnis stellt jedoch noch nicht das Optimum dar und lässt noch Möglichkeiten für Verbesserungen offen.

Aerobic biodegradation of chlorinated solvents and plastics in batch and continuous-flow bioreactors: process development, and identification of suitable chemical pre-Treatments

The purpose of the first part of the research activity was to develop an aerobic cometabolic process in packed bed reactors (PBR) to treat real groundwater contaminated by trichloroethylene (TCE) and 1,1,2,2-tetrachloroethane (TeCA). In an initial screening conducted in batch bioreactors, different groundwater samples from 5 wells of the contaminated site were fed with 5 growth substrates. The work led to the selection of butane as the best growth substrate, and to the development and characterization from the site’s indigenous biomass of a suspended-cell consortium capable to degrade TCE with a 90 % mineralization of the organic chlorine. A kinetic study conducted in batch and continuous flow PBRs and led to the identification of the best carrier. A kinetic study of butane and TCE biodegradation indicated that the attached-cell consortium is characterized by a lower TCE specific degredation rates and by a lower level of mutual butane-TCE inhibition. A 31 L bioreactor was designed and set up for upscaling the experiment. The second part of the research focused on the biodegradation of 4 polymers, with and with-out chemical pre-treatments: linear low density polyethylene (LLDPE), polyethylene (PP), polystyrene (PS) and polyvinyl chloride (PVC). Initially, the 4 polymers were subjected to different chemical pre-treatments: ozonation and UV/ozonation, in gaseous and aqueous phase. It was found that, for LLDPE and PP, the coupling UV and ozone in gas phase is the most effective way to oxidize the polymers and to generate carbonyl groups on the polymer surface. In further tests, the effect of chemical pretreatment on polyner biodegrability was studied. Gas-phase ozonated and virgin polymers were incubated aerobically with: (a) a pure strain, (b) a mixed culture of bacteria; and (c) a fungal culture, together with saccharose as a co-substrate.

Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Bestimmung von halogenierten Kohlenwasserstoffen in Luft mittels anreichernder Probenahme,Thermodesorption und GC,MS mit negativer chemischer Ionisation

Flüchtige organische Halogenverbindungen übernehmen in der Chemie der Troposphäre eine Schlüsselrolle. Photolytisch gebildete Halogenatome reagieren mit troposphärischem Ozon und können durch Oxidation, vor allem von Iod, zur Neubildung von Partikeln beitragen. Auf diese Weise beeinflussen Halogenalkane den Strahlungshaushalt der Atmosphäre. Aus analytischem Blickwinkel ist es wichtig die Konzentration der einzelnen Spezies zu untersuchen um Rückschlüsse auf deren biotische oder abiotische Quellen ziehen und die Emissionswege besser verstehen zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine sensitive Methode zur Untersuchung von halogenierten Kohlenwasserstoffen entwickelt, basierend auf anreichernder Probenahme mit anschließender Thermodesorption und der Analyse mittels Massenspektrometrie mit negativer chemischer Ionisation. Die Kennwerte der Methode sind: Nachweisgrenzen zwischen 0.11 pg und 5.86 pg bzw. zwischen 1.0 ppqV und 44.7 ppqV, Linearität zwischen R2=0.993 und R2=1.000, Reproduzierbarkeit (Triplikate) RSD < 15 % und ein sicheres Probenahmevolumen von 10 L. Die Methode wurde im Anschluss im Rahmen von zwei Feldmessungen, in Mace Head, Irland und auf einer Schiffskampagne im antarktischen Amundsen-Meer, angewendet. Durch die Ergebnisse aus Irland kann gezeigt werden, dass die Mischungsverhältnisse der Iodalkane mit denen früherer Studien vergleichbar sind, und dass die verschiedenen untersuchten Algenarten deutlich unterschiedliche Emissionsraten zeigen. Die Ergebnisse der Kampagne im Amundsen-Meer zeigen einen großen Einfluss der Windrichtung auf die Halogenalkan-Konzentrationen. So sind die Mischungsverhältnisse der Halogenalkane deutlich höher, wenn der Wind zuvor über die antarktischen Eisflächen strömt. Für die biotischen Quellen wurden die Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon untersucht. Die Emissionsrate der Iodalkane zeigt einen exponentiellen Zusammenhang, sowohl zur I2-Emission als auch zum Gesamtiodgehalt der Algen. Unter oxidativen Bedingungen zeigt L. Digitata eine linear steigende Iodalkanemission. Mit diesem Verhalten wird die These der Bildung von Iodalkanen als Nebenprodukt beim Abbau reaktiver Sauerstoffspezies unterstützt. Neben den Makroalgen wurden auch Mikroalgen als biotische Quellen untersucht. Hierbei können zwei unterschiedliche Emissionsmuster der Halogenalkane für Diatomeen und Phaeocystis sp. gezeigt werden. Im Gegensatz zur Iodalkan-Emission hängt die I2 Emission der Mikroalgenproben von der Ozonkonzentration der Luft ab. Durch die lineare Korrelation der I2-Emission mit der Iodid-Konzentration der wässrigen Phase einerseits, und dem Ozonverbrauch andererseits, kann die Bildung von I2 durch Oxidation von Iodid durch Ozon bestätigt werden. Für das Emissionsverhalten der Mikroalgenprobe aus dem Sylter Wattenmeer, welche keine Korrelation mit dem verbrauchten Ozon zeigt, gibt es zwei Erklärungen: Zum einen kann I2 durch den hohen Gehalt an organischen Verbindungen an diesen adsorbiert bzw. chemisch gebunden werden und wird dann nicht mehr in die Gasphase emittiert. Zum anderen können aktive organische Verbindungen das Gleichgewicht zwischen HOI und I2 in Richtung HOI verlagern. Im Versuch zur abiotischen Bildung von Iodalkanen aus Partikeln, bestehend aus I2O5 und verschiedenen Alkoholen, kann gezeigt werden, dass die Bildung von Iodmethan und Diiodmethan abläuft, dass jedoch die Emission bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die von I2. Somit trägt die Bildung von Iodalkanen nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen zum Recycling des Iods in der Atmosphäre bei. Der vorgestellte abiotische Bildungsweg hängt sowohl vom pH-Wert als auch vom Mischungsverhältnis im Partikel ab.

Chemical interaction between ocean and atmosphere

The exchange of chemical constituents between ocean and atmosphere provides potentially important feedback mechanisms in the climate system. The aim of this study is to develop and evaluate a chemically coupled global atmosphere-ocean model. For this, an atmosphere-ocean general circulation model with atmospheric chemistry has been expanded to include oceanic biogeochemistry and the process of air-sea gas exchange. The calculation of seawater concentrations in the oceanic biogeochemistry submodel has been expanded from DMS, CO₂

Article Accurate Experimental Values for the Free Energies of Hydration of H+, OH-, and H3O+

Accurate experimental values for the free energies of hydration, or the free energies of solvation, of the H+, OH-, and H3O+ ions are of fundamental importance. By use of the most accurate value for the free energy of solvation of H+, the known value for the free energy of solvation of water, and the known values for the gas phase and aqueous phase deprotonation of water, the corresponding experimental free energy of solvation for OH- is −106.4 ± 0.5 kcal/mol. Similarly, by use of the known values for ΔGf 0 for H3O, H2O+, and OH-, the known values for ΔGs for H+ and OH-, and the known value for the aqueous phase autoionization of water, we obtain an experimental free energy of solvation value for H3O+ of −103.4 ± 0.5 kcal/mol. These values are in excellent agreement with the commonly accepted values and with the value for ΔGs(OH-) obtained from embedding clusters of OH-(H2O)n in a dielectric continuum.

Continuous Formation and Separation of Calcium-Alginate Capsules Containing Viable Mammalian Cells in Microfluidic Devices

Microfluidic devices can be used for many applications, including the formation of well-controlled emulsions. In this study, the capability to continuously create monodisperse droplets in a microfluidic device was used to form calcium-alginate capsules.Calcium-alginate capsules have many potential uses, such as immunoisolation of cells and microencapsulation of active drug ingredients or bitter agents in food or beverage products. The gelation of calcium-alginate capsules is achieved by crosslinking sodiumalginate with calcium ions. Calcium ions dissociated from calcium carbonate due to diffusion of acetic acid from a sunflower oil phase into an aqueous droplet containing sodium-alginate and calcium carbonate. After gelation, the capsules were separated from the continuous oil phase into an aqueous solution for use in biological applications. Typically, capsules are separated bycentrifugation, which can damage both the capsules and the encapsulated material. A passive method achieves separation without exposing the encapsulated material or the capsules to large mechanical forces, thereby preventing damage. To achieve passiveseparation, the use of a microfluidic device with opposing channel wa hydrophobicity was used to stabilize co-laminar flow of im of hydrophobicity is accomplished by defining one length of the channel with a hydrogel. The chosen hydrogel was poly (ethylene glycol) diacrylate, which adheres to the glass surface through the use of self-assembled monolayer of 3-(trichlorosilyl)-propyl methacrylate. Due to the difference in surface energy within the channel, the aqueous stream is stabilized near a hydrogel and the oil stream is stabilized near the thiolene based optical adhesive defining the opposing length of the channel. Passive separation with co-laminar flow has shown success in continuously separating calcium-alginatecapsules from an oil phase into an aqueous phase. In addition to successful formation and separation of calcium alginate capsules,encapsulation of Latex micro-beads and viable mammalian cells has been achieved. The viability of encapsulated mammalian cells was determined using a live/dead stain. The co-laminar flow device has also been demonstrated as a means of separating liquid-liquidemulsions.

Quantifying The Diffusion And Erosion Of Degradable Hydrogels Using A Microfluidic Technique

Hydrogels are composed of cross-linked networks of hydrophilic polymers that are biocompatible due to their high water content. Mass transfer through hydrogels has been suggested as an effective method of drug delivery, specifically in degradable polymers to minimize lasting effects within the body. Diffusion of small molecules in poly (ethylene glycol) diacrylate (PEG-DA) and dextran methacrylate (dex-MA) hydrogels was characterized in a microfluidic device and by complementary techniques. Microfluidic devices were prepared by crosslinking a formulation of hydrogel and photo-initiator, with and without visible dye, using photolithography to define a central microchannel. Channel sizes within the devices were approximately 600 ¿m to simulate vessels within the body. The microfluidic technique allows for both image and effluent analyses. To visualize the diffusive behavior within the dextran hydrogel, methylene blue and sulforhodamine 101 dyes were used in both elution and uptake experiments. Three analysis techniques for measuring diffusion coefficients were used to quantify the diffusion of solute in the hydrogel, including optical microscopy, characterization of device effluent, and NMR analyses. The optical microscopy technique analyzes images of the dye diffusion captured by a stereomicroscope to generate dye concentration v. position profiles. The data was fit to a diffusion model to determine diffusion coefficients and the dye release profile. In a typical elution experiment, aqueous solution is pumped through the microchannel and dye diffuses out of the hydrogel and into the aqueous phase. During elution, images are taken at regular time intervals and the effluent was collected. Analysis of the device effluent was performed using ultraviolet-visible (UV/Vis) spectroscopy to determine the effluent dye concentration and thus a short-time diffusion coefficient. Nuclear magnetic resonance (NMR) was used to determine a free diffusion coefficient of molecules in hydrogel without the effect of a concentration gradient. Diffusion coefficients for methylene blue and sulforhodamine 101 dyes in dex-MA hydrogel calculated using the three analysis methods all agree well. It was determined that utilizing a combination of the three techniques offers greater insight into molecular diffusion in hydrogels than employing each technique individually. The use of the same microfluidic devices used to measure diffusion is explored in the use of studying the degradation of dex-MA hydrogels. By combining what is known about the degradation rate in regards to the effect of pH and crosslinking and the ability to use a dye solution in contrast to establish the hydrogel boundaries could be a novel approach to studying hydrogel degradation.

Variation of the mechanical properties of PMMA to suit osteoporotic cancellous bone

Poly(methyl methacrylate) (PMMA) is by far the most frequently used bone substitute material for vertebroplasty. However, there are serious complications, such as cement leakage and an increased fracture rate of the adjacent vertebral bodies. The latter may be related to the mechanical properties of the augmented segment within the osteoporotic spine. A possible counter-measure is prophylactic augmentation at additional levels, but this aggravates the risk for the patient. Introduction of pores is a possible method to reduce the inherent high stiffness of PMMA. This study investigates the effect of porosity on the mechanical properties of PMMA bone cement. Different fractions of a highly viscous liquid were mixed into the PMMA during preparation. An open-porous material with adjustable mechanical properties resulted after removal of the aqueous phase. Different radiopacifiers were admixed to investigate their suitability for vertebroplasty. The final material was characterized mechanically by compressive testing, microscopically and radiologically. In addition, the monomer release subsequent to hardening was measured by means of gas chromatography. The Young's modulus in compression could be varied between 2800 +/- 70 MPa and 120 +/- 150 MPa, and the compression ultimate strength between 170 +/- 5 MPa and 8 +/- 9 MPa for aqueous fractions ranging between 0 and 50% of volume. Only a slight decrease of the Young's modulus and small changes of ultimate strength were found when the mixing time was increased. An organic hydrophilic and lipophilic radiopacifier led to a higher Young's modulus of the porous material; however, the ultimate strength was not significantly affected by adding different radiopacifiers to the porous cement. The radiopacity was lost after washing the aqueous phase out of the pores. No separation occurred between the aqueous and the PMMA phase during injection into an open porous ceramic material. The monomer released was found to increase for increasing aqueous fractions, but remained comparable in magnitude to standard PMMA. This study demonstrates that a conventional PMMA can be modified to obtain a range of mechanical properties, including those of osteoporotic bone.

Time-dependent interactions of the two porphyrinic compounds chlorin e6 and mono-L-aspartyl-chlorin e6 with phospholipid vesicles probed by NMR spectroscopy

The distribution processes of chlorin e6 (CE) and monoaspartyl-chlorin e6 (MACE) between the outer and inner phospholipid monolayers of 1,2-dioleoyl-phosphatidylcholine (DOPC) vesicles were monitored by 1H NMR spectroscopy through analysis of chemical shifts and line widths of the DOPC vesicle resonances. Chlorin adsorption to the outer vesicle monolayer induced changes in the DOPC 1H NMR spectrum. Most pronounced was a split of the N-methyl choline resonance, allowing for separate analysis of inner and outer vesicle layers. Transbilayer distribution of the chlorin compounds was indicated by time-dependent characteristic spectral changes of the DOPC resonances. Kinetic parameters for the flip-flop processes, that is, half-lives and rate constants, were obtained from the experimental data points. In comparison to CE, MACE transbilayer movement was significantly reduced, with MACE remaining more or less attached to the outer membrane layer. The distribution coefficients for CE and MACE between the vesicular and aqueous phase were determined. Both CE and MACE exhibited a high affinity for the vesicular phase. For CE, a positive correlation was found between transfer rate and increasing molar ratio CE/DOPC. Enhanced membrane rigidity induced by increasing amounts of cholesterol into the model membrane was accompanied by a decrease of CE flip-flop rates across the membrane. The present study shows that the movement of porphyrins across membranes can efficiently be investigated by 1H NMR spectroscopy and that small changes in porphyrin structure can have large effects on membrane kinetics.

Diversity of morphological patterns in supramolecular polymers formed from the amphiphilic oligomers of pyrenes

Very important aspects of the modern nanotechnology are control and prediction of arraying patterns of opto- and electroactive molecules in discrete objects on nanoscale level both on surface and solution. Consequqntly, a self-assembly of small molucules provides such an opportunity.For example, oligopyrenotides (OPs, short amphiphilic pyrene oligomers) represent a novel class of amphiphilic molecules which tend to aggegate in aqueous phase. As has been already shown, OPs are able to form 1D supramolecular polymer only under high salt concentration. Since programmed arraying of polyaromatic hydrocarbons in structurally defined objects could offer enhanced performance over the individual components, prediction and controlling of their spatial arrangement remains challenging. Herein we demonstrate that substitution type of the pyrene is crutial, and it determines a morphology of the assemblies. Thus, a 1.6-linkage causes a formation of large, free-standing 2D supromolecular polymers with a thickness 2 nm. These assemblies possess a high degree of an internal order: the interior consists of hydrophobic pyrenes and alkyl chains, whereas the exterior exists as a net of hydrophilic negatively charged phosphates. Contrary, a 1.8-linkage exclusiveley leads to a formation of long (up to a few micrometer), nanometer thick helical supramolecular polymers. These structures tend to form even more complex structures (bundles, superhelixes). Moreover for both molecules, the polymerizations occurs via a nucleation-elongation mechanism. To study Py3 self-assembly, we carried out whole set of spectroscopic (UV/vis, fluorescence, DLS) and microscopic experiments (AFM).

Redox front geochemistry and weathering: theory with application to the Osamu Utsumi uranium mine, Poços de Caldas, Brazil

Numerical calculations describing weathering of the Poços de Caldas alkaline complex (Minas Gerais, Brazil) by infiltrating groundwater are carried out for time spans up to two million years in the absence of pyrite, and up to 500,000 years with pyrite present. Deposition of uranium resulting from infiltration of oxygenated, uranium bearing groundwater through the hydrothermally altered phonolitic host rock at the Osamu Utsumi uranium mine is also included in the latter calculation. The calculations are based on the quasi-stationary state approximation to mass conservation equations for pure advective transport. This approximation enables the prediction of solute concentrations, mineral abundances and porosity as functions of time and distance over geologic time spans. Mineral reactions are described by kinetic rate laws for both precipitation and dissolution. Homogeneous equilibrium is assumed to be maintained within the aqueous phase. No other constraints are imposed on the calculations other than the initial composition of the unaltered host rock and the composition of the inlet fluid, taken as rainwater modified by percolation through a soil zone. The results are in qualitative agreement with field observations at the Osamu Utsumi uranium mine. They predict a lateritic cover followed by a highly porous saprolitic zone, a zone of oxidized rock with pyrite replaced by iron-hydroxide, a sharp redox front at which uranium is deposited, and the reduced unweathered host rock. Uranium is deposited in a narrow zone located on the reduced side of the redox front in association with pyrite, in agreement with field observations. The calculations predict the formation of a broad dissolution front of primary kaolinite that penetrates deep into the host rock accompanied by the precipitation of secondary illite. Secondary kaolinite occurs in a saprolitic zone near the surface and in the vicinity of the redox front. Gibbsite forms a bi-modal distribution consisting of a maximum near the surface followed by a thin tongue extending downward into the weathered profile in agreement with field observations. The results are found to be insensitive to the kinetic rate constants used to describe mineral reactions.

Proceedings of the 23rd Annual Biochemical Engineering Symposium

The 23rd Annual Biochemical Engineering Symposium was held at the University of Oklahoma on April 17, 1993. The objectives of the symposium were to provide 1) a forum for informal discussion of biochemical engineering research being carried at the participating universities and 2) an opportunity for students to present and publish their work. Thirteen papers presented at the symposium are included in the proceedings. Because final publication usually takes place in refereed journals, the articles included here are typically brief and often cover work in progress. The program of the symposium and a list of participants are included in the proceedings. ContentsA Low-Cost Bioreactor Strategy for RNA Synthesis, H. Anthony Marble, Eleni Chrisikos, and Robert H. Davis Development of a CELSS Bioreactor: Oxygen Transfer and Micromixing in Parabolic Flight, P.E. Villeneuve, K.S. Wenger, B.G. Thompson, T. Kedar, and E.H. Dunlop Scale-up of Dexter Murine Bone Marrow Cultures Utilizing a Three-Dimensional Fiberglass Support Matrix, John G. Highfill, Paul Todd, Steve Haley, and Dhinaker Kompala Modeling and Estimation of States of Recombinant Fermentations Using Nonlinear Input/Output Models, Vicotr M. Saucedo and M. Nazmul Karim Deadent Microfiltration of Bovine Serum Albumin Suspension Through Yeast Cake Layers and Assymetric Polymeric Membranes, Naveen Arora and Robert H. Davis Monitoring the Fate of Toluene and Phenol in the Rhizosphere, N. Muralidharan, Lawrence C. Davis, and Larry E. Erickson Hydrodynamic Motions Associated with Bubble Coalescence and Breakup, T.Y. Yiin, L.A. Glasgow, and L.E. Erickson Expression and Purification of a-Human Atrial Natriuretic Peptide in Escherichia coli by Fusion with L-Asparaginase, Nien-Tung Ma and Roger G. Harrison High Pressure Crystallization of Proteins, Mungara V. Saikumar, Charles E. Glatz, and Maurice A. Larson Structure/Function Relationships in the Catalytic and Starch Binding Domains of Glucoamylase, Pedro M. Coutinho, Clark Ford, Peter J. Reilly Cellular Responses of Insect Cell Spodoptera frugiperda to Environmental Stresses, Paul Yeh, Grace Y. Sun, Gary A. Weisman, Rakesh Bajpai A Novel Approach to Understanding the Antimicrobial Activity of Peptides, Naveen Pathak, Marie-Helene Janna, Gael Ruche, David McCarthy, and Roger Harrison Mass Transfer in the Bioremediation of Soils Contaminated with Trapped Non-Aqueous Phase Liquids, Xiaoqing Yang, Larry E. Jacobson, and L.T. Fan

Proceedings of the Twenty-Fifth Annual Biochemical Engineering Symposium

The Annual Biochemical Engineering Symposium Series started in 1970 when Professors Larry E. Erickson (Kansas State University) and Peter J. Reilly (then with University of Nebraska-Lincoln) got together in Manhattan, KS along with their students for a half-day powwow and technical presentation by their students. Ever since then, it has been a forum for Biochemical Engineering students in the heartland of USA to present their research to their colleagues in the form of talks and posters. The institutions actively involved with this annual symposium include Colorado State University, Kansas State University, Iowa State University, University of Colorado, University of Kansas, University of Missouri-Columbia, and University of Oklahoma. The University of lowa and University of Nebraska-Lincoln have also participated in the conference in recent years. The host institutions for the different symposia have been: Kansas State University (1, 3, 5, 9, 12, 16, 20), Iowa State University (6, 7, 10, 13, 17, 22), University of Missouri-Columbia (8, 14, 19, 25), Colorado State University (II, 15, 21), University of Colorado (18, 24), University of Nebraska-Lincoln (2, 4), University of Oklahoma (23). The next symposium will be held at Kansas State University. Proceedings of the Symposium are edited by faculty of the host institution and include manuscripts written and submitted by the presenters (students). These often include works-in-progress and final publication usually takes place in refereed journals. ContentsPatrick C. Gilcrease and Vincent G. Murphy, Colorado State University. Use of 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) As A Nitrogen Source By A Pseudomonas florescens Species Under Aerobic Conditions. Marulidharan Narayanan, Lawrence C. Davis, and Larry E. Erickson, Kansas State University. Biodegradation Studies of Chlorinated Organic Pollutants in a Chamber in the Presence of Alfalfa Plants. S.K. Santharam, L.E. Erickson, and L.T. Fan, Kansas State University.Surfactant-Enhanced Remediation of a Non-Aqueous Phase Contaminant in Soil. Barry Vant-Hull, Larry Gold, and Robert H. Davis, University of Colorado.The Binding of T7 RNA Polymerase to Double-Stranded RNA. Jeffrey A. Kern and Robert H. Davis, University of Colorado.Improvement of RNA Transcription Yield Using a Fed-Batch Enzyme Reactor. G. Szakacs, M. Pecs, J. Sipocz, I. Kaszas, S.R. Deecker, J.C. Linden, R.P. Tengerdy, Colorado State University.Bioprocessing of Sweet Sorghum With In Situ Produced Enzymes. Brad Forlow and Matthias Nollert, University of Oklahoma.The Effect of Shear Stress ad P-selectin Site Density on the Rolling Velocity of White Blood Cells. Martin C. Heller and Theodore W. Randolph, University of Colorado.The Effects of Plyethylene Glycol and Dextran on the Lyophilization of Human Hemoglobin. LaToya S. Jones and Theodore W. Randolph, University of Colorado.Purification of Recombinant Hepatitis B Vaccine: Effect of Virus/Surfactant Interactions. Ching-Yuan Lee, Michael G. Sportiello, Stephen Cape, Sean Ferree, Paul Todd, Craig E. Kundrot, and Cindy Barnes, University of Colorado.Application of Osmotic Dewatering to the Crystallization of Oligonucleotides for Crystallography. Xueou Deng, L.E. Erickson, and D.Y.C. Fung, Kansas State University.Production of Protein-Rich Beverages from Cheese Whey and Soybean by rapid Hydration Hydrothermal Cooking. Pedro M. Coutinho, Michael K. Dowd, and Peter J. Reilly, Iowa State University.Automated Docking of Glucoamylase Substrates and Inhibitors. J. Johansson and R.K. Bajpai, University of Missouri.Adsorption of Albumin on Polymeric Microporous Membranes.