Exploring oligo(p-phenylenevinylene) gelators as sensors and stimuli responsive materials

Gelation provides a unique medium, which often induces organization of molecules resulting in the modulation of their optical, morphological and electronic properties thereby opening a new world of fascinating materials with interesting physical properties at nano- meso- and macroscopic levels. Supramolecular gels based on linear π-systems have attracted much attention due to their inherent optical and electronic properties which find application in organic electronics, light harvesting and sensing. They exhibit reversible properties due to the dynamic nature of noncovalent forces. As a result, studies on such soft materials are currently a topic of great interest. Recently, researchers are actively involved in the development of sensors and stimuli-responsive materials based on self-assembled π-systems, which are also called smart materials. The present thesis is divided into four chapters

Chemically Modified Glassy Carbon Electrode as Sensors for Various Pharmaceuticals

Voltammetric methods are applicable for the determination of a wide variety of both organic and inorganic species. Its features are compact equipment, simple sample preparation, short analysis time, high accuracy and sensitivity. Voltammetry is especially suitable for laboratories in which only a few parameters have to be monitored with a moderate sample throughput. Of various electrode materials, glassy carbon electrode is particularly useful because of its high electrical conductivity, impermeability to gases, high chemical resistance, reasonable mechanical and dimensional stability and widest potential range of all carbonaceous electrodes. Electrode modification is a vigorous research area by which the electrochemical determination of various analyte species is facilitated. The scope of pharmaceutical analysis includes the analytical investigation of pure drug, drug formulations, impurities and degradation products of drugs, biological samples containing the drugs and their metabolites with the aim of obtaining data that can contribute to the maximal efficacy and maximal safety of drug therapy. This thesis presents the modification of glassy carbon electrode using metalloporphyrin and dyes and subsequently using these modified electrodes for the determination of various pharmaceuticals. The thesis consists of 9 chapters.

Novel potentiometric sensors for the selective determination of domperidone

The fabrication and electrochemical response characteristics of two novel potentiometric sensors for the selective determination of domperidone (DOM) are described. The two fabricated sensors incorporate DOM–PTA (phosphotungstic acid) ion pair as the electroactive material. The sensors include a PVC membrane sensor and a carbon paste sensor. The sensors showed a linear, stable, and near Nernstian slope of 56.5 and 57.8 mV/decade for PVC membrane and carbon paste sensors, respectively over a relatively wide range of DOM concentration (1.0 9 10-1–1.0 9 10-5 and 1.0 9 10-1–3.55 9 10-6 M). The response time of DOM–PTA membrane sensor was less than 25 s and that in the case of carbon paste sensor was less than 20 s.Auseful pH range of 4–6 was obtained for both types of sensors. A detection limit of 7.36 9 10-5 M was obtained for PVC membrane sensor and 1.0 9 10-6 M was obtained for carbon paste sensor. The proposed sensors showed very good selectivity toDOMin the presence of a large number of other interfering ions. The analytical application of the developed sensors in the determination of the drug in pharmaceutical formulations such as tablets was investigated. The results obtained are in good agreement with the values obtained by the standard method. The sensors were also applied for the determination ofDOMin real samples such as urine by the standard addition method.

Novel Electrochemical and Fluorescence Sensors for Food Additives and Neurotransmitters

There is an enormous demand for chemical sensors in many areas and disciplines including chemistry, biology, clinical analysis, environmental science. Chemical sensing refers to the continuous monitoring of the presence of chemical species and is a rapidly developing field of science and technology. They are analytical devices which transform chemical information generating from a reaction of the analyte into an measurable signal. Due to their high selectivity, sensitivity, fast response and low cost, electrochemical and fluorescent sensors have attracted great interest among the researchers in various fields. Development of four electrochemical sensors and three fluorescent sensors for food additives and neurotransmitters are presented in the thesis. Based on the excellent properties of multi walled carbon nanotube (MWCNT), poly (L-cysteine) and gold nanoparticles (AuNP) four voltammetric sensors were developed for various food additives like propyl gallate, allura red and sunset yellow. Nanosized fluorescent probes including gold nanoclusters (AuNCs) and CdS quantum dots (QDs) were used for the fluorescent sensing of butylated hydroxyanisole, dopamine and norepinephrine. A total of seven sensors including four electrochemical sensors and three fluorescence sensors have been developed for food additives and neurotransmitters.

Development of Electrochemical and Fluorescent Sensors

Chemical sensors have growing interest in the determination of food additives, which are creating toxicity and may cause serious health concern, drugs and metal ions. A chemical sensor can be defined as a device that transforms chemical information, ranging from the concentration of a specific sample component to total composition analysis, into an analytically useful signal. The chemical information may be generated from a chemical reaction of the analyte or from a physical property of the system investigated. Two main steps involved in the functioning of a chemical sensor are recognition and transduction. Chemical sensors employ specific transduction techniques to yield analyte information. The most widely used techniques employed in chemical sensors are optical absorption, luminescence, redox potential etc. According to the operating principle of the transducer, chemical sensors may be classified as electrochemical sensors, optical sensors, mass sensitive sensors, heat sensitive sensors etc. Electrochemical sensors are devices that transform the effect of the electrochemical interaction between analyte and electrode into a useful signal. They are very widespread as they use simple instrumentation, very good sensitivity with wide linear concentration ranges, rapid analysis time and simultaneous determination of several analytes. These include voltammetric, potentiometric and amperometric sensors. Fluorescence sensing of chemical and biochemical analytes is an active area of research. Any phenomenon that results in a change of fluorescence intensity, anisotropy or lifetime can be used for sensing. The fluorophores are mixed with the analyte solution and excited at its corresponding wavelength. The change in fluorescence intensity (enhancement or quenching) is directly related to the concentration of the analyte. Fluorescence quenching refers to any process that decreases the fluorescence intensity of a sample. A variety of molecular rearrangements, energy transfer, ground-state complex formation and collisional quenching. Generally, fluorescence quenching can occur by two different mechanisms, dynamic quenching and static quenching. The thesis presents the development of voltammetric and fluorescent sensors for the analysis of pharmaceuticals, food additives metal ions. The developed sensors were successfully applied for the determination of analytes in real samples. Chemical sensors have multidisciplinary applications. The development and application of voltammetric and optical sensors continue to be an exciting and expanding area of research in analytical chemistry. The synthesis of biocompatible fluorophores and their use in clinical analysis, and the development of disposable sensors for clinical analysis is still a challenging task. The ability to make sensitive and selective measurements and the requirement of less expensive equipment make electrochemical and fluorescence based sensors attractive.

Design and Development of Fiber Grating Based Chemical and Bio-Sensors

International School of Photonics

Investigations on TiO2 Based Nanocomposites as Potential Photonic Materials

This Study overviews the basics of TiO2with respect to its structure, properties and applications. A brief account of its structural, electronic and optical properties is provided. Various emerging technological applications utilising TiO2 is also discussed.Till now, exceptionally large number of fundamental studies and application-oriented research and developments has been carried out by many researchers worldwide in TiO2 with its low-dimensional nanomaterial form due to its various novel properties. These nanostructured materials have shown many favourable properties for potential applications, including pollutant photocatalytic decomposition, photovoltaic cells, sensors and so on. This thesis aims to make an in-depth investigation on different linear and nonlinear optical and structural characteristics of different phases of TiO2. Correspondingly, extensive challenges to synthesise different high quality TiO2 nanostructure derivatives such as nanotubes, nanospheres, nanoflowers etc. are continuing. Here, different nanostructures of anatase TiO2 were synthesised and analysed. Morphologically different nanostructures were found to have different impact on their physical and electronic properties such as varied surface area, dissimilar quantum confinement and hence diverged suitability for different applications. In view of the advantages of TiO2, it can act as an excellent matrix for nanoparticle composite films. These composite films may lead to several advantageous functional optical characteristics. Detailed investigations of these kinds of nanocomposites were also performed, only to find that these nanocomposites showed higher adeptness than their parent material. Fine tuning of these parameters helps researchers to achieve high proficiency in their respective applications. These innumerable opportunities aims to encompass the new progress in studies related to TiO2 for an efficient utilization in photo-catalytic or photo-voltaic applications under visible light, accentuate the future trends of TiO2-research in the environment as well as energy related fields serving promising applications benefitting the mankind. The last section of the thesis discusses the applicability of analysed nanomaterials for dye sensitised solar cells followed by future suggestions.

Sono, Photo and Sonophoto Catalytic Removal of Chemical and Bacterial Pollutants from Wastewater

The term ‘water pollution’ broadly refers to the contamination of water and water bodies (e.g. lakes, rivers, oceans, groundwater etc). Water pollution occurs when pollutants are discharged directly or indirectly into water bodies without adequate treatment to remove the harmful contaminants. This affects not only the plants and organisms living in these bodies of water but also the entire natural biological communities and the biodiversity.Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been tested as environment-friendly techniques for the treatment of contaminated water, in view of their ability to convert pollutants into harmless end products. These techniques refer to a set of treatment procedures designed to remove organic or inorganic contaminants in wastewater by oxidation. The contaminants are oxidized by different reagents such as air, oxygen, ozone, and hydrogen peroxide which are introduced in precise, preprogrammed dosages, sequences and combinations under appropriate conditions. The procedure when combined with light in presence of catalyst is known as photocatalysis. When ultrasound (US) is used as the energy source, the process is referred as sonication. Sonication in presence of catalyst is referred as sonocatalysis. Of late, combination of light and sound as energy sources has been tested for the decontamination of wastewater in the presence of suitable catalyst. In this case, the process is referred as sonophotocatalysis. These AOPs are specially advantageous in pollution control and waste water treatment because unlike many other technologies, they do not just transfer the pollutant from one phase to another but completely degrade them into innocuous substances such as CO2 and H2O.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Chemical gas sensors based on functionalized self-actuated piezo-resistive cantilevers

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Anwendung funktionalisierter Mikrocantilever mit integrierter bimorpher Aktuation und piezo-resistiver Detektion als chemische Gassensoren für den schnellen, tragbaren und preisgünstigen Nachweis verschiedener flüchtiger Substanzen. Besondere Beachtung erfährt die Verbesserung der Cantilever-Arbeitsleistung durch den Betrieb in speziellen Modi. Weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von spezifischen Sorptionswechselwirkungen und Anwendung von innovativen Funktionsschichten, die bedeutend auf die Sensorselektivität wirken.

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Characterisation of low temperature and semi-insulating GaAs lateral photo-Dember THz Emitters

Poster for IRMMW-THz conference in Mainz, Germany 2013