Retrieval of trace gases vertical profile in the lower atmosphere combining. Differential Optical Absorption Spectroscopy with radiative transfer models

The motivation for the work presented in this thesis is to retrieve profile information for the atmospheric trace constituents nitrogen dioxide (NO2) and ozone (O3) in the lower troposphere from remote sensing measurements. The remote sensing technique used, referred to as Multiple AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS), is a recent technique that represents a significant advance on the well-established DOAS, especially for what it concerns the study of tropospheric trace consituents. NO2 is an important trace gas in the lower troposphere due to the fact that it is involved in the production of tropospheric ozone; ozone and nitrogen dioxide are key factors in determining the quality of air with consequences, for example, on human health and the growth of vegetation. To understand the NO2 and ozone chemistry in more detail not only the concentrations at ground but also the acquisition of the vertical distribution is necessary. In fact, the budget of nitrogen oxides and ozone in the atmosphere is determined both by local emissions and non-local chemical and dynamical processes (i.e. diffusion and transport at various scales) that greatly impact on their vertical and temporal distribution: thus a tool to resolve the vertical profile information is really important. Useful measurement techniques for atmospheric trace species should fulfill at least two main requirements. First, they must be sufficiently sensitive to detect the species under consideration at their ambient concentration levels. Second, they must be specific, which means that the results of the measurement of a particular species must be neither positively nor negatively influenced by any other trace species simultaneously present in the probed volume of air. Air monitoring by spectroscopic techniques has proven to be a very useful tool to fulfill these desirable requirements as well as a number of other important properties. During the last decades, many such instruments have been developed which are based on the absorption properties of the constituents in various regions of the electromagnetic spectrum, ranging from the far infrared to the ultraviolet. Among them, Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) has played an important role. DOAS is an established remote sensing technique for atmospheric trace gases probing, which identifies and quantifies the trace gases in the atmosphere taking advantage of their molecular absorption structures in the near UV and visible wavelengths of the electromagnetic spectrum (from 0.25 μm to 0.75 μm). Passive DOAS, in particular, can detect the presence of a trace gas in terms of its integrated concentration over the atmospheric path from the sun to the receiver (the so called slant column density). The receiver can be located at ground, as well as on board an aircraft or a satellite platform. Passive DOAS has, therefore, a flexible measurement configuration that allows multiple applications. The ability to properly interpret passive DOAS measurements of atmospheric constituents depends crucially on how well the optical path of light collected by the system is understood. This is because the final product of DOAS is the concentration of a particular species integrated along the path that radiation covers in the atmosphere. This path is not known a priori and can only be evaluated by Radiative Transfer Models (RTMs). These models are used to calculate the so called vertical column density of a given trace gas, which is obtained by dividing the measured slant column density to the so called air mass factor, which is used to quantify the enhancement of the light path length within the absorber layers. In the case of the standard DOAS set-up, in which radiation is collected along the vertical direction (zenith-sky DOAS), calculations of the air mass factor have been made using “simple” single scattering radiative transfer models. This configuration has its highest sensitivity in the stratosphere, in particular during twilight. This is the result of the large enhancement in stratospheric light path at dawn and dusk combined with a relatively short tropospheric path. In order to increase the sensitivity of the instrument towards tropospheric signals, measurements with the telescope pointing the horizon (offaxis DOAS) have to be performed. In this circumstances, the light path in the lower layers can become very long and necessitate the use of radiative transfer models including multiple scattering, the full treatment of atmospheric sphericity and refraction. In this thesis, a recent development in the well-established DOAS technique is described, referred to as Multiple AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS). The MAX-DOAS consists in the simultaneous use of several off-axis directions near the horizon: using this configuration, not only the sensitivity to tropospheric trace gases is greatly improved, but vertical profile information can also be retrieved by combining the simultaneous off-axis measurements with sophisticated RTM calculations and inversion techniques. In particular there is a need for a RTM which is capable of dealing with all the processes intervening along the light path, supporting all DOAS geometries used, and treating multiple scattering events with varying phase functions involved. To achieve these multiple goals a statistical approach based on the Monte Carlo technique should be used. A Monte Carlo RTM generates an ensemble of random photon paths between the light source and the detector, and uses these paths to reconstruct a remote sensing measurement. Within the present study, the Monte Carlo radiative transfer model PROMSAR (PROcessing of Multi-Scattered Atmospheric Radiation) has been developed and used to correctly interpret the slant column densities obtained from MAX-DOAS measurements. In order to derive the vertical concentration profile of a trace gas from its slant column measurement, the AMF is only one part in the quantitative retrieval process. One indispensable requirement is a robust approach to invert the measurements and obtain the unknown concentrations, the air mass factors being known. For this purpose, in the present thesis, we have used the Chahine relaxation method. Ground-based Multiple AXis DOAS, combined with appropriate radiative transfer models and inversion techniques, is a promising tool for atmospheric studies in the lower troposphere and boundary layer, including the retrieval of profile information with a good degree of vertical resolution. This thesis has presented an application of this powerful comprehensive tool for the study of a preserved natural Mediterranean area (the Castel Porziano Estate, located 20 km South-West of Rome) where pollution is transported from remote sources. Application of this tool in densely populated or industrial areas is beginning to look particularly fruitful and represents an important subject for future studies.

Mass transport in polymers

The study of mass transport in polymeric membranes has grown in importance due to its potential application in many processes such as separation of gases and vapors, packaging, controlled drug release. The diffusion of a low molecular weight species in a polymer is often accompanied by other phenomena like swelling, reactions, stresses, that have not been investigated in all their aspects yet. Furthermore, novel materials have been developed that include inorganic fillers, reactive functional groups or ions, that make the scenery even more complicated. The present work focused on the experimental study of systems where the diffusion is accompanied by other processes; suitable models were also developed to describe the particular circumstances in order to understand the underlying concepts and be able to design the performances of the material. The effect of solvent-induced deformation in polymeric films during sorption processes was studied since the dilation, especially in constrained membranes, can cause the development of stresses and therefore early failures of the material. The bending beam technique was used to test the effects of the dilation and the stress induced in the polymer by penetrant diffusion. A model based on the laminate theory was developed that accounts for the swelling and is able to predict the stress that raise in the material. The addition of inorganic fillers affects the transport properties of polymeric films. Mixed matrix membranes based on fluorinated, high free volume matrices show attractive performances for separation purposes but there is a need for deeper investigation of the selectivity properties towards gases and vapors. A new procedure based on the NELF model was tested on the experimental data; it allows to predict solubility of every penetrant on the basis of data for one vapor. The method has proved to be useful also for the determination of the diffusion coefficient and for an estimation of the permeability in the composite materials. Oxygen scavenging systems can overcome lack of barrier properties in common polymers that forbids their application in sensitive applications as food packaging. The final goal of obtaining a membrane almost impermeable to oxygen leads to experimental times out of reach. Hence, a simple model was developed in order to describe the transport of oxygen in a membrane with also reactive groups and analyze the experimental data collected on SBS copolymers that show attractive scavenging capacity. Furthermore, a model for predicting the oxygen barrier behavior of a film formed as a blend of OSP in a common packaging material was built, considering particles capable of reactions with oxygen embedded in a non-reactive matrix. Perfluorosulphonic acid ionomers (PFSI) are capturing attention due to a high thermal and chemical resistance coupled with very peculiar transport properties, that make them appropriate to be used in fuel cells. The possible effect of different formation procedure was studied together with the swelling due to water sorption since both water uptake and dilation can dramatically affect the fuel cells performances. The water diffusion and sorption was studied with a FTIR-ATR spectrometer that can give deeper information on the bonds between water molecules and the sulphonic hydrophilic groups and, therefore, on the microstructure of the hydrated ionomer.

Filiera corta: percorsi di innovazione tecnici, organizzativi e sociali nella gestione strategica delle nicchie. Esperienze in Toscana e in Provenza

There is a widening consensus around the fact that, in many developed countries, food production-consumption patterns are in recent years interested by a process of deep change towards diversification and re-localisation practices, as a counter-tendency to the trend to the increasing disconnection between farming and food, producers and consumers. The relevance of these initiatives doesn't certainly lie on their economic dimension, but rather in their intense diffusion and growth rate, their spontaneous and autonomous nature and, especially, their intrinsic innovative potential. These dynamics involve a wide range of actors around local food patterns, embedding short food supply chains initiatives within a more complex and wider process of rural development, based on principles of sustainability, multifunctionality and valorisation of endogenous resources. In this work we have been analysing these features through a multi-level perspective, with reference to the dynamics between niche and regime and the inherent characteristics of the innovation paths. We apply this approach, through a qualitative methodology, to the analysis of the experience of farmers’ markets and Solidarity-Based Consumers Groups (Gruppi di Acquisto Solidale) ongoing in Tuscany, seeking to highlight the dynamics that are affecting the establishment of this alternative food production-consumption model (and its related innovative potential) from within and from without. To verify if and in which conditions they can constitute a niche, a protected space where radical innovations can develop, we make reference to the three interrelated analytic dimensions of socio-technical systems: the actors (i.e. individuals. social groups, organisations), the rules and institutions system, and the artefacts (i.e. the material and immaterial contexts in which the actors move). Through it, we analyse the innovative potential of niches and the level of their structuration and , then, the mechanisms of system transition, focusing on the new dynamics within the niche and between the niche and the policy regime emerging after the growth of interest by mass-media and public institutions and their direct involvement in the initiatives. Following the development of these significant experiences, we explore more deeply social, economic, cultural, political and organisational factors affecting innovations in face-to-face interactions, underpinning the critical aspects (sharing of alternative values, coherence at individual choices level, frictions on organisational aspects, inclusion/exclusion, attitudes towards integration at territorial level), towards uncovering until to the emergence of tensions and the risks of opportunistic behaviours that might arise from their growth. Finally, a comparison with similar experiences abroad is drawn (specifically with Provence), in order to detect food for thought, potentially useful for leading regional initiativestowards transition path.

Herstellung und physikochemische Charakterisierung von planaren gestützten Lipid-Modellmembran-Systemen

Es wurden funktionalisierte polymerunterstützte planare Phospholipid-Modellmembran-Systeme hergestellt und auf jeder Präparationsstufe eingehend charakterisiert. Dünne Polysaccharidfilme wurden in der Form von quellbaren Gelen auf oxidische Oberflächen aufgebracht und bezüglich ihres Quellungsverhaltens und der Oberflächeneigenschaften in Abhängigkeit vom Wassergehalt untersucht. Lipidmonoschichten unterschiedlicher Zusammensetzung wurden mittels Langmuir-Blodgett-Tranfer auf Polymersubstrate übertragen und bezüglich der Stärke der Lipid/Polymer Wechselwirkung, der lateralen Selbstdiffusion in Abhängigkeit von der Wasseraktivität, dem Spreitverhalten der monomolekularen Membran auf dem Substrat in Abhängigkeit von der Wasseraktivität und dem Lateraldruck der Monoschicht, sowie des Ausmaßes der Hydratation im Kopfgruppenbereich der Lipidmembran in Abhängigkeit von der Wasseraktivität mittels Fluoreszensondenmethoden (Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP), Fluoreszenzmikroskopie und Fluoreszenzspektroskopie) untersucht. Diffusions- und Spreitverhalten von amphiphilen Monoschichten auf Polymersubstraten wurden auf der Basis von in dieser Arbeit entwickelten physikalischen Modellen diskutiert. Mittels Langmuir-Schäfer Transfer wurde auf polymerunterstützte Lipidmonoschichten eine zweite Monoschicht übertragen. Die somit erhaltenen Lipid-Doppelschichtmembranen wurden bezüglich ihrer Stabilität, der lateralen Struktur, der lateralen Selbstdiffusion, des Spreitverhaltens auf unbedeckte Bereiche sowie der Stärke der Membran/Substrat Wechselwirkung vermittels Fluoreszenzmikroskopie, FRAP und Interferenz-Kontrast-Mikroskopie (RICM) untersucht. Schließlich wurden substratgestützte Doppelschicht-Lipidmembranen mit als Protonenpumpen fungierenden integralen Membranproteinen versehen. Die laterale Selbstdiffusion der rekonstituierten Proteinmoleküle wurde mittels FRAP, die funktionale Aktivität der Protonenpumpen mit einem Ionen-sensitiven Feldeffekttransistor-Array analysiert.

Sphärische Blockcopolymer Mizellen in Homopolymerschmelze als weiche Modellkolloide

Zusammenfassung: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Dynamik in Blockcopolymer-Homopolymerblends mit sphärischen Mikrophasen untersucht.Anhand eines PI-PS-Blockcopolymers in drei verschiedenen PI-Homopolymeren wurde der Einfluss des Molekulargewichts des Homopolymers betrachtet. Die Ergebnisse aus Forcierter Rayleigh Streuung (Diffusion) und Rheologie (Relaxation) zeigen, dass sich die PS-PI-Mizellen in allen drei Homopolymeren kolloid-ähnlich verhalten. Die Analyse nach der Theorie des freien Volumens ergab, dass es sich bei den Mizellen um weiche Partikel handelt, deren Größe und Deformierbarkeit mit sinkendem Matrix-Molekulargewicht zunimmt.Der Einfluss des Blocklängenverhältnisses wurde an zwei PB-PS- Blockcopolymeren mit unterschiedlich langen PS-Blöcken (Kern) untersucht. Diese unterschieden sich jedoch in ihrem dynamischen Verhalten nicht maßgeblich. Es wurde jedoch ein deutlicher Unterschied zum PI-PS- System (s.o.) gefunden. Der zuvor gefundene Partikelcharakter wird für die PB-PS-Copolymere nicht mehr beobachtet. Dies wird auf den im Vergleich zum PI-PS-Copolymer deutlich längeren Coronablock zurückgeführt.

Wasserfreie, polymere Protonenleiter für Brennstoffzellen durch Immobilisierung von Imidazol

Es werden neuartige, polymere Protonenleiter vorgestellt die nach dem 'Konzept des polymergebunden Protonensolvens' realisiert wurden. Sie zeigen protonische Leitfähigkeit als intrinsische Eigenschaft, sodass keine zweite, flüssige Phase zur Protonenleitung nötig ist. Verwirklicht wurde das Konzept anhand von kammartigen Siloxanoligomeren und -polymeren, wobei Imidazol als Protonensolvens durch flexible Spacer kovalent an das Rückgrat gebunden ist. Durch Pfropfung mit imidazoltragenden Spacereinheiten wurden ferner Kieselgelnanopartikel oberflächenmodifiziert. Um die Auswirkungen der Immobilisierung von Imidazol auf die Leitfähigkeit zu untersuchen, wurden neben unterschiedlichen Molekulargewichten, die Verbindungen auch jeweils mit verschiedenen Spacerlängen synthetisiert. Die Materialien wurden umfassend charakterisiert und auf ihr thermisches Verhalten, Stabilität, Leitfähigkeit, Diffusion und dielektrisches Verhalten sowie auch nach Dotierung mit Säure untersucht. Thermisch stabil sind die Materialien bis ca. 200°C. Die Leitfähigkeiten betragen bis zu 1,5E-3 S/cm bei 160°C, welche aufgrund der Immobilisierung des Imidazols ausschließlich auf Strukturdiffusion zurückzuführen sind. Die Strukturdiffusion ist vergleichbar mit dem Grotthus-Mechanismus in Wasser und wird durch die lokale Mobilität der Imidazolmoleküle, d.h. durch die Glasübergangstemperatur des Systems bestimmt. Entsprechend wird das für Glasbildner typische Vogel-Tamman-Fulcher-Verhalten für alle untersuchten Transportprozesse gefunden. Die mit abnehmender Glasübergangstemperatur abnehmende mechanische Stabilität der Materialien kann, wie gezeigt ist, durch Compoundierung mit Kieselgelnanopartikeln entscheidend verbessert werden, was eine kostengünstige und aussichtsreiche Möglichkeit zur Herstellung von Membranen für Brennstoffzellen darstellt.

Ultrafeine Aerosolpartikel in der Stratosphäre

Ein neu konstruierter Kondensationskernzähler COPAS (COndensation PArticle counting System) für in-situ-Messungen der Konzentration von Aitken-Teilchen und ultrafeinen Aerosolpartikeln wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich bei Flugzeugmessungen eingesetzt. COPAS ist ein für flugzeuggestützte Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges „Geophysica“ in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre angepaßtes und voll automatisiertes System. Die Verfahrensweise, die Aerosolpartikel des Größenbereichs mit Durchmessern d < 100 nm zum Anwachsen zu bringen, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen, ist im COPAS durch das Prinzip der thermischen Diffusion realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der Aerosolkonzentration mit der untersten Nachweisgrenze für Partikeldurchmesser von d = 6 nm gewährleistet ist. Durch die Verwendung einer Aerosolheizung ist die Unterscheidung von volatilem und nichtvolatilem Anteil des Aerosols mit COPAS möglich. In umfassenden Laborversuchen wurde das COPAS-System hinsichtlich der unteren Nachweisgrenze in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und bei verschiedenen Druckbedingungen charakterisiert sowie die Effizienz der Aerosolheizung bestimmt. Flugzeuggestützte Messungen fanden in mittleren und polaren Breiten im Rahmen des EUPLEX-/ENVISAT-Validierungs–Projektes und in den Tropen während der TROCCINOX/ENVISAT-Kampagne statt. Die Messungen der vertikalen Konzentrationsverteilung des Aerosols ergaben in polaren Breiten eine Zunahme der Konzentration oberhalb von 17 km innerhalb des polaren Vortex mit hohem Anteil nichtvolatiler Partikel von bis zu 70 %. Als Ursache hierfür wird der Eintrag von meteoritischen Rauchpartikeln aus der Mesosphäre in die obere und mittlere Stratosphäre des Vortex angesehen. Ferner konnte in der unteren Stratosphäre des polaren Vortex der Einfluß troposphärischer Luft aus niedrigen Breiten festgestellt werden, die sich in einer hohen Variabilität der Aerosolpartikelkonzentration manifestiert. In tropischen Breiten wurde die Tropopausenregion untersucht. Dabei wurden Konzentrationen von bis zu 104 ultrafeiner Aerosolpartikel mit 6 nm < d < 14 nm pro cm-3 Luft gemessen, deren hoher volatiler Anteil einen sicheren Hinweis darauf gibt, daß die Partikel durch den Prozeß der homogenen Nukleation gebildet wurden. Damit konnte erstmals die Schlußfolgerungen von Brock et al. (1995) durch direkte Messungen der ultrafeinen Partikelkonzentration weitergehend belegt werden, daß in der tropischen Tropopausenregion die Neubildung von Aerosolpartikeln durch homogene Nukleation stattfindet. Die vertikalen Verteilungen der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration mittlerer Breiten verdeutlichen die Ausbildung einer über 6 Jahre hinweg nahezu konstanten Hintergrundkonzentration des stratosphärischen Aerosols unter vulkanisch unbeeinflußten Bedingungen. Ferner gibt die vergleichende Untersuchung der stratosphärischen Aerosolpartikelkonzentration aus polaren, mittleren und tropischen Breiten Aufschluß über den Transport und die Prozessierung des stratosphärischen Aerosols und insbesondere über den Austausch von Luftmassen zwischen der Stratosphäre und der Troposphäre.

Methodische und technische Weiterentwicklung der 3-He-MRT im Hinblick auf erweiterte lungendiagnostische Anwendungsmöglichkeiten

Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeiten und Limitierungen der MR-Lungenbildgebung mit hyperpolarisiertem 3-He bei gegenüber üblichen Magnetfeldstärken reduzierten magnetischen Führungsfeldern. Dabei werden insbesondere auch die funktionellen Bildgebungstechniken (dynamische Bildgebung, diffusionsgewichtete Bildgebung und Bestimmung des Sauerstoff-Partialdrucks) berücksichtigt. Experimentell geschieht dies durch in vivo Messungen an einem 0.1 T-Ganzkörpertomographen. Zur systematischen Untersuchung der MR-Bildgebung unter dem Einfluss diffundierender Kontrastmittel werden analytische Simulationen, Monte-Carlo-Studien und Referenzexperimente durchgeführt. Hier wird das Augenmerk besonders auf den Einfluss von Diffusions- und Suszeptibilitätsartefakten auf die morphologische und die diffusionsgewichtete Bildgebung gerichtet. Die Entwicklung und der Vergleich verschiedener Konzepte zur Erzeugung von MR-Führungsmagnetfeldern führt zur Erfindung eines neuartigen Prinzips zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern. Die Umsetzung dieses Prinzips erfolgt in Form eines besonders kompakten Transportbehälters für kernspinpolarisierte Edelgase. Die Arbeit beinhaltet eine ausführliche Diskussion der MR-Bildgebungstechnik in Theorie und Praxis, um die Anknüpfungspunkte an die angestellten Untersuchungen herauszuarbeiten. Teile dieser Studien wurden von der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA finanziert (Contract No.15308/01/NL/PA).

3D nanostructured microcarriers for cell therapy in regenerative medicine

Supercritical Emulsion Extraction technology (SEE-C) was proposed for the production of poly-lactic-co-glycolic acid microcarriers. SEE-C operating parameters as pressure, temperature and flow rate ratios were analyzed and the process performance was optimized in terms of size distribution and encapsulation efficiency. Microdevices loaded with bovine serum insulin were produced with different sizes (2 and 3 µm) or insulin charges (3 and 6 mg/g) and with an encapsulation efficiency of 60%. The microcarriers were characterized in terms of insulin release profile in two different media (PBS and DMEM) and the diffusion and degradation constants were also estimated by using a mathematical model. PLGA microdevices were also used in a cultivation of embryonic ventricular myoblasts (cell line H9c2 obtained from rat) in a FBS serum free medium to monitor cell viability and growth in dependence of insulin released. Good cell viability and growth were observed on 3 µm microdevices loaded with 3 mg/g of insulin. PLGA microspheres loaded with growth factors (GFs) were charged into alginate scaffold with human Mesenchimal Steam Cells (hMSC) for bone tissue engineering with the aim of monitoring the effect of the local release of these signals on cells differentiation. These “living” 3D scaffolds were incubated in a direct perfusion tubular bioreactor to enhance nutrient transport and exposing the cells to a given shear stress. Different GFs such as, h-VEGF, h-BMP2 and a mix of two (ratio 1:1) were loaded and alginate beads were recovered from dynamic (tubular perfusion system bioreactor) and static culture at different time points (1st, 7th, 21st days) for the analytical assays such as, live/dead; alkaline phosphatase; osteocalcin; osteopontin and Van Kossa Immunoassay. The immunoassay confirmed always a better cells differentiation in the bioreactor with respect to the static culture and revealed a great influence of the BMP-2 released in the scaffold on cell differentiation.

Ionenleitfähigkeit in polymeren Matrizes – Synthese, Charakterisierung und Untersuchung dynamischer Prozesse von neuen Lithium- und Protonenleitern

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese, physikochemischen und polymerspezifischen Charakterisierung und insbesondere der impedanzspektroskopischen Untersuchung von sowohl neuartigen, solvensfreien lithiumionen- als auch protonenleitfähigen Polymermaterialien für potentielle Anwendungen in sekundären Lithiumionenbatterien bzw. in Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl.: proton exchange membrane fuel cell, auch: polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC). Beiden Typen von ionenleitfähigen Membranen liegt das gängige Prinzip der chemischen Anbindung einer für den Ionentransport verantwortlichen Seitengruppe an eine geeignete Polymerhauptkette zugrunde („Entkopplung“; auch Immobilisierung), welcher hinsichtlich Glasübergangstemperatur (Tg), elektrochemischer und thermischer Stabilität (Td) eine dynamisch entkoppelte, aber nicht minder bedeutsame Rolle zukommt. Die Transportaktivierung erfolgt in beiden Fällen thermisch. Im Falle der Protonenleiter liegt die zusätzliche Intention darin, eine Alternative aufzuzeigen, in der die Polymerhauptkette gekoppelt direkt am Protonentransportmechanismus beteiligt ist, d.h., dass der translatorisch diffusive Ionentransport entlang der Hauptkette stattfindet und nicht zwischen benachbarten Seitenketten. Ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt sowohl bei den lithiumionen- als auch den protonenleitfähigen Polymermembranen auf temperaturabhängigen dynamischen Prozessen der jeweiligen Ionenspezies in der polymeren Matrix, was die Ionenleitfähigkeit selbst, Relaxationsphänomene, die translatorische Ionendiffusion und im Falle der Protonenleiter etwaige mesomere Grenzstrukturübergänge umfasst. Lithiumionenleiter: Poly(meth)acrylate mit (2-Oxo-1,3-dioxolan)resten (Cyclocarbonat-) in der Seitenkette unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2-oxo-[1,3]dioxolan-4-yl)methylacrylat (PDOA): Lithium-bis-trifluormethansulfonimid (LiTFSI) (10:3) ca. 10^-3,5 S cm^-1 bei 150 °C. Weichmachen (Dotieren) mit äquimolaren Mengen an Propylencarbonat (PC) bewirkt in allen Fällen einen enormen Anstieg der Leitfähigkeit. Die höchsten Leitfähigkeiten von Mischungen dieser Polymere mit LiTFSI (und LiBOB) werden nicht beim System mit der niedrigsten Tg gefunden. Auch dient Tg nicht als Referenztemperatur (Tref) nach Williams-Landel-Ferry (WLF), so dass eine WLF-Anpassung der Leitfähigkeitsdaten nur über einen modifizierten WLF-Algorithmus gelingt. Die ermittelten Tref liegen deutlich unterhalb von Tg bei Temperaturen, die charakteristisch für die Seitenkettenrelaxation sind („Einfrieren“). Dies legt nahe, dass der Relaxation der Seitenketten eine entscheidende Rolle im Li^+-Leitfähigkeitsmechanismus zukommt. Die Li^+-Überführungszahlen tLi^+ in diesen Systemen schwanken zwischen 0,13 (40 °C) und 0,55 (160 °C). Protonenleiter: Polymere mit Barbitursäure- bzw. Hypoxanthinresten in der Seitenkette und Polyalkylenbiguanide unterschiedlicher Spacerlänge wurden synthetisiert und charakterisiert. Die Leitfähigkeit s(,T) erreicht bei Poly(2,4,6(1H,3H,5H)-trioxopyrimidin-5-yl)methacrylat (PTPMA) maximal ca. 10^-4,4 S cm^-1 bei 140 °C. Höhere Leitfähigkeiten sind nur durch Mischen mit aprotischen Lösungsmitteln erreichbar. Die höchste Leitfähigkeit wird im Falle der Polyalkylenbiguanide bei Polyethylenbiguanid (PEB) erzielt. Sie erreicht 10^-2,4 S cm^-1 bei 190 °C. Die Aktivierungsenergien EA der Polyalkylenbiguanide liegen (jeweils unterhalb von Tg) zwischen ca. 3 – 6 kJ mol^-1. In allen beobachteten Fällen dient Tg als Tref, so dass eine konventionelle WLF-Behandlung möglich ist und davon auszugehen ist, dass die Leitfähigkeit mit dem freien Volumen Vf korreliert.

Farmacocinetica della buprenorfina, e del suo metabolita norbuprenorfina, somministrata come infusione costante nel periodo post-operatorio in cagne sane sottoposte ad ovariectomia

Il dolore non è solo una conseguenza della malattia ma un fattore patogeno che è di per se stesso in grado di perpetuare il danno all’organismo. Il suo trattamento non è quindi solo un atto di umanità ma un contributo ad arrestare la malattia e restituire la salute al paziente. Tra i farmaci più popolari per la terapia del dolore negli animali da affezione si trova la buprenorfina. Questa molecola viene impiegata con successo da anni nel cane e nel gatto per motivi riconducibili, oltre che alla sua efficacia (la sua potenza è diverse volte quella della morfina), alla lunga durata d’azione e alla scarsità degli effetti collaterali. Nonostante l’ampia diffusione e longevità del suo utilizzo, però, sappiamo poco della farmacocinetica di questa molecola negli animali da affezione; i dosaggi clinicamente impiegati sono di fatto estrapolati dagli studi nell’uomo oppure basati su semplici osservazioni degli effetti; i pochi dati farmacocinetici ottenuti nel cane fanno riferimento a singoli boli di dosi che non sempre corrispondono a quelle clinicamente impiegate. Nonostante la buprenorfina trovi il suo principale impiego nelle somministrazioni protratte a lungo (durante il periodo post-operatorio o la degenza ospedaliera) non è mai stato indagato il profilo farmacocinetico della molecola somministrata a boli ripetuti o come infusione continua. Il nostro studio si pone come obiettivo di indagare la farmacocinetica della buprenorfina somministrata come bolo di carico seguito da un’infusione costante a dosaggi considerati clinici in cani sani nel periodo post operatorio. Lo scopo ultimo è quello di sviluppare un protocollo per la somministrazione di questa molecola in modo prolungato in pazienti degenti ed addolorati per poi, in futuro, confrontare la somministrazione come infusione continua con i tradizionali boli ripetuti. Per lo studio sono state utilizzate giovani cagne adulte di taglia media o grande sottoposte ad intervento di ovariectomia.

An investigation into complex inorganic materials with Mössbauer spectroscopy

Mössbauer Spektroskopie ist ein unverzichtbares Instrument für die Bestimmung von Oxidationszuständen und für die Analyse von lokalen Ordnungsphänomenen von Mössbauer aktiven Atomen. Weil es sich um eine lokale Methode handelt können sowohl kristalline als auch amorphe Materialien untersucht werden. Die Kombination von lokaler Prüfung mit Mössbauer Spektroskopie und globaler Untersuchung z.B. mit Röntgendiffraktometrie ermöglicht die Studie von Ordnungseffekten von statistisch besetzten Positionen in einer geordneten Matrix. Das wurde hier eingesetzt um die lokale Umgebung in zwei Serien von Heuslerverbindungen, Co2-xFe1+xSi and Co2Mn1-xFexAl zu untersuchen. Für die Co2Mn1-xFexAl Serie wurde eine L21 geordnete Phase in einer insgesamt B2 geordneten Probe detektiert. Ein Wechsel von der AlCu2Mn zu der CuHg2Ti Struktur wurde für die Co2-xFe1+xSi Proben gefunden. Die Transformation von einem Glas zu einem keramischen Material wurde mit 119Sn Mössbauer Spektroskopie untersucht. Die höhere Ordnung in der Keramik wurde von einer kleiner werdenden Mössbauerlinienbreite begleitet. Demzufolge geben die Modifikationen der Sn Umgebungen klar die Transformation des gesamten Materials wieder. Ist die lokale Umgebung von unregelmäßig auftretenden Atomen in einer amorphen Matrix von Interesse, sind lokal prüfende Methoden die zuverlässigsten Methoden die zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde 119Sn Mössbauer Spektroskopie eingesetzt um die Oxidationszustände, die lokalen Umgebungen und relativen Intensitäten von Zinn Atomen in einer Silikatmatrix zu bestimmen. Modifikationen dieser Parameter als Funktion von Prozess bestimmenden Parametern wie der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die Behandlungsdauer und der Abkühlprozess genauso wie der SnO2 Gehalt sind von Interesse, weil durch Reduktions- und Diffusionsprozesse Änderungen des Koordinations- und des Oxidationszustands der Zinnatome auftreten. Da diese Änderungen in der Glasmatrix verursachen, die das fertige Produkt im industriellen Fertigungsprozess ruinieren können sind diese feinen Veränderungen sehr wichtig. Wenigstens zwei Mössbauerlinien korrespondierend mit zwei verschiedenen Umgebungen für Sn2+ und Sn4+ sind für eine Analyse mit ausreichender Qualität notwendig. Durch Vergleich von den bestimmten Hyperfein Parametern mit den Parametern von Modelsubstanzen werden lokale Umgebungen der Zinnatome entworfen. Für Sn2+ werden zwei auf einer trigonalen Pyramide basierende Umgebungen mit variierender Anzahl von bindenden und nicht-bindenden Sauerstoffatomen formuliert. Für Sn4+ wurde eine tetraedrische und eine oktaedrische Umgebung postuliert. Die relativen Intensitäten der vier Mössbauerlinien wurden um ein Diffusions- und Reaktionsmodell zu entwickeln und um einen Satz von Diffusions- und Transferkoeffizienten zu bestimmen eingesetzt. Die bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmen mit den Literaturdaten überein. Der Massentransferkoeffizient ist kleiner als der bestimmte Wert, aber immer noch in der gleichen Größenordnung. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist der präsentierte Diffusionskoeffizient für Sn4+ bestimmt als der von Sn2+. Das wiederum kann durch Berücksichtigung von Elektronhoppingprozessen erklärt werden.

Fluoride in dental erosion

Dental erosion develops through chronic exposure to extrinsic/intrinsic acids with a low pH. Enamel erosion is characterized by a centripetal dissolution leaving a small demineralized zone behind. In contrast, erosive demineralization in dentin is more complex as the acid-induced mineral dissolution leads to the exposure of collagenous organic matrix, which hampers ion diffusion and, thus, reduces further progression of the lesion. Topical fluoridation inducing the formation of a protective layer on dental hard tissue, which is composed of CaF(2) (in case of conventional fluorides like amine fluoride or sodium fluoride) or of metal-rich surface precipitates (in case of titanium tetrafluoride or tin-containing fluoride products), appears to be most effective on enamel. In dentin, the preventive effect of fluorides is highly dependent on the presence of the organic matrix. In situ studies have shown a higher protective potential of fluoride in enamel compared to dentin, probably as the organic matrix is affected by enzymatical and chemical degradation as well as by abrasive influences in the clinical situation. There is convincing evidence that fluoride, in general, can strengthen teeth against erosive acid damage, and high-concentration fluoride agents and/or frequent applications are considered potentially effective approaches in preventing dental erosion. The use of tin-containing fluoride products might provide the best approach for effective prevention of dental erosion. Further properly designed in situ or clinical studies are recommended in order to better understand the relative differences in performance of the various fluoride agents and formulations.

Assessing the Validity of Brain Glucose Concentration Measurement Using Microdialysis

Brain functions, such as learning, orchestrating locomotion, memory recall, and processing information, all require glucose as a source of energy. During these functions, the glucose concentration decreases as the glucose is being consumed by brain cells. By measuring this drop in concentration, it is possible to determine which parts of the brain are used during specific functions and consequently, how much energy the brain requires to complete the function. One way to measure in vivo brain glucose levels is with a microdialysis probe. The drawback of this analytical procedure, as with many steadystate fluid flow systems, is that the probe fluid will not reach equilibrium with the brain fluid. Therefore, brain concentration is inferred by taking samples at multiple inlet glucose concentrations and finding a point of convergence. The goal of this thesis is to create a three-dimensional, time-dependent, finite element representation of the brainprobe system in COMSOL 4.2 that describes the diffusion and convection of glucose. Once validated with experimental results, this model can then be used to test parameters that experiments cannot access. When simulations were run using published values for physical constants (i.e. diffusivities, density and viscosity), the resulting glucose model concentrations were within the error of the experimental data. This verifies that the model is an accurate representation of the physical system. In addition to accurately describing the experimental brain-probe system, the model I created is able to show the validity of zero-net-flux for a given experiment. A useful discovery is that the slope of the zero-net-flux line is dependent on perfusate flow rate and diffusion coefficients, but it is independent of brain glucose concentrations. The model was simplified with the realization that the perfusate is at thermal equilibrium with the brain throughout the active region of the probe. This allowed for the assumption that all model parameters are temperature independent. The time to steady-state for the probe is approximately one minute. However, the signal degrades in the exit tubing due to Taylor dispersion, on the order of two minutes for two meters of tubing. Given an analytical instrument requiring a five μL aliquot, the smallest brain process measurable for this system is 13 minutes.

Carbon dioxide sequestration in cement kiln dust through miner carbonation

The feasibility of carbon sequestration in cement kiln dust (CKD) was investigated in a series of batch and column experiments conducted under ambient temperature and pressure conditions. The significance of this work is the demonstration that alkaline wastes, such as CKD, are highly reactive with carbon dioxide (CO2). In the presence of water, CKD can sequester greater than 80% of its theoretical capacity for carbon without any amendments or modifications to the waste. Other mineral carbonation technologies for carbon sequestration rely on the use of mined mineral feedstocks as the source of oxides. The mining, pre-processing and reaction conditions needed to create favorable carbonation kinetics all require significant additions of energy to the system. Therefore, their actual net reduction in CO2 is uncertain. Many suitable alkaline wastes are produced at sites that also generate significant quantities of CO2. While independently, the reduction in CO2 emissions from mineral carbonation in CKD is small (~13% of process related emissions), when this technology is applied to similar wastes of other industries, the collective net reduction in emissions may be significant. The technical investigations presented in this dissertation progress from proof of feasibility through examination of the extent of sequestration in core samples taken from an aged CKD waste pile, to more fundamental batch and microscopy studies which analyze the rates and mechanisms controlling mineral carbonation reactions in a variety of fresh CKD types. Finally, the scale of the system was increased to assess the sequestration efficiency under more pilot or field-scale conditions and to clarify the importance of particle-scale processes under more dynamic (flowing gas) conditions. A comprehensive set of material characterization methods, including thermal analysis, Xray diffraction, and X-ray fluorescence, were used to confirm extents of carbonation and to better elucidate those compositional factors controlling the reactions. The results of these studies show that the rate of carbonation in CKD is controlled by the extent of carbonation. With increased degrees of conversion, particle-scale processes such as intraparticle diffusion and CaCO3 micropore precipitation patterns begin to limit the rate and possibly the extent of the reactions. Rates may also be influenced by the nature of the oxides participating in the reaction, slowing when the free or unbound oxides are consumed and reaction conditions shift towards the consumption of less reactive Ca species. While microscale processes and composition affects appear to be important at later times, the overall degrees of carbonation observed in the wastes were significant (> 80%), a majority of which occurs within the first 2 days of reaction. Under the operational conditions applied in this study, the degree of carbonation in CKD achieved in column-scale systems was comparable to those observed under ideal batch conditions. In addition, the similarity in sequestration performance among several different CKD waste types indicates that, aside from available oxide content, no compositional factors significantly hinder the ability of the waste to sequester CO2.