In situ selective determination of methylmercury in river water by diffusive gradient in thin films technique (DGT) using baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae) immobilized in agarose gel as binding phase

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Charakterisierung von optischen Partikelspektrometern und in-situ Messungen zur Mikrophysik der polaren Stratosphärenwolken

Polare Stratosphärenwolken (PSC), die unterhalb einer Temperatur von etwa -78 °C in polaren Regionen auftreten, üben einen starken Einfluss auf die stratosphärische Ozonschicht aus. Dieser Einfluss erfolgt größtenteils über heterogene chemische Reaktionen, die auf den Oberflächen von Wolkenpartikeln stattfinden. Chemische Reaktionen die dabei ablaufen sind eine Voraussetzung für den späteren Ozonabbau. Des Weiteren verändert die Sedimentation der Wolkenpartikel die chemische Zusammensetzung bzw. die vertikale Verteilung der Spurengase in der Stratosphäre. Für die Ozonchemie spielt dabei die Beseitigung von reaktivem Stickstoff durch Sedimentation Salpetersäure-haltiger Wolkenpartikeln (Denitrifizierung) eine wichtige Rolle. Durch gleichen Sedimentationsprozess von PSC Elementen wird der Stratosphäre des weiteren Wasserdampf entzogen (Dehydrierung). Beide Prozesse begünstigen einen länger andauernden stratosphärischen Ozonabbau im polaren Frühling.rnGerade im Hinblick auf die Denitrifikation durch Sedimentation größerer PSC-Partikel werden in dieser Arbeit neue Resultate von in-situ Messungen vorgestellt, die im Rahmen der RECONCILE-Kampagne im Winter des Jahres 2010 an Bord des Höhenforschungs-Flugzeugs M-55 Geophysica durchgeführt wurden. Dabei wurden in fünf Flügen Partikelgrößenverteilungen in einem Größenbereich zwischen 0,5 und 35 µm mittels auf der Lichtstreuung basierender Wolkenpartikel-Spektrometer gemessen. Da polare Stratosphärenwolken in Höhen zwischen 17 und 30 km auftreten, sind in-situ Messungen vergleichsweise selten, so dass noch einige offene Fragen bestehen bleiben. Gerade Partikel mit optischen Durchmessern von bis zu 35µm, die während der neuen Messungen detektiert wurden, müssen mit theoretischen Einschränkungen in Einklang gebracht werden. Die Größe der Partikel wird dabei durch die Verfügbarkeit der beteiligten Spurenstoffe (Wasserdampf und Salpetersäure), die Sedimentationsgeschwindigkeit, Zeit zum Anwachsen und von der Umgebungstemperatur begrenzt. Diese Faktoren werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Aus dem gemessenen Partikelvolumen wird beispielsweise unter der Annahme der NAT-Zusammensetzung (Nitric Acid Trihydrate) die äquivalente Konzentration des HNO 3 der Gasphase berechnet. Im Ergebnis wird die verfügbare Konzentration von Salpetersäure der Stratosphäre überschritten. Anschließend werden Hypothesen diskutiert, wodurch das gemessene Partikelvolumen überschätzt worden sein könnte, was z.B. im Fall einer starken Asphärizität der Partikel möglich wäre. Weiterhin wurde eine Partikelmode unterhalb von 2-3µm im Durchmesser aufgrund des Temperaturverhaltens als STS (Supercooled Ternary Solution droplets) identifiziert.rnUm die Konzentration der Wolkenpartikel anhand der Messung möglichst genau berechnen zu können, muss das Messvolumen bzw. die effektive Messfläche der Instrumente bekannt sein. Zum Vermessen dieser Messfläche wurde ein Tröpfchengenerator aufgebaut und zum Kalibrieren von drei Instrumenten benutzt. Die Kalibration mittels des Tröpfchengenerators konzentrierte sich auf die Cloud Combination Probe (CCP). Neben der Messfläche und der Größenbestimmung der Partikel werden in der Arbeit unter Zuhilfenahme von Messungen in troposphärischen Wolken und an einer Wolkensimulationskammer auch weitere Fehlerquellen der Messung untersucht. Dazu wurde unter anderem die statistische Betrachtung von Intervallzeiten einzelner Messereignisse, die in neueren Sonden aufgezeichnet werden, herangezogen. Letzteres ermöglicht es, Messartefakte wie Rauschen, Koinzidenzfehler oder „Shattering“ zu identifizieren.rn

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

In situ control of As dimer orientation on Ge(100) surfaces

We investigated the preparation of single domain Ge(100):As surfaces in a metal-organic vapor phase epitaxy reactor. In situ reflection anisotropy spectra (RAS) of vicinal substrates change when arsenic is supplied either by tertiarybutylarsine or by background As4 during annealing. Low energy electron diffraction shows mutually perpendicular orientations of dimers, scanning tunneling microscopy reveals distinct differences in the step structure, and x-ray photoelectron spectroscopy confirms differences in the As coverage of the Ge(100): As samples. Their RAS signals consist of contributions related to As dimer orientation and to step structure, enabling precise in situ control over preparation of single domain Ge(100): As surfaces.

In situ control of Si(100) and Ge(100) surface preparation for the heteroepitaxy of III-V solar cell architectures

Si(100) and Ge(100) substrates essential for subsequent III-V integration were studied in the hydrogen ambient of a metalorganic vapor phase epitaxy reactor. Reflectance anisotropy spectroscopy (RAS) enabled us to distinguish characteristic configurations of vicinal Si(100) in situ: covered with oxide, cleaned by thermal removing in H2, and terminated with monohydrides when cooling in H2 ambient. RAS measurements during cooling in H2 ambient after the oxide removal process revealed a transition from the clean to the monohydride terminated Si(100) surface dependent on process temperature. For vicinal Ge(100) we observed a characteristic RA spectrum after annealing and cooling in H2 ambient. According to results from X-ray photo electron spectroscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy the spectrum corresponds to the monohydride terminated Ge(100) surface.

Optical in situ monitoring of hydrogen desorption from Ge(100) surfaces

Molecular hydrogen strongly interacts with vicinal Ge(100) surfaces during preparation in a metal organic vapor phase epitaxy reactor. According to X-ray photoemission spectroscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy results, we identify two characteristic reflection anisotropy (RA) spectra for H-free and monohydride-terminated vicinal Ge(100) surfaces. RAS allows in situ monitoring of the surface termination and enables spectroscopic hydrogen kinetic desorption studies on the Ge(100) surface. Comparison of evaluated values for the activation energy and the pre-exponential factor of H desorption evaluated at different photon energies reflects that H unevenly affects the shape of the RA spectrum.

In situ control of the GE(100)surface domain structure for III-V multijunction solar cells

Vicinal Ge(100) is the common substrate for state of the art multi-junction solar cells grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). While triple junction solar cells based on Ge(100) present efficiencies mayor que 40%, little is known about the microscopic III-V/Ge(100) nucleation and its interface formation. A suitable Ge(100) surface preparation prior to heteroepitaxy is crucial to achieve low defect densities in the III-V epilayers. Formation of single domain surfaces with double layer steps is required to avoid anti-phase domains in the III-V films. The step formation processes in MOVPE environment strongly depends on the major process parameters such as substrate temperature, H2 partial pressure, group V precursors [1], and reactor conditions. Detailed investigation of these processes on the Ge(100) surface by ultrahigh vacuum (UHV) based standard surface science tools are complicated due to the presence of H2 process gas. However, in situ surface characterization by reflection anisotropy spectroscopy (RAS) allowed us to study the MOVPE preparation of Ge(100) surfaces directly in dependence on the relevant process parameters [2, 3, 4]. A contamination free MOVPE to UHV transfer system [5] enabled correlation of the RA spectra to results from UHV-based surface science tools. In this paper, we established the characteristic RA spectra of vicinal Ge(100) surfaces terminated with monohydrides, arsenic and phosphorous. RAS enabled in situ control of oxide removal, H2 interaction and domain formation during MOVPE preparation.

Estudo do processo de combustão in-situ em reservatórios maduros de óleos médios e leves (high pressure air injection)

Nearly 3 x 1011 m3 of medium and light oils will remain in reservoirs worldwide after conventional recovery methods have been exhausted and much of this volume would be recovered by Enhanced Oil Recovery (EOR) methods. The in-situ combustion (ISC) is an EOR method in which an oxygen-containing gas is injected into a reservoir where it reacts with the crude oil to create a high-temperature combustion front that is propagated through the reservoir. The High Pressure Air Injection (HPAI) method is a particular denomination of the air injection process applied in light oil reservoirs, for which the combustion reactions are dominant between 150 and 300°C and the generation of flue gas is the main factor to the oil displacement. A simulation model of a homogeneous reservoir was built to study, which was initially undergone to primary production, for 3 years, next by a waterflooding process for 21 more years. At this point, with the mature condition established into the reservoir, three variations of this model were selected, according to the recovery factors (RF) reached, for study the in-situ combustion (HPAI) technique. Next to this, a sensitivity analysis on the RF of characteristic operational parameters of the method was carried out: air injection rate per well, oxygen concentration into the injected gas, patterns of air injection and wells perforations configuration. This analysis, for 10 more years of production time, was performed with assistance of the central composite design. The reservoir behavior and the impacts of chemical reactions parameters and of reservoir particularities on the RF were also evaluated. An economic analysis and a study to maximize the RF of the process were also carried out. The simulation runs were performed in the simulator of thermal processes in reservoirs STARS (Steam, Thermal, and Advanced Processes Reservoir Simulator) from CMG (Computer Modelling Group). The results showed the incremental RF were small and the net present value (NPV) is affected by high initial investments to compress the air. It was noticed that the adoption of high oxygen concentration into the injected gas and of the five spot pattern tends to improve the RF, and the wells perforations configuration has more influence with the increase of the oil thickness. Simulated cases relating to the reservoir particularities showed that smaller residual oil saturations to gas lead to greater RF and the presence of heterogeneities results in important variations on the RF and on the production curves

In Situ Observation of the Thermal Decomposition of Weddelite by Heating Stage Environmental Scanning Electron Microscopy

The morphological and chemical changes occurring during the thermal decomposition of weddelite, CaC2O4·2H2O, have been followed in real time in a heating stage attached to an Environmental Scanning Electron Microscope operating at a pressure of 2 Torr, with a heating rate of 10 °C/min and an equilibration time of approximately 10 min. The dehydration step around 120 °C and the loss of CO around 425 °C do not involve changes in morphology, but changes in the composition were observed. The final reaction of CaCO3 to CaO while evolving CO2 around 600 °C involved the formation of chains of very small oxide particles pseudomorphic to the original oxalate crystals. The change in chemical composition could only be observed after cooling the sample to 350 °C because of the effects of thermal radiation.

Ceramic membranes for separation of proteins and DNA by in situ growth of alumina nanofibres with a nanomesh of metal oxide nanofibres

Ceramic membranes were fabricated by in situ synthesis of alumina nanofibres in the pores of an alumina support as a separation layer, and exhibited a high permeation selectivity for bovine serum albumin relative to bovine hemoglobin (over 60 times) and can effectively retain DNA molecules at high fluxes.

Synthesis of 4-arm star poly(L-Lactide) oligomers using an in situ-generated calcium-based initiator

Using an in situ-generated calcium-based initiating species derived from pentaerythritol, the bulk synthesis of well-defined 4-arm star poly(L-lactide) oligomers has been studied in detail. The substitution of the traditional initiator, stannous octoate with calcium hydride allowed the synthesis of oligomers that had both low PDIs and a comparable number of polymeric arms (3.7 – 3.9) to oligomers of similar molecular weight. Investigations into the degree of control observed during the course of the polymerization found that the insolubility of pentaerythritol in molten L-lactide resulted in an uncontrolled polymerization only when the feed mole ratio of L-lactide to pentaerythritol was 13. At feed ratios of 40 and greater, a pseudo-living polymerization was observed. As part of this study, in situ FT-Raman spectroscopy was demonstrated to be a suitable method to monitor the kinetics of the ring-opening polymerization (ROP) of lactide. The advantages of using this technique rather than FT-IR-ATR and 1H NMR for monitoring L-lactide consumption during polymerization are discussed.

Influence of spherical intraocular lens implantation and conventional laser in situ keratomileusis on peripheral ocular aberrations

Aim: To measure the influence of spherical intraocular lens implantation and conventional myopic laser in situ keratomileusis on peripheral ocular aberrations. Setting: Visual & Ophthalmic Optics Laboratory, School of Optometry & Institute of Health and Biomedical Innovation, Queensland University of Technology, Brisbane, Australia. Methods: Peripheral aberrations were measured using a modified commercial Hartmann-Shack aberrometer across 42° x 32° of the central visual field in 6 subjects after spherical intraocular lens (IOL) implantation and in 6 subjects after conventional laser in situ keratomileusis (LASIK) for myopia. The results were compared with those of age matched emmetropic and myopic control groups. Results: The IOL group showed a greater rate of quadratic change of spherical equivalent refraction across the visual field, higher spherical aberration, and greater rates of change of higher-order root-mean-square aberrations and total root-mean-square aberrations across the visual field than its emmetropic control group. However, coma trends were similar for the two groups. The LASIK group had a greater rate of quadratic change of spherical equivalent refraction across the visual field, higher spherical aberration, the opposite trend in coma across the field, and greater higher-order root-mean-square aberrations and total root-mean-square aberrations than its myopic control group. Conclusion: Spherical IOL implantation and conventional myopia LASIK increase ocular peripheral aberrations. They cause considerable increase in spherical aberration across the visual field. LASIK reverses the sign of the rate of change in coma across the field relative to that of the other groups. Keywords: refractive surgery, LASIK, IOL implantation, aberrations, peripheral aberrations