Physico-chemical and microstructural properties of food dispersions

The macroscopic properties of oily food dispersions, such as rheology, mechanical strength, sensory attributes (e.g. mouth feel, texture and even flavour release) and as well as engineering properties are strongly determined by their microstructure, that is considered a key parameter in the understanding of the foods behaviour . In particular the rheological properties of these matrices are largely influenced by their processing techniques, particle size distribution and composition of ingredients. During chocolate manufacturing, mixtures of sugar, cocoa and fat are heated, cooled, pressurized and refined. These steps not only affect particle size reduction, but also break agglomerates and distribute lipid and lecithin-coated particles through the continuous phase, this considerably modify the microstructure of final chocolate. The interactions between the suspended particles and the continuous phase provide information about the existing network and consequently can be associated to the properties and characteristics of the final dispersions. Moreover since the macroscopic properties of food materials, are strongly determined by their microstructure, the evaluation and study of the microstructural characteristics, can be very important for a through understanding of the food matrices characteristics and to get detailed information on their complexity. The aim of this study was investigate the influence of formulation and each process step on the microstructural properties of: chocolate type model systems, dark milk and white chocolate types, and cocoa creams. At the same time the relationships between microstructural changes and the resulting physico-chemical properties of: chocolate type dispersions model systems dark milk and white chocolate were investigated.

Prozessanalytische Technologien "PAT" zur Optimierung von Wirbelschichtgranulationsprozessen

In der Herstellung fester Darreichungsformen umfasst die Granulierung einen komplexen Teilprozess mit hoher Relevanz für die Qualität des pharmazeutischen Produktes. Die Wirbelschichtgranulierung ist ein spezielles Granulierverfahren, welches die Teilprozesse Mischen, Agglomerieren und Trocknen in einem Gerät vereint. Durch die Kombination mehrerer Prozessstufen unterliegt gerade dieses Verfahren besonderen Anforderungen an ein umfassendes Prozessverständnis. Durch die konsequente Verfolgung des PAT- Ansatzes, welcher im Jahre 2004 durch die amerikanische Zulassungsbehörde (FDA) als Guideline veröffentlicht wurde, wurde der Grundstein für eine kontinuierliche Prozessverbesserung durch erhöhtes Prozessverständnis, für Qualitätserhöhung und Kostenreduktion gegeben. Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Optimierung der Wirbelschicht-Granulationsprozesse von zwei prozesssensiblen Arzneistoffformulierungen, unter Verwendung von PAT. rnFür die Enalapril- Formulierung, einer niedrig dosierten und hochaktiven Arzneistoffrezeptur, wurde herausgefunden, dass durch eine feinere Zerstäubung der Granulierflüssigkeit deutlich größere Granulatkörnchen erhalten werden. Eine Erhöhung der MassRatio verringert die Tröpfchengröße, dies führt zu größeren Granulaten. Sollen Enalapril- Granulate mit einem gewünschten D50-Kornverteilung zwischen 100 und 140 um hergestellt werden, dann muss die MassRatio auf hohem Niveau eingestellt werden. Sollen Enalapril- Granulate mit einem D50- Wert zwischen 80 und 120µm erhalten werden, so muss die MassRatio auf niedrigem Niveau eingestellt sein. Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die MassRatio ein wichtiger Parameter ist und zur Steuerung der Partikelgröße der Enalapril- Granulate eingesetzt werden kann; unter der Voraussetzung dass alle anderen Prozessparameter konstant gehalten werden.rnDie Betrachtung der Schnittmengenplots gibt die Möglichkeit geeignete Einstellungen der Prozessparameter bzw. Einflussgrößen zu bestimmen, welche dann zu den gewünschten Granulat- und Tabletteneigenschaften führen. Anhand der Lage und der Größe der Schnittmenge können die Grenzen der Prozessparameter zur Herstellung der Enalapril- Granulate bestimmt werden. Werden die Grenzen bzw. der „Design Space“ der Prozessparameter eingehalten, kann eine hochwertige Produktqualität garantiert werden. rnUm qualitativ hochwertige Enalapril Tabletten mit der gewählten Formulierung herzustellen, sollte die Enalapril- Granulation mit folgenden Prozessparametern durchgeführt werden: niedrige Sprührate, hoher MassRatio, einer Zulufttemperatur von mindestens > 50 °C und einer effektiven Zuluftmenge < 180 Nm³/h. Wird hingegen eine Sprührate von 45 g/min und eine mittlere MassRatio von 4.54 eingestellt, so muss die effektive Zuluftmenge mindestens 200 Nm³/h und die Zulufttemperatur mindestens 60 °C betragen, um eine vorhersagbar hohe Tablettenqualität zu erhalten. Qualität wird in das Arzneimittel bereits während der Herstellung implementiert, indem die Prozessparameter bei der Enalapril- Granulierung innerhalb des „Design Space“ gehalten werden.rnFür die Metformin- Formulierung, einer hoch dosierten aber wenig aktiven Arzneistoffrezeptur wurde herausgefunden, dass sich der Wachstumsmechanismus des Feinanteils der Metformin- Granulate von dem Wachstumsmechanismus der D50- und D90- Kornverteilung unterscheidet. Der Wachstumsmechanismus der Granulate ist abhängig von der Partikelbenetzung durch die versprühten Flüssigkeitströpfchen und vom Größenverhältnis von Partikel zu Sprühtröpfchen. Der Einfluss der MassRatio ist für die D10- Kornverteilung der Granulate vernachlässigbar klein. rnMit Hilfe der Störgrößen- Untersuchungen konnte eine Regeleffizienz der Prozessparameter für eine niedrig dosierte (Enalapril)- und eine hoch dosierte (Metformin) Arzneistoffformulierung erarbeitet werden, wodurch eine weitgehende Automatisierung zur Verringerung von Fehlerquellen durch Nachregelung der Störgrößen ermöglicht wird. Es ergibt sich für die gesamte Prozesskette ein in sich geschlossener PAT- Ansatz. Die Prozessparameter Sprührate und Zuluftmenge erwiesen sich als am besten geeignet. Die Nachregelung mit dem Parameter Zulufttemperatur erwies sich als träge. rnFerner wurden in der Arbeit Herstellverfahren für Granulate und Tabletten für zwei prozesssensible Wirkstoffe entwickelt. Die Robustheit der Herstellverfahren gegenüber Störgrößen konnte demonstriert werden, wodurch die Voraussetzungen für eine Echtzeitfreigabe gemäß dem PAT- Gedanken geschaffen sind. Die Kontrolle der Qualität des Produkts findet nicht am Ende der Produktions- Prozesskette statt, sondern die Kontrolle wird bereits während des Prozesses durchgeführt und basiert auf einem besseren Verständnis des Produktes und des Prozesses. Außerdem wurde durch die konsequente Verfolgung des PAT- Ansatzes die Möglichkeit zur kontinuierlichen Prozessverbesserung, zur Qualitätserhöhung und Kostenreduktion gegeben und damit das ganzheitliche Ziel des PAT- Gedankens erreicht und verwirklicht.rn

Einzelpartikel- und Ensemblemessungen mit dem Aerosolmassenspektrometer (AMS): Untersuchungen zu Quellen und chemischer Prozessierung von Aerosolpartikeln im Submikrometerbereich

Atmosphärische Aerosolpartikel haben einen Einfluss sowohl auf das Klima als auch auf die menschliche Gesundheit, wobei sowohl die Größe, als auch die chemische Zusammensetzung der Partikel maßgeblich sind. Um insbesondere die chemische Zusammensetzung der Partikel in Abhängigkeit ihrer Quellen besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit massenspektrometrische Untersuchungen thermisch verdampfbarer Partikel im Submikrometerbereich durchgeführt. Hierzu wurden sowohl die Massenspektren einzelner Partikel, als auch die von Ensembles von Partikeln mit dem Aerodyne Aerosolmassenspektrometer (AMS) in mehreren Feldmesskampagnen untersucht. Für die Messung von Einzelpartikelmassenspektren wurde das AMS zunächst durch den Einbau eines optischen Partikeldetektors (light scattering probe) modifiziert und anschließend eingehend charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass mit dem Gerät im Partikelgrößenbereich von etwa 400-750 nm (untere Grenze bedingt durch die Detektionseffizienz des optischen Detektors, obere Grenze durch die Transmissionseffizienz des Aerosoleinlasssystems) quantitative Einzelpartikelmessungen möglich sind. Zudem wurde die Analyse der erhaltenen Messdaten systematisiert, und durch Einsatz von Standardspektren ein Sortieralgorithmus für die Einzelpartikelmassenspektren entwickelt, der erfolgreich auf Daten von Feldmesskampagnen angewandt werden konnte. Mit diesem Sortieralgorithmus sind zudem quantitative Aussagen über die verschiedenen Partikelbestandteile möglich. Im Sommer 2009 und im Winter 2010 fanden im Großraum Paris zwei einmonatige Feldmesskampagnen statt, bei denen unter anderem der Einfluss der Abluftfahne der Megastadt auf seine Vororte untersucht wurde. Erhöhte Konzentrationen sekundär gebildeter Aerosolkomponenten (Nitrat, Sulfat, oxidiertes organisches Aerosol (OOA)) waren insbesondere beim Herantransport kontinentaler Luftmassen zu beobachten. Im Gegensatz dazu waren die beobachteten Konzentrationen der Tracer primärer Emissionen NOx, BC (black carbon) und HOA (hydrocarbonlike organic aerosol) neben der lokalen Quellstärke insbesondere durch die herrschende Windgeschwindigkeit beeinflusst. Aus dem Vergleich der Messungen an drei Stationen konnte der Einfluss der Megastadt Paris auf seine Vororte (unter Annahme gleicher lokaler Emissionen an den zwei Vorort-Stationen) zu 0,1-0,7 µg m-3 BC, 0,3-1,1 µg m-3 HOA, und 3-5 ppb NOx abgeschätzt werden. Zudem konnten für zwei Stationen aus den Ensemble- bzw. den Einzelpartikelmessungen unabhängig voneinander zwei verschiedene HOA-Typen unterschieden werden, die den Quellen „Kochen“ und „Autoabgase“ zugeordnet wurden. Der Anteil der Partikel aus den Quellen „Kochen“ bzw. „Autoabgase“ am Gesamt-HOA betrug 65,5 % und 34,5 % für die Ensemblemessungen in der Innenstadt (nahe vieler Restaurants), und für die Einzelpartikelmessungen in einem Vorort 59 % bzw. 41 % (bezogen auf die Partikelanzahl, welche hier der Masse etwa proportional ist). Die Analyse der Einzelpartikelmassenspektren erbrachte zudem neue Erkenntnisse über den Mischungszustand der Einzelpartikel. So konnte belegt werden, dass Nitrat, Sulfat und OOA intern gemischt sind, HOA-Partikel aber als externe Mischung mit diesen vorliegen. Zudem konnte anhand der Tagesgänge der Masse pro Partikel von OOA, Nitrat und Sulfat und der Anzahl der diese Substanzen enthaltenden Partikel gezeigt werden, dass der im Ensemblemodus beobachtete fehlende Tagesgang der Sulfat-Massenkonzentration wahrscheinlich durch die gegensätzlichen Effekte der Modulation der Partikelanzahlkonzentration durch die sich verändernde Mischungsschichthöhe und der variierenden Masse an Sulfat pro Partikel (mittägliche photochemische Neuproduktion und Kondensation auf existierende Partikel) erklärt werden kann. Für OOA ist eine ähnliche Erklärung des Ensemblemodus-Tagesganges jedoch nur teilweise möglich; weitere Arbeit ist daher nötig, um auch für diese Substanzklasse belastbare Aussagen aus dem Vergleich der Ensemble- und Einzelpartikelmessungen zu erhalten. Im Rahmen einer Labormesskampagne an der AIDA-Kammer in Karlsruhe wurden Ensemble- und Einzelpartikelmassenspektren von Bakterien aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, Bakterien in Außenluft mittels Einzelpartikelmessungen nachzuweisen, jedoch wahrscheinlich nur bei sehr hohen Anzahlkonzentrationen. Der Nachweis von Bakterien und anderen primären biologischen Aerosolpartikeln mit dem AMS sollte daher in weiterführenden Experimenten noch optimiert werden.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

Development, characterization, and application of flowing atmospheric-pressure afterglow ionization for mass spectrometric analysis of ambient organic aerosols

Addressing current limitations of state-of-the-art instrumentation in aerosol research, the aim of this work was to explore and assess the applicability of a novel soft ionization technique, namely flowing atmospheric-pressure afterglow (FAPA), for the mass spectrometric analysis of airborne particulate organic matter. Among other soft ionization methods, the FAPA ionization technique was developed in the last decade during the advent of ambient desorption/ionization mass spectrometry (ADI–MS). Based on a helium glow discharge plasma at atmospheric-pressure, excited helium species and primary reagent ions are generated which exit the discharge region through a capillary electrode, forming the so-called afterglow region where desorption and ionization of the analytes occurs. Commonly, fragmentation of the analytes during ionization is reported to occur only to a minimum extent, predominantly resulting in the formation of quasimolecular ions, i.e. [M+H]+ and [M–H]– in the positive and the negative ion mode, respectively. Thus, identification and detection of signals and their corresponding compounds is facilitated in the acquired mass spectra. The focus of the first part of this study lies on the application, characterization and assessment of FAPA–MS in the offline mode, i.e. desorption and ionization of the analytes from surfaces. Experiments in both positive and negative ion mode revealed ionization patterns for a variety of compound classes comprising alkanes, alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, organic peroxides, and alkaloids. Besides the always emphasized detection of quasimolecular ions, a broad range of signals for adducts and losses was found. Additionally, the capabilities and limitations of the technique were studied in three proof-of-principle applications. In general, the method showed to be best suited for polar analytes with high volatilities and low molecular weights, ideally containing nitrogen- and/or oxygen functionalities. However, for compounds with low vapor pressures, containing long carbon chains and/or high molecular weights, desorption and ionization is in direct competition with oxidation of the analytes, leading to the formation of adducts and oxidation products which impede a clear signal assignment in the acquired mass spectra. Nonetheless, FAPA–MS showed to be capable of detecting and identifying common limonene oxidation products in secondary OA (SOA) particles on a filter sample and, thus, is considered a suitable method for offline analysis of OA particles. In the second as well as the subsequent parts, FAPA–MS was applied online, i.e. for real time analysis of OA particles suspended in air. Therefore, the acronym AeroFAPA–MS (i.e. Aerosol FAPA–MS) was chosen to refer to this method. After optimization and characterization, the method was used to measure a range of model compounds and to evaluate typical ionization patterns in the positive and the negative ion mode. In addition, results from laboratory studies as well as from a field campaign in Central Europe (F–BEACh 2014) are presented and discussed. During the F–BEACh campaign AeroFAPA–MS was used in combination with complementary MS techniques, giving a comprehensive characterization of the sampled OA particles. For example, several common SOA marker compounds were identified in real time by MSn experiments, indicating that photochemically aged SOA particles were present during the campaign period. Moreover, AeroFAPA–MS was capable of detecting highly oxidized sulfur-containing compounds in the particle phase, presenting the first real-time measurements of this compound class. Further comparisons with data from other aerosol and gas-phase measurements suggest that both particulate sulfate as well as highly oxidized peroxyradicals in the gas phase might play a role during formation of these species. Besides applying AeroFAPA–MS for the analysis of aerosol particles, desorption processes of particles in the afterglow region were investigated in order to gain a more detailed understanding of the method. While during the previous measurements aerosol particles were pre-evaporated prior to AeroFAPA–MS analysis, in this part no external heat source was applied. Particle size distribution measurements before and after the AeroFAPA source revealed that only an interfacial layer of OA particles is desorbed and, thus, chemically characterized. For particles with initial diameters of 112 nm, desorption radii of 2.5–36.6 nm were found at discharge currents of 15–55 mA from these measurements. In addition, the method was applied for the analysis of laboratory-generated core-shell particles in a proof-of-principle study. As expected, predominantly compounds residing in the shell of the particles were desorbed and ionized with increasing probing depths, suggesting that AeroFAPA–MS might represent a promising technique for depth profiling of OA particles in future studies.

Cellular responses after exposure of lung cell cultures to secondary organic aerosol particles

The scope of this work was to examine in vitro responses of lung cells to secondary organic aerosol (SOA) particles, under realistic ambient air and physiological conditions occurring when particles are inhaled by mammals, using a novel particle deposition chamber. The cell cultures included cell types that are representative for the inner surface of airways and alveoli and are the target cells for inhaled particles. The results demonstrate that an exposure to SOA at ambient-air concentrations of about 10(4) particles/cm(3) for 2 h leads to only moderate cellular responses. There is evidence for (i) cell type specific effects and for (ii) different effects of SOA originating from anthropogenic and biogenic precursors, i.e. 1,3,5-trimethylbenzene (TMB) and alpha-pinene, respectively. There was no indication for cytotoxic effects but for subtle changes in cellular functions that are essential for lung homeostasis. Decreased phagocytic activity was found in human macrophages exposed to SOA from alpha-pinene. Alveolar epithelial wound repair was affected by TMB-SOA exposure, mainly because of altered cell spreading and migration at the edge of the wound. In addition, cellular responses were found to correlate with particle number concentration, as interleukin-8 production was increased in pig explants exposed to TMB-SOA with high particle numbers.

Addition of Zinc Sulfide Shells to Semiconducting Nanoparticles and its Effect on the Nanoparticle Fluorescence Emission Properties

The addition of a ZnS shell to CdSe and CdS quantum dot cores was explored using various methods. Spectrophotometry was used to assess the success of ZnS overcoating, which produces both an increase in overall fluorescence and decrease in particle size distribution. A new method was developed, involving preheating of the zinc and sulfide precursor solutions, resulting in CdSe(ZnS) particles with improved fluorescence and a more uniform shell coating from oleylamine-capped CdSe core particles.

Elaboration et caractérisation de ciments géopolymères à base de scories volcaniques

Two types of volcanic ashes referenced as ZD (volcanic ashes from Djoungo) and ZG (volcanic ashes from Galim) were collected from two Cameroonian localities. They were characterized (chemical and mineralogical compositions, amorphous phase content, particle size distribution and specific surface area) and used as raw materials for the synthesis of geopolymer cements at ambient temperature of laboratory (24 ± 3 °C). The synthesized products were characterized by determining their setting time, linear shrinkage and compressive strength, X-ray Diffraction, Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy. The mineralogical composition, the amorphous phase content, the particle size distribution, the specific surface area of the volcanic ashes as well as the mass ratio of the alkaline solution (sodium silicate / sodium hydroxide) were the main parameters which influenced the synthesis of geopolymers with interesting characteristics at ambient temperature (24 ± 3 °C). The volcanic ashes (ZD) whose mineralogical composition contained anhydrite, low amorphous phase content and low specific surface area led to long setting times. Moreover, its products swelled and presented cracks due to the formation of ettringite and these resulted in low compressive strengths (7 to 19 MPa). The volcanic ashes (ZG) containing high amounts of amorphous phase and high specific surface area led geopolymers with setting times between 490 and 180 minutes and compressive strength between 7 and 50 MPa at ambient temperature of laboratory. The properties of geopolymers were improved when elaborated with a mixture of volcanic ashes and metakaolin (ZD–MK and ZG–MK). For geopolymers obtained from ZD–MK, the setting time was between 500 and 160 minutes while it was between 220 and 125 minutes for geopolymers obtained from ZG–MK. The compressive strength greatly increased between 23 and 68 MPa and 39 and 64 MPa for geopolymers obtained from ZG –MK and ZD–MK respectively. A comparative study of the properties of mixtures of metakaolin–alumina and volcanic ash–alumina based geopolymers shows that metakaolin is a good source of Al2O3 and SiO2 and which highly reactive with alkaline solution and produces geopolymers with better characteristics compared to volcanic ash based–geopolymer. The properties of volcanic ash–based geopolymer were also improved when amorphous alumina was incorporated into the volcanic ash. This additive is used to compensate the deficiencies in Al2O3 content in the volcanic ash. Compare to when volcanic ash is used alone 20 to 40 % incorporation of this additive corresponded to increases of the compressive strength by 18.1 % for metakaolin-alumina based-geopolymers and by 32.4 % for volcanic ash-based geopolymers.

Mapping the Operation of the Miniature Combustion Aerosol Standard (Mini-CAST) Soot Generator

The Jing Ltd. miniature combustion aerosol standard (Mini-CAST) soot generator is a portable, commercially available burner that is widely used for laboratory measurements of soot processes. While many studies have used the Mini-CAST to generate soot with known size, concentration, and organic carbon fraction under a single or few conditions, there has been no systematic study of the burner operation over a wide range of operating conditions. Here, we present a comprehensive characterization of the microphysical, chemical, morphological, and hygroscopic properties of Mini-CAST soot over the full range of oxidation air and mixing N-2 flow rates. Very fuel-rich and fuel-lean flame conditions are found to produce organic-dominated soot with mode diameters of 10-60nm, and the highest particle number concentrations are produced under fuel-rich conditions. The lowest organic fraction and largest diameter soot (70-130nm) occur under slightly fuel-lean conditions. Moving from fuel-rich to fuel-lean conditions also increases the O:C ratio of the soot coatings from similar to 0.05 to similar to 0.25, which causes a small fraction of the particles to act as cloud condensation nuclei near the Kelvin limit (kappa similar to 0-10(-3)). Comparison of these property ranges to those reported in the literature for aircraft and diesel engine soots indicates that the Mini-CAST soot is similar to real-world primary soot particles, which lends itself to a variety of process-based soot studies. The trends in soot properties uncovered here will guide selection of burner operating conditions to achieve optimum soot properties that are most relevant to such studies.

Simple beam models for Monte Carlo photon beam dose calculations in radiotherapy

Monte Carlo (code GEANT) produced 6 and 15 MV phase space (PS) data were used to define several simple photon beam models. For creating the PS data the energy of starting electrons hitting the target was tuned to get correct depth dose data compared to measurements. The modeling process used the full PS information within the geometrical boundaries of the beam including all scattered radiation of the accelerator head. Scattered radiation outside the boundaries was neglected. Photons and electrons were assumed to be radiated from point sources. Four different models were investigated which involved different ways to determine the energies and locations of beam particles in the output plane. Depth dose curves, profiles, and relative output factors were calculated with these models for six field sizes from 5x5 to 40x40cm2 and compared to measurements. Model 1 uses a photon energy spectrum independent of location in the PS plane and a constant photon fluence in this plane. Model 2 takes into account the spatial particle fluence distribution in the PS plane. A constant fluence is used again in model 3, but the photon energy spectrum depends upon the off axis position. Model 4, finally uses the spatial particle fluence distribution and off axis dependent photon energy spectra in the PS plane. Depth dose curves and profiles for field sizes up to 10x10cm2 were not model sensitive. Good agreement between measured and calculated depth dose curves and profiles for all field sizes was reached for model 4. However, increasing deviations were found for increasing field sizes for models 1-3. Large deviations resulted for the profiles of models 2 and 3. This is due to the fact that these models overestimate and underestimate the energy fluence at large off axis distances. Relative output factors consistent with measurements resulted only for model 4.

High temperature, low cycle fatigue of a hybrid particulate/fiber aluminum metal-matrix composite

The effect of shot particles on the high temperature, low cycle fatigue of a hybrid fiber/particulate metal-matrix composite (MMC) was studied. Two hybrid composites with the general composition A356/35%SiC particle/5%Fiber (one without shot) were tested. It was found that shot particles acting as stress concentrators had little effect on the fatigue performance. It appears that fibers with a high silica content were more likely to debond from the matrix. Final failure of the composite was found to occur preferentially in the matrix. SiC particles fracture progressively during fatigue testing, leading to higher stress in the matrix, and final failure by matrix overload. A continuum mechanics based model was developed to predict failure in fatigue based on the tensile properties of the matrix and particles. By accounting for matrix yielding and recovery, composite creep and particle strength distribution, failure of the composite was predicted.

On-chip Non-reciprocal Optical Devices Based on Quantum Inspired Photonic Lattices

We propose integrated optical structures that can be used as isolators and polarization splitters based on engineered photonic lattices. Starting from optical waveguide arrays that mimic Fock space (quantum state with a well-defined particle number) representation of a non-interacting two-site Bose Hubbard Hamiltonian, we show that introducing magneto-optic nonreciprocity to these structures leads to a superior optical isolation performance. In the forward propagation direction, an input TM polarized beam experiences a perfect state transfer between the input and output waveguide channels while surface Bloch oscillations block the backward transmission between the same ports. Our analysis indicates a large isolation ratio of 75 dB after a propagation distance of 8mm inside seven coupled waveguides. Moreover, we demonstrate that, a judicious choice of the nonreciprocity in this same geometry can lead to perfect polarization splitting.

A novel exposure system for the efficient and controlled deposition of aerosol particles onto cell cultures

Epidemiologic studies have shown correlations between morbidity and particles < or = 2.5 microm generated from pollution processes and manufactured nanoparticles. Thereby nanoparticles seem to play a specific role. The interaction of particles with the lung, the main pathway of undesired particle uptake, is poorly understood. In most studies investigating these interactions in vitro, particle deposition differs greatly from the in vivo situation, causing controversial results. We present a nanoparticle deposition chamber to expose lung cells mimicking closely the particle deposition conditions in the lung. In this new deposition chamber, particles are deposited very efficiently, reproducibly, and uniformly onto the cell culture, a key aspect if cell responses are quantified in respect to the deposited particle number. In situ analyses of the lung cells, e.g., the ciliary beat frequency, indicative of the defense capability of the cells, are complemented by off-line biochemical, physiological, and morphological cell analyses.

Toxic effects of brake wear particles on epithelial lung cells in vitro

ABSTRACT: BACKGROUND: Fine particulate matter originating from traffic correlates with increased morbidity and mortality. An important source of traffic particles is brake wear of cars which contributes up to 20% of the total traffic emissions. The aim of this study was to evaluate potential toxicological effects of human epithelial lung cells exposed to freshly generated brake wear particles. RESULTS: An exposure box was mounted around a car's braking system. Lung cells cultured at the air-liquid interface were then exposed to particles emitted from two typical braking behaviours ("full stop" and "normal deceleration"). The particle size distribution as well as the brake emission components like metals and carbons was measured on-line, and the particles deposited on grids for transmission electron microscopy were counted. The tight junction arrangement was observed by laser scanning microscopy. Cellular responses were assessed by measurement of lactate dehydrogenase (cytotoxicity), by investigating the production of reactive oxidative species and the release of the pro-inflammatory mediator interleukin-8. The tight junction protein occludin density decreased significantly (p < 0.05) with increasing concentrations of metals on the particles (iron, copper and manganese, which were all strongly correlated with each other). Occludin was also negatively correlated with the intensity of reactive oxidative species. The concentrations of interleukin-8 were significantly correlated with increasing organic carbon concentrations. No correlation was observed between occludin and interleukin-8, nor between reactive oxidative species and interleukin-8. CONCLUSION: These findings suggest that the metals on brake wear particles damage tight junctions with a mechanism involving oxidative stress. Brake wear particles also increase pro-inflammatory responses. However, this might be due to another mechanism than via oxidative stress.

Toxicity of aged gasoline exhaust particles to normal and diseased airway epithelia

Particulate matter (PM) pollution is a leading cause of premature death, particularly in those with pre-existing lung disease. A causative link between particle properties and adverse health effects remains unestablished mainly due to complex and variable physico-chemical PM parameters. Controlled laboratory experiments are required. Generating atmospherically realistic Aerosols and performing cell-exposure studies at relevant particle-doses are challenging. Here we examine gasoline-exhaust particle toxicity from a Euro-5 passenger car in a uniquely realistic exposure scenario, combining a smog chamber simulating atmospheric ageing, an aerosol enrichment System varying particle number concentration independent of particle chemistry, and an aerosol Deposition chamber physiologically delivering particles on air-liquid interface (ALI) cultures reproducing normal and susceptible health status. Gasoline-exhaust is an important PM source with largely unknown health effects. We investigated acute responses of fully-differentiated normal, distressed (antibiotics treated) normal, and cystic fibrosis human bronchial epithelia (HBE), and a proliferating, single-cell type bronchial epithelial cell-line (BEAS-2B). We show that a single, short-term exposure to realistic doses of atmospherically-aged gasoline-exhaust particles impairs epithelial key-defence mechanisms, rendering it more vulnerable to subsequent hazards. We establish dose-response curves at realistic particle-concentration levels. Significant differences between cell models suggest the use of fully differentiated HBE is most appropriate in future toxicity studies.