Metal biosorption onto dry biomass of Arthrospira (Spirulina) platensis and Chlorella vulgaris: Multi-metal systems

Binary and ternary systems of Ni2+, Zn2+, and Pb2+ were investigated at initial metal concentrations of 0.5, 1.0 and 2.0 mM as competitive adsorbates using Arthrospira platensis and Chlorella vulgaris as biosorbents. The experimental results were evaluated in terms of equilibrium sorption capacity and metal removal efficiency and fitted to the multi-component Langmuir and Freundlich isotherms. The pseudo second order model of Ho and McKay described well the adsorption kinetics, and the FT-IR spectroscopy confirmed metal binding to both biomasses. Ni2+ and Zn2+ interference on Pb2+ sorption was lower than the contrary, likely due to biosorbent preference to Pb. In general, the higher the total initial metal concentration, the lower the adsorption capacity. The results of this study demonstrated that dry biomass of C. vulgaris behaved as better biosorbent than A. platensis and suggest its use as an effective alternative sorbent for metal removal from wastewater. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Extracytoplasmic function (ECF) sigma factor σF is involved in Caulobacter crescentus response to heavy metal stress

Background The α-proteobacterium Caulobacter crescentus inhabits low-nutrient environments and can tolerate certain levels of heavy metals in these sites. It has been reported that C. crescentus responds to exposure to various heavy metals by altering the expression of a large number of genes. Results In this work, we show that the ECF sigma factor σF is one of the regulatory proteins involved in the control of the transcriptional response to chromium and cadmium. Microarray experiments indicate that σF controls eight genes during chromium stress, most of which were previously described as induced by heavy metals. Surprisingly, σF itself is not strongly auto-regulated under metal stress conditions. Interestingly, σF-dependent genes are not induced in the presence of agents that generate reactive oxygen species. Promoter analyses revealed that a conserved σF-dependent sequence is located upstream of all genes of the σF regulon. In addition, we show that the second gene in the sigF operon acts as a negative regulator of σF function, and the encoded protein has been named NrsF (Negative regulator of sigma F). Substitution of two conserved cysteine residues (C131 and C181) in NrsF affects its ability to maintain the expression of σF-dependent genes at basal levels. Furthermore, we show that σF is released into the cytoplasm during chromium stress and in cells carrying point mutations in both conserved cysteines of the protein NrsF. Conclusion A possible mechanism for induction of the σF-dependent genes by chromium and cadmium is the inactivation of the putative anti-sigma factor NrsF, leading to the release of σF to bind RNA polymerase core and drive transcription of its regulon.

Two RND proteins involved in heavy metal efflux in Caulobacter crescentus belong to separate clusters within proteobacteria

Abstract Background Heavy metal Resistance-Nodulation-Division (HME-RND) efflux systems help Gram-negative bacteria to keep the intracellular homeostasis under high metal concentrations. These proteins constitute the cytoplasmic membrane channel of the tripartite RND transport systems. Caulobacter crescentus NA1000 possess two HME-RND proteins, and the aim of this work was to determine their involvement in the response to cadmium, zinc, cobalt and nickel, and to analyze the phylogenetic distribution and characteristic signatures of orthologs of these two proteins. Results Expression assays of the czrCBA operon showed significant induction in the presence of cadmium and zinc, and moderate induction by cobalt and nickel. The nczCBA operon is highly induced in the presence of nickel and cobalt, moderately induced by zinc and not induced by cadmium. Analysis of the resistance phenotype of mutant strains showed that the ΔczrA strain is highly sensitive to cadmium, zinc and cobalt, but resistant to nickel. The ΔnczA strain and the double mutant strain showed reduced growth in the presence of all metals tested. Phylogenetic analysis of the C. crescentus HME-RND proteins showed that CzrA-like proteins, in contrast to those similar to NczA, are almost exclusively found in the Alphaproteobacteria group, and the characteristic protein signatures of each group were highlighted. Conclusions The czrCBA efflux system is involved mainly in response to cadmium and zinc with a secondary role in response to cobalt. The nczCBA efflux system is involved mainly in response to nickel and cobalt, with a secondary role in response to cadmium and zinc. CzrA belongs to the HME2 subfamily, which is almost exclusively found in the Alphaproteobacteria group, as shown by phylogenetic analysis. NczA belongs to the HME1 subfamily which is more widespread among diverse Proteobacteria groups. Each of these subfamilies present distinctive amino acid signatures.

Availability of heavy metals in contaminated soil evidenced by chemical extractants

Heavy metals have been accumulating in Brazilian soils, due to natural processes, such as atmospheric deposition, or human industrial activities. For certain heavy metals, when in high concentrations in the soil, there is no specific extractant to determine the availability of these elements in the soil. The objective of the present study was to evaluate the availability of Cd, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn for rice and soybeans, using different chemical extractants. In this study we used seven soil samples with different levels of contamination, in completely randomized experimental design with four replications. We determined the available concentrations of Cd, Cu, Fe, Mn, Pb and Zn extracted by Mehlich-1, HCl 0.1 mol L-1, DTPA, and organic acid extractants and the contents in rice and soybeans, which extracts were analyzed by ICP-OES. It was observed that Mehlich-1, HCl 0.1 mol L-1 and DTPA extractants were effective to assess the availability of Cd, Cu, Pb and Zn for rice and soybeans. However, the same was not observed for the organic acid extractant.

On site stripping voltammetric determination of Zn(II), Cd(II) and Pb(II) in water samples of the Cananéia-Iguape Estuarine-Lagoon complex in São Paulo state, Brazil

Estuarine systems play an important role in the retention of toxic trace elements owing to the affinity of these elements with particles dissolved in water. This work presents the use of a voltammetric sensor to monitor heavy metal (Zn (II), Cd(II) and Pb (II)) concentrations in the Cananéia-Iguape Estuarine-Lagoon region (São Paulo State, Brazil). Lower concentrations were found in the Southern estuarine system (Cananéia City) and increased concentrations observed in the Northern sector (Iguape City) were promoted by anthropogenic activities, with particular influence from the historical introduction of mining wastes and inputs from agricultural, industrial and domestic effluents. The proposed method is reliable, inexpensive and fast, can simultaneously provide information on the concentration of these metallic ions and can be easily used for field measurements aboard oceanographic ships.

Interactions between calcium and heavy metals in Norway spruce : Accumulation and binding of metals in wood and bark

Waste products from the forest industry are to be spread in forests in Sweden to counteract nutrient depletion due to whole tree harvesting. This may increase the bioavailability of calcium (Ca) and heavy metals, such as cadmium (Cd), copper (Cu) and zinc (Zn) in forest soils. Heavy metals, like Cd, have already been enriched in forest soils in Sweden, due to deposition of air pollutions, and acidification of forest soils has increased the bioavailability of toxic metals for plant uptake. Changes in the bioavailability of metals may be reflected in altered accumulation of Ca and heavy metals in forest trees, changes in tree growth, including wood formation, and altered tree species composition. This thesis aims at examining: A) if inter- or intra- specific differences in sensitivity to Cd occur in the most common tree species of Sweden, and if so, to study if these can be explained by the uptake and distribution of Cd within the plant: B) how elevated levels of Ca, Cd, Cu and Zn affect the accumulation and attachment of metals in bark and wood, and growth of young Norway spruce (Picea abies): C) how waste products from the forest industry, such as wood ash, influence the contents of Ca, Cd, Cu and Zn in wood and bark of young Norway spruce. Sensitivity to Cd, and its uptake and distribution, in seedlings of Picea abies, Pinus sylvestris and Betula pendula from three regions (southern, central and northern parts) of Sweden, treated with varying concentrations of Cd, were compared. Differences in root sensitivity to Cd both among and within woody species were found and the differences could to some extent be explained by differences in uptake and translocation of Cd. The root sensitivity assays revealed that birch was the least, and spruce the most, sensitive species, both to the external and to tissue levels of Cd. The central ecotype of the species tested tended to be most Cd resistant. The radial distribution, accumulation and attachment of, and interactions between Ca and heavy metals in stems of two-year-old Norway spruce trees treated with elevated levels of Cd, Cu, Zn and/or Ca, were investigated. Further, the influence of these metals on growth, and on root metal content, was examined. Accumulation of the metals was enhanced in wood, bark and/or roots at elevated levels of the metal in question. Even at low levels of the metals, similar to after application of wood ash, an enhanced accumulation was apparent in wood and/or bark, except for Cd. The increased accumulation of Zn and Cu in the stem did not affect the growth. However, Cu decreased the accumulation of Ca in wood. Higher levels of Cu and Cd reduced the stem diameter and the toxic effect was associated with a reduced Ca content in wood. Copper and Cd also decreased the accumulation of Zn in the stem. On the other hand, elevated levels of Ca increased the stem diameter and reduced the accumulation of Cd, Cu, Zn and Mn in wood and/or bark. When metals interacted with each other the firmly bound fraction of the metal reduced was in almost all cases not affected. As an exception, Cd decreased the firmly bound fraction of Zn in the stem. The influence of pellets of wood ash (ash) or a mixture of wood ash and green liquor dregs (ash+GLD), in the amount of 3000 kg ha-1, on the contents of Ca, Cd, Cu and Zn in wood and bark of young Norway spruce in the field was examined. The effect of the treatments on the metal content of bark and wood was larger after 3 years than after 6 years. Treatment with ash+GLD had less effect on the heavy metal content of bark and wood than treatment with ash alone. The ash treatment increased the Cu and Zn content in bark and wood, respectively, after 3 years, and decreased the Ca content of the wood after 6 years. The ash+GLD treatment increased the Ca content of the bark and decreased the Zn content of bark and wood after 3 years. Both treatments reduced, or tended to decrease, the Cd content in wood and bark at both times. To conclude, small changes in the bioavailability of Ca, Cu, Cd and Zn in forest soils, such as after spreading pellets of wood ash or a mixture of wood ash and green liquor dregs from the forest industry, will be reflected in an altered accumulation of metals in wood and bark of Norway spruce. It will not only be reflected in changed accumulation of those metals in which bioavailability in the soil has been enhanced, but also of other metals, probably partly due to interactions between metals. When metals interact the exchangeable bound fraction of the metal reduced is suggested to be the main fraction affected. The small alterations in accumulation of metals should not affect the growth of Norway spruce, especially since the changes in accumulation of metals are low, and further since these decrease over time. However, as an exception, one positive and maybe persistent effect of the waste products is that these may decrease the accumulation of Cd in Norway spruce, which partly may be explained by competition with Ca for uptake, translocation and binding. A decreased accumulation of Cd in Norway spruce will probably affect the trees positively, since Norway spruce is one of the most sensitive species to Cd of the forest trees in Sweden. Thus, spreading of waste products from the forest industry may be a solution to decrease the accumulation of Cd in Norway spruce. In a longer perspective, this will decrease the risk of Cd altering the tree species composition of the forest ecosystem. An elevated bioavailability of Ca in forest soils will, in addition to Cd, probably also decrease the accumulation of other less competitive heavy metals, like Zn and Mn, in the stem.

Kernspektroskopie an N=40 und N=82 Nukliden

Der astrophysikalische r-Prozeß (schneller Neutroneneinfang), ist verantwortlich für die Nukleosynthese einer großen Zahl von Elementen, die schwerer als Eisen sind. Benutzt man das ''waiting-point''-Modell, so kann die Häufigkeitsverteilung der Elemente durch drei nukleare und drei stellare Input-Parameter beschrieben werden. Für einen gegebenen Satz von stellaren Parametern definiert die Neutronenseparationsenergie (Sn) den r-Prozeß-Pfad. Die beta-Zerfall-Halbwertszeit (T1/2) der Kerne im r-Prozeß-Pfad bestimmt die Häufigkeit des Vorläufers und bezieht man die Neutronenemissionswahrscheinlichkeit (Pn) mit ein, so auch die endgültige Häufigkeitsverteilung. Von besonderer Wichtigkeit sind die neutronenreichen ''waiting-point''-Isotope. Zum Beispiel sind die N=82 Isotope verantwortlich für den solaren A~130 Häufigkeits-Peak. Diese Arbeit befaßt sich mit der Identifizierung und der Untersuchung von Zerfallseigenschaften neutronenreicher Isotope des Mangan (A=61 bis 69) und Cadmium (A=130 bis 132). Neutronenreiche Nuklide zu erzeugen und zu detektieren ist ein komplizierter und zeitaufwendiger Prozeß, nichts desto trotz erfolgreich. Das Hauptproblem bei dieser Art von Experimenten ist der hohe isobare Untergrund. Aus diesem Grunde wurden speziell entwickelte Anregungsschemata für Mangan und Cadmium eingesetzt, um die gewünschten Isotope mittels Laser-Resonanzionisation chemisch selektiv zu ionisieren. Bei CERN/ISOLDE war es möglich im Massenbereich von 60^Mn bis 69^Mn neue Halbwertszeiten und Pn-Werte zu bestimmen. Für 64^Mn und 66^Mn konnten darüber hinaus erstmals noch partielle Zerfallsschemata aufgestellt werden. Es zeigte sich, daß die Ergebnisse teilweise recht überraschend waren, da sie nicht durch das QRPA-Modell vorhergesagt wurden. Mit Hilfe vergleichender Studien des Gesamttrends der Niveausystematiken der gg-Kerne von 26_Fe, 30_Zn, 32_Ge, 24_Cr und 28_Ni konnte ein Verschwinden der sphärischen N=40 Unterschale und die Existenz einer neuen Region mit signifikanter Deformation nachgewiesen werden, die vermutlich ihr ''Zentrum'' bei 64^Cr hat. Ebenfalls zeigen Studien der Niveausystematik bei 48Cd und der Vergleich mit 46_Pd, 54_Xe, 52_Te und 50_Sn, erste Hinweise eines Schalenquenchings bei N=82. Es wurde die Messung der Halbwertszeit von 130^Cd verbessert und die Halbwertszeiten von 131^Cd und 132^Cd erstmals bestimmt. Die neuen Daten können nur erklärt werden, wenn man bei der QRPA-Rechnung verbotene Übergänge mitberücksichtigt. Es genügt nicht, die Rechnung für reinen Gamow-Teller-Zerfall durchzuführen.

Laserionisation und Laserionenquelle an ISOLDE, CERN

Es wurden im Rahmen des COMPLIS Experimentes laserspektroskopische Untersuchungen der neutronenarmen Platinisotope 178-185Pt durchgeführt. Die Kerndeformation der geraden Platinisotope baut sich ab dem Isotop 188Pt langsam auf und erreicht ein Maximum bei A=180. Danach nimmt die Deformation bis zum 178Pt wieder leicht ab. Zudem zeigen die Kernladungsradien um die Mitte der Neutronenschale bei N=104 einen inversen Gerade-Ungerade-Effekt. Die ungeraden Platinisotope werden durch eine axial-prolate Kernform, die geraden Platinisotope durch eine triaxiale Struktur beschrieben. Im zweiten Teil der Arbeit werden Messungen an der Laserionenquelle bei ISOLDE vorgestellt. Die Resonanzionisation mit abstimmbaren Lasern wird zur chemisch selektiven Ionisation in der Target-Ionenquelleneinheit eingesetzt. Die Entwicklung einer Frequenzverdreifachung für das hochrepetierende Farbstofflasersystem ermöglichte die selektive Präparation von Ionenstrahlen der Elemente Beryllium, Cadmium und Zink an ISOLDE. Dabei wurde bei Beryllium eine Ionisationseffizienz von 9% erreicht. Zum ersten Male wurden in der Laserionenquelle laserspektroskopische Untersuchungen an exotischen Isotopen mit der Messung der Isotopieverschiebung von 7-14Be durchgeführt und bei den Silberisotopen wurde eine Isomerenseparation über die Hyperfeinstruktur erziehlt. Damit ergeben sich neue Anwendungen der Laserspektroskopie und der Laserseparation.

Ionomere zum Aufbau funktioneller Oberflächen

Im ersten Teil der Arbeit wurden Ionomere durch aufeinanderfolgende polymeranaloge Reaktionen eines Reaktivesterpolymers mit verschiedenen primären bzw. sekundären Aminen synthetisiert. Polarisationsmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass diese Ionomere sowohl über thermotrope als auch über lyotrope flüssigkristalline Eigenschaften verfügen. Anschließend wurden mit der 'self-assembly'-Methode Multischichtfilme aus den Ionomeren und hochgeladenen Polyelektrolyten sowie aus entgegengesetzt geladenen Ionomeren aufgebaut. Bei Röntgen-reflexionsmessungen an den Multischichtfilmen konnten winkelabhängige Modulationen der Strahlungsintensität beobachtet werden. Es ist zu vermuten, dass es sich bei diesen Modulationen um Überlagerungen von Kiessig-Ringen und Bragg-Peaks handelt, was ein Indiz dafür ist, dass regel-mäßige Subschichten in den Filmen existieren. Das Konzept der polymeranalogen Reaktionen eines Reaktivesterpolymers mit verschiedenen primären Aminen wurde außerdem dazu benutzt, Polymere zur Modifikation von Cadmiumselenid-Nanokristallen herzustellen. Hierbei konnte zum einen gezeigt werden, dass Nanokristalle direkt mit aminogruppenhaltigen Polymeren modifiziert werden können, zum anderen ist es auch möglich kationische Ionomere auf Nanokristallen mit Mercaptoessigsäure-Liganden zu adsorbieren. Im letzten Teil der Arbeit wurden ionische triazinhaltige Polymere hergestellt und elektrochemisch charakterisiert. Die hergestellten Polymere sind sehr leicht reduzierbar. Anschließend wurden aus den triazinhaltigen Polymeren und entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten ebenfalls Multischichtfilme hergestellt.

Genetische und funktionelle Analyse von Vesikelmembranprotein-Mutanten in Maus und Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind konservierte, ubiquitär vorkommende Membranproteine synaptischer Vesikel und zytoplasmatischer Transportvesikel. Bei Säugetieren lassen sie sich in die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins) unterteilen, die im Nematoden C. elegans jeweils nur durch ein einzelnes Polypeptid vertreten sind (Synaptophysin-1 [SPH-1], Synaptogyrin-1 [SNG-1] und SCAMP-1 [SCM-1]). Obwohl den TVPs eine Beteiligung bei der Regulation des Vesikelzyklus zugesprochen wurde, sind Synaptophysin-1-Knockout-Mäuse und vollständig TVP-defiziente Würmer gesund und weisen nur geringgradige Veränderungen auf. In dieser Arbeit sollten daher zum einen genomweite komparative Transkriptomanalysen durchgeführt werden, um mögliche Kompensationsmechanismen in der Maus und C. elegans zu finden, zum anderen sollten mit Hilfe pharmakologischer Stressassays und genetischer Verfahren Schwachstellen und Redundanzen identifiziert werden. Erstaunlicherweise konnten durch Affymetrix GeneChip-Analysen der RNA in der Retina von Synaptophysin-1-/--Mäusen keine differenziell exprimierten Gene gefunden werden. Bei der Untersuchung der C. elegans-TVP-Dreifachmutante wurden hingegen 17 Gene mit erhöhter und 3 mit erniedrigter Transkription identifiziert. Die Befunde für 12 hochregulierte Gene wurden durch quantitative Real-Time RT-PCR bestätigt. Das am stärksten hochregulierte Gen arf-1.1 kodiert für eine GTPase, die vermutlich an der Regulation der Vesikelbildung beteiligt ist. Von den ebenso identifizierten Genen cdr-2, cdr-4 und pgp-9 ist bekannt, dass sie in Stresssituationen, z. B. in Gegenwart von Cadmium, verstärkt transkribiert werden. ugt-62 und ugt-19 kodieren für Glucuronosyltransferasen. Für arf-1.1, cdr-2, ugt-62 sowie für das Gen T16G1.6, das für eine coiled-coil-Domäne kodiert, wurden im Folgenden fluoreszierende Promoterkonstrukte hergestellt, um Koexpressionsmuster mit TVPs zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass alle vier Promoterkonstrukte im Darm zusammen mit SPH-1 und SCM-1 im Darm transkribiert werden. Mit fluoreszierenden Translationschimären konnte weiterhin gezeigt werden, dass ARF-1.1 und CDR-2 mit den Darm-spezifischen TVPs im apikalen Bereich der Darmzellen kolokalisieren. Um mehr über die Funktion von TVPs im Vesikelzyklus zu erfahren, wurden pharmakologische und genetische Analysen von Würmern durchgeführt, in denen die Expression des Neuronen-spezifischen SNG-1 verändert ist. Deletion oder Überexpression führte zu einer Resistenz gegenüber dem Acetylcholinesterase-Inhibitor Aldicarb und zu erhöhter Empfindlichkeit gegenüber dem GABA-Rezeptor-Antagonisten Pentylentetrazol. Auf genetischer Ebene zeigte sich, dass sng-1 synthetisch mit den Genen für Synaptotagmin-1, Endophilin A sowie Synaptojanin wirkt. Die beobachteten Effekte weisen auf alternative Funktionen in der synaptischen Übertragung hin und unterstützen zugleich die Hypothese, dass SNG-1 im synaptischen Vesikelzyklus eine wichtige Funktion erfüllt, die möglicherweise einem noch unbekannten redundanten Kompartiment-spezifischen Signalweg der synaptischen Transmission zuzuordnen ist.

Aspects of poriferan (Suberites domuncula) apoptosis and innate immune system and evolutionary implications

Survivin, a unique member of the family of inhibitors of apoptosis (IAP) proteins, orchestrates intracellular pathways during cell division and apoptosis. Its central regulatory function in vertebrate molecular pathways as mitotic regulator and inhibitor of apoptotic cell death has major implications for tumor cell proliferation and viability, and has inspired several approaches that target survivin for cancer therapy. Analyses in early-branching Metazoa so far propose an exclusive role of survivin as a chromosomal passenger protein, whereas only later during evolution the second, complementary antiapoptotic function might have arisen, concurrent with increased organismal complexity. To lift the veil on the ancestral function(s) of this key regulatory molecule, a survivin homologue of the phylogenetically oldest extant metazoan taxon (phylum Porifera) was identified and functionally characterized. SURVL of the demosponge Suberites domuncula shares significant similarities with its metazoan homologues, ranging from conserved exon/intron structures to the presence of localization signal and protein-interaction domains, characteristic of IAP proteins. Whereas sponge tissue displayed a very low steady-state level, SURVL expression was significantly up-regulated in rapidly proliferating primmorph cells. In addition, challenge of sponge tissue and primmorphs with cadmium and the lipopeptide Pam3Cys-Ser-(Lys)4 stimulated SURVL expression, concurrent with the expression of newly discovered poriferan caspases (CASL and CASL2). Complementary functional analyses in transfected HEK-293 revealed that heterologous expression of poriferan survivin in human cells not only promotes cell proliferation but also augments resistance to cadmium-induced cell death. Taken together, these results demonstrate both a deep evolutionary conserved and fundamental dual role of survivin, and an equally conserved central position of this key regulatory molecule in interconnected pathways of cell cycle and apoptosis. Additionally, SDCASL, SDCASL2, and SDTILRc (TIR-LRR containing protein) may represent new components of the innate defense sentinel in sponges. SDCASL and SDCASL2 are two new caspase-homolog proteins with a singular structure. In addition to their CASc domains, SDCASL and SDCASL2 feature a small prodomain NH2-terminal (effector caspases) and a remarkably long COOH-terminal domain containing one or several functional double stranded RNA binding domains (dsrm). This new caspase prototype can characterize a caspase specialization coupling pathogen sensing and apoptosis, and could represent a very efficient defense mechanism. SDTILRc encompasses also a unique combination of domains: several leucine rich repeats (LRR) and a Toll/IL-1 receptor (TIR) domain. This unusual domain association may correspond to a new family of intracellular sensing protein, forming a subclass of pattern recognition receptors (PRR).

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Nonclassical crystallization of bivalent metal carbonates

Nichtklassische Kristallisationen tragen heutzutage einen entscheidenden Anteil zum Verständnis von Biomineralisationsprozessen und anspruchsvoller Morphogenese in vitro bei. Die vorliegende Dissertation stellt drei neue Vertreter nichtklassischer Kristallisationen vor, die während der Fällung von Calciumcarbonat und verwandten zweiwertigen Carbonaten auftreten.rn(a) Zum ersten Male wird eine Symmetrie-brechende Phasenselektion von Calciumcarbonat beschrieben, die auf einem subtilen Wechselspiel von verketteten Gleichgewichten basiert und deren Ursache letztendlich der paritätsverletzenden Energiedifferenz (PVED) zugeschrieben wird. rn(b) Die interkristalline Minoritätskomponente eines Mesokristalles, seien es z.B. eingeschlossenes Proteine oder polymere Additive, erfahren eine Morphogenese im Sinne einer Formpressung. Dieser bislang wenig beachtete Effekt in Mesokristallen wurde zur Herstellung von Nanoröhren eingesetzt, die aus verschiedensten Materialien bestehen können (z.B. Calciumcarbonat oder Cadmiumsulfid).rn(c) Das Hauptaugenmerk dieser Dissertation liegt auf dem Auftreten eines flüssig-amorphen Intermediates während der Metallcarbonat-Präzipitation. Durch diffusionskontrollierte und kontaktfreie Versuchsführung konnte die Existenz eines solchen nichtklassischen, flüssigen Intermediates, welches der kristallinen Phase bei neutralen pH vorangeht, sicher nachgewiesen werden. rn

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.