Mechanical Alterations in airway smooth muscle after interaction with indoor pollutant – A mathematical model.

The viscoelasticity of mammalian lung is determined by the mechanical properties and structural regulation of the airway smooth muscle (ASM). The exposure to polluted air may deteriorate these properties with harmful consequences to individual health. Formaldehyde (FA) is an important indoor pollutant found among volatile organic compounds. This pollutant permeates through the smooth muscle tissue forming covalent bonds between proteins in the extracellular matrix and intracellular protein structure changing mechanical properties of ASM and inducing asthma symptoms, such as airway hyperresponsiveness, even at low concentrations. In the experimental scenario, the mechanical effect of FA is the stiffening of the tissue, but the mechanism behind this effect is not fully understood. Thus, the aim of this study is to reproduce the mechanical behavior of the ASM, such as contraction and stretching, under FA action or not. For this, it was created a two-dimensional viscoelastic network model based on Voronoi tessellation solved using Runge-Kutta method of fourth order. The equilibrium configuration was reached when the forces in different parts of the network were equal. This model simulates the mechanical behavior of ASM through of a network of dashpots and springs. This dashpot-spring mechanical coupling mimics the composition of the actomyosin machinery of ASM through the contraction of springs to a minimum length. We hypothesized that formation of covalent bonds, due to the FA action, can be represented in the model by a simple change in the elastic constant of the springs, while the action of methacholine (MCh) reduce the equilibrium length of the spring. A sigmoid curve of tension as a function of MCh doses was obtained, showing increased tension when the muscle strip was exposed to FA. Our simulations suggest that FA, at a concentration of 0.1 ppm, can affect the elastic properties of the smooth muscle ¯bers by a factor of 120%. We also analyze the dynamic mechanical properties, observing the viscous and elastic behavior of the network. Finally, the proposed model, although simple, incorporates the phenomenology of both MCh and FA and reproduces experimental results observed with in vitro exposure of smooth muscle to FA. Thus, this new mechanical approach incorporates several well know features of the contractile system of the cells in a tissue level model. The model can also be used in different biological scales.

Mechanical alterations in airway smooth muscle after interaction with indoor pollutant - A mathematical model

The viscoelasticity of mammalian lung is determined by the mechanical properties and structural regulation of the airway smooth muscle (ASM). The exposure to polluted air may deteriorate these properties with harmful consequences to individual health. Formaldehyde (FA) is an important indoor pollutant found among volatile organic compounds. This pollutant permeates through the smooth muscle tissue forming covalent bonds between proteins in the extracellular matrix and intracellular protein structure changing mechanical properties of ASM and inducing asthma symptoms, such as airway hyperresponsiveness, even at low concentrations. In the experimental scenario, the mechanical effect of FA is the stiffening of the tissue, but the mechanism behind this effect is not fully w1derstood. Thus, the aim of this study is to reproduce the mechanical behavior of the ASM, such as contraction and stretching, under FA action or not. For this, it was created a two-dimensional viscoelastic network model based on Voronoi tessellation solved using Runge-Kutta method of fourth order. The equilibrium configuration was reached when the forces in different parts of the network were equal. This model simulates the mechanical behavior of ASM through of a network of dashpots and springs. This dashpot-spring mechanical coupling mimics the composition of the actomyosin machinery of ASM through the contraction of springs to a minimum length. We hypothesized that formation of covalent bonds, due to the FA action, can be represented in the model by a simple change in the elastic constant of the springs, while the action of methacholinc (MCh) reduce the equilibrium length of the spring. A sigmoid curve of tension as a function of MCh doses was obtained, showing increased tension when the muscle strip was exposed to FA. Our simulations suggest that FA, at a concentration of 0.1 ppm, can affect the elastic properties of the smooth muscle fibers by a factor of 120%. We also analyze the dynamic mechanical properties, observing the viscous and elastic behavior of the network. Finally, the proposed model, although simple, ir1corporates the phenomenology of both MCh and FA and reproduces experirnental results observed with ir1 vitro exposure of smooth muscle to .FA. Thus, this new mechanical approach incorporates several well know features of the contractile system of the cells ir1 a tissue level model. The model can also be used in different biological scales.

On the lifecycle of aerosol particles : Sources and dispersion over Scandinavia

Aerosol particles are likely important contributors to our future climate. Further, during recent years, effects on human health arising from emissions of particulate material have gained increasing attention. In order to quantify the effect of aerosols on both climate and human health we need to better quantify the interplay between sources and sinks of aerosol particle number and mass on large spatial scales. So far long-term, regional observations of aerosol properties have been scarce, but argued necessary in order to bring the knowledge of regional and global distribution of aerosols further. In this context, regional studies of aerosol properties and aerosol dynamics are truly important areas of investigation. This thesis is devoted to investigations of aerosol number size distribution observations performed through the course of one year encompassing observational data from five stations covering an area from southern parts of Sweden up to northern parts of Finland. This thesis tries to give a description of aerosol size distribution dynamics from both a quantitative and qualitative point of view. The thesis focuses on properties and changes in aerosol size distribution as a function of location, season, source area, transport pathways and links to various meteorological conditions. The investigations performed in this thesis show that although the basic behaviour of the aerosol number size distribution in terms of seasonal and diurnal characteristics is similar at all stations in the measurement network, the aerosol over the Nordic countries is characterised by a typically sharp gradient in aerosol number and mass. This gradient is argued to derive from geographical locations of the stations in relation to the dominant sources and transport pathways. It is clear that the source area significantly determine the aerosol size distribution properties, but it is obvious that transport condition in terms of frequency of precipitation and cloudiness in some cases even more strongly control the evolution of the number size distribution. Aerosol dynamic processes under clear sky transport are however likewise argued to be highly important. Southerly transport of marine air and northerly transport of air from continental sources is studied in detail under clear sky conditions by performing a pseudo-Lagrangian box model evaluation of the two type cases. Results from both modelling and observations suggest that nucleation events contribute to integral number increase during southerly transport of comparably clean marine air, while number depletion dominates the evolution of the size distribution during northerly transport. This difference is largely explained by different concentration of pre-existing aerosol surface associated with the two type cases. Mass is found to be accumulated in many of the individual transport cases studied. This mass increase was argued to be controlled by emission of organic compounds from the boreal forest. This puts the boreal forest in a central position for estimates of aerosol forcing on a regional scale.

Cluster-derived Gold/Iron catalysts for environmental applications

During the last years we assisted to an exponential growth of scientific discoveries for catalysis by gold and many applications have been found for Au-based catalysts. In the literature there are several studies concerning the use of gold-based catalysts for environmental applications and good results are reported for the catalytic combustion of different volatile organic compounds (VOCs). Recently it has also been established that gold-based catalysts are potentially capable of being effectively employed in fuel cells in order to remove CO traces by preferential CO oxidation in H2-rich streams. Bi-metallic catalysts have attracted increasing attention because of their markedly different properties from either of the costituent metals, and above all their enhanced catalytic activity, selectivity and stability. In the literature there are several studies demostrating the beneficial effect due to the addition of an iron component to gold supported catalysts in terms of enhanced activity, selectivity, resistence to deactivation and prolonged lifetime of the catalyst. In this work we tried to develop a methodology for the preparation of iron stabilized gold nanoparticles with controlled size and composition, particularly in terms of obtaining an intimate contact between different phases, since it is well known that the catalytic behaviour of multi-component supported catalysts is strongly influenced by the size of the metal particles and by their reciprocal interaction. Ligand stabilized metal clusters, with nanometric dimensions, are possible precursors for the preparation of catalytically active nanoparticles with controlled dimensions and compositions. Among these, metal carbonyl clusters are quite attractive, since they can be prepared with several different sizes and compositions and, moreover, they are decomposed under very mild conditions. A novel preparation method was developed during this thesis for the preparation of iron and gold/iron supported catalysts using bi-metallic carbonyl clusters as precursors of highly dispersed nanoparticles over TiO2 and CeO2, which are widely considered two of the most suitable supports for gold nanoparticles. Au/FeOx catalysts were prepared by employing the bi-metallic carbonyl cluster salts [NEt4]4[Au4Fe4(CO)16] (Fe/Au=1) and [NEt4][AuFe4(CO)16] (Fe/Au=4), and for comparison FeOx samples were prepared by employing the homometallic [NEt4][HFe3(CO)11] cluster. These clusters were prepared by Prof. Longoni research group (Department of Physical and Inorganic Chemistry- University of Bologna). Particular attention was dedicated to the optimization of a suitable thermal treatment in order to achieve, apart from a good Au and Fe metal dispersion, also the formation of appropriate species with good catalytic properties. A deep IR study was carried out in order to understand the physical interaction between clusters and different supports and detect the occurrence of chemical reactions between them at any stage of the preparation. The characterization by BET, XRD, TEM, H2-TPR, ICP-AES and XPS was performed in order to investigate the catalysts properties, whit particular attention to the interaction between Au and Fe and its influence on the catalytic activity. This novel preparation method resulted in small gold metallic nanoparticles surrounded by highly dispersed iron oxide species, essentially in an amorphous phase, on both TiO2 and CeO2. The results presented in this thesis confirmed that FeOx species can stabilize small Au particles, since keeping costant the gold content but introducing a higher iron amount a higher metal dispersion was achieved. Partial encapsulation of gold atoms by iron species was observed since the Au/Fe surface ratio was found much lower than bulk ratio and a strong interaction between gold and oxide species, both of iron oxide and supports, was achieved. The prepared catalysts were tested in the total oxidation of VOCs, using toluene and methanol as probe molecules for aromatics and alchols, respectively, and in the PROX reaction. Different performances were observed on titania and ceria catalysts, on both toluene and methanol combustion. Toluene combustion on titania catalyst was found to be enhanced increasing iron loading while a moderate effect on FeOx-Ti activity was achieved by Au addition. In this case toluene combustion was improved due to a higher oxygen mobility depending on enhanced oxygen activation by FeOx and Au/FeOx dispersed on titania. On the contrary ceria activity was strongly decreased in the presence of FeOx, while the introduction of gold was found to moderate the detrimental effect of iron species. In fact, excellent ceria performances are due to its ability to adsorb toluene and O2. Since toluene activation is the determining factor for its oxidation, the partial coverage of ceria sites, responsible of toluene adsorption, by FeOx species finely dispersed on the surface resulted in worse efficiency in toluene combustion. Better results were obtained for both ceria and titania catalysts on methanol total oxidation. In this case, the performances achieved on differently supported catalysts indicate that the oxygen mobility is the determining factor in this reaction. The introduction of gold on both TiO2 and CeO2 catalysts, lead to a higher oxygen mobility due to the weakening of both Fe-O and Ce-O bonds and consequently to enhanced methanol combustion. The catalytic activity was found to strongly depend on oxygen mobility and followed the same trend observed for catalysts reducibility. Regarding CO PROX reaction, it was observed that Au/FeOx titania catalysts are less active than ceria ones, due to the lower reducibility of titania compared to ceria. In fact the availability of lattice oxygen involved in PROX reaction is much higher in the latter catalysts. However, the CO PROX performances observed for ceria catalysts are not really high compared to data reported in literature, probably due to the very low Au/Fe surface ratio achieved with this preparation method. CO preferential oxidation was found to strongly depend on Au particle size but also on surface oxygen reducibility, depending on the different oxide species which can be formed using different thermal treatment conditions or varying the iron loading over the support.

Einfluss der Landnutzungsänderung auf die Variabilität von Grundwasserneubildungs- und Sickerwasserrate - Qualitative Grundwassergefährdungsabschätzung mit einem GIS -

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines allgemeingültigen, im mittleren Maßstabsbereich durchgeführten, GIS-Bewertungsverfahrens zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate unter Berücksichtigung einer langzeitlichen Landnutzungsänderung sowie die Darstellung eines Szenarios zur Grundwassergefährdungsabschätzung für ausgewählte rüstungsspezifi-sche organische Verbindungen. Das Untersuchungsgebiet befindet sich in einem während der beiden Weltkriege stark militär- und rüstungstechnisch genutzten Raum. Die Beurtei-lungsszenarien der Grundwassergefährdung erfolgen rein qualitativ.Die Abhängigkeit der Grundwasserneubildungsrate von der Landnutzungsänderung ist deut-lich zu erkennen. Mit zunehmender Flächenversiegelung, einher gehend mit veränderten Sickerwasserraten und des oberflächennahen Abflusses, reduziert sich die Grundwasser-neubildungsrate deutlich. Die Abschätzung der Grundwassergefährdung für die sprengstofftypischen Verbindungen erfolgt im ersten Schritt emissionsbezogen für die ungesättigte Zone unter Berücksichtigung der Standort- und Bodeneigenschaften und der physikalisch-chemischen Stoffeigenschaften. Im zweiten Schritt erfolgt eine immissionsbezogene Betrachtung der potenziellen Belastun-gen von Trinkwasserbrunnen.Trotz starker Generalisierungseffekte bietet dieser stoffspezifische Bewertungsansatz in Verbindung mit physikalischen Methoden für organische Verbindungen einen guten ersten Überblick über eine potenzielle Gefährdungen des Grundwassers. Die Datenbestände der entwickelten GIS-Anwendung sind leicht erweiterbar, so dass eine Abschätzung der potenzi-ellen Gefährdung auch für andere organische Stoffgruppen sowie auch eine Übertragung auf andere Untersuchungsgebiete möglich ist.

Aluminium- und Yttrium-Initiatoren für die koordinative Ringöffnungspolymerisation von Propylenoxid

Zielsetzung ist der synthetische Zugang zu metallorganischen Verbindungen, die Propylenoxid koordinativ polymerisieren und deren Aktivität sich durch gezielte Variation der sterischen oder elektronischen Eigenschaften kontrollieren läßt. Zur Bearbeitung dieser Aufgabe werden zwei verschiedene Klassen von Komplexen synthetisiert und charakterisiert: Vorwiegend durch Salzmetathese werden mehrere Yttriumamide der allgemeinen Formel Y(NRR´)3(THF)x erhalten. Dabei erfolgt eine Diskussion der Auswirkungen sterischer und elektronischer Variation der beiden Amido-Substituenten R und R´, die sich in der Bildung von „at“-Komplexen, Lösungsmitteladdukten und größeren Aggregaten äußern. Durch Alkaneliminierung wird eine umfassende Reihe von Aluminiumkomplexen methylen- und thioverbrückter Bisphenolatoliganden dargestellt. Die Verbindungen besitzen unter Ausschluß zusätzlicher Basen dimere oder mehrkernige Strukturen, deren Diskussion schwerpunktsmäßig anhand ihres Verhaltens in Lösung erfolgt. Die Aluminiumkomplexe werden in anschließenden Reaktionen zu Lösungsmitteladdukten und Aluminaten umgesetzt.Die Yttriumamide initiieren die Ringöffnungspolymerisation von Propylenoxid bei Temperaturen von 60 oder 80 °C. Die Polymerisation erfolgt nach einem koordinativen Mechanismus, eine zu niedrige Katalysatoreffizienz schließt jedoch die Yttriumamide als Vorläufer zu definierten „single site“-Katalysatoren aus. Mit der Kombination aus neutralen Aluminiumkomplexen mit den entsprechenden Aluminaten verläuft die Ringöffnungspolymerisation von Propylenoxid bei Raumtemperatur schnell und kontrolliert. Es läßt sich ein prinzipiell neuer Mechanismus belegen, bei dem die Polymerisation unter synergistischer Wirkung eines Aluminiumphenolato-Komplexes mit dem korrespondierenden „at“-Komplex erfolgt.

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Massenspektrometrische in-situ Messungen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von natürlichem und anthropogenem Aerosol

Für die vorliegende Arbeit wurde die chemische Zusammensetzung von natürlichen und anthropogenen Aerosolpartikeln untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Aerosolmassenspektrometer (AMS) der Firma Aerodyne, Inc. eingesetzt, womit neben den chemischen Substanzen auch die Massengrößenverteilungen der einzelnen Komponenten der Aerosolpartikel in einem Größenbereich zwischen 20 und 1500 nm quantitativ gemessen werden können. Im Rahmen der HAZE2002-Messkampagne am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg wurden die Aerosolpartikel aus natürlichen Quellen untersucht. Diese Partikel bestanden aus Sulfat, Nitrat, Ammonium und organischen Komponenten (Organics). Sulfat, Nitrat und Ammonium wiesen den gleichen Durchmesser auf, was auf eine interne Mischung dieser drei chemischen Substanzen in den Partikeln hinwies. Die Organics hatten einen kleineren Durchmesser, was auf jüngere Partikel hindeutete. Die Analyse der organischen Substanzen in den Aerosolpartikeln zeigte, dass diese zu einem großen Teil aus oxidierten Kohlenwasserstoffen bestanden, die während den Nachmittagsstunden gebildet wurden. Die thermische Abhängigkeit der Bildung von Ammoniumnitrat konnte sowohl gemessen als auch mit Hilfe Konzentrationsberechnungen nach [Seinfeld und Pandis, 1998] nachvollzogen werden. Die gemessene Partikelneubildung konnte auf die ternäre Nukleation aus H2SO4/H2O/NH3 zurückgeführt werden. Aerosolpartikel aus anthropogenen Quellen, wie z.B. der motorischen Verbrennung, wurden während der Messungen in Zusammenarbeit mit dem Ford Forschungszentrum in Aachen (FFA) untersucht. Nukleationspartikel (D 45 nm) konnten bei Experimenten auf dem Rollenprüfstand nur bei einer ausreichend hohen Verdünnung, einem hohen Schwefelgehalt im Kraftstoff und einem hohen Lastzustand nachgewiesen werden. Die Messungen an der Autobahn A4 ergaben eine bimodale Massengrößenverteilung der organischen Partikel, wobei die erste Mode Partikeln aus der motorischen Verbrennungen zugeschrieben werden konnte. Aufgrund der guten Charakterisierung stellt das AMS ein vielseitig einsetzbares Aerosolmessgerät dar, welches in einer hohen Zeitauflösung eine quantitative, größenaufgelöste chemische Analyse der zu messenden Aerosolpartikel bereitstellt.

Polymorphs solvates and co-crystals of molecular materials

The scope of my research project is to produce and characterize new crystalline forms of organic compounds, focusing the attention on co-crystals and then transferring these notions on APIs to produce co-crystals of potential interest in the pharmaceutical field. In the first part of this work co-crystallization experiments were performed using as building blocks the family of aliphatic dicarboxylic acids HOOC-(CH2)n-COOH, with n= 2-8. This class of compounds has always been an object of study because it is characterized by an interesting phenomenon of alternation of melting points: the acids with an even number of carbon atoms show a melting point higher than those with an odd one. The acids were co-crystallized with four dipyridyl molecules (formed by two pyridine rings with a different number of bridging carbon atoms) through the formation of intermolecular interactions N•••(H)O. The bases used were: 4,4’-bipyridine (BPY), 1,2-bis(4-pyridyl)ethane (BPA), 1,2-(di-4-pyridyl)ethylene (BPE) and 1,2-bis(4-pyridyl)propane (BPP). The co-crystals obtained by solution synthesis were characterized by different solid-state techniques to determine the structure and to see how the melting points in co-crystals change. In the second part of this study we tried to obtain new crystal forms of compounds of pharmaceutical interest. The APIs studied are: O-desmethylvenlafaxine, Lidocaine, Nalidixic Acid and Sulfadiazine. Each API was subjected to Polymorph Screening and Salt/Co-crystal Screening experiments to identify new crystal forms characterized by different properties. In a typical Salt/Co-crystal Screening the sample was made to react with a co-former (solid or liquid) through different methods: crystallization by solution, grinding, kneading and solid-gas reactions. The new crystal forms obtained were characterized by different solid state techniques (X-ray single crystal diffraction, X-ray powder diffraction, Differential Scanning Calorimetry, Thermogravimetric Analysis, Evolved gas analysis, FT-IR – ATR, Solid State N.M.R).

Modeling, design and experimental characterization of Micro-Electro-Mechanical-Systems for gas chromatographic applications

Design parameters, process flows, electro-thermal-fluidic simulations and experimental characterizations of Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) suited for gas-chromatographic (GC) applications are presented and thoroughly described in this thesis, whose topic belongs to the research activities the Institute for Microelectronics and Microsystems (IMM)-Bologna is involved since several years, i.e. the development of micro-systems for chemical analysis, based on silicon micro-machining techniques and able to perform analysis of complex gaseous mixtures, especially in the field of environmental monitoring. In this regard, attention has been focused on the development of micro-fabricated devices to be employed in a portable mini-GC system for the analysis of aromatic Volatile Organic Compounds (VOC) like Benzene, Toluene, Ethyl-benzene and Xylene (BTEX), i.e. chemical compounds which can significantly affect environment and human health because of their demonstrated carcinogenicity (benzene) or toxicity (toluene, xylene) even at parts per billion (ppb) concentrations. The most significant results achieved through the laboratory functional characterization of the mini-GC system have been reported, together with in-field analysis results carried out in a station of the Bologna air monitoring network and compared with those provided by a commercial GC system. The development of more advanced prototypes of micro-fabricated devices specifically suited for FAST-GC have been also presented (silicon capillary columns, Ultra-Low-Power (ULP) Metal OXide (MOX) sensor, Thermal Conductivity Detector (TCD)), together with the technological processes for their fabrication. The experimentally demonstrated very high sensitivity of ULP-MOX sensors to VOCs, coupled with the extremely low power consumption, makes the developed ULP-MOX sensor the most performing metal oxide sensor reported up to now in literature, while preliminary test results proved that the developed silicon capillary columns are capable of performances comparable to those of the best fused silica capillary columns. Finally, the development and the validation of a coupled electro-thermal Finite Element Model suited for both steady-state and transient analysis of the micro-devices has been described, and subsequently implemented with a fluidic part to investigate devices behaviour in presence of a gas flowing with certain volumetric flow rates.

Isolierung und Charakterisierung von Spirochaeten aus dem Termitendarm

Termiten beherbergen in ihrem Darm eine einzigartige Flora aus Bakterien, Archaeen, Flagellaten und Hefen. Diese symbiontische mikrobielle Gemeinschaft ist am Abbau von komplexen organischen Verbindungen beteiligt und ermöglicht es den Termiten schwer abbaubares Material wie Holz als Nahrungsquelle zu nutzen. Spirochaeten, eine Gruppe beweglicher Bakterien die sich durch ihre besondere Morphologie und Art der Fortbewegung von allen anderen Mikroorganismen abgrenzen lassen, gehören zu den häufigsten Bakterien im Termitendarm. Ziel der Arbeit war die Isolierung und Charakterisierung bislang unbekannter Spirochaeten aus Termitendärmen. Aus drei niederen Termitenarten konnten sechs spirochaetale Stämme gewonnen und identifiziert werden. Die Isolate ließen sich anhand der 16S rRNA Gensequenzen den Gattungen Treponema und Spirochaeta zuordnen. Im Gegensatz zu allen bislang charakterisierten Spirochaeten zeigte der Stamm SPN1 aus der Termite Neotermes castaneus eine kokkoide Zellform und war unbeweglich. Der Organismus wurde daher als neue Art, Spirochaeta coccoides sp. nov., beschrieben. Bei allen gewonnenen Isolaten handelt es sich um strikt anaerobe Organismen die verschiedene Mono-, Di- und Oligosaccharide fermentieren. Als wesentliche Stoffwechselprodukte konnten Acetat und Ethanol (sowie Formiat bei einem Stamm) identifiziert werden. Weiterhin konnten bei den untersuchten Stämmen eine Reihe von enzymatischen Aktivitäten nachgewiesen werden, die für den Abbau von Lignocellulose im Termitendarm von Bedeutung sind. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Spirochaeten eine wichtige Rolle bei der Fermentation von Abbauprodukten der Lignocellulose im Termitendarm spielen.

Campionamento e determinazione di sostanze rilevanti per la valutazione della capacità ossidante dell’atmosfera e studio del loro effetto sui materiali ceramici

Carbonyl compounds are very important volatil organic compounds receiving increasing attention due to their critical role in tropospheric organic chemistry and to their effects on human health. They are first photo-oxidation stage of almost all organic compounds and originators of free radicals (OH, O3...). Therfore, continuous determination of their atmospheric concentrations is essential. Currently, field measurements are very limited mainly because of the analytical challenges posed by trace concentrations and interferences arising from atmospheric co-pollutants. Additionally, hydroxyl radical (OH) plays a central role in atmospheric chemistry processes. The measurement of atmospheric OH concentrations is essential for the comprehension of atmospheric chemical and photochemical processes. In this context, objectives of this work were: To perform a continuous survey of atmospheric concentrations of carbonyl compounds on different sites around the area of Bologna. For this purpose, an automatic instrument for the continuous measurement (one hour of time resolution) was developed and used. Additionally, the development of a complete and original analytical method was realised. To develop an original OH generation system in order to evaluate the effect of OH and the reactivity of solid and/or liquid materials of interest. This included the validation of an analytical method for the quantification of OH concentrations generated. Effect of OH on ceramic materials and reactivity of snow surface samples, involved as sink of OH in atmospheric chemistry, were evaluated.

Application of innovative methods of source apportionment in air contamination assessment

In this work, new tools in atmospheric pollutant sampling and analysis were applied in order to go deeper in source apportionment study. The project was developed mainly by the study of atmospheric emission sources in a suburban area influenced by a municipal solid waste incinerator (MSWI), a medium-sized coastal tourist town and a motorway. Two main research lines were followed. For what concerns the first line, the potentiality of the use of PM samplers coupled with a wind select sensor was assessed. Results showed that they may be a valid support in source apportionment studies. However, meteorological and territorial conditions could strongly affect the results. Moreover, new markers were investigated, particularly focusing on the processes of biomass burning. OC revealed a good biomass combustion process indicator, as well as all determined organic compounds. Among metals, lead and aluminium are well related to the biomass combustion. Surprisingly PM was not enriched of potassium during bonfire event. The second research line consists on the application of Positive Matrix factorization (PMF), a new statistical tool in data analysis. This new technique was applied to datasets which refer to different time resolution data. PMF application to atmospheric deposition fluxes identified six main sources affecting the area. The incinerator’s relative contribution seemed to be negligible. PMF analysis was then applied to PM2.5 collected with samplers coupled with a wind select sensor. The higher number of determined environmental indicators allowed to obtain more detailed results on the sources affecting the area. Vehicular traffic revealed the source of greatest concern for the study area. Also in this case, incinerator’s relative contribution seemed to be negligible. Finally, the application of PMF analysis to hourly aerosol data demonstrated that the higher the temporal resolution of the data was, the more the source profiles were close to the real one.

Isoprene oxidation and its impacts on the atmospheric composition

Terrestrische Vegetation, vor allem tropischer Regenwald, emittiert grosse Mengen flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) in die rnAtmosphäre, die durch Oxidationsreaktionen und Deposition der Reaktionsprodukte wieder entfernt werden. Die Oxidation wird vor allem durch Hydroxyl-Radikale (OH) initiiert, die hauptsächlich durch Photodissoziation von Ozon gebildet werden. Zuvor ging man davon aus, dass biogene VOCs OH in unverschmutzter Luft abbauen und dadurch die atmosphärische Oxidationskapazität verringern. Umgekehrt, führt rndie Oxidation von VOCs in verschmutzter Luft durch die katalytische Wirkung von Stickstoffoxiden (NOx = NO + NO2) zu schädlicher Oxidationsmittelbildung. Flugzeugmessungen atmosphärischer Spurengase, die über dem unberührten Amazonas-Regenwald durchgeführt worden sind, haben jedoch unerwartet hohe OH-Konzentrationen aufgezeigt. Das VOC mit der höchsten Emission in dieser Region war Isopren, dessen Oxidation als stärkeste OH-Senke berechnet wurde. In dieser Arbeit wurde die Hypothese genauestens untersucht, dass die natürliche Isopren-Oxidation in niedrig-NOx Luft OH effizient erneuert. Es wurde ein sehr detaillierter Oxidationsmechanismus für Isopren entwickelt, in dem neueste experimentelle und theoretische Fortschritte umgesetzt worden sind. Die Haupt-OH-Rückgewinnungswege wurden angewendet wodurch gezeigt wurde, dass sie wesentlich zur Oxidation unter niedrig-NOx Bedingungen beitragen. Verstärkte OH-Konzentrationen blieben unter verminderten Lichtverhältnissen, wie sie unter dichten Vegetationsdächern typisch sind, dauerhaft erhalten. Im Vergleich zu Flugzeugmessungen, der neue Oxidationsmechanismus reproduziert die OH-Konzentrationen innerhalb des Unsicherheitsbereiches. Darüber hinaus zeigten Simulationen eine erhebliche Produktion eines Isopren-Dihydroxyepoxids, das ein potenziell wichtiger Vorläufer organischer Aerosole in der Atmosphäre sein könnte. Es wurde einen neuen vereinfachten Oxidationsmechanismus auf Basis des traditionellen Wissenstands entwickelt und seine Anwendung für globale atmosphärische Studien getestet. Die Eingliederung der neuen Oxidationswege in diesen Mechanismus ermöglicht es folgende Auswirkungen der verstärkten VOC-Oxidation zu studieren die Zusammensetzung der Atmosphäre, den Austausch zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre, Aerosole und Klima.

Leaf level VOC emissions of single plants from Amazonian and Mediterranean ecosystems: Ontogeny and flooding as stress factor for VOC emissions

Die Vegetation ist die wichtigste Quelle von organischen flüchtigen Verbindungen (auf Englisch volatile organic compounds,VOCs), die einen bemerkenswerten Einfluss auf der Chemie und Physik der Atmosphäre haben. VOCs beeinflussen die oxidative Kapazität der Atmosphäre und tragen zu der Bildung und zum Wachstum von sekundären organischen Aerosolen bei, welche einerseits eine Streuung und Reflektierung der Energie verursachen und andererseits sich an der Bildung und Entwicklung von Wolken beteiligen. Ziel dieser Arbeit war die Beschreibung und der Vergleich von VOC Emissionen aus Pflanzen aus zwei verschiedenen Ökosystemen: Mediterranes Ökosystem und Tropisches Ökosystem. Für diese Aufgabe wurden gewöhnliche Pflanzen von beiden Ökosystemen untersucht. Siebzehn Pflanzenspezies aus der Mittelmeergebiet, welches bekannt ist für seine Vielfalt an VOC emittierenden Pflanzen, wurden in die Untersuchungen einbezogen. Im Gegensatz zum mediterranen Ökosystem sind nur wenig Information verfügbar über VOC Emissionen aus Blättern tropischer Baumspezies. Vor diesem Hintergrund wurden sechsundzwanzig Baumspezies aus verschiedenen Ökotypen des Amazonasbeckens (Terra firme, Várzea und Igapó) wurden auf VOC Emissionen auf Blattebene mit einem Küvetten-System untersucht. Analysen von flüchtigen organischen Verbindungen wurden online mit PTR-MS und offline mittels Sammlung auf entsprechenden Adsorbern (Kartuschen) und nachfolgender GC-FID Analyse untersucht. Die höchsten Emissionen wurden für Isoprene beobachtete, gefolgt durch Monoterpene, Methanol und Aceton. Die meisten Mittelmeer Spezies emittierten eine hohe Vielfalt an Monoterpenspezies, hingegen zeigten nur fünf tropische Pflanzenspezies eine Monoterpene mit einen sehr konservativen Emissionsprofil (α-Pinen>Limonen>Sabinen >ß-Pinen). Mittelmeerpflanzen zeigten zusätzlich Emissionen von Sesquiterpenen, während bei der Pflanzen des Amazonas Beckens keine Sesquiterpenemissionen gefunden wurden. Dieser letzte Befund könnte aber auch durch eine niedrigere Sensitivität des Messsystems während der Arbeiten im Amazonasgebiet erklärt werden. Zusätzlich zu den Isoprenoidemissionen waren Methanolemissionen als Indikator für Wachtumsvorgänge sehr verbreitet in den meisten Pflanzenspezies aus tropischen und mediterranen Gebieten. Einige Pflanzenspezies beider Ökosystemen zeigten Acetonemissionen. rnrnVOC Emissionen werde durch eine große Vielfalt an biotischen und abiotischen Faktoren wie Lichtintensität, Temperatur, CO2 und Trockenheit beeinflusst. Ein anderer, öfter übersehener Faktor, der aber sehr wichtig ist für das Amazonas Becken, ist die regelmäßige Überflutung. In dieser Untersuchung wir fanden heraus, dass am Anfang einer Wurzelanoxie, die durch die Überflutung verursacht wurde, Ethanol und Acetaldehyd emittiert werden können, vor allem in Pflanzenspezies, die schlechter an eine unzureichende Sauerstoffversorgung bei Flutung adaptiert sind, wie z.B. Vatairea guianensis. Die Spezies Hevea spruceana, welche besser an Überflutung adaptiert ist, könnte möglicherweise der gebildete Ethanol sofort remetabolisieren ohne es zu emittieren. Nach einer langen Periode einer Überflutung konnte allerdings keine Emission mehr beobachtet werden, was auf eine vollständige Adaptation mit zunehmender Dauer schließen lässt. Als Reaktion auf den ausgelösten Stress können Isoprenoidemissionen ebenfalls kurzfristig nach einigen Tage an Überflutung zunehmen, fallen dann aber dann nach einer langen Periode zusammen mit der Photosynthese, Transpiration und stomatäre Leitfähigkeit deutlich ab.rnrnPflanzen Ontogenese ist anscheinend von Bedeutung für die Qualität und Quantität von VOC Emissionen. Aus diesem Grund wurden junge und erwachsene Blätter einiger gut charakterisierten Pflanzen Spezies aus dem Mittelmeerraum auf VOC Emissionen untersucht. Standard Emissionsfaktoren von Isopren waren niedriger in jungen Blättern als in erwachsene Blätter. Hingegen wurden höhere Monoterpen- und Sesquiterpenemissionen in jungen Blätter einiger Pflanzenspezies gefunden. Dieser Befund deutet auf eine potentielle Rolle dieser VOCs als Abwehrkomponenten gegen Pflanzenfresser oder Pathogene bei jungen Blätter hin. In einigen Fällen variierte auch die Zusammensetzung der Monoterpen- und Sesquiterpenspezies bei jungen und erwachsenen Blättern. Methanolemissionen waren, wie erwartet, höher in jungen Blättern als in ausgewachsenen Blättern, was mit der Demethylierung von Pectin bei der Zellwandreifung erklärt werden kann. Diese Befunde zu Änderungen der Emissionskapazität der Vegetation können für zukünftige Modellierungen herangezogen werden. rn