Studienabschlussarbeiten am Institut

Kondensation von Wasserdampf auf Festkörperoberächen ist ein Prozess, der Bedeutung in Themenfelder wie z.B. dem Wasserhaushalt in der Landwirtschaft, der technischen Trinkwassergewinnung, der chemischen Reaktionstechnik, dem Eiswachstum oder der meteorologischen Messtechnik, Bedeutung hat. Diese Arbeit behandelt Kondensationsprozesse auf Siliziumnitridoberächen Si 3 N 4 als Schichtmaterial von Streufeldfeuchtesensoren in der einfachen Feuchtemesstechnik. Ein interferometrischer Messplatz wurde aufgebaut, um die Kondensationstropfen an Oberächen in Zeit und Höhe zu vermessen. Es wurden Messungen mit 2 K, 4 K und 10 K unterhalb vom Taupunkt durchgeführt. Die Taupunkte lagen im Bereich von 7˚ C bis 12˚ C. Die Reinigung der Siliziumnitridproben erfolgte entweder mit Seifenlauge, Ethanol oder mit partikelfreiem Wasser. Der Einuss der Reinigung auf den Tropfenwachstum ist untersucht worden. Darüberhinaus wurden Kondensationsprozesse von Wasser auf Objektträgerglas untersucht. Die Höhenzunahmen der Tropfen auf den Si 3 N 4 -Oberächen liegen im Bereich zweistelligen Nanometer pro Sekunde. Die Belegungsmenge von Kondenswasser war im Bereich von 10 -5 bis 10 -4 [my] l / mm 2 . Seifengereinigtes Siliziumnitrid zeigte gleichmäßiges und schnelles Tropfenwachstum und ebenso Verdunstung, während Reinigung mit Ethanol hemmend wirkte. Die Reinigung mit partikelfreiem Wasser hatte keine besonderen Einuss auf die Proben. Es zeigte sich, dass Strukturelemente der Si 3 N 4 -Schicht großen Einuss auf das Tauverhalten haben.

Das Vorliegen der Silber-Nanoprismen als ein Ensemble mit relativ einheitlichen Eigenschaften ermöglichte die Detektion geringer Veränderungen der Nanoprismen in Gegenwart des Fe(III) mittels zyklischer zeitaufgelöster UV/VIS-Spektrophotometrie. Anhand dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass das Verhalten der Silber-Nanoprismen bei einer systematischen Erhöhung der zugegebenen Fe(III)-Konzentration in drei Bereiche zu unterscheiden ist. Geringe Konzentrationen des Fe(III) lösen keine signifikanten Veränderungen an den Silber-Nanoprismen aus. Das zugegebene Fe(III), in einem moderaten Konzentrationsbereich, löst hingegen Prozesse an oder in den Nanoprismen aus, welche vermutlich auf elektronischen Effekten beruhen. Eine weitere Erhöhung der Fe(III)-Konzentration bedeutet das Erreichen einer kritischen Konzentration, welche einen vermutlich oxidativen Ätzprozess an den Nanoprismen auslöst. Das beobachtete Verhalten der untersuchten Silber-Nanoprismen entspricht hier dem aus der Literatur bekannten Verhalten von Silber-Nanoprismen in Gegenwart verschiedener Effektoren bei einer ablaufenden Transformation der Nanoprismen zu Nanodiscs. Eine entsprechend hohe Konzentration des Fe(III) führt zu einer Auflösung der Silber-Nanoprismen. Neben dem Absorptionsverhalten wurde auch das Zetapotential der Nanopartikellösungen bestimmt, welches bei einer zunehmenden Effektorkonzentration ansteigt und damit die Verringerung der kolloidalen Stabilität wiedergibt. Es konnte außerdem festgestellt werden, dass die elektronischen Effekte bei moderaten Konzentration des Fe(III) wie auch der daran anschließende oxidative Ätzprozess eine Konzentrationsabhängigkeit aufweisen. Hierbei bedeutet eine höhere Effektorkonzentration eine zunehmende Rate der Änderung der Absorption. Es besteht zusätzliche eine Abhängigkeit zwischen der Partikeldichte der Silber-Nanoprismensuspension und der Fe(III)-Konzentration. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Einfluss des Molekulargewichts des PSSS nicht nur zu verschieden großen Nanoprismen führt, sondern auch, dass das Verhalten dieser in Gegenwart von Fe(III) ebenfalls gewisse Unterschiede aufweist.

In den vergangenen Jahren kam es zu einem verstärkten Auftreten von Infektionskrankheiten, welche durch Legionella pneumophila (p.) oder einer der anderen einundzwanzig bekannten humanpathogenen Legionella Spezies verursacht wurden. In den Jahren zwischen 2005 und 2011 lag die durchschnittliche Anzahl dieser Infektionen insgesamt in Deutschland im mittleren dreistelligen Bereich mit einer zunehmenden Tendenz [SM12]. Diese Fälle verliefen mit einer Letalität von 4,3 bis 8,1 Prozent [SM12]. In der Europäischen Union (EU) stieg die Infektionsrate an Legionellosen in den Jahren 1993 bis 2008 von 4,1 Erkrankungen je einer Million Einwohner auf 11,8 [JR+10]. Dieser Umstand führte in der EU zum Überdenken des gängigen Standards. Die daraus resultierende Testpflicht für alle Warmwasseranlagen ab 400 Liter Speichervolumen gehört zu den weitreichendsten Änderungen der Trinkwasserverordnung in den vergangen Jahren. Um den daraus resultierenden Anforderungen zu entsprechen und einen immensen Kostenanstieg durch die stark gestiegene Anzahl der Beprobungen zu vermeiden, ist es notwendig, eine schnelle Aussage vor Ort zu einer möglichen Gesundheitsgefährdung durch Pathogene, zu ermöglichen. Die alleinige Bestimmung der Anzahl an Genomkopien in der Probe ist für die Trinkwasseranalytik und für die darauf aufbauende Sanierungsüberwachung jedoch nicht ausreichend. Nur eine Aussage über die Vermehrungsfähigkeit der Mikroorganismen ermöglicht endgültige Entscheidungen, ob ein Gesundheitsrisiko für die Nutzer der Hauswasserinstallation besteht. Heutzutage gängige Systeme, wie zum Beispiel auf Antigenen beruhende, sind nicht oder nur unzureichend in der Lage, lebende von toten Erregern zu unterscheiden und erreichen oftmals nicht die geforderte Nachweisgrenze [JFA+06, RLL+02]. Die Verfahren, welche die geforderte Nachweisgrenze realisieren können, sind im Regelfall Zellkulturverfahren. Diese sind aber langwierig und kostenintensiv [WBW01]. Es angestrebt, eine Schnellnachweismethode für die Detektion, Klassifizierung und Aktivitätsanalyse zu entwickeln. Für diesen Zweck ist eine molekularbiologische Methode wie eine Reverse Transkriptase (RT) Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die in ein fluidisches System implementiert und als Kartusche ausgeführt werden kann, angedacht. Die gestellten Anforderungen an das neue System könnten durch die Kombination einer chipbasierten RT-PCR mit einem elektrochemischen Array umgesetzt werden. Im System integriert ist eine vorgeschaltete Separation mittels modifizierter Partikel (Beads) oder Systemoberflächen denkbar.

In der vorliegenden Arbeit sollen Technologien für die Nutzung von Cell-Sheet-Layer-Systemen in der Zellkulturtechnik oder dem Tissue Engineering entwickelt werden. Exemplarisch soll dies für die biologischen Systeme "Leber" und "hämatopoietische Stammzellnische" erfolgen. Für das Tissue Engineering der Leber werden Technologien beschrieben, welche eine lokal begrenzte chemische Oberflächenmodifikation im und nach dem Mikrothermoformprozess ermöglichen. Diese Technologien werden mit verschiedene Stoffen in Zellkulturexperimenten evaluiert und anschließend miteinander verglichen. Dabei konnte die Methode des "3D microcontact printing" als Methode zur gezielten Zelladhäsion etabliert werden. Des Weiteren wird ein Prinzip zur gezielten Stapelung thermogeformter Folien demonstriert. Dabei zeigte sich, dass das Prinzip der Faltkantenpositionierung eine vielversprechende Methode zur gezielten Stapelung thermogeformter Folien ist. Für die Nutzung von Cell-Sheet-Layer-Systemen in der Zellkulturtechnik wird gezeigt, inwieweit Heißprägen und Mikrothermoformen zum Strukturieren von thermoplastsichen Folien geeignet sind. Beide Methoden werden zum Nachbau der hämatopoietischen Stammzellnische eingesetzt. Für diese physikalische Strukturierung der Folien sind mikrostrukturierteWerkzeuge notwendig. Darum wurden aus biologischen Proben Bilddaten des trabekulären Knochens und des Knochenmarks gewonnen und diese Strukturen zum Design photolithografischer Masken genutzt. Für das Extrahieren der Strukturen aus Bilddateien werden verschiedene Algorithmen der Binärbilderstellung in MATLAB getestet. Dabei kamen Algorithmen zur Kantendetektion und zur lokalen Schwellenwertberechnung zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, dass für die Kantendetektion der Algorithmus nach Canny und für die lokale Schwellenwertberechnung der Algorithmus nach Niblack die besten Resultate erzielen. Die so extrahierten Strukturen konnten erfolgreich im Heißprägeprozess eingesetzt werden. Eine weitere Modifikation der so strukturierten Folien mit Topologien trabekulären Knochens konnte im Mikrothermoformprozess durchgeführt werden.

Ziel der hier vorliegenden Masterarbeit ist die Synthese und die Charakterisierung von Phosphor-dotierten-Kohlenstoffnanoröhren. Die Herstellung von Phosphor-dotierten- Kohlenstoffnanoröhren erfolgte mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsanlage. Die Kohlenstoffnanoröhren wurden aus einer Lösung hergestellt. In dieser diente Triphenylphosphan als Phsophorquelle und Ferrocen als Katalysator. Die synthetisierten Kohlenstoffnanoröhren sollten sich auf oxidierten Siliziumwafern abscheiden. Die Phosphor-dotierten-Kohlenstoffnanoröhren wurden mittels verschiedener Analysemethoden untersucht, unter anderem mit Transmissionselektronenmikroskop, energiedisiperser Röntgenstrahlungsanalyse und thermoanalytischen Methoden. Für eine mögliche Anwendung als elektrochemischer Sensor wurden Phosphor-dotierte-Kohlenstoffnanoröhren mittels zyklischer Voltammetrie untersucht. Hierfür wurden die Phosphor-dotierten-Kohlenstoffnanoröhren als Arbeitselektrode genutzt. Analysiert wurde das Red/Ox-Paar [Fe(CN)_{6}]^{3-/4-} in einer verdünnten Kaliumchloridlösung.