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Institut für Detektionstechnologien (IDT)

Praxisphase, Bachelorarbeiten, Masterarbeiten SoSe 2022

Interessiert an Instrumenteller Analytik, Sensorik, Innovativen Ideen und Forschungsarbeiten?
BACHELOR THESIS
Troubleshooting in der Quantifizierung von organischen Volatilen (VOCs) mittels Thermo-desorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TD-GC-MS)
Kurzbeschreibung

Organische Volatile (volatile organic compounds – VOCs) spielen in vielen Bereichen des Lebens eine wichtige Rolle. Vom Arbeitsschutz über Klimadiskussion bis hin zur gesundheitlichen Untersuchung von Lebewesen – die zuverlässige Analyse von VOCs gewinnt an Bedeutung. Aufgrund der geringen Konzentration von VOCs in der Luft, ist ein Anreicherungsschritt vor der eigentlichen instrumentellen Analyse häufig unvermeidbar. Eine dafür gerne genutzte Methode ist die Anreicherung auf einem festen Adsorbens mit anschließender thermischer Desorption und Analyse mittels GC-MS (Gaschromatographie-Massenspektrometrie). Der Anreicherungsschritt birgt jedoch aufgrund der Komplexität der Gasphase einige Fehlerquellen.
Ziel dieser Abschlussarbeit ist der Vergleich verschiedener Methoden zur Herstellung repräsentativer Standards für eine reproduzierbare, verlässliche Quantifizierung. Doch wie können für die Probe repräsentative Standards hergestellt werden? Welchen Einfluss haben verschiedene Probenaufgabemöglichkeiten? Von welchen Faktoren hängt die Adsorption der Substanzen ab? Welchen Einfluss hat die Luftfeuchtigkeit, die Temperatur und so weiter.?
Die Aufgabe in der zu vergebenden Arbeit unterteilt sich in mehrere Arbeitsschritte:

  • Methodenentwicklung an der TD-GC-MS zur Analyse eines selbst hergestellten Stoffgemischs aus synthetischen Standards
  • Vergleich verschiedener Probenaufgabesysteme zur Herstellung von Standards
  • Falls möglich, Validierung eines oder mehrerer Probenherstellungsverfahren
Zuordnung zu laufenden Projekten

Campus to World, Institut für Sicherheitsforschung

Ansprechpartner

Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen

  • Interesse an instrumenteller Analytik
  • präzises und sorgfältiges analytisches Arbeiten
  • Experimentierfreudigkeit und Kreativität
  • naturwissenschaftliches Studium (Bachelor of Science)
     
​​​​​BACHELOR THESIS, MASTER THESIS

Methodenentwicklung zur Analyse von organischen Volatilen (VOCs) mittels fast-Gas-chromatographie-Protonentransferreaktion-Flugzeitmassenspektrometrie (fastGC-PTR-TOF-MS)

Kurzbeschreibung

Organische Volatile (volatile organic compounds – VOCs) spielen in vielen Bereichen des Lebens eine wichtige Rolle. So geben biogene VOCs beispielsweise Hinweise zum gesundheitlichen Zustand von Pflanzen und Tieren und ermöglichen unter anderem die Detektion von Quarantäneschädlingen.
Aufgrund der geringen Konzentration von VOCs in der Luft, ist ein Anreicherungsschritt vor der eigentlichen instrumentellen Analyse häufig unvermeidbar. Eine dafür gerne genutzte Methode ist die Anreicherung auf einem festen Adsorbens mit anschließender thermischer Desorption. Die Kopplung mit einer GC-MS (Gaschromatographie-Massenspektrometrie) hat sich etabliert, ist jedoch aufgrund der Analysendauer zeitaufwändig. Eine Alternative stellt das PTR-TOF-MS (Protonentransferreaktion-Flugzeit-Massenspektrometer) dar, welches die Echtzeitanalyse von geringsten Konzentrationen an VOCs (ppb-Bereich) ermöglicht. Lässt sich die Thermodesorption auch mit diesem Verfahren koppeln? Falls ja, lässt sich darüber auch eine Trennung von Gemischen ermöglichen und somit eine einfachere Auswertung des Massenspektrums?
Diesen beiden Fragstellungen auf den Grund zu gehen, obliegt einer/einem Bachelorant:in bzw. Masterant:in.
Dazu zählen mitunter die Methodenentwicklung der TD-PTR-TOF-MS Kopplung sowie der Vergleich zur etablierten TD-GC-MS mit abschließender Anwendung an Pflanzen und/oder Quarantäneschädlingen.
Die Aufgabe in der zu vergebenden Arbeit unterteilt sich in mehrere Arbeitsschritte:

  • Methodenentwicklung TD-PTR-TOF-MS mit Hilfe von synthetischen Standards
  • Methodenvergleich hinsichtlich der qualitativen Analyse von VOCs mittels TD-PTR-TOF-MS vs. TD-GC-MS
  • Anwendung der entwickelten Methode an Pflanzen und/oder Quarantäneschädlingen
Zuordnung zu laufenden Projekten

PräventinS, Institut für Sicherheitsforschung

Ansprechpartner

Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an instrumenteller Analytik, insbesondere an hochmodernen Technologien
  • Experimentierfreudigkeit und Kreativität
  • naturwissenschaftliches Studium (Master of Science bevorzugt, Bachelor of Science Fragestellung in gekürzter Version)
     
MASTER THESIS

Entwicklung und Vergleich Thermodesorptionsbasierter Methoden zur Analyse von organischen Volatilen (VOCs) – TD-PTR-TOF-MS vs. TD-GC-MS

Kurzbeschreibung

Organische Volatile (volatile organic compounds – VOCs) spielen in vielen Bereichen des Lebens eine wichtige Rolle. So geben biogene VOCs beispielsweise Hinweise zum gesundheitlichen Zustand von Pflanzen und Tieren und ermöglichen unter anderem die Detektion von Quarantäneschädlingen. Die Analyse mittels TD-GC-MS hat sich etabliert, ist jedoch durch die Probenahmedauer und Analysendauer zeitaufwändig. Daher wurde das PTR-TOF-MS entwickelt, welches die Echtzeitanalyse von geringsten Konzentrationen an VOCs (ppb-Bereich) ermöglicht. Ohne chromatographische Trennung lassen sich jedoch nur schwierig Isomere trennen, was für eine spezifische Analyse von essentieller Bedeutung ist.
Eine mögliche Lösung ist die Kopplung einer fastGC mit dem hochsensiblen PTR-TOF-MS, wodurch die Analyse innerhalb weniger Sekunden bis Minuten erfolgen kann.
Die Erweiterung um eine fastGC wurde im Herbst 2021 vorgenommen und soll im Rahmen einer Abschlussarbeit erprobt werden. Dazu zählen die Methodenentwicklung sowie der Vergleich zum Direkteinlass und zur etablierten Referenzanalytik der TD-GC-MS mit abschließender Anwendung an Pflanzen und/oder Quarantäneschädlingen. Nach Möglichkeit soll dieses Verfahren validiert werden.
Die Aufgabe in der zu vergebenden Arbeit unterteilt sich in mehrere Arbeitsschritte:

  • Methodenentwicklung fastGC-PTR-TOF-MS mit Hilfe von synthetischen Standards
  • Methodenvergleich hinsichtlich der Qualifizierung und Quantifizierung von VOCs mittels fastGC-PTR-TOF-MS vs. PTR-TOF-MS vs. TD-GC-MS
  • Anwendung der entwickelten Methode an Pflanzen und/oder Quarantäneschädlingen
  • Methodenvalidierung
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PräventinS, Institut für Sicherheitsforschung

Ansprechpartner

Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an instrumenteller Analytik, insbesondere an hochmodernen Technologien
  • Experimentierfreudigkeit und Kreativität
  • naturwissenschaftliches Studium (Master of Science)
     
MASTER THESIS

Charakterisierung synthetisierter Silbernanopartikel (Ag-NP) mittels DLS und REM - Vergleich der katalytischen Wirkung durch RGB-Auswertung in Abhängigkeit der Partikelgröße und des hydrodynamischen Radius

Kurzbeschreibung

Silbernanopartikel (Ag-NP) werden als Katalysatoren in chemischen Reaktionen genutzt, z.B. zur kolorimetrischen Detektion von Wasserstoffperoxid (H2O2).
Innerhalb einer erfolgreichen Machbarkeitsstudie wurden Ag-NP in elektrogesponnene Polymerfasern eingebunden, um als Katalysator in einem H2O2-Sensor zu fungieren. Nach direktem Kontakt des polymerbasierten Sensors mit H2O2 entsteht ein für das bloße Auge sichtbarer Farbumschlag von weiß nach blau.
Da die Reaktionsgeschwindigkeit maßgeblich durch die Konzentration, Größe und Form der kolloidalen Ag-NP in der Dispersion beeinflusst wird, besteht nun die Aufgabe in der Herausarbeitung der Abhängigkeit von der Partikelgröße und des hydrodynamischen Radius der Ag-NP in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit.
Die Aufgabe in der zu vergebenden Arbeit unterteilt sich in mehrere Arbeitsschritte:

  • Synthese von Ag-NP mit unterschiedlichen Partikelgrößen
  • Charakterisierung der Ag-NP mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) und Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Herstellung der elektrogesponnenen Sensoren
  • RGB-Auswertungen der Reaktionsgeschwindigkeiten der Sensoren mit H2O
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Institut für Sicherheitsforschung

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Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an nasschemischer- und instrumenteller Analytik
  • naturwissenschaftliches Studium (Master of Science)
     
VOC Analyse von Kartoffelpflanzen mittels Thermodesorption Gaschromatographie Massensprektometrie (TD-GC/MS)
Kurzbeschreibung

Aufgrund der fortschreitenden Globalisierung und dem daraus resultierenden internationalen Handel ist in den letzten Jahren das Risiko der Einschleppung gebietsfremder Arten und Schaderreger in Europa deutlich angestiegen. Zu diesen Schaderregern zählen beispielsweise auch Quarantäneschädlinge wie der asiatische Laubholzbockkäfer (Anoplophora glabripennis, kurz: ALB) und der Töpfchenpilz Synchytrium endobioticum (Schilbersky) Percival. Synchytrium endobioticum (Schilbersky) Percival befällt Kartoffelpflanzen und löst den sogenannten Kartoffelkrebs aus. Dieser ist dafür verantwortlich, dass befallene Flächen über Jahre hinweg für den Kartoffelanbau gesperrt werden müssen. Die Auswirkung für betroffene Landwirte sowie für die gesamte Anbauregion sind dementsprechend erheblich. Um die Ausbreitung des Kartoffelkrebses einzudämmen, ist eine frühzeitige Detektion des Befalls daher von extremer Wichtigkeit. Pflanzen stoßen eine Vielzahl an leichtflüchtigen Substanzen, den sogenannten volatile organic compounds (VOCs) aus. Bei Schäden oder Stress, zum Beispiel durch Krankheiten oder Schädlingsbefall, verändert sich die Intensität und die Zusammensetzung der ausgestoßenen VOCs. Lassen sich in den VOC Profilen spezifische Muster und Marker identifizieren, so ist es möglich Krankheiten und Schädlingsbefall anhand der VOC Analyse zu detektieren. Eine geeignete Analysemethode für solche Untersuchungen stellt die Thermodesorption Gaschromatographie Massenspektrometrie (TD-GC / MS) dar. Das Ziel dieser Abschlussarbeit besteht darin, die VOC Profile zweier Kartoffelsorten während verschiedener Wachstumsphasen aufzunehmen und mögliche Unterschiede herauszuarbeiten. Zu diesem Zweck sollen die Chromatogramme ausgewertet und die Daten anschließend mittels chemometrischer und multivariater Statistik untersucht werden.

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Institut für Sicherheitsforschung (ISF)

Ansprechpartner

Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an Spektroskopie sowie chemischer Analytik
  • Kenntnisse in Chemometrie / Statistik
  • Sorgfalt im Umgang mit empfindlichen Proben und sauberes Arbeiten
     
Charakterisierung von Redoxprozessen bei der elektrochemischen Umsetzung von Xenobiotika und Desinfektionsnebenprodukten mittels Cyclovoltammetrie
Kurzbeschreibung

Der anthropogene Eintrag organischer Spurenstoffe (sogenannter Xenobiotika wie Pharmazeutika, Körperpflegeprodukte, et cetera.) stellt ein zunehmendes Problem für die Wiederverwendung von Abwässern im Nutzwasserkreislauf dar. Wasseraufbereitungsanlagen sind zwar darauf ausgelegt, zugeleitete Oberflächenwässer und Grundwässer durch mehrstufige Reinigungsverfahren zu qualitativ hochwertigen Trinkwässern zu verarbeiten, die konventionell eingesetzten Techniken können diese Xenobiotika jedoch nicht hinreichend aus den Gewässern eliminieren. Aufgrund ihrer teils sehr hohen Stabilität verbleiben diese Spurenstoffe folglich persistent in der Umwelt und akkumulieren dort, was langfristig zu ökotoxischen Auswirkungen führen kann. Im Rahmen des Projektes ReDeX wird das Abbauverhalten ausgewählter Xenobiotika und Desinfektionsnebenprodukte in oxidativen und reduktiven wässrigen Milieus untersucht. Mithilfe eines PEM-Wasserelektrolyseurs als elektrochemischem Reaktor sollen die Analyten zu unkritischen Abbauprodukten umgesetzt werden. Um die tatsächlich ablaufenden Redoxprozesse näher zu charakterisieren, wird bei der Cyclovoltammetrie als Analysenmethode der potentialabhängige Stromfluss in einer elektrochemischen Messzelle gemessen. Abhängig von den eingesetzten Elektrodenmaterialien lassen sich so Rückschlüsse über die elektrochemische Umsetzung unterschiedlicher Analyten im Reaktor ziehen. Die Aufgabe in der zu vergebenden Abschlussarbeit besteht darin, die zur Verfügung stehenden Elektroden hinsichtlich der ablaufenden Elektrodenprozesse bei Anwesenheit verschiedener Analyten zu charakterisieren. Ziel ist es, Unterschiede im Redoxverhalten bei Einsatz unterschiedlicher Elektrodenkonfigurationen herauszuarbeiten.

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ReDeX

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Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an der Lösung elektroanalytischer Fragestellungen
  • Fähigkeit zum selbständigen Arbeiten, sicherer Umgang in analytischen Laboren
     
Spektroskopische Analyse von Pflanzenteilen der Kartoffelpflanze mittels
Infrarot (IR) / Raman Spektroskopie
Kurzbeschreibung

Aufgrund der fortschreitenden Globalisierung und dem daraus resultierenden internationalen Handel ist in den letzten Jahren das Risiko der Einschleppung gebietsfremder Arten und Schaderreger in Europa deutlich angestiegen. Zu diesen Schaderregern zählen beispielsweise auch Quarantäneschädlinge wie der asiatische Laubholzbockkäfer (Anoplophora glabripennis, kurz: ALB) und der Töpfchenpilz Synchytrium endobioticum (Schilbersky) Percival. Synchytrium endobioticum (Schilbersky) Percival befällt Kartoffelpflanzen und löst den sogenannten Kartoffelkrebs aus. Dieser ist dafür verantwortlich, dass befallene Flächen über Jahre hinweg für den Kartoffelanbau gesperrt werden müssen. Die Auswirkung für betroffene Landwirte sowie für die gesamte Anbauregion sind dementsprechend erheblich. Um die Ausbreitung des Kartoffelkrebses einzudämmen, ist eine frühzeitige Detektion des Befalls daher von extremer Wichtigkeit. Ein besonders vielseitiges Beispiel zur Analyse von Kontaminationen auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene, aus denen sowohl qualitative als auch quantitative Informationen abgeleitet werden können, sind die Raman Spektroskopie und die Infrarot (IR) Spektroskopie. Infrarot (IR) Spektroskopie und Raman Spektroskopie sind robuste, zerstörungsfreie und kontaminationsfreie Methoden zur Analyse und Identifikation biologischer und chemischer Substanzen. Das Ziel dieser Abschlussarbeit besteht darin, verschiedene Pflanzenteile von Kartoffelpflanzen mittels Infrarot / Raman Spektroskopie zu analysieren und mögliche Muster herauszuarbeiten. Zu diesem Zweck sollen eine geeignete Probenahme entwickelt und die Infrarot / Raman Daten mittels chemometrischer und multivariater Statistik ausgewertet werden.

Zuordnung zu Institut / Einrichtung

Institut für Sicherheitsforschung (ISF)

Ansprechpartner

Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an Spektroskopie sowie chemischer Analytik
  • Kenntnisse in Chemometrie / Statistik
  • Sorgfalt im Umgang mit empfindlichen Proben und sauberes Arbeiten
     
Theoretische Arbeit über chromatographische Auswertung mittels Deep Learning /Machine Learning
Kurzbeschreibung

Im naturwissenschaftlichen Arbeitsfeld spielt die Anwendung von Künstliche Intelligenz Methoden (KI Methoden) bei der Auswertung von Daten eine immer wichtigere Rolle. Das Machine Learning, oder auch Deep Learning ist ein künstliches System, das durch das Speisen von Trainingsdaten mit Hilfe von Algorithmen ein statistisches Modell aufbaut, das anschließend in der Lage ist unbekannte Datensätze auszuwerten. Ziel dieser Arbeit ist es sich ein allgemeines Verständnis für das Themengebiet Deep Learning / Machine Learning zu verschaffen, um eine neue Herangehensweise für die Auswertung von Chromatogrammen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck soll eine ausgiebige und ausführliche Literaturrecherche zum Thema Deep Learning /Machine Learning durchgeführt werden. Dabei liegt der Fokus darauf geeignete Programme für eine solche Auswertung von Daten zu finden und ihre Vorteile und Nachteile abzuwägen. Im Anschluss soll anhand von Testdaten ein solches Programm auf seine Eignung für die chromatographische Auswertung geprüft werden.

Zuordnung zu Institut / Einrichtung

Institut für Sicherheitsforschung (ISF)

Ansprechpartner

Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an dem Themengebiet Deep Learning / Machine Learning
  • Interesse zu Nutzung von Softwaretools / Programmierung zur statistischen Auswertung
     
BACHELOR THESIS, MASTER THESIS
Herstellung eines elektrogesponnenen Sensorvlieses zur Gefahrstoffdetektion
Kurzbeschreibung

Das Verfahren „Electrospinning“ ermöglicht das Herstellen von nanoporösen Polymerfasern mit Durchmessern von wenigen μm. In diese Fasern werden Substanzen eingebunden, die kolorimetrisch mit flüssigen und gasförmigen Analyten, wie zum Beispiel Gefahrstoffen oder Giftstoffen, reagieren und den Anwender mit einem für das bloße Auge sichtbaren Farbumschlag warnen. Die Aufgabe in der zu vergebenden Arbeit liegt darin, geeignete kolorimetrische Substanzen (zum Beispiel Chromophore oder solvatochrome Substanzen) in eine Polymermatrix einzubinden, die sich zu einem Polymervlies verspinnen lässt. Die Wechselwirkungen zwischen dem Vlies und den flüssigen und gegebenenfalls gasförmigen Analyten (zum Beispiel Prüfsubstanzen nach EN 374) sollen anschließend nasschemisch und spektroskopisch untersucht werden.

Zuordnung zu laufenden Projekten

Institut für Sicherheitsforschung (ISF)

Ansprechpartner

Professor Dr. P. Kaul

Voraussetzungen / Anforderungen an Interessent:innen
  • Interesse an nasschemischerAnalytik und instrumenteller Analytik
  • naturwissenschaftliches Studium (Bachelor of Science / Master of Science)