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The development of smart sensors for aquatic water quality monitoring

Alexander, Craig January 2014 (has links)
The focus of this project was to investigate the use of interdigitated electrodes (IDEs) as impedimetric ion-selective chemical sensors for the determination of several important analytes found within a freshwater aquarium. The overall aim of this research was to work towards a prototype sensing device that could eventually be developed into a commercial product for sale to aquarium owners. Polyvinyl chloride and sol-gels containing commercially-available ionophores for four aquarium-significant ions (NH4+, NO2-, NO3- and pH) were prepared and investigated for use within polymeric ion-selective membranes. Three separate IDE transducers were produced using either photolithography or screen-printing microfabrication techniques. A sinusoidal voltage was applied to the IDEs and an LCR meter was used to measure changes in the conductance and capacitance of the ion-selective membrane layer deposited over the electrode digits. Each ionophore, when tested within potentiometric ion-selective electrodes (ISEs), was found to be suitable for further investigation within IDE devices. Sol-gels were investigated as a potential membrane material for a coated wire electrode; however, poor response characteristics were observed. An IDE sensor fabricated in-house using lift-off photolithography and spin-coated with a polymeric membrane was found to produce non-selective responses caused by changes in the conductivity of the test solution. IDE devices with reduced geometric parameters were purchased and coated with a selective polymeric membrane. When the membrane was spin-coated, non-selective responses were observed; therefore, drop-coating of the membrane material was investigated. This initially resulted in an unacceptably long response time; however, this effect was reduced by decreasing the membrane solution viscosity prior to drop-coating. A fully-screen printed carbon IDE device was fabricated by incorporating the ionophore into a support matrix based on a commercial dielectric paste. Matrix interferences to the sensor response were reduced by printing ‘build-up’ layers over the sensing area prior to the ion-selective membrane. Two novel routes for monitoring the water quality of an aquarium, using IDE sensors fabricated by either photolithography or screen-printing, have been demonstrated. Due to the commercial aspect of this project, it is important to consider the final cost of producing these sensors. Both of the techniques used to produce ion-selective sensors require further experimentation to optimise the sensor response, prior to integration within a multi-analyte sensing prototype.
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FABRICATION OF AN EPITHELIAL CELL-BASED ION-SELECTIVE ELECTRODE AND ITS APPLICATION FOR USE AS ALTERNATIVE TUMOR ANGIOGENESIS ASSAY

Simmons, Christina Nicole 01 January 2012 (has links)
Previous studies have provided evidence that endothelial cell-based potassium ion selective electrodes possess the ability to quantify substances that have permeability-altering effects on those endothelial cells. The capability of these so-called biosensors to detect elevated concentrations of certain chemical agents found following tumor formation make them useful in the application as an alternative tumor angiogenesis assay. In this study an epithelial cell line, human colon adenocarcinoma epithelial cells (Caco-2), was used to fabricate membranes that were used to test concentrations of these chemical agents, known as cytokines, mimicking the concentrations that have been observed in the serum of healthy individuals as well as the higher concentration found in individuals with cancer. Additionally background information is provided related to the development of whole cell-based biosensors, metabolic pathways related to tumor angiogenesis and the subsequent increase in cytokine concentration, properties of the Caco-2 cell line that make them useful for the application in cell-based biosensors, and the ultimate effect the cytokines have on the permeability of the cells.
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Design of Phosphate Ion Sensors and an All-Solid pH Sensor and Construction of an Automatic Nutrient Solution Management System for Hydroponics / リン酸イオンセンサと固体pHセンサの開発及び水耕栽培用養分濃度自動​管理システムの構築

Xu, Kebin 23 March 2020 (has links)
京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第22508号 / 農博第2412号 / 新制||農||1078(附属図書館) / 学位論文||R2||N5288(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 加納 健司, 教授 三芳 秀人, 教授 宮川 恒 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM
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Rörtransportmetodens inverkan på hemolys och plasmakalium / The influence of the pneumatic tube transport method on hemolysis and plasma

Kasajja, Shamira January 2023 (has links)
Interferenser i klinisk kemi uppstår när en substans stör mätningen av olika komponenter i urin, cerebrospinalvätska och blod, vilket påverkar mätresultatet. Exempel på interferenser inkluderar hemolys, lipemi och ikterus. Hemolys kan orsakas både in vivo och in vitro, men in vitro är betydligt vanligare. Faktorer som påverkar in vitro hemolys inkluderar rörpost, provtagningsteknik och olika sjukdomar. Rörposttransport används för att transportera olika material, inklusive prov, till olika avdelningar på sjukhuset. Hemolys kan påverka analysen av vissa analyter som normalt förekommer i hög koncentration intracellulärt, exempelvis aspartataminotransferas (ASAT), laktatdehydrogena (LD) och kalium.   Syftet med denna studie var att undersöka om rörtransportsystemet på Universitetssjukhuset Örebro (USÖ) påverkar analysresultatet av kaliumprover och om förekomsten av hemolys ökade i kaliumprover som transporterades med rörpost. Studien utfördes med hjälp av direkt och indirekt potentiometrisk jonselektiv elektrodmetod (ISE) för att analysera nivåerna av kalium i plasma, samt spektrofotometri för att kvantifiera graden av hemolys i 129 prover som insamlades på akutmottagningen vid Universitetssjukhuset Örebro (USÖ). Ingen kliniskt relevant skillnad i hemolys eller kaliumkoncentration kunde påvisas i prover som transporterats med rörpost i jämförelse med manuell transport till laboratoriet. Rörposttransport är en kostnadseffektiv och snabb transportmetod och för de skillnader som observerades mellan transportmetoderna i denna studie bör andra faktorer som högre gravitationskraft och olika sjukdomstillstånd också beaktas. / Interference in clinical chemistry refers to a substance that disrupts the measurement of various components in urine, cerebrospinal fluid, and blood, affecting the obtained results. Hemolysis, lipemia, and icterus are examples of interferences. Hemolysis is caused by both in vivo and in vitro factors, but in vitro hemolysis is more common. Hemolysis affects analytes such as potassium, aspartaminotransferas (ASAT) and lactate dehydrogenase (LD). This study aimed to investigate whether the tube transport system at USÖ affects the analysis results of potassium.   129 samples were collected and each sample was divided into two portions a and b, sample a was then transported by tube and b manually. Samples were analyzed for hemolysis, potassium, and sodium using ion-selective electrode (ISE) methods. No clinically relevant difference in hemolysis or potassium concentration could be demonstrated in samples transported by pneumatic tube compared to manual transport to the laboratory. The use of tube transport is cost-effective and rapid despite the small difference observed, it should still be used.   In conclusion, while hemolysis can affect analytes, the observed difference between tube and manual transport in this study had no clinical significance. Other factors such as different G- forces and disease states may have played a role in explaining divergent results.
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The Formation of Prenucleation Clusters for Calcium Fluoride

Muterspaw, Taylor M. 01 September 2021 (has links)
No description available.
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Komplexierende Glycopolymerfilme auf der Basis hochverzweigten Polyethylenimins zum Aufbau ionenselektiver Elektroden

Kluge, Jörg 10 February 2017 (has links) (PDF)
Die bisher gängigen PVC-Membranen ionenselektiver Elektroden weisen eine Reihe von Schwachstellen auf: Sie haften nur durch Adhäsion am Substrat, sodass sich bei miniaturisierten Elektroden die Membran ablösen kann; Membranbestandteile wie der Weichmacher, das Ionophor oder der Ionenaustauscher können bei der Verwendung ausgewaschen werden, sodass sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Membran verschlechtern; auf der Membranoberfläche kann sich auf Grund ihrer Hydrophobie ein Biofilm ausbilden, der die Membran abschirmt. Diese Schwachstellen bewirken eine Dysfunktionalität der ionenselektiven Elektrode, weshalb im Rahmen dieser Arbeit ein Glycopolymerfilm entwickelt worden ist, der diese Schwachstellen nicht aufweist. Die in dieser Arbeit entwickelte Membran, die auf einem multifunktionalen Glycopolymer beruht, zielt auf die Egalisierung der Schwachstellen konventioneller ionenselektiver PVC-Membranen. Die entwickelte Membran kommt dabei ohne Weichmacher aus, reduziert die Ausbildung von Biofilmen, bindet kovalent an das darunterliegende organische Substrat und durch die kovalente Anbindung des Ionophors wird dessen Auswaschen verhindert. Um eine kovalente Bindung der Membran an organische Vermittlerschichten zu erreichen, wie sie bei All-solid-state-Elektroden zum Einsatz kommen, werden zunächst die photovernetzbaren Glycopolymere 12a–c entwickelt, bei denen etwa neun Photovernetzereinheiten über PEG-Spacer an den PEI25-Kern gebunden sind. Drei PEG-Spacer mit unterschiedlicher Länge werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Filmbildung untersucht: Sie besitzen vier (12a), acht (12b) und zwölf Ethylenglycoleinheiten (12c). Dabei zeigt sich, dass eine Spacerlänge von zwölf Ethylenglycoleinheiten für eine effektive Photovernetzung notwendig ist, weshalb für die folgenden Strukturen nur PEG12-Spacer eingesetzt werden. Um eine kovalente Anbindung des Ionophors an das Glycopolymer zu erreichen, werden verschiedene Syntheserouten genutzt und auf ihre Wirkung hin analysiert. Die frühe direkte Anbindung des Calix[4]arenderivats 3 an den PEI25-Kern der Glycopolymere 17a–c erweist sich als nachteilig, da hierdurch darauffolgende Syntheseschritte beeinträchtigt werden. Anderseits zeigen diese Glycopolymere, dass sich die Calix[4]areneinheiten nicht negativ auf die Glycopolymerfilmbildung auswirken. Zur Überwindung der erwähnten Probleme werden in den multifunktionalen Glycopolymeren 22a und 22b die Calix[4]arene wie der Photovernetzer am Ende der Syntheseroute über PEG12-Spacer angebunden. Dies erfolgt dabei über den upper rim des Calix[4]arens, da somit der lower rim, an dem sich ionenkomplexierenden Gruppen befinden, nicht beeinflusst wird. Neben der Struktur des Glycopolymers wird auch eine Methode zur Glycopolymerfilmbildung auf Modellsubstraten entwickelt. Hierfür werden Siliziumwafer mit einer hydrophilen organischen Vermittlerschicht aus (3-Glycidyloxypropyl)-trimethoxysilan (GOPS) eingesetzt. Bei der Filmbildung zeigt sich, dass die alleinige Bestrahlung mit UV-Licht nicht ausreichend ist, um eine stabile Vernetzung zu generieren. Erst nach vorausgehendem Tempern (1 h bei 120 °C) werden Filme mit einer Dicke von (42±8) nm für das Glycopolymer 12c erhalten. Die Glycopolymere 12a und 12b, die kürzere PEG-Spacer enthalten, bilden deutlich dünnere Filme aus. Für die vollständige Vernetzung ist eine Bestrahlungszeit von einer Stunde notwendig, was einer Energiedosis von etwa 290 J/cm² entspricht. Trotz möglicher freier Aminogruppen in der Struktur bilden die Glycopolymere 17a–c, bei denen unterschiedlich viele Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern gebunden sind, stabile Filme aus. Die sich ergebenden Schichtdicken zeigen dabei weder im Vergleich zum Glycopolymer 12c noch untereinander signifikante Unterschiede. Die Filmbildung auf dem hydrophilen GOPS wird demzufolge durch die direkt angebundenen Calix[4]arene nicht beeinträchtigt. Auf Grund des erwarteten amphiphilen Charakters der Glycopolymere 17a–c wird ihre Filmbildung nicht nur auf hydrophilen, sondern auch auf hydrophoben Modellsubstraten untersucht. Hierzu werden Siliziumwafer mit hydrophoben Vermittlerschichten aus Benzophenonsilan (BPS) und Poly-α-methylstyrol (PαMS) eingesetzt. Auf den hydrophoben Vermittlerschichten bilden die Glycopolymere 17a–c deutlich dünnere Filme aus als auf dem hydrophilen GOPS. Die Calix[4]areneinheiten sind demnach durch die Maltosehülle abgeschirmt und es treten kaum Wechselwirkungen mit den hydrophoben Substratoberflächen auf. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer den Glycopolymeren 22a und 22b auf hydrophilen wie hydrophoben Vermittlerschichten in etwa gleich dicke Filme auszubilden. Offensichtlich liegt bei diesen Glycopolymeren eine amphiphile Peripherie vor, sodass sich die Glycopolymere besonders zur Beschichtung von All-solid-state-Elektroden mit verschiedenen Mediatorschichten eignen. Die photovernetzten Glycopolymerfilme quellen auf Grund ihrer hydrophilen Eigenschaften. Der Quellungsgrad q liegt dabei niedriger, wenn hydrophobe Calix[4]arene in die Struktur eingebunden sind: q(17c) = 2,3 im Vergleich zu q(12c) = 3,6. Erfolgt die Anbindung der Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern, ist die Glycopolymerstruktur unflexibel, sodass der Quellungsprozess bis zu sieben Stunden benötigt. Durch die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer wird die Flexibilität der Glycopolymere hingegen nicht beeinträchtigt, sodass der Quellungsprozess weniger als zwei Stunden benötigt. PVC-Membranen verlieren schon nach kurzer Zeit ihre ionenselektiven Eigenschaften, weil etwa der Weichmacher aus den Membranen diffundiert und diese dadurch spröde werden. Die Glycopolymerfilme sind hingegen über einen Zeitraum von mindestens 100 Tagen gegenüber sauren (pH = 4), neutralen und basischen (pH = 10) Lösungen stabil. Die entwickelten Glycopolymere werden im Rahmen einer Kooperation mit dem Kurt-Schwabe-Institut (KSI) in Meinsberg auf All-solid-state-Elektroden als ionenselektive Membranen eingesetzt. Die Graphitelektroden werden dafür mit einer Mediatorschicht aus leitfähigem Polypyrrol (PPy) und dem Glycopolymer 17c beschichtet. Die All-solid-state-Elektroden werden hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens gegenüber verschiedenen Ionen untersucht. Die Anbindung und Vernetzung erfolgt nach der für die Modellsubstrate optimierten Methode. Jedoch werden die Bedingungen für das Tempern angepasst, um eine Beschädigung der All-solid-state-Elektrode auszuschließen: 12 h bei 45 °C statt 1 h bei 120 °C. Dabei bildet sich ein inhomogener Belag aus, bei dem Teile der PPy-Schicht frei bleiben. Im Vergleich zur reinen und zur mit Polypyrrol (PPy) beschichteten Graphitelektrode zeigt die Elektrode, die mit einem Glycopolymerfilm versehen ist, trotz der Inhomogenität stabile und reproduzierbare Potentiale. Diese sind jedoch nicht von der Konzentration der Kationen, sondern von der der Anionen abhängig. Durch die Auftragung einer Ionentauscherschicht auf die ionenselektive Membran soll das Vordringen der Anionen in die Membran der All-solid-state-Elektrode unterbunden werden. Dadurch soll das Ansprechverhalten der All-solid-state-Elektrode auf die Kationen gelenkt werden. Entsprechende Arbeiten werden am KSI durchgeführt.
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Design, Synthesis, and Evaluation of Bicyclic Peptides as Ammonium Ionophores

Nowak, Cheryl L 28 April 2003 (has links)
A series of bicyclic peptides have been designed and synthesized to provide ammonium ion complexation sites via hydrogen bonding in a tetrahedral geometry. Molecular modeling dynamics and electrostatics studies indicate that target compounds 1d-6d may provide better selectivity for ammonium ions over potassium ions than the ammonium ionophore currently used for blood analysis applications, nonactin. Attempts to synthesize 1d, cyclo(L-Glu1�D-Val2�L-Ala3�D-Lys4�D-Val5�L-Val6)-cyclo-(1ã-4å), were unsuccessful due to poor solubility of the synthetic intermediates. This led to the design of 2d-6d in which specific amino acid residues were chosen to provide higher solubility. Compound 2d, cyclo(L-Glu1�D-Ala2�D-Ala3�L-Lys4�D-Ala5�L-Ala6)-cyclo-(1ã-4å), was successfully synthesized, but was also too insoluble for characterization or testing in an ion selective electrode (ISE) sensor format. Compound 6d, cyclo(L-Glu1�D-Leu2�Aib3�L-Lys4�D-Leu5�D-Ala6)-cyclo-(1ã-4å), was successfully synthesized and characterized. When 6d was incorporated into an ISE sensor and tested as an ammonium ionophore, results indicated that the bicyclic peptide lacked solubility in the ISE membrane. A 13C-NMR study has been initiated in order to evaluate selectivity of 6d for ammonium over potassium and sodium cations in solution. Preliminary results with the potassium ionophore valinomycin as a control have been completed.
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Etude des propriétés de conduction et structurales des verres du système Hgl₂-Ag₂S-As₂S₃ : application en tant que capteur chimique / Study of conduction and structural properties of Hgl₂-Ag₂S-As₂S₃ glasses : applications as membrane of ionic selective electrode

Boidin, Rémi 22 October 2013 (has links)
Les verres du système binaire Ag₂S-As₂S₃ sont connus pour être de très bons conducteurs ioniques et l’ajout de HgI₂ permet d’envisager une application des verres du pseudo-ternaire HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ en tant que membrane ionique spécifique dédiée au dosage du mercure en solution aqueuse. Les limites de son domaine vitreux ont été vérifiées à l’aide de la diffraction des rayons X. Les évolutions des propriétés macroscopiques des verres, incluant les densités et les températures caractéristiques (Tg, Tc et Tf) ont été analysées de façon systématique. Les propriétés de conduction des verres HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ ont été évaluées à l’aide de la spectroscopie d’impédance complexe et de la diffusion du traceur radioactif 108mAg. Un des résultats les plus marquants dans ces verres conducteurs ioniques est l’augmentation de la conductivité lorsque Ag₂S est substitué par HgI₂. Afin de comprendre les mécanismes de conduction mis en jeu, des études structurales ont été menées par spectroscopie Raman, diffusion de neutrons et diffraction des rayons X haute énergie. Pour appréhender la structure de ces verres complexes, des études préalables sur les deux systèmes pseudo-binaires Ag₂S-As₂S₃ et HgI₂-As₂S₃ ont aussi été menées. Les différentes techniques utilisées ont notamment permis de montrer que des réactions d’échanges se produisaient lors de la synthèse. Enfin, la dernière partie de cette thèse est entièrement consacrée à la caractérisation de nouveaux capteurs chimiques pour la détection des ions Hg²+ en solution. Différentes compositions sont testées afin de définir la sensibilité, la limite de détection et les coefficients de sélectivité en présence d’ions interférents. / Glasses of the pseudo-binary system Ag₂S-As₂S₃ are well known to be good ionic conductors and the addition of HgI₂ allows considering the glasses of the pseudo-ternary system HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ as ion-membrane dedicated to mercury sensing in aqueous solution. The limits of its vitreous domain were verified by X-ray diffraction. Changes in macroscopic properties of glasses, including density and characteristic temperatures (Tg, Tc et Tm) were systematically investigated. Conduction properties of HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ glasses were evaluated using the complex impedance spectroscopy and 108mAg tracer diffusion measurements. One of the most interesting results concerns the conductivity increase if Ag₂S is substituted by HgI₂. To understand the conduction mechanisms involved, structural studies were carried out by Raman spectroscopy, neutron scattering and high-energy X-ray diffraction. To understand the structure of these complex glasses, preliminary studies on the two pseudo-binary systems Ag₂S-As₂S₃ and HgI₂-As₂S₃ were also undertaken. These techniques have underlined exchange reactions that occur during the synthesis. The last part of this research work is entirely devoted to the characterization of new chemical sensors for the detection of Hg²+ ions in solution. Different compositions were tested to determine the sensitivity, detection limit and selectivity coefficients in the presence of interfering ions.
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Bilayers with Surfactant-induced Pores and Demixing in Micelles : Studies of Segregation in Amphiphile Systems

Kadi, Mari January 2003 (has links)
<p>The focus of this thesis has been on the effects of segregation in mixtures of amphiphilic molecules. Two different systems were investigated: fluorocarbon-hydrocarbon surfactant mixtures and lipid-surfactant mixtures.</p><p>In fluorocarbon-hydrocarbon surfactant mixtures the repulsive interactions between the chains can lead to a demixing into different types of coexisting micelles, fluorocarbon rich and hydrocarbon rich. From NMR self-diffusion measurements such a demixing was found to occur in the mixture of the partially fluorinated surfactant HFDePC and C<sub>16</sub>TAC. We furthermore suggested a demixing also within the micelles to explain <sup>19</sup>F-NMR line width data and results from neutron scattering.</p><p>In lipid-surfactant mixtures, a segregation of the molecules may instead be caused by a difference in the preferred curvature of the lipid and the surfactant residing within the same aggregate. Using a surfactant selective electrode, binding isoterms of four different cationic surfactants (C<sub>12</sub>TAC, C<sub>14</sub>TAC, C<sub>16</sub>TAC and HFDePC) to preformed lipid (GMO) vesicles were determined. Perforated vesicles were observed by cryo-TEM in the mixture with C<sub>16</sub>TAC. To explain the results from the binding isoterms, the formation of pores in the bilayer was regarded as a cooperative process, similar to micelle formation. The surfactant accumulates at the edges of the pores, and increasing the surfactant concentration results in an increased number of pores with a constant surfactant/lipid ratio at the edges.</p><p>The lipid-surfactant mixtures were also studied at the solid/solution interface using AFM. An adsorbed mesh structure, a counterpart to the bulk perforated lamellar phase, was observed for the first time.</p>
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Bilayers with Surfactant-induced Pores and Demixing in Micelles : Studies of Segregation in Amphiphile Systems

Kadi, Mari January 2003 (has links)
The focus of this thesis has been on the effects of segregation in mixtures of amphiphilic molecules. Two different systems were investigated: fluorocarbon-hydrocarbon surfactant mixtures and lipid-surfactant mixtures. In fluorocarbon-hydrocarbon surfactant mixtures the repulsive interactions between the chains can lead to a demixing into different types of coexisting micelles, fluorocarbon rich and hydrocarbon rich. From NMR self-diffusion measurements such a demixing was found to occur in the mixture of the partially fluorinated surfactant HFDePC and C16TAC. We furthermore suggested a demixing also within the micelles to explain 19F-NMR line width data and results from neutron scattering. In lipid-surfactant mixtures, a segregation of the molecules may instead be caused by a difference in the preferred curvature of the lipid and the surfactant residing within the same aggregate. Using a surfactant selective electrode, binding isoterms of four different cationic surfactants (C12TAC, C14TAC, C16TAC and HFDePC) to preformed lipid (GMO) vesicles were determined. Perforated vesicles were observed by cryo-TEM in the mixture with C16TAC. To explain the results from the binding isoterms, the formation of pores in the bilayer was regarded as a cooperative process, similar to micelle formation. The surfactant accumulates at the edges of the pores, and increasing the surfactant concentration results in an increased number of pores with a constant surfactant/lipid ratio at the edges. The lipid-surfactant mixtures were also studied at the solid/solution interface using AFM. An adsorbed mesh structure, a counterpart to the bulk perforated lamellar phase, was observed for the first time.

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