Femtosekundenaufgelöste Ramanspektroskopie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Schwingungsentwicklung eines angeregten Chromophors in Echtzeit zu studieren. In dieser Arbeit wurde ein durchstimmbares Ramanspektrometer mit 10 cm-1 spektraler und 50--100 fs zeitlicher Auflösung entwickelt und für eine Anwendung auf flavinbasierte Photorezeptoren optimiert. Es wird der Einfluß der Resonanzbedingungen auf das transientes Ramanspektrum charakterisiert. Die Dynamik des angeregten Zustandes wird zuerst für den Modellphotoschalter Stilben untersucht, ausgehend sowohl vom cis-, als auch vom trans-Isomer. Intensitätsabnahme, spektrale Verschiebung und Bandenverschmälerung liefern Einblicke in die Schwingungsrelaxation des angeregten Chromophors. Wellenpaketbewegung und anharmonische Kopplung werden als Oszillationen beobachtet. Für das "Mutter"-Cyanin 1,1''-Diethyl-2,2''-pyridocyaniniodid wird die Isomerisierung bis in den Grundzustand verfolgt. Ramanspektren des Franck-Condon-Zustandes, des intermediär gebildeten heissen Grundzustandes und der Isomerisierungsprodukte werden erhalten. Als Grundlage für Experimente an Flavoproteinen werden die Eigenschaften des angeregten Flavinchromophors in Lösung untersucht. Transiente Absorptions- und Fluoreszenzexperimente weisen auf den Einfluss dynamischer polarer Solvatation hin. Es werden Ramanspektren des angeregten Zustandes von Flavin aufgenommen und die Schwingungsbanden zugeordnet. Populationsverminderung durch den Ramanimpuls wird als potentielles Artefakt in zeitaufgelösten Messungen identifiziert; der Effekt wird aber auch genutzt, um Wellenpaketbewegung im angeregten Zustand zu markieren. Die Photorezeptormutanten BlrB-L66F und Slr1694-Y8F werden mit transienter Absorption studiert. Dabei wird die Bildung des Signalzustandes und Flavinreduktion durch ein Tryptophan beobachtet. Die Anwendung des entwickelten Ramanspektrometers auf biologische Proben wird in einem ersten Experiment an Glucose Oxidase demonstriert. / Femtosecond stimulated Raman spectroscopy is a powerful tool that allows to study the structural relaxation of an excited chromophore directly in time. In this work a tunable Raman spectrometer with 10 cm-1 spectral and 50-100 fs temporal resolution was developed, and the technique was advanced towards applications to flavin-based proteins. With this device the influence of resonance conditions on the transient Raman spectrum is characterized. Excited-state dynamics is first investigated for the model photoswitch stilbene, starting from both the cis and the trans isomers. Decay, spectral shift, and narrowing of individual bands provide insight into the vibrational relaxation of the excited chromophore. Wavepacket motion and anharmonic coupling is seen as oscillations. Isomerization is followed to the ground state for the "parent" cyanine 1,1''-diethyl-2,2''-pyrido cyanine iodide. From a global analysis, Raman spectra for the Franck-Condon region, the intermediately populated hot ground state, and the isomerization products are obtained. As a basis for experiments on flavoproteins, the excited-state properties of the pure flavin chromophore are studied in solution. Transient absorption and fluorescence experiments suggest an influence of dynamic polar solvation on the electronic properties of the excited state. Raman spectra from the flavin excited state are recorded and the vibrational bands assigned. Population depletion by the Raman pulse is identified as a potential artefact, but the effect is also used to mark wavepacket motion in the excited state. The photoreceptor mutants BlrB-L66F and Slr1694-Y8F are studied by transient absorption; signaling state formation and flavin reduction by a semiconserved tryptophan are seen, respectively. The application of femtosecond Raman spectroscopy to biological samples is demonstrated in a first experiment on glucose oxidase.

Die Relaxation der Styrylfarbstoffe DCM und LDS-750 nach Photoanregung in flüssiger Phase wurde mittels zeitaufgelöster optischer Spektroskopie untersucht. Dabei wurde die Breitband-Pump-Probe-Technik angewandt. Zur Charakterisierung der Relaxation von DCM im elektronischen Grundzustand wurde außerdem die Breitband-Dump-Probe-Technik (stimuliertes Emissionspumpen) eingesetzt. Für die beobachtete schnelle Relaxation von DCM wurde eine annähernd lösungsmittelunabhängige Zeitkonstante von 0.23 (( 0.04) ps im elektronisch angeregten und von 0.28 (( 0.07 ps) im elektronischen Grundzustand gefunden. Sie wurde als Konforma tionsänderung mit nur geringer Ladungsverschiebung charakterisiert. Die weitere spektrale Entwicklung wird in polarer Lösungsmittelumgebung vorwiegend von der Solvatation bestimmt. Für das ionische Polymethin LDS-750 wurden nach der Anregung solvensabhängige Kinetiken beobachtet, die sich durch die Annahme dreier möglicher Konformationen im S1 erklären lassen. / Relaxation of the stryryl dyes DCM and LDS-750 after photoexcitation in the liquid phase has been investigated by means of time-resolved optical spectroscopy. For this purpose, the broadband pump-probe technique was used. To characterize the relaxation of DCM in the electronic ground state, additionally the broadband dump-probe technique (stimulated emission pumping) was applied. An approximately solvent-independent time constant was found typical for the observed fast relaxation of DCM, with values of 0.23 ((0.04) ps in the excited and 0.28 (( 0.07 ps) in the electronic ground state. The relaxation was characterized as conformational change with only a small amount of charge transferred. The further spectral evolution in polar solvents was dominated by solvation dynamics.For the ionic polymethine species LDS-750 solvent-dependent kinetics were found after photoexcitation. They could be accounted for by assuming the existence of three different conformers within the S1 state.

Die vorliegende Dissertation berichtet über die Untersuchung von selbst-aggregierten Einfach- und Mehrfachschichten aus Nanographenen-Derivate mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie (RTM) an Fest-Flüssig-Grenzflächen. Die -Konjugation bringt einzigartige elektronische Eigenschaften mit sich, so dass die Nanographen-Derivate viel versprechende Bausteine für eine molekulare und organische Elektronik sind, da sie maßgeschneidert und kostengünstig prozessiert werden können, und leicht und flexibel sind. Für elektronische Anwendungen ist es notwendig, die Nanographene in ultradünnen Filmen mit geordneten supramolekularen Strukturen zu organisieren. Nanostrukturen werden für Nanographene-Derivate auf hoch orientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG) untersucht, wie zum Beispiel alkylierte Hexi-peri-hexabenzocoronene (HBCs) unterschiedlicher Symmetrie und dreiecksförmige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Es zeigt eine erstaunliche Vielfalt von supramolekularen Strukturen, z.B. Zick-Zack-, Blumen- oder Honigwaben-Muster. Eine faszinierende Besonderheit besteht in den Honigwaben Strukturen, die sich durch Selbstaggregation dreieckiger alkylierter Phenyl-PAKs bilden, und die damit Nanotemplate für Gastmoleküle darstellen. In vielen Fällen bilden Nanographene-Derivate nicht nur Monoschichte sondern auch Multischichten auf Graphit. Die Selbstorganisation von Doppelschichten aus einer HBC-Stern-Verbindung bietet das Potenzial für Baustelemente in der organischen Elektronik, zum Beispiel für Nanodrähte. Die alkylierten Phenyl-HBCs bilden polykristalline Strukturen sowohl in der "face-on"-Anordnung in Monoschichten auf Graphit wie in der "edge-on"-Anordnung in Multischichten, die sich in einem äußeren elektrischen Feld bilden. Beides kann nützlich sein, da für die mögliche Anwendung in einer Photovoltaik-Zelle die "face-on"-Orientierung auf Oberflächen erforderlich ist, während für organische Feldeffekt-Transistoreneine "edge-on" Nanostruktur benötigt wird. / This thesis reports on the investigation of self-assembled mono- and multilayers from nanographene derivatives via scanning tunneling microscopy (STM) at solid-liquid interfaces. Because of the unique electronic properties associated with their -bonded topology, nanographenes are promising building blocks for molecular and organic electronics, which provide the possibility of tunability together with low-cost processing, light weight, and flexibility. For the application in electronics it is necessary to organize nanographenes in ultrathin films with well-ordered supramolecular structures. Nanostructures of monolayers on Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) are studied for different nanographene derivatives, such as alkylated hexa-peri-hexabenzocoronenes (HBCs) with different symmetries, and triangle-shaped polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). They exhibit a surprising diversity of supramolecular structures, for example zigzag, flower-like or honeycomb shapes. A fascinating peculiarity provides the honeycomb structures which are self-assembled from triangle-shaped alkylated phenyl PAHs, which provide nanotemplates to accommodate guest molecules. In many cases, nanographene derivatives not only form monolayers but also multilayers on HOPG. Star-shaped HBC molecules self organize into bilayers in polar solvents, which exhibit the potential for the formation of building blocks of organic electronics, for instance nanowires. The alkylated phenyl HBCs form polycrystalline structures both in the “face-on” arrangement in a monolayer on HOPG, and “edge-on” in multilayers within an external electric field. Both may be useful for potential applications, since in a photovoltaic cell, the “face-on” orientation on surfaces is required, while for the purpose to be applied in organic field-effect transistors, the “edge-on” nanostructure on the electrodes is necessary.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von ausgewählten Cyclodextrinen (alpha-, HP-alpha-, beta-, HP-beta, gamma- und HP-gamma-Cyclodextrin) als Hilfsstoffe in Ophthalmika auf die enzymatische Esterspaltung von Dipivefrin im Corneaepithel. Dazu waren neben der Betrachtung der enzymatischen Spaltung von Dipivefrin durch corneale Enzyme von Rinderaugen und dem Reinenzym Butyrylcholinesterase Untersuchungen zu den Wechselwirkungen von Dipivefrin mit den verwendeten Cyclodextrinen und dem cornealem Gewebe notwendig. Zur Charakterisierung der Dipivefrin/Cyclodextrin-Wechselwirkungen in wässriger Lösung wurden die Ultrafiltration, die Hochleistungs-Flüssigchromatographie und die UV- bzw. H-NMR-Spektroskopie eingesetzt. Die Ermittlung der Dipivefrin- bzw. Cyclodextrin-Wechselwirkung mit dem cornealen Gewebe erfolgte mittels Thermoanalytik und Elektronenmikroskopie. Der Einfluss ausgewählter Cyclodextrine auf die in-vitro-Permeation von Dipivefrin durch die Schweinecornea und auf die dabei im Corneaepithel stattfindende enzymatische Freisetzung von Epinephrin wurde untersucht. Mit Hilfe einer Druckpermeationszelle wurde der Einfluss von Dipivefrin bzw. in Kombination mit alpha- und beta-Cyclodextrin auf die forcierte Permeation von Wasser durch die Cornea von endothelial nach epithelial untersucht und die Modelldaten auf den physiologischen Druck des Auges umgerechnet. / The aim of the present work was to study the influence of different (cyclodextrins alpha-, HP-alpha-, beta-, HP-beta-, gamma- und HP-gamma-cyclodextrin) as components of eye drops on the enzymatic hydrolysis of dipivefrine in the corneal epithelium. Therefor, enzymatic degradation of dipivefrine by corneal enzymes of bovine eyes and by the purified enzyme butyryl cholinesterase was investigated. The interaction of dipivefrine with cyclodextrins was tested in aqueous solution by the use of ultrafiltration, high performance liquid chromatography, UV- and H-NMR-spectroscopy. The interaction of dipivefrine with corneal tissue was tested by the use of thermal analysis and electron microscopy. The influence of some cyclodextrins on the in-vitro permeation of dipivefrine through porcine cornea and the simultaneous enzymatic release of epinephrine in the corneal epithelium was investigated. The forced permeation of water through cornea from the endothelial to epithelial site was tested with help of a pressurized permeation device and the modell data were calculated to meet the physiological pressure in the eye.

Das Wachstum makroskopischen und einlagigen Graphens und dessen Implementierung in großflächige Bauelementen ist von großem Interesse. Großflächiges Graphen wird mit Hilfe eines optimierten CVD-Prozesses auf polykristalliner Kupferfolie bei hohen Temperaturen gewachsen und durch einen eigens entwickelten Transferprozess auf geeignete Substrate transferiert. Transmissionsspektroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich die hergestellten Graphenschichten im Wellenlängenbereich von 450-800 nm durch eine Transmission auszeichnen, die nicht wesentlich von 97.6% abweicht. NEXAFS-, XPS und Raman-Experimente belegen, dass die sp2-Hybridstruktur des Graphens arm an Defekten ist. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Graphen und Kupfer, wird großflächiges Graphen während des Abkühlprozesses biaxial und kompressiv verspannt. Unter Verwendung von AFM- und Raman-Experimenten werden der Mechanismus des schrittweisen Verspannungsabbaus vollständig aufgeklärt und die Teil- sowie Restverspannungen quantifiziert. Interessanterweise führt der erste Schritt des Verspannungsabbaus während des Abkühlprozesses zur Ausbildung einer ausgeprägten Rillenstruktur auf der Cu-Substratoberfläche und zum Aufwerfen von Graphenfalten. Die Relaxation weiterer Verspannung während des Graphentransfers vom Cu-Wachstumssubstrat auf SiO2-bedecktes Si führt zu einer Frequenzverschiebung der 2D Phonon-Mode um -27 cm-1. Hall-Effekt-Messungen einer 8x8 mm2 großen Graphenschicht auf Corning Eagle Borosilikatglas zeigen eine Ladungsträgerbeweglichkeit von 2070 cm2 V-1 s-1 im Graphen. Weiterhin ergeben diese Messungen eine Lochkonzentration von 3.6E12 cm-2 in diesen Schichten. Der durch Raman-Experimente gezeigte Erhalt der Graphenstruktur nach Bedeckung mit kristallinem Si, weckt Erwartungen, Graphen zukünftig beispielsweise als vergrabenen Frontkontakt in flüssigphasenkristalliserten Dünnschichtsolarzellen in Superstratkonfiguration implementieren zu können. / The growth of macroscopic single-layer graphene and its implementation in large-area electronic devices is of major interest. Large area graphene is grown by an optimized CVD-process on polycrystalline copper foil and transferred to suitable substrates by a self-developed transfer process. Transmission-spectroscopic investigations indicate that the manufactured graphene exhibits almost constant transmission of 97.6 % between 450-800 nm. NEXAFS-, XPS-, as well as Raman experiments were conducted to demonstrate the low defect density in the sp2 hybrid structure of the manufactured graphene. Large internal biaxial compressive strain is introduced in graphene due to the thermal expansion mismatch between graphene and copper. The mechanism of the stepwise strain relaxation is fully revealed by AFM and Raman measurement techniques. The remaining strain in the material is thoroughly quantified. Interestingly, the first step of the strain relaxation process results in a pronounced ripple structure on the Cu substrate and in graphene wrinkle formation. Removing graphene from the Cu substrate and transferring it to SiO2 results in a shift of the 2D phonon mode by 27cm-1 to lower frequencies. Hall effect measurements of an 8x8mm2 graphene layer on corning eagle borosilicate glass exhibit a charge carrier mobility of 2070 cm2 V-1 s-1 at hole concentrations of 3.6E12 cm-2, respectively. Expectations for further applications in liquid phase crystallized superstrate thin film solar cells are raised by the retention of the basic structure of graphene after burial under crystalline Si.

Selektivität zu erreichen ist eines der Hauptziele der Chemie. In der Katalyse wird allgemein von einem engen Zusammenhang zwischen der Selektivität und der Katalysatorstruktur ausgegangen - allerdings erschwert die komplexe mikroskopische Struktur realer Katalysatoren ein tiefergehendes Verständnis; daher wird versucht, weitergehende Erkenntnisse an strukturell vereinfachten Materialien zu gewinnen. Für diese Arbeit wurde hierzu ein Pd/Fe3O4-Modellkatalysator verwendet. Auf diesem System wurde die Selektivität in zwei katalytische Modellreaktionen untersucht. Die Reaktantenexposition erfolgte dabei über Molekularstrahlen im Hochvakuum, und die Reaktionsraten wurden massenspektrometrisch gemessen; Adsorbate wurden IR-spektroskopisch detektiert. - Zersetzung von Methanol: Es wird gezeigt, dass Methanol auf dem Oxid Fe3O4 sehr selektiv durch Reaktion mit Oberflächensauerstoff (Mars-van-Krevelen-Mechanismus) zu Formaldehyd und Wasser dehydrogeniert wird. Auf Pd-Metall zersetzt sich Methanol im wesentlichen sehr schnell zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff (bzw. zu Kohlenstoffablagerungen in einer Nebenreaktion). Es werden Experimente gezeigt, die darauf hindeuten, dass Diffusion von oxidgebundenem Methanol/Methoxy auf die Pd-Metallpartikel signifikant zur Gesamtaktivität des Modellkatalysators beiträgt. - Umsetzung von 2-Buten mit Deuterium: Zunächst wird gezeigt, dass die Erzielung katalytischer Aktivität kritisch von der dissoziativen Adsorption des Reaktanden Deuterium abhängt, die durch Kohlenwasserstoffadsorbate stark inhibiert wird; es war allerdings möglich, diese Limitierung experimentell zu umgehen. Darüberhinaus wird gezeigt, dass die Hydrierungsreaktion durch die Anwesenheit stark zersetzter Kohlenwasserstoffablagerungen selektiv induziert werden kann, während die alternative Reaktion (H/D-Austausch/Isomerisierung) auch in Abwesenheit dieser Spezies abläuft; mögliche Erklärungsmodelle werden diskutiert. Schließlich wird die mögliche Ursache für die unter bestimmten Reaktionsbedingungen beobachteten unterschiedlichen Reaktionsraten mit cis- und trans-2-Buten als Reaktanten diskutiert. / The achievement of selectivity is one of the main objectives in chemistry. For catalysis, selectivity is generally seen to be closely linked with catalyst structure; the complex microscopic structure of real catalysts, however, obstructs to obtain a deeper understanding; for this reason, structurally simplified materials are studied. For the current work, studies have been conducted on a Pd/Fe3O4 model catayst. On this system, the selectivity in two catalytic reactions has been examined. The exposure of the reactants was effected by molecular beams in high vacuum, and the reaction rates have been measured mass spectrometrically; additionally, adsorbates were detected by IR-spectroscopy. - Decomposition of Methanol: It is shown that on the oxide Fe3O4 methanol is dehydrogenated very selectively to formaldehyde and water by reaction with surface oxygen of the oxide (Mars-van-Krevelen mechanism). On Pd metal it is mainly decomposed very quickly to carbon monoxide and hydrogen (and, in a side reaction, to carbonaceous deposits). Experiments are shown indicating that the diffusion of oxide-related methanol and methoxy to the Pd metal-particles contributes significantly to the overall activity of the model catalyst. - Conversion of 2-Butene with Deuterium: At first it is shown that the catalytic activity depends critically on the dissociative adsorption of the reactant deuterium, which is strongly inhibited by hydrocarbon adsorbates; it was, however, possible to overcome this limitation experimentally. In addition, it is shown that the hydrogenation reaction can be selectively induced in the presence of strongly dehydrogenated carbonaceous deposits, whereas the alternative reaction (H/D-exchange/isomerisation) can proceed also without the presence of those species; possible models for explanation are discussed. Finally, the possible origin of the different reaction rates with cis- and trans-2-butene that were observed only under certain reaction conditions is discussed.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Methode der Synchrotronröntgenaktivierung entwickelt, um Edelmetallpartikel in Natron-Kalk-Silicatgläsern zu erzeugen. Diese Photoaktivierung ermöglichte es, den Nukleations- vom Wachstumsprozess der Metallteilchen zu trennen und somit sehr kleine Partikel und die Frühstadien des Wachstumsprozesses zu identifizieren. Die Gläser wurden mit Photolumineszenz-, UV-Vis-Absorptions-, EPR-, SAXS- sowie XANES-Spektroskopie untersucht. So konnten in synchrotronaktivierten Gold-dotierten Gläsern Golddimere nachgewiesen werden. Die thermische Behandlung bei 550°C führte über eine heterogene Nukleation zum Wachstum von Goldnanopartikeln. Als Modell für das Nukleationszentrum wurde das an eine Silanolateinheit gebundene Golddimer entwickelt. In synchrotronaktivierten Silber-dotierten Gläsern bildeten sich zunächst Silberatome. Während das Tempern bei 300°C zur Entstehung kleiner lumineszierender Silberteilchen führte, induzierte die thermische Behandlung bei 500°C das Wachstum von Silbernanopartikeln. Die Frühstadien des Gold- und Silberpartikelwachstums wurden als effiziente Donoren in Photolumineszenz-Energietransferprozessen identifiziert. Durch die Anwendung eines Sol-Gel-Spin-Coating-Verfahrens konnten Gold-dotierte Silicat-Titanat-Glasschichten mit einer Goldkonzentration von bis zu 20 mol% hergestellt werden. Die Goldnanopartikel, welche durch Tempern bei 300°C erzeugt wurden, waren durch eine dreiphotonisch induzierte nichtlineare Lumineszenz charakterisiert. Weiterhin konnte die Methode der Titan:Saphir-Laseraktivierung entwickelt und damit Goldnanopartikel-haltige, nanometergroße Strukturen in die Glasschichten geschrieben werden. TEM- und REM-Studien haben gezeigt, dass die Goldnanopartikel nicht nur in die Glasschicht eingebettet sind, sondern sich auch auf der Oberfläche befinden. Die Zugänglichkeit gegenüber Biomolekülen konnte durch den Nachweis der Oberflächen-verstärkten Ramanstreuung adsorbierter Adeninmoleküle bewiesen werden. / Within this work, the technique of synchrotron X-ray activation has been developed to generate noble metal particles in soda-lime silicate glasses. The photoactivation has enabled the separation of nucleation and growth of noble metal particles. Thus, very small particles and the early stages of the cluster growth process could be identified. The glasses have been characterized by photoluminescence, UV-Vis absorption, EPR, SAXS and XANES spectroscopy. As a result, gold dimers could be identified in synchrotron activated gold-doped glasses. Thermal annealing at 550°C has induced the growth of gold nanoparticles by heterogeneous nucleation. As a model for the nucleation center a gold dimer bound to a silanolate center has been suggested. In contrast to gold, in synchrotron activated silver-doped glasses non-luminescent silver atoms have been generated. Annealing at 300°C has induced the growth of small luminescent silver particles. After a thermal treatment at a higher temperature of 500°C silver nanoparticles have been generated. The early stages of the gold and silver cluster growth process have been identified as efficient donators in photoluminescence energy transfer processes. An unprecedented increase of the gold amount of up to 20 mol% has been achieved by the preparation of ultrathin silicate-titanate layers with a sol-gel spin-coating approach. The nonlinear photoluminescence of the gold nanoparticles generated by annealing at 300°C could be excited by a three-photon induced process. Furthermore, the technique of titanium:sapphire laser activation has been developed to write nanometer-sized patterns containing gold nanoparticles into the glassy layers. TEM and SEM studies have shown that the gold nanoparticles are not only embedded within the thin films, but are also located on top of the glassy layers. Their accessibility to biological molecules has been proven by determining the surface-enhanced Raman scattering of adsorbed adenine molecules.

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