Mit zeitaufgelöster Massenspektrometrie untersuchen wir die Winkelverteilung von Kohlendioxid-Monomeren bei der Streuung von Kohlendioxid-Clustern an einer Si(111)/Siliciumdioxid-Oberfläche unter Ultrahochvakuum-Bedingungen. Die präsen- tierten Studien decken eine große Breite der Clustergrößen, , 1,000 < N < 200,000 Moleküle pro Partikel, ab. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss der Ausgangsentropie, die durch eine präzise Einstellung des Ausgangsdruckes und der Düsentemperatur realisiert wurde. Es zeigt sich, daß die Streuverteilung direkt den Expansionspfad widerspiegelt, wodurch eine Unterscheidung zwischen Clustern, die durch eine Expansion auf der gasförmigen oder flüssigen Seite des kritischen Punktes und der metstabilen Phase ent- stehen, ermöglicht wird. Um bei den hohen Teilchendichten eine verlässliche Aussage zu ermöglichen, wurden im Vorfeld die Eigenschaften gepulster Molekularstrahlen untersucht, insbesondere deren Abhängigkeit vom Restgasdruck und den Wechselwirkungen mit Strahlblenden. Hierzu diente die elektronische Anregung eines Helium-Strahls. Die Optimierung der Randbedingungen ermöglicht viel kältere Strahlen, so dass Helium-Cluster sogar bei einer Ausgangstemperatur von T = 410.0 K gefunden werden können. Dieses Ergebnis ist für die Cluster-Forschung, die Molekülspektroskopie und Experimente in der Quantenphysik von Bedeutung. / Employing pulsed high-pressure supersonic jet expansion and a dedicated setup for the experimental investigation of chemical processes occurring between neutral, van der Waals bound clusters and a solid surface, we report on the angular distribution observed for large carbon dioxide clusters scattered off a Si(111)/Silicon Dioxide surface under ultrahigh vacuum conditions. Scattered particles are detected using angle and time resolved mass spectrometry. The presented studies cover a broad range of cluster sizes, , 1,000 < N < 200,000 molecules per particle. The focus is on the influence of source entropy, realized by accurately setting stagnation pressure and temperature. This thesis demonstrates a dependence of the angular distribution of scattered carbon dioxide monomers on source conditions: the scattering distribution directly reflects the expansion path, allowing us to distinguish between clusters generated via expansion on the gaseous or on the liquid side of the critical point, and an intermediate regime where the expansion passes the metastable gas-liquid region. To optimize the supersonic beam, on the other hand, we reveal a substantial influence of residual gas pressure and beam–skimmer interactions on beam properties, particularly the minimum attainable translational temperature in a model system. This study contains the systematic investigation of supersonic jet expansions of helium, employing the variable distance between the Even-Lavie valve and different types of skimmers. Utilizing the ultra-high precision time-of-flight measurements of electronically tagged particles, the terminal velocities and the spread of particles allow us to correspondingly obtain much colder beams with the same source conditions. As a result, helium clusters can be found even in the jet expansion from a source temperature of T = 410.0 K. This knowledge is of particular interest to cluster science, molecular spectroscopy, and quantum physics.

Diese Arbeit handelt von der Synthese und Charakterisierung verschiedener molekularer heterobimetallischer Komplexe der Elemente Molybdän und Bismut. Solche Verbindungen können als Modelle für die bei der SOHIO-Oxidation von Propen zu Acrolein zum Einsatz kommenden heterogenen Bismutmolybdat-Katalysatoren angesehen werden, sie sind aber auch als Einkomponentenvorstufen für die Herstellung funktionaler Materialien von Interesse. In Reaktionen zwischen Molybdocendihydriden und Bismutalkoxiden entstehen Komplexe, in denen Molybdän- und Bismutatome Über Metallbindungen verbunden sind. In einigen dieser Komplexe wurden intramolekulare C-H Aktivierungsprozesse beobachtet, die zur Ausbildung gebogener Bindungen zwischen Bismut- und Cyclopentadienyl-Kohlenstoffatomen führen. Die betreffenden Komplexe wurden unter anderem auch mit quantenchemischen Methoden untersucht. Die Synthese und erstmalige strukturelle Charakterisierung von Verbindungen, in denen Molybdän- und Bismutatome Über Sauerstoffatome verbrückt werden, erfolgte mittels Reaktionen zwischen (NBu4)[Cp*MoO3] (Cp* = Pentamethylcyclopentadienyl) und geeigneten Bismut(V) oder Bismut(III)-Ausgangsstoffen. Einer dieser Komplexe konnte als Einkomponentenvorstufe für die Herstellung von Bismutmolybdat-Nanopartikeln eingesetzt werden, wobei sich das dabei gebildete Material zudem als selektiver Ethanolsensor erwies. Weiterhin werden in der Arbeit die Synthese und Charakterisierung der Bismut(III)-Verbindungen (o-Tolyl)2BiOR (R = H, Me, Bi(o-Tolyl)2) und ihre wechselseitige Umwandlung beschrieben. / The unique property of nMoO3/Bi2O3 phases to act as catalysts for the allylic oxidation of propene remains a subject of intense discussion. This as well as the fact that Mo/Bi oxide materials also show other interesting properties e.g. as gas sensors, stimulates research with respect to this element combination also on the molecular level, as described in this thesis. By reactions between molybdocenedihydrides and bismuth alkoxides a series of complexes was synthesised which contain molybdenum-bismuth bonds in a carbonyl-free ligand sphere. Intramolecular C-H activation processes, facilitated by complex induced proximity effects, lead to the formation of bent bonds in some of these complexes. DFT-calculations were performed in order to obtain insight into the bonding situation of these complexes, too. The first complexes with oxygen bridged molybdenum and bismuth atoms were prepared by reactions between (NBu4)[Cp*MoO3] (Cp* = pentamethylcyclopentadienide) and suited bismuth(III) and bismuth(V) reagents. One of these compounds was used as single source precursor for the preparation of bismuthmolybdate nanoparticles in a procedure based on the polyol method. This material proved to be capable of sensing ethanol selectively at elevated temperatures. Additionally, the synthesis and reactions of some bismuth(III) compounds (o-Tolyl)2BiOR (R = H, Me, Bi(o-Tolyl)2) are described in this thesis.

Unter Verwendung von Dichtefunktionaltheorie werden die katalytischen Eigenschaften von Cerdioxidoberflächen mit verschiedenen Terminierungen untersucht. Cerdioxid wird auch als Trägermaterial in der heterogenen Katalyse eingesetzt, um Aktivität, Selektivität und Stabilität der aktiven Komponente zu erhöhen. In dieser Arbeit werden geträgerte Vanadiumoxidcluster diskutiert. Dabei wird die oxidative Dehydrierung von Methanol als Modellreaktion zur Aktivierung von C-H-Bindungen genutzt. Ceroxidpartikel werden oft in wässriger Lösung synthetisiert. Damit hängt die Form der Nanokristallite direkt von der relativen Stabilität der unterschiedlichen Terminierungen in der Gegenwart von Wasser ab. Außerdem ist Wasser an zahlreichen Reaktionen entweder als Produkt, Edukt oder Lösungsmittel beteiligt. Aus diesem Grund werden auch die Wasser-Oberflächenwechselwirkungen untersucht. Des Weiteren wird die Genauigkeit von drei verschiedenen Funktionalen (B3LYP, HSE und PBE+U) durch den Vergleich mit experimentellen Daten evaluiert. Diese beinhalten Barrieren, die mittels Temperatur-programmierter Desorptionsspektroskopie erhalten wurden, und Schwingungsspektren. / Density functional theory is applied to study the catalytic properties of ceria surfaces with different terminations. Ceria is also used as a support material in heterogeneous catalysis to improve activity, selectivity, and stability of the active component. In this work, supported vanadia clusters are discussed. The oxidative dehydrogenation of methanol is used as a model reaction for C–H bond activation. Ceria catalysts are often prepared in aqueous solution. As a result, the shape of ceria nanocrystallites depends on the relative stability of the different surface terminations in the presence of water. Furthermore, many reactions involve water either as a product, as a reagent, or as a solvent. Hence, water–surface interactions are studied as well. Furthermore, the accuracy of three different functionals (B3LYP, HSE, and PBE+U) is assessed by comparison to experimental data such as barriers obtained via temperature-programmed desorption and infrared spectra.

Hexagonales Wolframbronze (HTB)–FeF3·0.33H2O Xerogel und eine HTB– FeF3·0.33H2O/GO Nanoverbindung wurden zunächst durch einen fluorolytischen Sol-Gel Ansatz bei Raumtemperatur in MeOH erhalten und ihre elektrochemischen Eigenschaften bewertet. Operando Mössbauer Spektroskopie und Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden verwendet, um den Mechanismus während der Reaktion mit Lithium zu untersuchen. Das Fluorid zeigte ein komplexes Verhalten und den strukturellen Zerfall der HTB Phase sowie eine allmähliche Umwandlung in Fe-F2–Rutil–ähnliche Nanodomänen, welche sich als Hauptkomponente im Verlaufe der Reaktion ausbildeten. Die XRD-Analyse bestätigte die Amorphisierung des elektroaktiven Materials. Die strukturelle Optimierung von HTB-FeF3·0.33H2O wurde durch eine mikrowellenunterstützte, fluorolytische Sol-Gel-Reaktion in Benzylalkohol erreicht. Das Verfahren ermöglichte die Synthese von phasenreinen Nanopartikeln mit einem Durchmesser von rund 30 nm, zusammen mit der Herstellung eines auf reduziertem Graphenoxid (RGO) basierten Nanokomposits bei verminderter Reaktionszeit. Die Abscheidung auf leitfähigem RGO erwies sich als vorteilhaft für die elektrochemische Leistung des Fluorids, das wiederholten Zyklen zu unterschiedlichen C–Raten standhalten konnte und seine volle Kapazität nach mehr als 50 Zyklen aufrecht erhielt im Gegensatz zum reinen HTBFeF3 ·0.33H2O. Für die Herstellung von aktiven Ionenspeichermaterialien zur Verminderung der Sichereitsrisiken (im Vergleich zur Verwendung von Metallanoden) sind Strukturen wie HTBFeF3 ·0.33H2O notwendig. Hierzu wurden Na–enthaltende Hexafluoroferrat-Nanokomposite hergestellt und mit RGO und teilweise oxidierten Ruß (ox–CB) als leitfähigen Kohlenstoff versetzt. Die Art des Kohlenstoffzusatzes beeinflusste die elektrochemische Leistung stark, wobei mit RGO die größten Verbesserungen erzielt werden konnten / Hexagonal tungsten bronze (HTB)-FeF3∙0.33H2O xerogel and HTB-FeF3∙0.33H2O/GO nanocomposite were firstly obtained by a room temperature fluorolytic sol-gel approach in MeOH, and their electrochemical properties evaluated. Operando Mössbauer spectroscopy and X-Ray diffraction were employed to investigate the reaction mechanism during reaction with lithium. The fluoride evidenced a complex behavior, with structural collapse of the HTB phase and gradual transformation into FeF2-rutile-like nanodomains, becoming the predominant component all along the reaction. XRD confirmed the amorphization of the electroactive material. Structural optimization of HTB-FeF3·0.33H2O was then achieved by a microwave-assisted fluorolytic sol-gel in benzyl alcohol. The procedure allowed the synthesis of phase pure nanoparticles of ~30 nm in diameter, along with the production of a reduced graphene oxide (RGO)-based nanocomposite and the reduction of reaction times. Deposition onto conductive RGO resulted beneficial for the electrochemical performance of the fluoride, which was able to sustain repeated cycling at different C-rates and recovered full capacity after more than 50 cycles with respect to the unsupported HTB-FeF3·0.33H2O. Aiming at the production of active ions-holding materials to solve safety issues related to the use of metallic anodes, necessary with structures such as HTB-FeF3·0.33H2O, Na-containing hexafluoroferrate nanocomposites were produced using RGO and partially oxidized carbon black (ox-CB) as conductive carbons. Carbon type greatly affected the electrochemical performance, whose best improvement was obtained using RGO as support

Hauptaufgabe dieser Promotionsarbeit war es, eine neue Sol-Gel basierte Syntheseroute zur Darstellung edelmetallbeladener (Pd, Pt, Ag und Au) Aluminiumhydroxidfluoride zu entwickeln. Derartige Katalysatoren besitzen sowohl Lewis- als auch Brønsted-saure, sowie hydrogenierungsaktive Zentren. Solche multifunktionellen Katalysatoren können für mehrstufige Umsetzungen von Substraten in Eintopfverfahren eingesetzt werden. Das Potential der dargestellten Katalysatoren wurde in der zweistufigen Umsetzung von Citronellal zu Mentholen und der dreistufigen Reaktion von Citral zu Mentholen gezeigt. / The main aim of this thesis was to develop a new sol gel based synthesis route to noble metal loaded (Pd, Pt, Ag and Au) aluminium hydroxide fluorides. These catalysts provide Lewis as well as Brønsted acidity and hydrogenation ability. Those multifunctional catalysts can be used for multi step conversions of substrates performed in a one pot process. The potential of the synthesized catalysts was shown in the two step conversion of citronellal to menthols and in the three step conversion of citral to menthols.

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag auf dem Gebiet der theoretischen Chemie und beschäftigt sich mit der Entwicklung effizienter Berechnungsmethoden für die Elektronendichte und die Energie des Grundzustands molekularer und periodischer Systeme im Rahmen der Kohn-Sham-Dichtefunktionaltheorie (Kohn-Sham-DFT) und unter Verwendung von lokalen Basisfunktionen. Im Vordergrund steht dabei die einheitliche Beschreibung von Molekülen und ausgedehnten Systemen beliebiger Periodizität (zum Beispiel Volumenkristalle, dünne Filme und Polymere) mit einfachen Algorithmen bei einem hohen Maß an numerischer Genauigkeit und Recheneffizienz. Dafür hat der Verfasser bewährte molekulare Simulationsmethoden in neuartiger Form auf periodische Randbedingungen erweitert und zu einer vollständigen DFT-Methode vereint. Von diesen Methoden ist das völlig neue Konzept für die RI-Methode (resolution of identity, Zerlegung der Einheit), die auf den Coulomb-Term angewendet wird, die Schlüsseltechnologie in dieser Arbeit. Ein Merkmal der Methode ist, dass sie ausschließlich im direkten Raum arbeitet. Neben der RI-Methode wurden weitere methodische Ansätze entwickelt werden, um eine gute Speicher- und Zeiteffizienz der gesamten DFT-Methode zu gewährleisten. Dazu gehören die Komprimierung der speicherintensiven Dichte- und Kohn-Sham-Matrizes und die numerische Integration des Austausch-Korrelationsterms durch die Anwendung eines adaptiven, numerischen Integrationsschemas. Die vorgestellten Methoden werden zum Prototypen eines RI-DFT-Programms zusammengefügt. Dieses Programm ermöglicht die Berechnung von single point-Energien am Gamma-Punkt für Systeme mit abgeschlossenen Schalen. Anhand von Berechnungen werden die numerische Genauigkeit und Effizienz bewertet. Das Programm bildet die Basis für ein effizientes und leistungsfähiges DFT-Programm, das Moleküle und periodische Systeme methodisch einheitlich und numerisch genau behandelt. / This work contributes to the field of theoretical chemistry and is aimed at the development of efficient methods for computation of the electron density and the energy belonging to the ground state of molecular and periodic systems. It is based on the use of Kohn Sham density functional theory (Kohn Sham DFT) and local basis functions. In this scope, the molecular and the periodic systems of any dimensionality (e.g., bulk crystals, thin films, and polymers) are treated on an equal footing using methods which are easy to implement, numerically accurate, and highly efficient. For this, the author has augmented established methods of molecular simulations for their use with periodic boundary conditions applying novel techniques. These methods have been combined to a complete DFT method. Among these methods, the innovative approach for the RI (resolution of identity) method applied to the Coulomb term represents the key technology of this work. As a striking feature, this approach operates exclusively in real space. Although the RI method is the chief ingredient, the development of further methods is required to achieve overall efficiency for the consumption of storage and time. One of these methods is used to compress the density and Kohn Sham matrices. Moreover, numerical integration of the exchange-correlation term has been improved applying an adaptive numerical integration scheme. The methods presented in this thesis are combined to the prototype of an RI-DFT program. Using this program single point energies on the gamma point can be calculated for systems with closed shells. Calculations have been performed and the results are used to assess the accuracy and efficiency achieved. This program forms the foundation of an efficient and competitive DFT code. It works numerically accurate and treats molecules and periodic systems on an equal footing.

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des enantiomerenspezifischen Umweltverhaltens des Flammschutzmittels Hexabromcyclododecan (HBCD). Zu Beginn erfolgte daher die Optimierung und Validierung eines enantiomerenspezifischen Analysenverfahrens für die Bestimmung von HBCD in Biota. Die errechneten mittleren Wiederfindungen lagen im Bereich von 100-102 % und die Nachweisgrenzen zwischen 0,131 und 0,255 pg g-1. Untersuchungen zur ubiquitären Verteilung von HBCD erfolgten an Eiern der Silbermöwe deutscher Nord- und Ostseeinseln (Probenahme 1988-2008). In allen Fällen dominierte alpha-HBCD das Diastereomerenmuster, wobei eine bevorzugte Anreicherung von (-)-alpha-HBCD sowie ein zeitlicher Trend aller Enantiomeren-Gehalte festgestellt wurde. Zur Klärung der Frage einer Bioakkumulation sowie -isomerisierung der HBCD-Stereoisomere erfolgten Langzeit-Fütterungsversuche an Spiegelkarpfen. Die Untersuchungen ergaben eine signifikante Akkumulation des jeweils gefütterten HBCD-Enantiomers, jedoch konnte die Hypothese der Bioisomerisierung nicht bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag in Untersuchungen zur cytochromabhängigen enantiomerenspezifischen Biotransformation von HBCD im Rahmen des Metabolismus an Lebermikrosomen diverser Spezies. Hier konnte gezeigt werden, dass HBCD dem Phase I-Metabolismus unterliegt und hydroxyliert wird. Dabei weist jedes HBCD-Enantiomer ein spezifisches Metabolitenmuster auf, was eine Zuordnung der hydroxylierten Verbindungen zum entsprechenden HBCD-Enantiomer erlaubt. Anhand von Zeitreihen sowie der Berechnung von Halbwertszeiten konnte der Verdacht eines enantiomerenspezifischen Metabolismus in Richtung einer Anreicherung von (-)-alpha- und (+)-gamma-HBCD bestätigt werden. Inkubationsansätze mit reinen Cytochrom (CYP)-Isoformen sowie molekülmechanische Berechnungen legen die Vermutung nahe, dass dem CYP3A4 eine Schlüsselrolle bei der Metabolisierung von HBCD zukommt. / The main emphasis of this thesis was on the enantio-specific environmental behaviour of the polybrominated flame retardant hexabromocyclododecane (HBCD). Initially, an enantio-specific analytical method for the determination of HBCD in biota was optimised and validated. The calculated mean recoveries ranged from 100 to 102 % and the limits of detection are in the range of 0.131 to 0.255 pg g-1. First investigations of the ubiquitous environmental distribution of HBCD were performed using herring gull eggs from different islands in the North and Baltic Sea (sampling 1988 to 2008). In all cases alpha-HBCD was the predominant diastereomer. Significant deviations from the racemic mixture revealed a preferred enrichment of the first eluting (-)-alpha-HBCD. In addition, a temporal trend of HBCD levels was observed. To clarify the issue of accumulation as well as bioisomerisation of HBCD stereoisomers, a long-term feeding study with mirror carps was performed. The results showed an accumulation of each initially fed HBCD enantiomer, but hypothesis of a bioisomerisation could not be confirmed. Another important focus of this work was to study the cytochrome-dependent enantio-specific biotransformation of HBCD enantiomers in various species of liver microsomes. It was shown that HBCD is subject to phase I metabolism. In the course of this process, HBCD is metabolised to hydroxylated products, whereas each HBCD enantiomer results in a specific metabolite pattern allowing the allocation of the corresponding hydroxylated compounds. Investigation of time series as well as the calculation of half-lives, the hypothesis of an enantio-specific metabolism towards an enrichment of (-)-alpha- and (+)-gamma-HBCD could be confirmed. Incubation mixtures with pure cytochrome (CYP) isoforms, as well as molecular mechanic calculations suggest that CYP3A4 plays a key role in the biotransformation processes of HBCD.

In dieser Arbeit wurde ein Modell-Katalysator-Ansatz angewandt um Mischoxide mit Molybdän und Titan zu untersuchen. Die Schichten wurden auf TiO2(110) Einkristallen durch Verdampfen der Metalle in einer O2 Atmosphäre und in UHV und Nachbehandlung der Filme vorbereitet. Verschiedene Präparationen wurden in der Studie untersucht und diese werden in sechs Kategorien dargestellt. Wenn Mo und Ti in O2 gemeinsam aufgedampft wurden, wurde das meiste Mo an der Oberfläche abgeschieden mit einer nur geringen Mo-Konzentration in tieferen Schichten. Eine Mischung von Mo in TiO2 war sehr begrenzt, und die stimmt mit dem Phasendiagramm MoO2 und TiO2 überein. Mo6+ und Mo4+ sind die dominierenden Oxidationsstufen in den meisten der Schichten, wobei Mo6+ stets näher an der Oberfläche war als Mo4+. Schichten, in denen Mo vollständig in TiO2 gelöst ist, konnten durch Abscheidung von Metallen in UHV und Post-Oxidation der Filme erstellt werden. Im Inneren des TiO2 Gitters hat Mo die Oxidationsstufe 4+. Aufdampfen von Mo in O2 bei Raumtemperatur und anschließendes Tempern in UHV führte zur Bildung zweier Arten von Merkmalen in den STM-Bildern. Diese waren im UHV stabil bis mindestens 1000 K. Die Schichten mit hoher Mo-Konzentrationen erschienen uneinheitlich in den STM-Bildern aber sie zeigte das TiO2(110)-(1x1) LEED-Muster. Der Anstieg in der Mo-Konzentration führte zur Blockierung der Überbrückung Sauerstoffleerstellen (BOVs), was durch STM und Wasser-TPD nachgewiesen wurde. Die Reaktivitäten der Schichten wurden mit Methanol- und Ethanol-TPD getestet. Eine unerwartete Formaldehyd/Methanbildung bei hohen Temperaturen (~650 K) wurde bei der Methanol-TPD von reinem TiO2(110) beobachtet und mit BOVs in Verbindung gebracht. Der Anstieg der Mo-Konzentration unterdrückte diesen Effekt sowie die Ethylenbildung (~600 K) beim Durchführen von Ethanol-TPD. Sowohl in Ethanol als auch Methanol-TPD wurden neue Reaktionswege zu Ethylen und Methan-Bildung bei ~500 K beobachtet. / In this work, a model-catalyst approach has been taken to study oxide mixtures containing molybdenum and titanium. The layers were prepared on TiO2(110) single crystals by evaporating the metals in an O2 atmosphere or in UHV and post treating the deposited material. Different preparation procedures were employed in the study and these are presented in six categories. When Mo and Ti were co-deposited in O2, most of the molybdenum stayed at the surface with only a small Mo concentration in deeper layers. Mixing of Mo into TiO2 was very limited, consistent with the phase diagram of MoO2 and TiO2. Mo6+ and Mo4+ were the dominant oxidation states in most of the layers and Mo6+ was always nearer to the surface than Mo4+. Layers where Mo was completely mixed into TiO2 could be prepared by depositing metals in UHV and post-oxidizing the deposited material. Inside the TiO2 lattice, Mo had an oxidation state of 4+. Depositing Mo in O2 at room temperature and post annealing in UHV led to the formation of two types of features in the STM images. These features were stable in UHV up to at least 1000 K. The layers with high Mo concentrations appeared patchy in the STM images but they still exhibited the TiO2(110)-(1x1) LEED pattern. The increase in Mo concentration led to the blocking of the bridging oxygen vacancies (BOVs) as evidenced by STM and water TPD. The reactivities of the layers were tested by methanol and ethanol TPD. An unprecedented high temperature (~650 K) formaldehyde/methane formation channel was observed in the methanol TPD of clean TiO2(110) and was associated with BOVs. The increase in the Mo concentration led to the vanishing of this channel as well as the ethylene formation channel (~600 K) in the case of ethanol TPD. In both ethanol and methanol TPD, new reaction channels towards ethylene and methane formation at ~500 K appeared.

Gadoliumbasierte Kontrastmittel werden in der Magnetresonanztomographie verwendet und gelangen nach der Exkretion durch behandelte Patienten in Oberflächengewässer, da sie von Klärwerken nur unzureichend entfernt werden. Das Verhalten der Kontrastmittel in der Umwelt und deren Wechselwirkung mit Organismen wurde in dieser Arbeit aufgrund der Toxizität des freien Gd-Ions und der damit verbundenen möglichen Gefahren, wie der Anreicherung in der menschlichen Nahrungskette, näher untersucht. Die bildgebenden elementanalytischen Methoden Laserablation mit induktiv gekoppelter Plasmamassenspektrometrie (LA-ICP-MS) und Röntgenfluoreszenzanalyse mit Synchrotronstrahlung (SRXRF) wurden genutzt, um verschiedene biologische Systeme hinsichtlich ihrer Aufnahme, Verteilung und Abgabe von Gd-basierten Kontrastmitteln zu untersuchen. Zuvor wurden beide Methoden für diese Anwendung analytisch charakterisiert und verglichen. Die Nachweisgrenzen von Gadolinium wurden mittels LA-ICP-MS (0.78 pg) und SRXRF (89 pg) unter jeweils optimierten Bedingungen durch die Kalibrierung über Rückstände eingetrockneter Elementstandardtropfen bestimmt. Anhand von Fadenalgen konnte die Aufnahme und Abgabe der Gd-basierten Kontrastmittel gezeigt werden. Die Abhängigkeit von der Konzentration des Kontrastmittels in der Expositionslösung und die Unabhängigkeit der zeitlichen Aufnahme innerhalb eines Zeitraums von 1-7 Tagen wurden an Wasserlinsen studiert. Gadolinium konnte in einem Kresseblatt quantifiziert werden. Die Verifizierung der LA-ICP-MS-Ergebnisse erfolgte mit der SRXRF und der ICP-MS nach Aufschluss. Auch die Aufnahme und Abgabe von Gd in Wasserflöhen wurde beobachtet. Die Lokalisierung des Gds wurde mittels 3D µ-Computertomographie durch den Vergleich mit einem unbelasteten Wasserfloh aufgeklärt. In allen Untersuchungen wurde Gadolinium in den exponierten Modellorganismen nachgewiesen, woraus geschlussfolgert werden kann, dass die Kontrastmittel aus der Umgebung aufgenommen werden. / Gadolinium based contrast agents are used for magnetic resonance imaging. After their excretion by medicated patients they reach surface water passing waste water treat-ment plants where they are not removed sufficiently. The behavior of the contrast agents in the environment and the interaction with organisms was investigated in this work due to the toxicity of the free Gd3+ ion and the associated risks, such as accumulation in the human food chain. In this work, the two elemental analytical imaging methods laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and synchrotron radiation X-ray fluorescence analysis (SRXRF) have been used to investigate the uptake, distribution, and excretion of Gd-based contrast agents by various biological systems. Both methods were analytically characterized and compared for this application. The detection limits of gadolinium were determined under optimized conditions by LA-ICP-MS and SRXRF. With calibration by remains of dried elemental standard droplets detection limits of 0.78 pg absolute amount of gadolinium (LA-ICP-MS), respectively 89 pg (SRXRF) were reached. Based on filamentous algae as water plants the uptake and the excretion of Gd-based contrast agents were revealed. The dependence on concentration of the contrast agent in the exposition solution and the independence of temporal uptake within one to seven days were studied for duckweed. By LA-ICP-MS gadolinium was quantified in a leaf of cress plant. The verification of the results was performed by SRXRF and ICP-MS after digestion. Furthermore, the uptake and distribution of Gd-based contrast agents in higher organisms (water flea) were observed. The exact location of gadolinium was resolved by three-dimensional μ-computed tomography by the comparison of an exposed with a Gd-free water flea. In all studies, gadolinium was detected in the investigated exposed model organisms. It can be concluded that the contrast agents were taken from the environment.

Auf Basis moderner unabhängiger Analysenmethoden wurden selektive und spezifische Analysenverfahren für die Analytik von Phenolen, unter besonderer Berücksichtigung der Alkylphenole entwickelt, optimiert und teilweise validiert. Es wurden Verfahren für die Hochleistungs-Flüssigchromatographie - Massenspektrometrie (HPLC-MS), Hochleistungs-Flüssigchromatographie - Kernmagnetische Resonanzspektrometrie (HPLC-NMR), Gaschromatographie - Massenspektrometrie (GC-MS) und Kapillarelektrophorese (CE) entwickelt. Die HPLC-MS wurde mit den Atmosphärendrucktechniken "Electrospray Ionization" (HPLC-ESI-MS) und "Atmospheric Pressure Chemical Ionization" (HPLC-APCI-MS) eingesetzt. Die Gaschromatographie wurde in Kopplung zu einem hochauflösenden Massenspektrometer (GC-HRMS) und in Kopplung zu einem niederauflösenden Quadrupol-Spektrometer (GC-LRMS) verwendet. Mit der Kapillarelektrophorese wurden Verfahren in den Modi "Kapillar-Zonen-Elektrophorese (CZE) und "Micellare Electrokinetische Chromatographie (MEKC) mit verschiedenen internen Anreicherungstechniken ("Stacking") entwickelt. Für die Validierung des MEKC-Verfahrens mit interner Anreicherung ("Direktes-MEKC-Stacking") wurde ein Ringversuch organisiert und durchgeführt. Anhand von representativen Modellgemischen wurden die Verfahren geprüft und miteinander verglichen. Die Modellgemische sind reproduzierbar herstellbar; ihre Stabilität und Homogenität wurde abgesichert, so daß sie als synthetische Referenzmaterialien zur laborinternen Qualitätssicherung, zur Methodenbewertung und zum Laboratoriumsvergleich eingesetzt werden können. Anhand von charakteristischen Kenngrößen wie Bestimmungsgrenzen, Selektivität, Zeitaufwand, Kosten und Meßunsicherheiten wurden die Verfahren auf ihre Eignung als Standard- bzw. Referenzverfahren bewertet. Die Verfahren der HPLC-NMR, HPLC-ESI-MS, HPLC-APCI-MS und GC-HRMS können mit unterschiedlichem Einsatzbereich als Referenzverfahren für die Analytik von Phenolen eingesetzt werden. Die GC-HRMS ist dabei das leistungsstärkste Referenzverfahren. Die Verfahren der GC-LRMS und CE ("Direktes-MEKC-Stacking") sind als Standardverfahren geeignet und besitzen alle Voraussetzungen um auch als Normverfahren für die Analytik von Phenolen eingeführt zu werden. / Different selective and specific analysis procedures were developed for the determination of phenol derivatives, in particular alkylphenols, in environmental relevant matrices using High-Performance Liquid Chromatography - Mass Spectrometry (HPLC-MS), High-Performance Liquid Chromatography- Nuclear-Magnetic Resonance Spectrometry (HPLC-NMR), Gas Chromatography- Mass Spectrometry (GC-MS) and Capillary Electrophoresis (CE). HPLC-MS was used with atmospheric pressure ionization techniques, Electrospray Ionization (HPLC-ESI-MS) and Atmospheric Pressure Chemical Ionization (HPLC-APCI-MS). Analysis procedures for GC-MS were developed for a high resolution mass spectrometer (GC-HRMS) and a low resolution benchtop quadrupole mass spectrometer (GC-LRMS). CE was used in the Capillary Zone Electrophoresis (CZE) and Micellar Electrokinetic Chromatography (MEKC) mode with different internal stacking techniques. The MEKC procedure with internal stacking (called "Direct-MEKC-Stacking") was validated by an interlaboratory comparison test. These procedures were tested and optimized using representative model mixtures and the most efficient then validated. The model mixtures were produced reproducably and their stability and homogeneity were demonstrated for the application as synthetic reference materials, e.g. for internal laboratory control, quality assurance or method development. The different analysis procedures were categorized as standard- or reference procedures on the basis of characteristic properties, e.g. detection limits, selectivity, analysis time, cost and uncertainty. HPLC-NMR, HPLC-ESI-MS, HPLC-APCI-MS, GC-HRMS can be used as reference procedures for different fields of use. Best performance can be reached with GC-HRMS. GC-LRMS and "Direct-MEKC-Stacking" can be used as standard procedures for the analysis of phenol derivatives and they fulfill all conditions for their implementation in standardization.