In dieser Arbeit wurden nanostrukturierte Oberflächen durch Immobilisierung von Gold- und Silber¬nanopartikeln mit Organosilanen hergestellt und bezüglich ihrer Eigenschaften als Substrate für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) untersucht. In Experimenten zum Einfluss von Partikelgröße und -anordnung auf die plasmonischen Eigenschaften wurden wesentliche Erkenntnisse für die Optimierung SERS-aktiver Nanostrukturen gewonnen. Durch Kombination experimen¬teller Untersuchungen, unter Verwendung von spektroskopischen und bildgebenden Ver¬fahren, mit elektro¬dynamischen Simulationen der lokalen Felder, wurden Zusammen¬hänge zwischen den plasmo¬nischen und nanoskopischen Eigen¬schaften von Partikeln auf Oberflächen und ihren SERS-Eigenschaften hergestellt. Die nanostrukturierten Oberflächen weisen hohe und über einen weiten Analyt-konzentrations¬bereich stabile Verstärkungsfakoren bei hoher mikros¬kopischer Homo-genität der Verstärkung auf. Dies macht sie zu geeigneten Substraten für quantitative Anwendungen von SERS. Das Potenzial der nano-strukturierten Ober¬flächen für den Einsatz in analytischen Fragestellungen wurde anhand mehrerer Anwendungen gezeigt. Durch simultane Immobilisierung verschiedener Nano¬partikel unter Verwendung desselben Linker¬moleküls wurden erstmalig Ober¬flächen mit definierten plasmonischen und funktionellen Eigen¬schaften repro¬duzierbar erzeugt. Diese neuartigen Mischsubstrate wurden in der Verfolgung katalytischer Reaktionen eingesetzt, wodurch erstmals Reaktions-konstanten solcher Reaktionen mittels SERS bestimmt werden konnten. Die Ergebnisse der Arbeit legen einen breiten Einsatz der plasmonischen nano¬struk-turierten Ober¬flächen in der Zukunft nahe. Dieser reicht von Untersuchungen in der Kata-lyse¬forschung über mikroskopische Anwendungen von SERS bis zur Verwendung in der klinischen Diagnostik. / Within this work nanostructured surfaces were generated by immobilization of gold and silver nanoparticles with organosilanes and characterized regarding their suitability as substrates for Surface-enhanced Raman scattering (SERS). Essential knowledge for the optimization of SERS-active nanostructures could be found by experimental invest-igations on the influence of particle size and assembly on the plasmonic properties. Through combined experimental investigations, including spectroscopic and imaging techniques, and electrodynamic simulations of local fields, the plasmonic and nanoscopic properties of particles on surfaces were related to their SERS-properties. The nanostructured surfaces exhibit high and, over a wide range of analyte concentration, stable enhancement factors with high microscopic homogeneity. Therefore immobilized nanostructures are suitable substrates for quantitative SERS. The potential for the use of the nanostructured surfaces in analytical problems was shown in various applications. Signal fluctuations that can occur in the detection of complex analyte mixtures can be significantly reduced by immobilization of the nanoparticles. This offers the possibility to use multivariate statistical methods for automated classification and identification of molecule mixtures but also for multiplexing and imaging by SERS. Simultaneous immobilization of gold and silver nanoparticles and gold and platinum nanoparticles using the same linker molecule allowed for the first time to generate surfaces with defined plasmonic and functional properties with low cost and high reproducibility. These new mix and match-substrates were used to follow catalytic reactions and determine reaction constants of such reactions for the first time using SERS. The outcome of this work suggests a wide range of applications of plasmonic nanostructured surfaces in the future. This includes the investigation of catalysis, microscopic applications of SERS and clinical diagnosis.

Die mangelnde Wasserlöslichkeit von Wirkstoffen ist eines der größten Probleme in der pharmazeutischen Medikamentenentwicklung, welches durch das Scheitern zahlloser vielversprechender Leitstrukturen immense Kosten verursacht. Es wird eine Methode vorgestellt, um spezifische Löslichkeitsvermittler für schwerlösliche, niedermolekulare Verbindungen zu entwickeln. Dafür wurden Partner für die nichtkovalente Bindung von Wirkstoffen aus Peptidbibliotheken identifiziert. Als Testsubstanzen wurden Sensibilisatoren für die photodynamische Krebstherapie gewählt. Über die Fluoreszenz der Photosensibilisatoren konnte die Anreicherung an Polymerpartikeln verfolgt werden, deren Peptidsequenzen eine hohe Affinität zu den Wirkstoffen besaßen. Positive Treffer wurden isoliert und deren Aminosäuresequenz mittels Tandem-Massenspektrometrie bestimmt. Diese Informationen wurden verwendet, um Löslichkeitsvermittler für die Sensibilisatoren zu synthetisieren. Dafür wurden die Sequenzen an einen hydrophilen Polyethylenoxid-Block (PEO) konjugiert, wobei das Peptidsegment die Bindung des Gastmoleküls vermittelt, während der Polymerblock die Wasserlöslichkeit des Komplexes garantiert. Mit diesen Konjugaten wurden die Sensibilisatoren erfolgreich in wässrige Lösung gebracht. Die Eigenschaften der Solubilisatoren bezüglich Beladungsgrad, Aggregation und Freisetzung der Gastmoleküle wurde untersucht, sowie die Aktivität der solubilisierten Sensibilisatoren bezüglich der Erzeugung von Singulett-Sauerstoff. Die Anpassung der Screening-Bedingungen, der Konjugat-Architektur und den Einbau eines schaltbaren Bausteins erlaubte die zusätzlich Feinjustierung. Durch einen Vergleich der verschiedenen Sensibilisatoren wurde die Sensibilität der Methode für strukturelle Unterschiede der Testsubstanzen und die Spezifität der gewonnenen Solubilisatoren für ihr Zielmolekül überprüft. Zuletzt wurden die Aufnahme und der Aufnahmemechanismus der solubilisierten Sensibilisatoren in Krebszellen studiert. / Insufficient water solubility of small molecule compounds is one of the major issues in pharmaceutical drug development causing tremendous costs due to failure of numerous high potential lead structures. Herein, a generic method to develop specific solubilizers for insoluble, small molecules is presented. Suitable binding partners for a set of sensitizers for photodynamic cancer therapy (m THPC, Pheophorbide A und Chlorin E6) were selected from a split&mix peptide library. The enrichment of sensitizer molecules at high affinity peptide sequences was followed by monitoring their intrinsic fluorescence via fluorescence microscopy. Positive hits were isolated and amino acid sequences were identified by tandem mass spectrometry (MALDI-Tof-MS/MS). The information gained about the requirement for non-covalent binding on a molecular level was used to synthesize specific solubilizers for small molecule drug entities. Therefore, identified peptide sequences were conjugated to a polyethylene oxide block to obtain water solubility, whereas peptide segments provide non-covalent binding of drug molecules. Insoluble photosensitizers were successfully rendered water soluble by peptide-PEO conjugates. Key parameters like drug payload capacity, aggregation behavior and guest molecule release, as well as activity regarding singlet oxygen generation, were studied. By adaptation and variation of screening conditions, conjugate architecture and incorporation of a switchable building block, properties of conjugate solubilizers were fine-tuned further. To evaluate screening sensitivity towards structural aspects of screened small molecules and specify of resulting solubilizers, screening results of different sensitizers and peptide-PEO solubilizers performance were compared. Finally, cellular uptake of solubilized photosensitizer in cancer cells and uptake pathways was studied in vitro using confocal laser-scanning microscopy and fluorescence lifetime imaging.

Aus CdTe- und Edelmetallnanopartikeln werden 3-dimensionale Netzwerkstrukturen aufgebaut, welche durch einen überkritischen Trocknungsprozess zu hochporösen, weitverzweigten Halbleiter-Metall-Nanokompositen, sogenannten Aerogelen, umgewandelt werden. Zunächst werden Thiol-stabilisierte CdTe- und Edelmetallnanopartikel im wässrigen Milieu hergestellt und deren Morphologie und optischen Eigenschaften umfangreich mittels UV-Vis-Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und -lebensdauermessung, ICP-OES, TEM, STEM-EDX und AFM charakterisiert. Als Metallkomponente kamen Gold-, Palladium- sowie bimetallisch gemischte Gold-Palladium-Nanopartikel zum Einsatz. Die Gelierung der Nanopartikellösungen erfolgt durch Vermischen der Kolloide und anschließender kontrollierter Destabilisierung mithilfe einer Xe-Dampflampe oder der Zugabe von Wasserstoffperoxid. Neben einer mechanistischen Beschreibung der Gelbildungsmethoden wurden die resultierenden Hydrogele und die aus der überkritischen Trocknung erhaltenen Aerogele bezüglich Zusammensetzung, Morphologie und optischen Eigenschaften mithilfe von TEM und REM jeweils gekoppelt mit EDX-Analyse, Stickstoff-Porosimetrie, diffuser Reflexionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und Fluoreszenzlebensdauermessungen untersucht. Weiterhin wird die UV-Vis-Spektroskopie als Methode zur Konzentrationsbestimmung von Gold in Lösungen kolloidaler Gold-Nanopartikel validiert. Dabei wird die Absorption der Kolloide bei einer Wellenlänge von 400 nm als Maß verwendet. Die NP-Lösungen werden anhand der Parameter Partikelgröße, Oberflächenfunktionalität und der Oxidationsstufe des enthaltenen Goldes variiert. / 3-dimensional network structures are formed combining CdTe and noble metal nanoparticles. A supercritical drying process allows production of highly porous and widely branched semiconductor-metal nanohybrids, so-called aerogels. Primarily, thiol-capped CdTe and noble metal nanoparticles are synthesized in aqueous media and their morphology and optical properties are studied extensively using UV-Vis and fluorescence spectroscopy, time-resolved fluorescence spectroscopy, ICP-OES, TEM, STEM-EDX and AFM. The metal entity involves gold and palladium nanoparticles as well as bimetallic mixed Au/Pd nanoparticles. After mixing of the different colloids gelation is induced by a controlled destabilization process using a Xenon lamp irradiation or the addition of hydrogen peroxide. Gelation techniques are described mechanistically. Resulting hydrogels and aerogels which are obtained by supercritical drying approach are characterized concerning composition, morphology and optical properties using TEM and SEM each coupled with EDX, nitrogen porosimetry, diffuse reflection spectroscopy, fluorescence spectroscopy and time-resolved fluorescence spectroscopy. Moreover, the UV-Vis spectroscopy is validated as a method to determine the gold concentration in gold nanoparticle solutions using the colloids absorbance at 400 nm as a measure. Gold nanoparticle solutions are varied concerning the parameters particle size, surface functionality and oxidation state of contained gold.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Herstellung sowie Reaktionen von geminalen Dihydroperoxiden erforscht. Dabei kamen die dargestellten Dihydroperoxide sowohl als Sauerstofftransferreagenz, insbesondere zur enantioselektiven Epoxidation, als auch als Baustein zur Synthese von 1,2,4,5-Tetroxanen zum Einsatz. Es wurde eine in unserem Arbeitskreis gefundene Methode zur Darstellung gem - Dihydroperoxide zunächst hinsichtlich der Reaktionsbedingungen optimiert, um dann eine Vielzahl an Dihydroperoxiden vornehmlich mit dieser Methode zu synthetisieren. Insbesondere gelang es hier erstmals, primäre Dihydroperoxide aus aliphatischen Aldehyden darzustellen. Desweiteren wurde erstmals eine größere Anzahl an enantiomerenreinen DHPs dargestellt. Weitere DHPs konnten durch Ozonolyse von olefinischen Terpenen mit etherischer Wasserstoffperoxidlösung dargestellt werden. Die enantiomerenreinen DHPs wurden verwendet, um enantioselektiv sowohl 2-substituierte Naphthochinone wie auch Allylalkohole, insbesondere tertiäre Allylalkohole, zu epoxidieren. Die Epoxide der letzteren sind nach der normalerweise verwendeten Methode nach Sharpless nicht zugänglich. Außerdem konnten durch Sulfidoxidation Sulfoxide enantiomerenangereichert dargestellt werden. Dies stellt die erste Nutzung von geminalen Dihydroperoxiden zur enantioselektiven Sauerstoffübertragung dar. Die primären aliphatischen gem-DHPs wurden desweiteren zur Darstellung bisher unbekannter 1,2,4,5-Tetroxane genutzt. Insbesondere wurde gefunden, daß durch Kondensation mit Orthoestern verläßlich alkoxysubstituierte Tetroxane erzeugt werden können. Diese wurden in der Literatur bisher nur an sehr wenigen Beispielen beschrieben. / In the course of this dissertation thesis the preparation and reactions of geminal dihydroperoxides were researched. The hereby synthesized dihydroperoxides were used as an oxygen transfer reagent, especially for enantioselective epoxidation, as well as a building block for the synthesis of 1,2,4,5-tetroxanes. A method for synthesis of gem-dihydroperoxides that was found in our workgroup was first optimized concerning reaction conditions, and later utilized to synthesize a large number of dihydroperoxides. It was notably possible to synthesize primary DHPs from aliphatic aldehydes for the first time. Also for the first time, a large number of enantiomerically pure gem-DHP was prepared by this method. Additional enantiomerically pure DHPs were made by ozonolysis of olefinic terpenes using ethereal hydrogen peroxide solution. The enenantiomerically pure DHPs were utilized to both epoxidize 2-substituted naphthoquinones as well as allylic alcohols, especially tertiary allylic alcohols. The latter kind does not react via the normally used Sharpless epoxidation. Additionally, enantioenriched sulfoxides could be prepared from sulfides. This is the first time that geminal dihydroperoxides were used for enantioselective oxygen transfer. Primary aliphatic DHPs were further utilized to prepare previously unknown 1,2,4,5-tetroxanes. Notably it was found that condensation with orthoesters reliably yielded alkoxy-substiuted tetroxanes. These were only described in a very few cases in literature before.

Mit dem Ziel stabile und photomodulierbare Fluorophore für ihre direkte Anwendung in der hochaufgelösten Mikroskopie, wurde die Synthese und Charakterisierung von neuen fern Rot emittierender photoschaltbarer Fluorophore erreicht. Hierbei wurde die elektronische Kopplung zwischen den Komponenten tiefgreifend untersucht, und die Struktur Eigenschafts Beziehung etabliert. Durch die Wechselwirkung der photochromen Einheit mit dem Fluorophor, konnte die Fluoreszenzemission ein- und ausgeschaltet werden. Zusätzlich wurden Einkapselungs Experimente in Micellen durchgeführt, um die Wasserlöslichkeit der synthetisierten Verbindungen zu untersuchen. Letzlich, wurden mögliche Anwendungen mittels Fluoreszenzmikroskopie geprüft. Mit dem Ziel hochaufgelöste Bilder unter biologischen Bedingungen zu erhalten, wurde die Verkapselung der Dyaden in riesige unilamellare Vesikel erprobt. Unter Ausnutzung der Vorteile nichtlinearer Prozesse wurde die Synthese und Charakterisierung von photochromen Verbindungen, die in der Lage indirekt durch einen anfänglichen sensibilisierten Prozess geschaltet werden, untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Triarylamin Chromophor als Zwei-Photonenabsorber kovalent an einen Azobenzol verbunden. Die Charakterisierung der angeregten Zustandsdynamik wurde ausgeführt und die zwei Photonen induzierte Isomerisierung der Dyade bestätigt. Eine detaillierte Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften wurde durchgeführt und Richtlinien zur Verbesserung des Systems wurden kurz genannt. / With the purpose of designing stable and photomodulable fluorophores for their direct application in subdiffraction microscopy techniques, the synthesis and characterization of new far-red emitting photoswitchable fluorophores was accomplished. Fluorescence emission was efficiently modulated or switched On and Off by the interaction of the photochromic unit with the fluorescent-unit. Additionally, encapsulation experiments in micelles were performed to investigate the water solubility of the synthesized compounds. Finally, potential applications were examined with fluorescence microscopy, encapsulating the dyads in giant uni-lamellar vesicles under biological conditions to explore the feasibility to obtain highly resolved subdiffraction images. Exploiting the advantages of nonlinear processes, the synthesis and characterization of photochromes which are able to be switched indirectly through an initial sensitized event were studied. With this determination a two-photon absorbing triarylamine chromophore was covalently linked to an electron poor azobenzene. In-depth characterization of the excited state dynamics was performed and two photon induced isomerization of the dyad was confirmed. A detailed study of the electrochemical properties was set and guidelines towards the improvement of the system were succinctly mentioned.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Reaktionen von Nitrenen und Dinitrenen, die durch die Photolyse ihrer aromatischen Azide und Bisazide in einer Novolakmatrix generiert wurden. Ein Reaktionsmechanismus wird vorgestellt. Eine Reihe von aromatischen Aziden und Bisaziden wurden synthetisiert und spektroskopisch charakterisiert. Die Vergrößerung des konjugierten -Systems im Molekül durch die Einführung entsprechender Gruppen zwischen den beiden Phenylringen zeigt sich in der bathochromen Verschiebung der langwelligsten Absorptionsbande zur i-Linie (365 nm) der Quecksilberbestrahlungsquelle. Gleichzeitig wird die Quantenausbeute der Photolyse der Azidgruppen in ein Nitren unter Abspaltung von molekularem Stickstoff reduziert. Novolakdimere und Trimere wurden als Modellverbindungen für ein Novolak mit geringem Molekulargewicht synthetisiert. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser Oligomere wurden durch den Einsatz von spektroskopischen und chromatographischen Methoden aufgestellt. Die Photolyse aller untersuchten Bisazide erfolgt ausschließlich biphotonisch, d.h. die Abspaltung der beiden Stickstoffmoleküle erfolgt sequentiell durch die Absorption von zwei Photonen. Die Hauptreaktionsprodukte der in der Novolakmatrix photolytisch generierten Nitrene sind erstens, die primären Amine Aminoazid und Diamin. Zweitens, entstehen sekundäre Amine durch die H-Abstraktion der Nitrene an den Methylenbrücken vom Novolakoligomer und der anschließenden Rekombination der gebildeten Imino- und Kohlenstoffradikale. Aus der Wasserstoffabstraktion der Nitrene an den Hydroxygruppen vom Novolak resultiert die Bildung von Chinoniminderivaten. Die Rekombination von Oligomerradikalen führt zu einem Novolak mit erhöhtem Molekulargewicht. Durch die Anwendung von chromatographischen und spektroskopischen Methoden und der Synthese von Modellverbindungen wurde sowohl die Bildung der Aminoazide in der photochemischen Reaktion der Bisazide, als auch die Reaktion der Nitrene an den Hydroxygruppen des Novolakes erstmalig bewiesen. / In this thesis experimental investigations of the reactions of aromatic nitrenes and bisnitrenes generated by photolysis of azides and bisazides in a novolak matrix are presented and a reaction mechanism is proposed. Various bisazides and aminoazides were synthesized and characterized using spectroscopic methods. The extension of the conjugated -system in the molecules attained by introducing appropriate linkage groups between the two phenyl rings is reflected by a bathochromic shift of the absorption maximum towards the i-line (365 nm) of the mercury lamp. At the same time the quantum yield of the photolysis of the azido group leading to a nitrene by extrusion of molecular nitrogen (N2) is reduced. Novolak dimers and trimers used as model compounds for low molecular weight novolaks were synthesized. The relationship between structure and properties of these oligomers was established by means of spectroscopic and chromatographic methods. The photolysis of all investigated bisazides exclusively proceeds by a biphotonic mechanism, i.e. the two nitrogen molecules are sequentially extruded by absorption of two photons. Main reaction products of the photochemically generated nitrenes in the novolak matrix are firstly, the corresponding primary amines, aminoazides and diamines. Secondly, secondary amines are formed by hydrogen abstraction of the nitrenes from the methylene bridges and subsequent recombination of the formed imino radical and the carbon radical. The hydrogen abstraction from the hydroxy group of the novolak oligomers results in the formation of quinonimine derivatives. Recombination of the polymer radicals leads to novolaks with increased molecular weight. Applying chromatographic methods and synthesizing model compounds, the formation of aminoazides in the photochemical reaction of bisazides and the reaction of the nitrenes with the hydroxy group of the novolak were evidenced for the first time.

Goldnanopartikel werden in der kolloidalen Katalyse als Modellsystem genutzt, um den Einfluss des Partikelgröße, der Partikelform und der Zusammensetzung in bimetallischen Systemen sowie der Ligandensphäre auf die katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol zu untersuchen. Goldnanopartikel eignen sich vor allem deshalb als Modellsystem, da sie in kurzer Zeit, in hohen Ausbeuten und mit definierten Eigenschaften hergestellt werden können. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass Goldnanopartikel mit einem Durchmesser von 13 nm die höchste katalytische Umsetzungsrate bei der Reduktion von 4-Nitrophenolzu 4-Aminophenol besitzen. Im Zuge dieser Arbeit wird dieses Aktivitätsmaximum der Nanopartikel näher untersucht. Dazu werden drei Aspekte vorgestellt: die Abhängigkeit von der Goldnanopartikelform, die Abhängigkeit der Substratgröße und der Einfluss der Ligandensphäre auf die Katalyse. Überraschenderweise ist CTAB als oberflächenaktiver Ligand ein Co-Katalysator bei der Reduktion, während die Anwesenheit von Natriumcitrat die Reaktion verlangsamt. Es wurden Aspekte wie die Konzentration und die Größe der Goldnanopartikel in dem komplexen Wechselspiel der Aktivitäten des Katalysators und Co-Katalysators untersucht. Dies führte zu der beispielgebenden Erkenntnis, dass oberflächenaktive Liganden mit positiver Ladung und Stickstofffunktionen die Katalyse positiv beeinflussen. In einer weiteren Studie wurde der Reaktionsmechanismus der 6-Elektronenreduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol erforscht. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Reduktion in zwei Teilschritten abläuft. N-Arylhydroxylamin ist als wichtiges Intermediat in der Lösung der Reduktion erstmals nachgewiesen worden. Drei kinetische Regime werden für die Reduktion von 4-Nitrophenol gefunden und geben einen Einblick in die Oberflächenreaktion von Nitroaromaten an Goldnanopartikeln. / Gold nanoparticles as model systems in colloidal catalysis are used to gain insights into the decisive parameters of the catalytic model reduction. Size, shape, composition of bimetallic systems, and ligand sphere are factors influencing the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol by sodium borohydride in the presence of gold nanoparticles. The increasing interest in gold nanoparticle catalysis is mainly due to their stability, their fast and high yield synthesis as well as their extraordinary diversity of the modes of preparation. This thesis is assigned to unravel the important parameters of gold nanoparticle catalysis. In the first part of the thesis, CTAB-stabilized gold nanoparticles were synthesized by applying the seeding-growth approach in order to gain information about the size dependence of the catalytic reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol with sodium borohydride. Unexpectedly, CTAB-stabilized gold nanoparticles with a diameter of 13nm were most efficient in this complex system. In this context, molecular aspects such as shape, size of the substrate and ligand sphere were discussed as possible reasons for the enhanced activity for medium sized gold nanoparticles. Here, it was shown for the first time that the ligand sphere plays a crucial role in colloidal catalysis. Micellar catalysis with colloidal gold nanoparticles was performed by means of ligand exchange procedures. In addition, this thesis shows for the first time that intermediates can be unambiguously identified in the reaction solution with colloidal gold nanoparticles as catalysts. 4-N-hydroxylaminophenol was found to be the key intermediate in this system. In this context, three kinetic regimes which were crucial for the aromatic nitro reduction are found to cover the reaction kinetics. Thus, this thesis provides new insight into the catalytic process itself and leads to a better understanding of the catalytic activity of gold nanoparticles.

Diese Arbeit zeigt die Verwendung ueberkritischer Fluide als analytisches Werkzeug fuer den Transport einer Gruppe nichtfluechtiger Molekuele, naemlich Nucleobasen, in die Gasphase. Das am haeufigsten verwendete ueberkritische Fluid ist Kohlendioxid, welches sich jedoch als zu ineffizient bei der Aufloesung von Nucleobasen herausstellte. Deshalb wurde ein Gemisch aus Ethylen mit Ethanol als Cosolvens als ueberkritisches Loesungsmittel verwendet. Für die Erkennung des kritischen Punktes reiner Fluide oder verduennter Fluidmischungen wurde eine neue Methode entwickelt. Die Verschiebung des kritischen Punktes von Ethylen durch Zugabe von Ethanol wurde experimentell ermittelt und mit der Zustandsgleichung von Soave Redlich Kwong in Beziehung gesetzt. Fuer einen Molenbruch des Cosolvens Ethanol von 0.054 erhoeht sich die kritische Temperatur nur um 5,5 C, wohingegen die Theorie eine Erhoehung um 10 C vorhersagt. Fuenf biologisch relevante Nucleobasen wurden mit Hilfe von 3% Ethanol als Cosolvens in ueberkritischem Ethylen geloest. Die Zusammensetzung des Ueberschall-Molekularstrahles der expandierten Loesung wurde mit einem Quadrupol-Massenspektrometer quantitativ analysiert. Das Signalverhaeltnis der Nucleobasen zu Ethylen lag in der Groessenordnung von 10^-4 bis 10^-5. Diese Nucleobasen wurden auch auf Oberflaechen abgeschieden, sowohl durch Hochdruckexpansion der ueberkritischen Loesungen, als auch durch Verdampfung von alkoholischen Loesungen (nach der ’Drop Casting’ Methode). Die dabei entstehenden Morphologien wurden ex-situ mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. Die Ursachen dieser Unterschiede werden anhand der relevanten Nukleationsmechanismen diskutiert. / This work highlights the use of supercritical fluids (SCF) as an analytical tool for the transfer of a group of non-volatile molecules, namely nucleobases, into the gas phase. The most commonly used SCF carbon dioxide was found inefficient in dissolving the nucleobases. Therefore, a mixture of ethylene (p_c = 50.6 bar and T_c = 9.35 C) with a cosolvent was used as the SC solvent. A new bracketing method was developed for detecting the critical point (CP) of pure fluids and diluted mixtures of fluids. The shift in CP of ethylene on addition of ethanol was determined and related to theoretical calculations by using the Soave Redlich Kwong equation of state. Comparing the experimental results to theoretical methods for calculating the CP showed large deviations. The critical temperature shifted by only 5.5 C when the mole fraction of the cosolvent i.e. ethanol was 0.054. Five biologically relevant were dissolved in SC ethylene using 3% of ethanol as cosolvent. The supersonic molecular beam composition of the expanded solution was analyzed quantitatively using a quadrupole mass spectrometer and the ratio of the nucleobases to ethylene in the beam was found to be of the order of 10^-4 to 10^-5. Surface deposition of the nucleobases through SCF solutions was carried out and the morphology was recorded using Atomic Force Microscopy. Remarkable differences were observed while comparing the morphology obtained after deposition using rapid expansion of supercritical solutions (RESS) and drop casting method. These differences are discussed in terms of diffusion, rate of evaporation of the solvent, degree of supersaturation, and the nucleation process.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Thermodynamik und Kinetik der Proteinadsorption auf neutralen sowie geladenen, kolloidalen Kern-Schale-Mikrogelen untersucht. Die weiche polymere Schicht der Schale reagiert mit großen Volumenänderungen auf Änderungen der Umgebungstemperatur, des pH-Wertes oder der Salzkonzentration. Untersuchungen mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) zeigten, dass generell die native Sekundärstruktur der verwendeten Proteine, die auf den Mikrogelen adsorbiert wurden, erhalten blieb. Im Gegensatz zur Proteinadsorption auf festen Oberflächen wurde zudem eine hohe katalytische Aktivität der Enzyme nach der Immobilisierung verzeichnet, die gegenüber derjenigen der freien Enzyme in manchen Fällen sogar erhöht war. Mithilfe der isothermalen Titrationskalorimetrie (ITC) und FT-IR Spektroskopie wurden als treibende Kräfte des Adsorptionsprozesses elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen identifiziert. Weitere Untersuchungen zeigten, dass im Falle von geladenen Mikrogelen das elektrostatische Potential wie auch der abgesenkte lokale pH-Wert innerhalb des Netzwerks eine Änderung des Ladungszustands der adsorbierenden Proteine zur Folge hat. Zusätzlich konnte mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie und der Verwendung Fluoreszenz-markierter Proteine die kinetische Aufnahme in die Mikrogele als auch die Reversibilität der Reaktion analysiert werden. Es wurde dabei ein dynamischer Austausch zwischen gebundenen und freien Proteinmolekülen nachgewiesen, welcher die Verwendung von Gleichgewichtsmodellen für die Beschreibung der Proteinadsorption rechtfertigt. Außerdem erfolgt der Vorgang in zwei Schritten: i) ein schneller diffusionslimitierter Schritt, in dem der Hauptteil der gesamten Proteinmenge bindet und ii) ein anschließender wesentlich langsamerer Bindungsvorgang. Die Adsorptionsexperimente wurden anschließend auf Untersuchungen in binären Proteinmischungen ausgedehnt, um die kompetitive Proteinadsorption zu studieren. / In the present work the thermodynamics and the kinetic mechanism of protein adsorption to charged and uncharged core-shell microgels of colloidal dimension were explored. The soft polymeric layer of the shell is sensitive towards changes of the temperature, pH value, and salt concentration of the solution which results in a drastic volume change upon change of one of these triggers. Studies with Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy showed, that the secondary structure of the proteins used was significantly retained after immobilisation regardless of the charge state of the microgels employed. Moreover, unlike protein adsorption onto solid surfaces immobilisation into the networks did not compromise the catalytic activity of the proteins. Actually, an enhanced activity was found for some cases. The thermodynamic analysis performed by isothermal titration calorimetry (ITC) and structural investigations by FT-IR spectroscopy experiments led to the identification of the electrostatic and hydrophobic interactions as the main driving forces of protein adsorption. Further studies showed that proteins bound to negatively charged gel networks regulate their charge according to the electrostatic potential and to the lowered local pH value around the hydrogels. Fluorescence spectroscopy experiments with fluorescent-tagged proteins were suitable to analyse the kinetic uptake of the proteins into the gel networks as well as the reversibility of binding. It was demonstrated that bound proteins are dynamically exchanged by proteins in solution which justifies the application of equilibrium binding models to quantify the adsorption data. Moreover, the adsorption of proteins proceeds in two steps: i) a fast, diffusion-limited binding regime in which the majority of proteins is bound and ii) a second slow binding regime. The adsorption experiments were extended to binary protein mixtures in order to study competitive protein adsorption.

Die Oberflächen-stoßinduzierte Fragmentierung von reinen und gemischten Antimonclustern wurde im Bereich hyperthermischer Kollisionsenergien untersucht. In diesem Energiebereich sind die Prozesse des Ladungstransfers, des Energietransfers sowie der Fragmentierung der Cluster besonders wichtig. Die Cluster wurden in einer gepulsten Bogenentladungsquelle erzeugt und nach Massenselektion in einem Flugzeit-Massenspektrometer mit sechs verschiedenen Oberflächen (Diamant, Siliziumdioxid, Antimon(III)oxid, Gold, Graphit und einer fluorierten organischen Monolagenoberfläche (C10-F-SAM)) unter Ultrahochvakuumbedingungen zur Wechselwirkung gebracht. Die daraus hervorgehenden ionischen Produkte wurden in einem zweiten Flugzeit-Massenspektrometer analysiert. Der Ladungstransfer zwischen Projektilion und Oberfläche zeigte deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Oberfläche. Dieser Effekt wurde anhand der Gesamtfragmentionenausbeute studiert und kann gut durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten beschrieben werden. Die Effektivität der Oberflächen hinsichtlich des Transfers von kinetischer in innere Energie der auftreffenden Cluster ließ sich aus den Massenspektren der Fragmentionen bestimmen. Diese konnten aufgrund der bekannten Bindungsenergien der Antimon-Cluster mittels der Thermometermolekülmethode ausgewertet werden. Es wurde eine für alle Clustergrößen charakteristische Korrelation zwischen Energietransfereffektivität und Oberfläche festgestellt. Von allen untersuchten Oberflächen zeigt die F-SAM-Oberfläche den geringsten Energieübertrag. Der höchste Energieübertrag wird bei der Streuung an der Diamantoberfläche gemessen. Die Energieübertragseffektivität der anderen Oberflächen reiht sich zwischen diesen beiden Extremen ein. Diese Korrelation konnte sowohl mit makroskopischen (Härte) als auch mit mikroskopischen (Bindungsenergie, interatomare Abstände und Debye-Temperatur) Eigenschaften der zugehörigen Festkörper erklärt werden. / Surface-induced fragmentation of pure and mixed antimony clusters was investigated within the hyperthermal collision energy range. Charge transfer, energy transfer and fragmentation of the clusters are important processes in this range. Clusters were produced in a pulsed arc-discharge cluster ion source (PACIS) and mass-selected in a time-of-flight mass spectrometer. In a next step, the clusters were brought into interaction with six different surfaces (diamond, silicon dioxide, antimony(III)oxide, gold, graphite and a self-assembled organic mono-layer surface (C10-F-SAM)) under ultra-high vacuum conditions. The emerging product ions were analysed in a second time-of-flight mass spectrometer. A notable difference between the six surfaces was found with respect to the charge transfer between projectile ion and surface. This effect was analysed in considering the total fragment ion yield and can be attributed to the different work functions of these surfaces. The transfer from translational energy into vibrational modes of the impinging clusters has been determined from the mass spectra of the fragment ions as a function of the surface. The known binding energies of the antimony clusters allow the use of the thermometer molecule model to evaluate the fragment ion distribution. A correlation between the energy transfer efficiency and the type of surface was found which is valid for all cluster sizes. From all the surfaces, which have been investigated, the F-SAM surface shows the lowest and the diamond surface shows the highest energy transfer efficiency. The efficiency of the other surfaces falls in-between these two extremes. The correlation between the energy transfer efficiency of a surface and the kind of surface can be satisfactorily explained in terms of either macroscopic (hardness) or microscopic (binding energy, interatomic distances and Debye-temperature) properties of the solids.