Eine Studie zur kovalenten Immobilisierung einiger Porphyrinderivate und einer p-Maleimidophenyl-Spezies (p-MP) auf der Si(111)-Oberfläche wird vorgestellt. Hierbei lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung des Einflusses von Reaktionsparametern auf die Abscheidung und die Qualität organischer Schichten. Die dünnen Schichten werden mittels nasschemischer Methoden abgeschieden. Die hergestellten Strukturen werden mit einer Vielzahl oberflächensensitiver Messtechniken wie der IR-Ellipsometrie, der XPS-, der SEIRA- und der IR-Reflexionsspektroskopie analysiert. Alle Abscheidungen in dieser Arbeit werden in situ durchgeführt, zusätzlich zu den ex situ Reaktionen, um das Verständnis der Filmwachstums- und Depositionsgeschwindigkeiten zu erhalten. Bei der Untersuchung der Porphyrin-Dünnschichten lag der Fokus auf den synthetische Bedingungen der Materialabscheidung. Die Lösungsreaktionen zeigen, dass die Reaktion mit dem voraktivierten Porphyrinderivat zu einer besseren Ausbeute führt als mit dem in situ aktivierten Porphyrin. Wenn diese Reaktion jedoch unter Verwendung des Schicht-für-Schicht-Abscheidungsprinzips auf die Oberfläche übertragen wird, findet die Reaktion mit den oberflächengebundenen Aminosilanmolekülen mit einer viel langsameren Geschwindigkeit statt als die gleiche Reaktion in Lösung. Es wird ein alternativer Syntheseansatz vorgeschlagen, bei dem das Produkt in Lösung hergestellt und dann auf dem oxidierten Si-Substrat abgeschieden wird. Eine weitere in situ-Studie zum p-MP-Elektropfropfen auf der H-terminierten Si(111)-Oberfläche liefert Details zur Dünnschichtbildung im monolagigen und im sub-monolagigen Bereich. Die spontane Pfropfung von p-MP wird ebenfalls in situ überwacht. Es wurde festgestellt, dass die Bildung einer Monoschicht während der stromlosen Abscheidung länger dauert als bei einer elektrochemischen Abscheidung. Als Alternative zum Radikalmechanismus wird ein kationischer Mechanismus vorgeschlagen. / A study on the covalent immobilization of a couple of porphyrin derivatives and a p-maleimidophenyl species (p-MP) on Si(111) surface is presented to investigate how do reaction parameters influence the deposition and the quality of organic layers. The thin films are deposited with “wet chemistry” methods. The prepared structures are analyzed with a variety of surface sensitive techniques, namely, IR ellipsometry, XPS, SEIRA, and IR reflection spectroscopy. All depositions in this work are conducted in situ, in addition to the ex situ reactions, to gain an understanding of the film growth and deposition rates. The study on porphyrin thin films focused on the synthetic conditions of material deposition. Solution reactions indicate that the reaction with the pre-activated porphyrin derivative leads to a better yield than with the in situ-activated porphyrin. However, when this reaction is transferred to the surface by using the layer-by-layer deposition approach, the reaction with the surface-bound aminosilanes molecules takes place at a much slower rate than the same reaction in solution. An alternative synthetic approach, where the product is prepared in solution and then deposited on the oxidized Si substrate, is proposed. A parallel in situ study on p-MP electrografting on the H-terminated Si(111) surface provides details on the thin film formation in a monolayer and a sub-monolayer regime. The spontaneous grafting of p-MP is also monitored in situ. It was found that the formation of a monolayer during the electroless deposition takes longer than an electrochemical deposition. A cationic mechanism is proposed as an alternative to a radical mechanism.

In dieser Dissertation diskutiere ich theoretische Methoden zur Simulation von Grenzflächen zwischen Metallen und Molekülen auf atomarer Maßstabsebene, die für die Speicherung und Erzeugung "sauberer" Energie von Bedeutung sind, und wende sie an. Wir verwenden die Dichtefunktionaltheorie für das elektronische Subsystem und verschiedene Methoden wie die (quasi-)harmonische Näherung und die Pfadintegral-Molekulardynamik, um die Quanteneigenschaften des nuklearen Subsystems zu berücksichtigen. Wir berechnen den Isotopeneffekt auf die Arbeitsfunktion von Cyclohexan, das an der Rh(111)-Oberfläche adsorbiert wird, ein Effekt, der sich aus der Elektron-Phonon-Kopplung nur dann ergibt, wenn die nuklearen Freiheitsgrade quantenmechanisch behandelt werden. Deuteriertes Cyclohexan C6D12 hat einen größeren Adsorptionsabstand als gewöhnliches Cyclohexan. Pfadintegral-Molekulardynamiksimulationen zeigen auch eine temperaturabhängige Renormierung der elektronischen Zustandsdichte in diesem System. Schließlich befassen wir uns mit Oberflächenreaktionen auf einer geladenen metallischen Oberfläche. Wir stellen unsere Implementierung der Nudged-Elastic-Band-Methode (NEB) im i-PI-Paket vor und diskutieren ihre Leistungsfähigkeit. Anschließend setzen wir die Methode ein, um die Energiebarriere der Wasserspaltungsreaktion auf einer Pd(111)-Oberfläche zu berechnen, die einem elektrischen Feld unterschiedlicher Intensität ausgesetzt ist. Wir zeigen, dass die niedrigste Dissoziationsbarriere auftritt, wenn das Feld eine Stärke erreicht, die eine geometrische Frustration des auf der Oberfläche adsorbierten Wassermoleküls hervorruft, und dass die Nullpunktenergiebeiträge zur Barriere dieser Reaktion über den weiten Bereich der auf das System angelegten elektrischen Feldstärken nahezu konstant bleiben. Wir erklären dies durch eine gegenseitige Aufhebung der Rot- und Blauverschiebungen einzelner Schwingungsmoden zwischen Reaktant und Übergangszustand. / In this thesis, I discuss and apply theoretical methods for simulating interfaces between metals and molecules of relevance to "clean" energy storage and production on an atomistic scale. We use density-functional theory for the electronic subsystem and various methods such as (quasi-)harmonic approximation and path integral molecular dynamics to account for quantum properties of the nuclear subsystem, determining which methods are sufficient to grasp the essential phenomena while remaining computationally affordable. We calculate isotope effect on the work function of cyclohexane adsorbed on Rh(111) surface, an effect that emerges from electron-phonon coupling only when the nuclear degrees of freedom are treated quantum-mechanically. Deuterated cyclohexane C6D12 has larger adsorption distance than ordinary cyclohexane. Path integral molecular dynamics simulations also show a temperature-dependent renormalization of the electronic density of states in this system, induced by both thermal and quantum fluctuations of nuclei. Finally, we address surface reactions on a charged metallic surface. We present our implementation of the nudged elastic band (NEB) method in i-PI package and discuss its performance. We then employ the method to calculate the energy barrier of water splitting reaction on a Pd(111) surface subjected to electric fields of different strengths. We show that the lowest dissociation barrier takes place when the field reaches a strength that induces a geometric frustration of the water molecule adsorbed on the surface, and that the zero-point energy contributions to the barrier of this reaction remain nearly constant across the wide range of electric field strengths applied to the system. We explain this by a mutual cancellation of the red and blue shifts of individual vibrational modes between reactant and transition states.

Die Vorverarbeitung und Analyse von spektrometrischen und spektroskopischen Daten von Pflanzengewebe sind in den unterschiedlichsten Forschungsbereichen wie der Pflanzenbiologie, Agrarwissenschaften und Klimaforschung von großer Bedeutung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der optimierten Nutzung von Daten von Pflanzengeweben, insbesondere der Daten gewonnen durch Matrix–Assistierte Laser–Desorption–Ionisierung Massenspektrometrie, Raman-Spektroskopie und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie. Die Klassifizierungsfähigkeit mit diesen Methoden wird insbesondere nach Kombination der Daten untereinander und mit zusätzlichen chemischen und biologischen Informationen verglichen. Die diskutierten Beispiele befassen sich mit der Untersuchung und Einordnung innerhalb einer bestimmten Pflanzenart, beispielsweise der Unterscheidung von Proben aus unterschiedlichen Populationen, Wachstumsbedingungen oder Gewebeunterstrukturen. Die Daten wurden mit sowohl mit explorativen Werkzeugen wie der Hauptkomponentenanalyse und der hierarchischen Clusteranalyse, als auch mit Methoden des maschinellen Lernens wie die Diskriminanzanalyse oder künstliche neuronale Netzwerke umfassten. Konkret zeigen die Ergebnisse, dass die Kombination der Methoden mit zusätzlichen pflanzenbezogenen Informationen in einer Konsensus-Hauptkomponentenanalyse zu einer umfassenden Charakterisierung der Proben führt. Es werden verschiedene Strategien zur Datenvorbehandlung diskutiert, um nicht relevante spektrale Information zu reduzieren, z.B. aus Karten von Pflanzengeweben oder eingebetteten Pollenkörnern. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf die Relevanz der gezielten Nutzung spektrometrischer und spektroskopischer Daten hin und lassen sich nicht nur auf pflanzenbezogene Themen, sondern auch auf andere analytische Klassifizierungsprobleme übertragen. / The pre-processing and analysis of spectrometric and spectroscopic data of plant tissue are important in a wide variety of research areas, such as plant biology, agricultural science, and climate research. The focus of the thesis is the optimized utilization of data from plant tissues, which includes data from Matrix-Assisted-Laser Desorption/Ionization time of flight mass spectrometry, Raman spectroscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy. The ability to attain a classification using these methods is compared, in particular after combination of the data with each other and with additional chemical and biological information. The discussed examples are concerned with the investigation and classification within a particular plant species, such as the distinction of samples from different populations, growth conditions, or tissue substructures. The data were analyzed by exploratory tools such as principal component analysis and hierarchical cluster analysis, as well as by predictive tools that included partial least square-discriminant analysis and machine learning approaches. Specifically, the results show that combination of the methods with additional plant-related information in a consensus principal component analysis leads to a comprehensive characterization of the samples. Different data pre-treatment strategies are discussed to reduce non-relevant spectral information, e.g., from maps of plant tissues or embedded pollen grains. The results in this work indicate the relevance of the targeted utilization of spectrometric and spectroscopic data and could be applied not only to plant-related topics but also to other analytical classification problems.

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ist eine element-spezifische Charakterisierungs-methode, welche es erlaubt die elektronische und chemische Struktur der SEI zu untersuchen. In dieser Arbeit stelle ich ein neues Verfahren vor, das die Transmissions-XAS von Flüssigkeiten und Dünnschicht-Batterieelektroden unter in-situ Bedingungen mit weicher Röntgenstrahlung ermöglicht. Thematisch ist die Arbeit in zwei Teile gegliedert. Das neuartige Verfahren wird zunächst umfangreich vorgestellt und dann zur Untersuchung der Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf Silizium angewendet. Das Verfahren basiert auf einer elektrochemischen Halbzelle, die mit einem Stapel aus zwei Siliziumnitrid-Membranfenster ausgestattet ist, um den Elektrolyten einzuschließen. Eines der Membranfenster ist gleichzeitig der Träger für die Dünnschicht-Siliziumanode, die Ladezyklen mit einer Kathode aus metallischem Lithium durchläuft. Nachdem sich die SEI gebildet hat, wird mittels eines Röntgenstrahls von hoher Intensität vorsätzlich eine Blase erzeugt, um überschüssigen Elektrolyten abzudrängen und einen dünnen Elektrolytfilm über der SEI zu stabilisieren. Durch den Elektrolytfilm bleibt die SEI in-situ. Das erzeugte System aus Blase, Elektrolytfilm, SEI und Siliziumanode wird dann mittels Transmissions-XAS untersucht. Im zweiten Teil meiner Arbeit werden dann Silizium Dünnschicht-Anoden mit dem vorgestellten Verfahren am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin untersucht. Bei der elektrochemischen Charakterisierung zeigen die Dünnschicht-anoden alle für die De-/Lithiierung von Silizium üblichen Merkmale. Als Hauptbestandteile der SEI wurden Lithiumacetat, Li Ethylendicarbonat oder -monocarbonat, Li Acetylacetonat, LiOH und LiF ermittelt. Darüber hinaus deuten Anzeichen von Aldehyden auf flüssige Einschlüsse in einer möglich-erweise porösen SEI Struktur hin. / X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) is an element-specific technique, which allows to probe the electronic and chemical structure of the SEI. In this work, I introduce a novel approach for transmission XAS on liquids and thin-film battery electrode materials under in-situ conditions in the soft X-ray regime. Thematically, this work is divided into two parts: 1) the introduction of this novel method and 2) its application to investigate the Solid Electrolyte Interphase (SEI) on silicon thin film anodes. The presented technique is based on an electrochemical half-cell equipped with a sandwich of two silicon nitride membrane windows to encapsulate the electrolyte. One of the membranes acts as substrate for the silicon thin-film anode, which is cycled with a metallic lithium counter-electrode. After the SEI has formed, a gas bubble is intentionally introduced through radiolysis by a high intensity X-ray to push out excessive electrolyte and stabilize a thin electrolyte layer on top of the SEI, keeping it in-situ. The obtained stack comprised of bubble, electrolyte thin-layer, SEI and anode, is then probed with transmission XAS. The second part of this work utilizes the presented method to investigate the SEI on amorphous silicon anodes at the BESSY II synchrotron facility in Berlin. The anodes’ electrochemical characterization shows all significant features of silicon’s de-/lithiation. The SEI’s main components are determined as Li acetate, Li ethylene di-carbonate or Li ethylene mono-carbonate, Li acetylacetonate, LiOH, and LiF. Additionally, the evidence for aldehyde species indicates possible liquid inclusions within a presumably porous SEI morphology.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines vielseitigen Messinstruments, um die für Thermoelektrika entscheidendeMaterialeigenschaft - den Seebeckkoeffizienten - zu ermitteln. Dieses Instrument ermöglicht es, mit einem einzigen Gerät unterschiedliche Probenarten zu messen, wofür in herkömmlichen Messverfahren mehrere Geräte notwendig sind. Um diese Vielseitigkeit aufzuzeigen, wurde das entwickelte Instrument an einer Vielzahl unterschiedlicher Proben von Dünnschichten, Pulvern und Pasten getestet. Am Beispiel der Dünnschichtmaterialen wurden mit dem hier entwickelten Messgerät und anderen Messmethoden, wie zum Beispiel Röntgenfluoreszenz mit streifendem Einfallswinkel, Rasterkraftmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie, Zusammenhänge zwischen den thermoelektrischen Eigenschaften und der Struktur der Materialien hergestellt. Der Seebeckkoeffizient der Kupferoxide wurde durch das Tempern in einer Sauertoffatmosphäre verbessert. Bei organischen mehrschichtigen DMSO-dotierten PEDOT:PSS Filmen wurde überraschenderweise eine Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften - vor allem der Leitfähigkeit - festgestellt. Für die Erhöhung der Leitfähigkeit im Vergleich zu einschichtigen Filmen wurden Mechanismen vorgeschlagen. Aufgrund der Minimierung des Widerstandes sind die PEDOT:PSS Filme vielversprechende Materialien für flexible thermoelektrische Generatoren. Darüber hinaus wurden Finite-Elemente-Methode-Simulationen zur Wärmeleitfähigkeit von thermoelektrischen Materialien ausgeführt, um einen Herstellungsprozess für Dünnschicht-Thermoelektrika vorzuschlagen, der mittels bereits etablierter Methoden in der Massenproduktion von thermoelektrischen Generatoren durchgeführt werden kann. / This thesis describes the development of a versatile, low-cost measurement instrument that can determine Seebeck coefficients for a multitude of samples such as thin films, powders, and pastes. Commercial instruments are relatively expensive and limited to one sample type. The developed device applied on several thermoelectric thin-film systems produced the same results as a standard commercial instrument. In addition, it was used to determine Seebeck coefficients for thermoelectric pastes and powders. For thin-film materials, the developed device, in combination with other measuring methods such as grazing incidence X-ray fluorescence, atomic force microscopy, and photoelectron spectroscopy was used to establish relations between the thermoelectric properties and the material‘s structures. Based on these results, organic DMSO doped PEDOT:PSS multilayer films were developed with improved thermoelectric properties making them promising materials for flexible thermoelectric generators. Furthermore, finite element method simulations on the thermal conductivity of thermoelectric materials were conducted in order to propose a manufacturing process for thin-film thermoelectrics, which can be carried out with already established methods in the mass production of thermoelectric generators.

Die vorliegende Habilitationsschrift bespricht aktuelle Ergebnisse zur Struktur und Reaktivität von Übergangsmetalloxidoberflächen. Es werden eingangs Grundlagen zur Berechnung von Eigenschaften von Oberflächen mittels Dichtefunktionaltheorie vorgestellt. Des Weiteren werden anhand von drei untersuchten Oxiden, nämlich dem Vanadium(III)-oxid, dem Cer(IV)-oxid, und dem Eisen(II,III)-oxid, der aktuelle Forschungsstand im Hinblick auf Oberflächenstruktur und Reaktivität von Phasengrenzen, wie z.B. der Phasengrenze zwischen Vanadium(V)-oxid und Cer(IV)-oxid und der Phasengrenze zwischen Wasser und Eisen(II,III)-oxid dargelegt. / The present habilitation thesis discusses results on structure and reactivity of transition metal oxide surfaces obtained using state-of-the-art density functional theory methods. First, fundamental issues of density functional theory are presented. Furthermore, the current state in research with respect to surface structure on one hand and reactivities of interfaces between different oxides like vanadium(III) and cerium(IV) oxide or water and iron(II,III) oxide on the other hand are developed.

In dieser Arbeit wird eine unrestricted Coupled-Cluster CC2 Response-Methode für die Berechnung von Eigenschaften erster und zweiter Ordnung, mit dem elektronischen g-Tensor als Schwerpunkt, präsentiert. Lokale Korrelations- und Dichtefittingnäherungen wurden verwendet. Die fundamentalen Konzepte notwendig für das Verständnis von Coupled-Cluster-Theorie, Dichtefitting, lokaler Korrelation, allgemeinen Coupled-Cluster Eigenschaften und dem elektronischen g-Tensor werden diskutiert. Die berechneten g-Tensoren werden mit denen durch Coupled-Cluster Singles and Doubles, Dichtefunktionaltheorie und Experiment erhaltenen verglichen. Effizienz und Genauigkeit der Näherung wird untersucht. Ein detailierter Anhang beschreibt die diagrammatische Coupled-Cluster-Theorie sowie ihre Anwendung zur Herleitung der verwendeten Arbeitsgleichungen. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode ermöglicht es, den elektronischen g-Tensor von ausgedehnten Systemen mit einer Methode, die nicht auf Dichtefunktionaltheorie basiert, quantitativ vorherzusagen. Damit ist sie ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung von niedrig skalierenden Coupled-Cluster-Methoden höherer Ordnung für diese Art von Problem. / This work presents an unrestricted coupled-cluster CC2 response method using local correlation and density fitting approximations for the calculation of first and second order properties with particular focus on the electronic g-tensor. The fundamental concepts related to coupled-cluster theory, density fitting, local correlation, general coupled-cluster properties and the electronic g-tensor are discussed. The calculated g-tensors are benchmarked against those obtained from coupled-cluster singles and doubles, density functional theory and experiment. Efficiency and accuracy of the approximations is investigated. A detailed appendix covers the fundamentals of diagrammatic coupled-cluster and its application to the derivation of the working equations. The method presented in this thesis enables the quantitative prediction of the electronic g-tensor of extended systems with a method other than density functional theory. It represents an important step towards the development of low-scaling higher order coupled-cluster methods for this type of problem.

In dieser Arbeit wird eine unrestricted Coupled-Cluster CC2 Response-Methode für die Berechnung von Eigenschaften erster und zweiter Ordnung, mit dem elektronischen g-Tensor als Schwerpunkt, präsentiert. Lokale Korrelations- und Dichtefittingnäherungen wurden verwendet. Die fundamentalen Konzepte notwendig für das Verständnis von Coupled-Cluster-Theorie, Dichtefitting, lokaler Korrelation, allgemeinen Coupled-Cluster Eigenschaften und dem elektronischen g-Tensor werden diskutiert. Die berechneten g-Tensoren werden mit denen durch Coupled-Cluster Singles and Doubles, Dichtefunktionaltheorie und Experiment erhaltenen verglichen. Effizienz und Genauigkeit der Näherung wird untersucht. Ein detailierter Anhang beschreibt die diagrammatische Coupled-Cluster-Theorie sowie ihre Anwendung zur Herleitung der verwendeten Arbeitsgleichungen. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode ermöglicht es, den elektronischen g-Tensor von ausgedehnten Systemen mit einer Methode, die nicht auf Dichtefunktionaltheorie basiert, quantitativ vorherzusagen. Damit ist sie ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung von niedrig skalierenden Coupled-Cluster-Methoden höherer Ordnung für diese Art von Problem. / This work presents an unrestricted coupled-cluster CC2 response method using local correlation and density fitting approximations for the calculation of first and second order properties with particular focus on the electronic g-tensor. The fundamental concepts related to coupled-cluster theory, density fitting, local correlation, general coupled-cluster properties and the electronic g-tensor are discussed. The calculated g-tensors are benchmarked against those obtained from coupled-cluster singles and doubles, density functional theory and experiment. Efficiency and accuracy of the approximations is investigated. A detailed appendix covers the fundamentals of diagrammatic coupled-cluster and its application to the derivation of the working equations. The method presented in this thesis enables the quantitative prediction of the electronic g-tensor of extended systems with a method other than density functional theory. It represents an important step towards the development of low-scaling higher order coupled-cluster methods for this type of problem.

Das Enzym Tryptophan Synthase ist ein ausgezeichnetes Beispiel einer molekularen Fabrik auf der Nanoskala mit zwei katalytischen Zentren. Der katalytische Zyklus des Moleküls beruht zudem auf zahlreichen allosterischen Wechselwirkungen sowie der Übertragung des Intermediats Indol durch einen intramolekularen Tunnel. In dieser Arbeit wird das erste kinetische Modell eines einzelnen Tryptophan Synthase Moleküls konstruiert und analysiert. Simulationen zeigen starke Korrelationen zwischen den Zuständen der Katalysezentren sowie die Ausbildung von Synchronisation. Mit stochastischer Thermodynamik wird die experimentell unzugängliche Reaktionskonstante für die Rückübertragung des Indols aus Messdaten rekonstuiert. Methoden, die den Informationsaustausch in bipartiten Markovnetzwerken charakterisieren, werden auf beliebige Markovnetzwerke verallgemeinert und auf das Modell angewendet. Der abschließende Teil befasst sich mit chemischen Reaktionsnetzwerken von Metaboliten und Enzymen. Es werden algebraische Modelle (Halbgruppen) konstruiert, welche aufeinanderfolgende und simultane katalytische Funktionen von Enzymen und von Unternetzwerken erfassen. Diese Funktionen werden genutzt, um eine natürliche Dynamikum sowie hinreichende und notwendige Bedingungen für seine Selbsterhaltung zu formulieren. Anschließend werden die algebraischen Modelle dazu genutzt, um eine Korrespondenz zwischen Halbgruppenkongruenzen und Skalenübergängen auf den Reaktionsnetzwerken herzustellen. Insbesondere wird eine Art von Kongruenzen erörtert, welche dem Ausspuren der globalen Struktur des Netzwerkes unter vollständiger Beibehaltung seiner lokalen Komponenten entspicht. Während klassische Techniken eine bestimmte lokale Komponente fixieren und sämtliche Informationen über ihre Umgebung ausspuren, sind bei dem algebraischen Verfahren alle lokalen Komponenten zugleich sichtbar und eine Verknüpfung von Funktionen aus verschiedenen Komponenten ist problemlos möglich. / The channeling enzyme tryptophan synthase provides a paradigmatic example of a chemical nanomachine with two distinct catalytic subunits. It catalyzes the biosynthesis of tryptophan, whereby the catalytic activity in a subunit is enhanced or inhibited depending on the state of the other subunit, gates control the accessibility of the reactive sites and the intermediate product indole is directly channeled within the protein. The first single-molecule kinetic model of the enzyme is constructed. Simulations reveal strong correlations in the states of the active centers and the emergent synchronization. Thermodynamic data is used to calculate the rate constant for the reverse indole channeling. Using the fully reversible single-molecule model, the stochastic thermodynamics of the enzyme is closely examined. The current methods describing information exchange in bipartite systems are extended to arbitrary Markov networks and applied to the kinetic model. They allow the characterization of the information exchange between the subunits resulting from allosteric cross-regulations and channeling. The final part of this work is focused on chemical reaction networks of metabolites and enzymes. Algebraic semigroup models are constructed based on a formalism that emphasizes the catalytic function of reactants within the network. A correspondence between coarse-graining procedures and semigroup congruences respecting the functional structure is established. A family of congruences that leads to a rather unusual coarse-graining is analyzed: The network is covered with local patches in a way that the local information on the network is fully retained, but the environment of each patch is not resolved. Whereas classical coarse-graining procedures would fix a particular patch and delete information about the environment, the algebraic approach keeps the structure of all local patches and allows the interaction of functions within distinct patches.

Die Charakterisierung der Protein-Nanopartikel-Wechselwirkungen in komplexen biomolekularen Systemen wie einer lebenden Zelle ist für die Pharma-, Medizin- und Umweltforschung von entscheidender Bedeutung. In solchen biomolekularen Systemen adsorbieren Proteine leicht auf der Oberfläche von Nanopartikeln, die die Proteinkorona bilden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der Proteinkorona in lebenden Zellen, wobei verschiedene analytische Ansätze kombiniert werden. Experimente mit oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) an reinen Proteinlösungen zeigten die Konzentrationsabhängigkeit der Protein-Gold-Nanopartikel-Wechselwirkungen, die zu unterschiedlichen SERS-Spektren führten und ermöglichten die Bestimmung von Proteinsegmenten, die an Citrat-stabilisierte Gold-Nanopartikel binden. In SERS-Experimenten mit lebenden Zellen wurde die Anwesenheit von Proteinfragmenten in der innersten Schicht der Proteinkorona, die als harte Proteinkorona bezeichnet wird, festgestellt. Eine analytische Methode, die Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese und Hochleistungs-Flüssigchromatographie-gekoppelte Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie kombiniert, wurde entwickelt, um die Bestandteile der Hartproteinkorona zu identifizieren. Die Proteomics-, SERS- und Cryo-Soft-X-Ray-Nanotomographiedaten, wobei letztere Informationen über die dreidimensionale Ultrastruktur der Zelle liefern, zeigen den Aufnahmemechanismus, die Verarbeitung, die Akkumulationsstelle, die molekulare Umgebung und die induzierten zellulären Reaktionen internalisierter Goldnanopartikel. Diese Arbeit validiert die Verwendung von SERS bei der Analyse der Proteinkorona in der Lösung von Modellproteinen und in lebenden Zellen und präsentiert eine geeignete Methode zur Analyse der unveränderten harten Proteinkorona, die in lebenden Zellen gebildet wird. / The characterization of the protein-nanoparticle interactions in complex biomolecular systems such as a living cell is vital for pharmaceutical, medical, and environmental research fields. In such biomolecular systems, proteins readily adsorb on the surface of nanoparticles forming the protein corona. This thesis focuses on the characterization of the protein corona in living cells combining different analytical approaches. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) experiments on pure protein solutions revealed the concentration dependence of the protein-gold nanoparticle interactions resulting in different SERS spectra, and allowed for the determination of protein segments binding to citrate-stabilized gold nanoparticles. In live cell SERS experiments, the presence of protein fragments in the innermost layer of the protein corona, called the hard protein corona, was revealed. An analytical method combining sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis and high-performance liquid chromatography-coupled electrospray ionization mass spectrometry was developed to identify the constituents of the hard protein corona. The proteomics, SERS, and cryo soft X-ray nanotomography data, the latter providing information of the three dimensional ultrastructure of the cell, reveal the uptake mechanism, processing, accumulation site, molecular environment, and the induced cellular responses of internalized gold nanoparticles. This work validates the use of SERS in the analysis of the protein corona in the solution of model proteins and in living cells, and presents a suitable method for the analysis of the unaltered hard protein corona formed in living cells.