Eine zentrale Herausforderung des 21. Jahrhunderts ist die Reduktion von Treibhausgasen wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid (CO2). Ein vielversprechender Ansatz hierfür ist die katalytische Umsetzung von CO2 zu Synthesegas (CO + H2) über die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion. Nanopartikel sind ein wichtiges Forschungsgebiet aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, einschließlich als Katalysatoren für die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion. Im Fokus dieser Arbeit steht die Synthese von mono- und bimetallischen Nickel-Nanopartikeln und deren Aktivität für die umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das weithin bekannte thermische Reduktionsverfahren zur Herstellung von Nickel-Nanopartikeln vereinfacht und modifiziert. Die monometallischen Nickel-Nanopartikel werden eingehend charakterisiert und der Einfluss der Synthesebedingungen auf die finalen Nanopartikel sowie deren katalytische Aktivität für die Umwandlung von CO2 zu Synthesegas untersucht. In einem zweiten Teil wird das modifizierte Syntheseverfahren auf bimetallische Nickel-Nanopartikel durch Co-Reduktion von Nickel mit entweder Kupfer oder Kobalt übertragen. Die Nanopartikel werden eingehend untersucht und die Kern-Schale-Struktur der Nickel-Kupfer-Nanopartikel wird identifiziert und detailliert charakterisiert. Der Einfluss der Reaktionsparameter auf die finalen Nanopartikel und die Korrelation von Größe, Form und Kupfergehalt der Nanopartikel auf die Aktivität für die umgekehrte Wasser-Gas-Shift-Reaktion werden untersucht. / A great challenge of the 21st century is the minimization of greenhouse gases such as CO2. A promising approach is the catalytic conversion of CO2 to synthesis gas (CO + H2) via the reverse water gas shift reaction. Nanoparticles are an important field of research due to their unique properties and variety of applications including catalysts for the reverse water gas shift reaction. This work focusses on the synthesis of mono- and bimetallic nickel nanoparticles and their activity for the reverse water gas shift reaction. In the first part of this work the wellknown thermal reduction procedure for the preparation of nickel nanoparticles is adapted and simplified. The monometallic nickel nanoparticles are characterized thoroughly and the impact of the synthesis conditions on the final nanoparticles and their catalytic activity for the conversion of CO2 to CO are investigated. In a second part the adapted synthesis procedure is transferred to bimetallic nickel nanoparticles by co-reduction of nickel with either copper or cobalt. The nanoparticles are investigated thoroughly and the core-shell structure of nickel copper nanoparticles is identified and characterized in detail. The impact of the reaction parameters on the final nanoparticles as well as the correlation of size, shape and copper content of the nanoparticles on the activity for the reverse water gas shift reaction is investigated.

Als Totalanalysesysteme (TAS) werden Geräte bezeichnet, welche komplette chemische Analysen eigenständig ausführen. Die Einführung solcher Systeme ermöglicht einen effizienteren Arbeitsablauf in Analyselaboren, da beispielsweise die Probenmanipulation, Aufreinigung und die physikalisch-/chemische Analyse automatisiert in einem Arbeitsgang durchgeführt werden können. Die speziellen Mikrototalanalysesysteme benötigen geringere Probemengen im $\mu$L- Bereich. Durch Kontamination, Agglomeration oder einem Verschluss etwaiger Kanäle in mikrofluidischen Totalanalysesystemen kann es zu einem kompletten Systemausfall kommen. Eine Alternative bildet die akustische Levitation, um derartige Störfälle durch gänzlichen Verzicht auf Gefäße und Wandkontakte gezielt zu reduzieren. Damit die akustische Levitation erfolgreich in Mikrototalanalysesystemen Anwendung finden kann, bedarf es der technischen Weiterentwicklung von Analysemethoden und Kopplungstechniken. In der vorliegenden Arbeit wird das Hauptaugenmerk auf die Kopplung von Levitationstechnik und Massenspektrometrie gelegt. Darüber hinaus wurden spektroskopische Experimente durchgeführt, welche auf Totalreflektionen innerhalb der Tropfen beruhen. Die besonders gute Reflektion hängt damit zusammen, dass sich die Phasengrenze zwischen Luft und Flüssigkeit im Schwebezustand durch molekulare Wechselwirkungen ständig erneuert und keine produktionsbedingte raue Oberfläche aufweist. Die Kombination aus automatischer Tropfengenerierung, Spektroskopie sowie der entwickelten Methode zur Ionenerzeugung aus dem Probevolumen und der massenspektrometrischen Analyse bilden die Grundlage eines neuartigen Mikrototalanalysesystems für geringe Probemengen. / As a total analysis system (TAS) an instrument is called which carries out complete chemical analysis procedures independently. The introduction of such systems offers a more efficient workflow in analytical laboratories because the sample manipulation, purification and the actual automated analysis can be carried out in one single operation. Specialized and already existing micro total analysis systems require currently a small amount of sample in the $\mu$L range. Owing to contamination, agglomeration and thus cross-secion reduction of incorporated channels in micro fluidics total analysis systems it can lead to a complete system interruption. Hence, the implementation of acoustic levitation in these systems is interessting alternative in order to avoid such kind of problems by abandoning vessels and wall contacts completely. To ensure acoustic levitation in micro total analysis systems can be successfully applied, technical development of analytical methods and coupling techniques is required. In the present work, the coupling of levitation technology and mass spectrometry is the prioritized topic but, in addition, spectroscopic experiments based on total reflections within the levitated droplet are as well realized in order to gain process insights. The particularly good reflection at the freely levitated droplet's circumference is due to the fact that the phase boundary between air and liquid is renewed by molecular interactions constantly and has no production-related rough surface. The combination of automated droplet generation, spectroscopy as well as the developed method for ion generation from the sample volume and mass spectrometry forms the basis of a novel micro total analysis system for small sample quantities.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Analytik eines monoklonalen Antikörpers, der spezifisch auf Cisplatin-behandelte DNA reagiert und bereits routinemäßig zu diagnostischen Zwecken bei der Krebstherapie mit ebendiesem Zytostatikum eingesetzt wird. Zu diesem Zweck wurden vor allem massenspektrometrische Methoden eingesetzt, um einerseits den genauen Aufbau sowie die Zusammensetzung des Antikörpers zu untersuchen und andererseits die Antigenspezifität einer genaueren Betrachtung zu unterziehen. Mit Hilfe von nano-ESI-MS konnte der Antikörper unter Erhalt der nativen Struktur in der Gasphase analysiert werden. Tandem-MS-Experimente lieferten nicht nur einen Einblick in typische Fragmentierungs-muster, sondern generierten z. T. auch Informationen über die Primärsequenz einiger Bereiche des Antikörpers. Die im Fc-Teil gebundenen Glycanstrukturen, die sowohl für die Struktur als auch die Funktionalität des Antikörpers eine entscheidende Rolle spielen, wurden nach enzymatischer Abspaltung separat mit Hilfe von MALDI-MS analysiert. Die vollständige Antikörpersequenz wurde durch proteolytische Spaltung des Antikörpers, Analytik mittels hochaufgelöster Tandem-MS und anschließendem Vergleich mit Daten aus der Sequenzierung auf DNA-Ebene bzw. bekannten Antikörpersequenzen aus Proteindatenbanken aufgeklärt. Im selben Zug konnten auf Peptidebene eine Vielzahl verschiedener posttranslationaler Modifikationen nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Antikörper unter Erhalt seiner Struktur und der antigenbindenden Eigenschaften an den Zuckerstrukturen mit einem eigens synthetisierten Metallkomplex markiert werden kann. Die für die Spezifitätsstudie des Antikörpers notwendigen Antigene wurden durch Inkubation synthetischer einzel- und doppelsträngiger DNA-Oligomere mit Cisplatin erzeugt und analysiert. Anschließend wurden die verschiedenen Antikörper-Antigen-Komplexe unter nativen Bedingungen hergestellt und massenspektrometrisch charakterisiert. Um einen Eindruck von der Komplexstabilität zu erhalten wurden zusätzlich MS/MS-Untersuchungen des Komplexes mit der platinierten doppelsträngigen DNA durchgeführt. Wie bei der Analytik des freien Antikörpers konnten auch hier spezifische Fragmente detektiert werden. / The focus of the thesis was the characterization of a monoclonal antibody, which binds specifically to cisplatin-treated DNA and is already used for diagnostic purposes in cancer therapy. The structure and composition of the antibody, as well, as the antigen specificity were investigated by mass spectrometry. Using nano-ESI-MS it was possible to analyse the antibody in its native state. Tandem-MS experiments revealed not only specific antibody fragments but also gave information on the primary structure of the antibody. The Fc-bound glycans that are responsible for antibody structure and functionality, were cleaved enzymatically and studied with MALDI-MS. For a detailed determination of the primary structure, the antibody was proteolysed with different enzymes and analyzed via high resolution Tandem-MS. The data was evaluated by comparism with results from sequence analysis on DNA level and known antibody sequences from protein databases. Simultaneously many different posttranslational modifications were identified. Furthermore, the antibody was successfully labelled with a metal complex at its sugar structures without loss of its structure and function. For investigation of the antibody specificity antigens were generated by incubation of well-defined single and double stranded DNA oligomers with cisplatin. Antibody-antigen-complexes were synthesized and analyzed by mass spectrometry under native conditions. The stability of the complex with double stranded DNA was also investigated by MS/MS-experiments. Thus, it was also possible to determine the specific fragmentation behavior for the complex just as for the free antibody.

Mikroplastik (1–1000 µm) kommt praktisch überall in der Umwelt vor, aber immer noch ist die Iden-tifizierung und Quantifizierung eine anspruchsvolle und zeitintensive Aufgabe. Erste analytisch Metho¬den beginnen sich zu etablieren, jedoch sind die benötigten Instrumente komplex und der Probendurchsatz für Routineuntersuchungen in den meisten Fällen noch zu gering. Diese Arbeit widmet sich zunächst dem Potenzial der Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopie diese Lücke zu schließen. Exemplarisch wird ein günstiges Verfahren mit großem Probendurchsatz zur Bestimmung von Mikro¬plastik-Gesamtgehalten der verbreiteten Verpackungskunststoffe Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) in Böden und Kompost entwickelt. Neben der Untersuchung von Mikroplastik-Gesamtgehalten einer Probe ist auch die Charakterisierung individueller Partikel von großer Bedeutung. Die bildgebende Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-Mikrospektroskopie ist hierfür sehr gut geeignet. Allerdings ist es eine Herausforderung Mikroplastik in den aus mehreren Million Spektren bestehenden hyperspektralen Bildern zu identifizieren. Eine schnelle und zuverlässige Mikroplastikerkennung wird hier durch eine explorative Analyse und automatisierte Klassifizierung der Spektren erreicht. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die optische Spektroskopie im mittleren und nahen Infrarot über ihre bisherige Anwendung hinaus ein großes Potenzial besitzen, die Mikroplastik-Analytik kostengünstiger, einfacher und schneller zu gestalten. / Microplastics (1-1000 µm) are ubiquitous in the environment, but their identification and quantification is still a challenging and time-consuming task. The first established methods require complex instruments and the sample throughput is still too low for routine analysis in most cases. This work first addresses the potential of near-infrared (NIR) spectroscopy to fill this gap. A low-cost method with large sample throughput is developed for the determination of total microplastic contents of the common packaging plastics polyethylene (PE), polystyrene (PS) and polypropylene (PP) in soils and compost. In addition to the investigation of total microplastic levels in a sample, the characterization of individual particles is also of great importance. Fourier transform infrared (FTIR) imaging microspectroscopy is well suited for this purpose. However, it is challenging to identify microplastics in hyperspectral images consisting of several million spectra. Fast and reliable microplastic detection is achieved by exploratory analysis and automated classification of the spectra. In summary, this work shows that mid- and near-infrared optical spectroscopy have great potential beyond their current application to make microplastics analysis cheaper, easier, and faster.

Die Diagnostik von Kardiovaskulären Erkrankungen erfolgt vorwiegend mit unspezifischen Methoden, die keine molekularen Informationen über das Gefäß liefern. Die molekulare Bildgebung könnte eine präzisere Diagnose ermöglichen. Ein geeigneter Biomarker für die molekulare Diagnostik von Erkrankungen der Aorta ist das Proteoglycan-spaltende Enzym ADAMTS4 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs), welches von Zellen im erkrankten Gewebe von Aorten überexprimiert wird. Insbesondere für die Magnetresonanztomographie (MRT) haben sich Peptide als geeignete Binder für die molekulare Bildgebung erwiesen. In dieser Arbeit wurde eine bestehende Screening-Methode, durch cyclische, hexamere Peptide einer One-Bead-One-Compound (OBOC)-Bibliothek erweitert. Die Cyclisierung erfolgte über eine Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinen. Ein Abbruchsequenzspektrum ermöglichte die Sequenzierung mittels Matrix-unterstützter Laser Desorption/Ionisation-Flugzeit-Massenspektrometrie (MALDI-ToF-MS). In einem Screening gegen ADAMTS4 konnten cyclische Peptide gefunden werden und mittels Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) charakterisiert. Die Sequenz C*-S-A-A-G-C* zeigte jeweils die selektivste und stärkste Bindung gegen ADAMTS4. In einer Bindungsstudie mit Microscale Thermophoresis (MST)-Spektroskopie zeigte das Peptid eine für die molekulare MR-Bildgebung vorteilhafte, selektive Affinität von (50 ± 20) nM gegenüber ADAMTS4. Die Peptidsequenz wurde mit einem Spacer und einem MRT-aktiven Gadolinium(III)-DOTA-Komplex gekoppelt und zeigte in vitro keine Toxizität. Die Sonde wurde in vivo in einem abdominalen Aortenaneurysma-Modell untersucht. Der Anstieg des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses (CNR, Contrast-to-Noise Ratio) ermöglichte die Unterscheidung zwischen erkrankten und nicht erkrankten Tieren. Zusätzlich konnte bereits in einem frühen Stadium das Rupturrisiko abgeschätzt und eine tödliche Aorten-Ruptur vorhergesagt werden. / Currently, the diagnosis of cardiovascular diseases is performed with unspecific methods, which do not provide any molecular information about the condition of the vessel wall. Molecular imaging could fill the gap and offer a more precise diagnosis. The proteoglycan-cleaving enzyme ADAMTS4 (A Disintegrin And Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs) could be used as a biomarker for molecular imaging of aneurysm and atherosclerosis, since it is highly upregulated in the unstable course of cardiovascular diseases. Especially for magnetic resonance imaging (MRI), peptide probes have been proven to be suitable for contrast increase of vessel diseases. In this work, a screening technique was optimized and upgraded for the use of cyclic, hexameric One-Bead-One-Compound (OBOC)-libraries. The cyclisation was performed via a disulfide bridge between two cysteines. A ladder sequence was used for sequencing by Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation-Time of Flight-Mass Spectrometry (MALDI-ToF-MS). In a high throughput screening against ADAMTS4 several peptides were found and classified by their interaction against ADAMTS4 with Surface Plasmon Resonance (SPR). The peptide with the sequence C*-S-R-R-G-C* showed not only the highest selectivity against ADAMTS4 in the screening, but also the strongest interaction in the SPR. In a binding assay by Microscale Thermophoresis (MST), the peptide had a favorable and selective affinity against ADAMTS4 of (50 ± 20) nM. The peptide was extended by a short peptide spacer and a magnetic resonance (MR) active gadolinium(III)-DOTA complex and showed no in vitro toxicity at all. Finally, the probe was tested in an abdominal aortic aneurysm mouse model. Here, the probe enabled the differentiation between diseased animals and the sham group. By the increase of the Contrast-to-Noise Ratio (CNR), the diseases could be visualized. Additionally, an early prediction of the disease development, course, and mortality could be performed.

Diese Arbeit hatte es zum Ziel, eine neue und effiziente Affinitätsplattform für die Aufreinigung und Isolierung von Proteinen basierend auf nicht‐porösen und stabilen Korund‐Partikeln zu entwickeln. Das Rohmaterial wurde kovalent mit Proteinbindern modifiziert, um so die Isolierung spezieller Target‐Proteine aus komplexen biologischen Proben zu realisieren. Für die erste Modifizierungsschicht auf der Korundoberfläche wurden verschiedene Phosphonsäuren und Silane untersucht. Anschließend wurde der etablierte bifunktionale Crosslinker Glutaraldehyd mit dem biokompatibleren verzweigten Polyglycerol (PG) verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass Polyglycerol eine hervorragende Alternative zu Glutaraldehyd darstellen kann. Für die angestrebte Anwendung als neues Tool für die Antikörperreinigung wurde humanes IgG mit Protein‐A‐funktionalisierten Korundpartikeln erfolgreich aus Humanplasma isoliert. Um das Anwendungsspektrum der neuen Korundmethode auszuweiten, wurde im zweiten Teil dieser Arbeit eine Affinitätsplattform für die Isolierung Polyhistidin‐getaggten Proteinen basierend auf Metallionen‐funktionalisiertem Korund entwickelt und angewendet. Hauptkriterien dieser Methodenentwicklung waren die schnelle, effiziente und ökonomische Aufreinigung rekombinanter Proteine aus bakteriellen Lysaten in einem säulenfreien Format. Als Modellsystem wurde Polyhistidin‐getaggtes Protein A/G (His6‐PAG) mit Rinderserumalbumin versetzt, was die Entwicklung eines optimierten Protokolls für die Isolierung rekombinanter Proteine ermöglichte. Im direkten Vergleich mit kommerziellen Ni‐NTA‐Agarose‐Beads zeigten die Korundpartikel höhere Proteinreinheiten. Abschließend konnte gezeigt werden, dass Zink eine ideale Alternative als Metallion darstellt, um etwaige Nachteile des Nickels in der Anwendung von Life‐Science‐Methoden zu umgehen und eine zukunftsträchtige Methode mit weiterem Potenzial zu realisieren. / This work aimed to develop and establish a novel efficient affinity platform for protein purification based on nonporous, stable, and easily available corundum powder. The material was functionalized covalently with protein binders to isolate and enrich specific proteins from complex biological matrices. Phosphonic acids and silanes were tested as the first modification layer. In the next step, the well‐known bifunctional crosslinker glutaraldehyde was compared with a more biocompatible, hyperbranched polyglycerol (PG). It could have been shown that oxidized polyglycerol is an excellent alternative to glutaraldehyde. Human IgG was purified with protein A functionalized corundum from crude human plasma for the initial purpose of antibody isolation. To broaden the application of functionalized corundum, a novel purification platform for the isolation of poly His‐tagged proteins based on metal‐ion‐functionalized corundum was established.The main goal of this approach was the efficient, economical, and fast purification of recombinant proteins in a column‐free format that can also easily be performed in moderately equipped laboratories. As a model system for method optimization, His‐tagged protein A/G (His6‐PAG), mixed with bovine serum albumin (BSA), was established leading to a purification protocol with minimal nonspecific binding by the variation of the imidazole content in the used binding and washing buffers. Corundum in direct comparison with standard Ni‐NTA agarose beads generated higher purities of isolated proteins. Finally, it was shown that zinc‐functionalized corundum is another efficient approach to circumvent potential negative effects of nickel use in life science applications.

Schnelltests sind eine weit verbreitete Analysemethode, um vor Ort schnelle analytische Aussagen treffen zu können. Ein möglicher Zugang zu Schnelltests für Analyten in geringer Konzentration könnten Messung von Oberflächenverstärkten Raman-Spektren sein. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere auf drei Aspekte der SERS-Messungen (= Oberflächenverstärkte Raman-Streuung) eingegangen: die Reproduzierbarkeit der SERS-Signalintensität, die Interpretation der Konzentrationskurven und die Analyse von Probengemischen. Für die Untersuchung der Reproduzierbarkeit wurden verschiedene Auftragungsmethoden und Messsysteme getestet und es wurde untersucht, wie reproduzierbar die Signalintensitäten über einen längeren Zeitraum sind. Dabei wurde festgestellt, dass die Kombination von einer homogenen Auftragung der Nanopartikelsuspensionen auf dem Papier und ein großer Durchmesser des Laser- und Detektionspunktes auf der Probe zu einer stabileren Signalintensität führen. Die bei einem Labormessaufbau eine Stabilität des Messsignals von ca. 20 % relativer Standardabweichung über einen Zeitraum von ca. 2,5 Monaten lieferte. Für die Analyse und Auswertung der Abhängigkeiten der SERS-Signalintensität von der Konzentration des Analyten wurden Konzentrationsreihen von verschiedenen Verbindungen aufgenommen. Die Messdaten konnten mit einer Langmuir-Isotherme beschrieben und mit dem Langmuir-SERS-Modell erklärt werden. Für die gemessenen Thiolverbindungen wurde zudem noch eine weitere Möglichkeit der quantitativen Analyse gefunden, die auf der Auswertung der Verschiebung von bestimmten SERS-Banden im Spektrum in Abhängigkeit von der Analytkonzentration beruht. Für die Analysen der Mehrkomponenten-Lösungen wurden die Papierbasierten Mikrofluidik-Analysesysteme (µPADs) eingesetzt. Hier konnte beobachtet werden, dass Analyten aus einer Lösung auf Grund ihrer hohen Affinität zu den Nanopartikeln abgetrennt werden können und es so möglich ist, diese zu analysieren. / Rapid tests are widely used analytical methods for obtaining analytical information immediately on site. Surface enhanced Raman scattering (SERS) is a possible detection method for compounds in diluted samples. This thesis focuses mainly on three aspects: reproducibility of SERS signal intensity, interpretation of concentration curves and analysis of sample mixtures. The signal reproducibility was investigated using different deposition methods and measurement systems and the reproducibility of measurements was tested over longer periods of time. It was found that the most stable signal intensity was obtained using a combination of homogeneous deposition of a nanoparticle suspension on paper and a detection configuration that involves large diameters of both, the laser and the detection spot on the sample. It was shown with a laboratory setup, that comparatively stable measurements are possible with a relative standard deviation of approx. 20 % over a period of approx. 2.5 months. For the analysis and interpretation of the dependence of the SERS signal intensity on the concentration of the analyte, concentration series of different compounds were measured. The measurement data could be fitted with a Langmuir isotherm and explained with the Langmuir SERS model. For the measured thiol compounds an alternative option for quantification was found: the shift of certain SERS bands in the Raman spectrum as a function of analyte concentration. For the analysis of compound mixture in solution microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) were used. It was observed that certain analytes which have a high affinity for the nanoparticles can be separated from the solution and thereby analyzed.

Um Terroranschläge zu verhindern, werden schnelle, hochempfindliche Detektoren für Sprengstoffe benötigt. Neben Sprengstoffen ist auch der Drogenhandel ein großes gesellschaftliches Problem, welcher kriminelle Organisationen finanziert. Da bereits geringe Mengen an TNT oder Kokain einen Hinweis auf einen Anschlag oder auf Drogenschmuggel darstellen, muss der verwendete Detektor schnell aber dabei gleichzeitig sensitiv und selektiv sein. In dieser Arbeit wurde daher ein Biosensor zur Drogen und Sprengstoff Detektion, der auf auf einem Immunoassay basiert, entwickelt. Um die Performance sicherzustellen, wurden die genutzten Antikörper gründlich auf Eignung untersucht. Für die Affinitätssäule wurden monolithische Säulen hergestellt, welche eine hohe Oberfläche aufweisen. Zur Beschichtung der Säulen wurden Protein-Konjugate synthetisiert. Die Affinitätssäulen waren robust und zeigten eine sehr hohe Binde-Effizienz. Als Detektor wurde ein Fluoreszenz-Mikroskop aus kommerziellen Bauteilen konstruiert. Für den genutzten Fluoreszenzfarbstoff wurde eine Nachweisgrenze von 2 pM sowie ein dynamischer Bereich bis 1000 pM erreicht. Für die Fluidik wurden eine Spritzenpumpe sowie mikrofluidische Bauteile genutzt, welche eine Detektionszeit von 1.5 Minuten ermöglichten. Für TNT wurde mit dem Biosensor eine Nachweisgrenze von 130 pM erzielt. Der Biosensor zeigte außerdem keine Kreuzreaktivität mit gängigen Sprengstoffen. Für Kokain wurde eine Nachweisgrenze von 15 pM im Biosensor erreicht. Zusätzlich wurde für Kokain ein Wischtest entwickelt, welcher in drei Minuten Kokainmengen von 300 pg detektieren kann. Der entwickelte Biosensor gehört zu den besten Sensoren zur TNT- und Kokaindetektion und zeigt eine vergleichbare oder bessere Performance als Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung. Die Flexibilität beim Analyten sowie der Verzicht auf Lösungsmittel machen diesen Biosensor zu einem interessanten Kandidaten für hochempfindliche Messsysteme. / The fast detection of explosives is essential to prevent terror attacks. Besides explosives, the trafficking of illegal drugs is a major problem, which must be addressed to reduce criminal organizations’ revenue streams. As low amounts of these substances may indicate trafficking or a bomb threat, sensitive, selective and fast detection methods are required. Therefore, a biosensor was developed in this work, which relies on an immunoassay. To ensure sensitive and selective performance the used antibodies were characterized in depth. To obtain affinity columns, glass columns were manufactured and used. As column coating affinity conjugates were synthesized. The affinity columns showed efficient antibody trapping and were long-term stable. As a detector an epi-fluorescence microscope was built to monitor the sample. The sensor features consumer-grade parts rendering it easily accessible. For the used fluorophore a limit of detection (LOD) of 2 ppt with a linear range up to 1000 pM was achieved. Due to the use of a syringe pump and an injection valve a continuous fluidic for the biosensor was obtained. The used microfluidic parts resulted in detection times of only 1.5 min. For TNT a LOD of 130 pM was achieved. Additionally, the biosensor showed no cross-reactivity with common high explosives. For cocaine a LOD of 15 pM in solution was achieved and a surface wipe sampling method was demonstrated, which was able to detect 300 pg cocaine on surfaces within three minutes reliably. This biosensor belongs to the fastest and most sensitive cocaine and TNT detectors with sensitivity on par or better than liquid chromatography coupled with mass spectroscopy. Furthermore, the biosensor is affordable, very modular analyte-wise and requires no solvents or microplastic carriers. Therefore, it is a fascinating approach for future high-sensitivity monitoring applications.

Die Bildungsmechanismen von Metalloxiden, speziell der Eisen- und Aluminiumoxide, im wässrigen Medium sind aufgrund der Vielzahl kurzlebiger Intermediate und komplexen Reaktionspfaden nur wenig verstanden. Ein Verständnis der Reaktionsmechanismen kann jedoch mit Hilfe von zeitaufgelösten Untersuchungen wesentlich vertieft werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Verwendung von zeitaufgelösten Untersuchungen, die größtenteils auf röntgenbasierenden Analyseverfahren beruhen, um die intermediären Phasen direkt unter realistischen Bedingungen zu identifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung der Reaktionsmechanismen von Eisenoxiden und -oxidhydroxiden direkt in einer stabilisator-unterstützten Synthese. Nach einer Optimierung der instrumentellen Aufbauten, wurden erstmals zeitaufgelöste, simultane Röntgenkleinwinkelstreu- und Röntgenabsorptionsspektroskopie-Experimente an einem Eisenoxid-System durchgeführt, indem ein akustischer Levitator als Probenhalter verwendet wurde. Als Unterstützung wurden weitere analytische Methoden verwendet, um ein Gesamtbild über die intermediären Spezies in den drei vorliegenden Reaktionsmechanismen zu erhalten. Mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie in Kombination mit einem Mikrojet konnten Spezies, wie Eisen-oxo-Oligomere, als Intermediate in den frühen Stadien des Hydrolyseprozesses von Akaganeit-Nanopartikeln detektiert werden. Das erste Photoelektronenspektrum für diese Spezies konnte gezeigt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden zeitaufgelöste Untersuchungen an einem Aluminiumoxo- System durchgeführt. Es gelang erstmals durch die Kombination von Weitwinkelstreuexperimenten mit dem akustischen Levitator, die Kristallisation des Al13-Clusters in einer sulfathaltigen-Lösung als Aluminiumsulfat-Cluster Al13SO4 in situ zu detektieren. / The formation mechanisms of metal oxides, especially iron and aluminium oxides, in aqueous media are poorly understood due to the large number of short-lived intermediates and complex reaction paths. However, an understanding of the reaction mechanisms can be considerably deepened with the help of time-resolved investigations. This work focuses on the use of time-resolved investigations, which rest largely on X-ray based analysis techniques, to identify the intermediate phases directly under realistic conditions. In the first part of this work, the reaction mechanisms of iron oxides and iron oxide hydroxides were investigated directly in a stabilizer-assisted synthesis. Time-resolved, simultaneous small-angle X-ray scattering and X-ray absorption spectroscopy experiments were performed on an iron oxide system for the first time using an acoustic levitator as sample holder after the optimisation of the instrumental set-ups. Further analytical methods were used to obtain detailed insights of the intermediate species in the three reaction mechanisms. Using X-ray photoelectron spectroscopy in combination with a microjet, species such as iron oxo oligomers could be detected as intermediates in the early stages of the hydrolysis process of Akaganeit nanoparticles. The first photoelectron spectrum for this species could be shown. In the last part of this work, time-resolved investigations were carried out on an aluminium oxo system. In situ-investigations were possible by combining wide-angle X-ray scattering experiments with the acoustic levitator. For the first time it was possible to detect the early stage crystallization of the Al13 cluster in a sulfate-containing solution as an aluminum sulfate cluster Al13SO4 directly in solution.

Die oxidative Transformation der Thiol-Gruppe des Cysteins in verschiedene andere funktionelle Gruppen wird als sehr wichtige posttranslationale Modifikation (PTM) angesehen. Cysteinsulfensäure (SA) ist eine Zwischenstufe der Thiol-Oxidation: Sie kann entweder mit freien Thiolen reagieren, um Disulfide zu bilden oder durch reaktive Sauerstoffspezies (reactiveoxygenspecies, ROS) weiter oxidiert werden. Jede Störung des zellulären Redox-Haushalts wird mit altersbedingten Erkrankungen , daher stellt die Überwachung des SA-Spiegels einen vielversprechenden Wegdar, den Status dieses Redox-Haushalts festzustellen. Da bereits kleinste Änderungen der Proteinmengen und PTMs tiefe Einblicke in den Zustand des biologischen Systems liefern können, ist eine quantitative Bestimmung von großer Bedeutung.Technologische Fortschritte im Bereich der Trennungsmethoden und Massenspektrometrie (MS) erlaubten die Entwicklung umfassender Möglichkeiten in der Protein-Analytik. In dieser Arbeit wurde eine neue, hochsensitive und selektive Methode zur Detektion von SA entwickelt. Dafür wurde ein Alkin-β-Ketoester (KE) an einen Lanthanid-haltigen (Ln) Chelatkomplex. Zum Nachweis des Funktionsprinzips wurden, mittels H2O2, Sulfensäuren in verschiedenen Peptidsequenzen erzeugt, um die in biologischen Systemen durch ROS hervorgerufenen Oxidationen nachzustellen. Diese Sulfensäuren wurden anschließend durch den Ln-DOTA-KE-Komplex gebunden. Die Bildung dieser SA-Ln-DOTA-KE-Einheit wurde mittels (Elektronenspray-Ionisation/ ESI-MS) und (induktiv gekoppeltem Plasma/ICP-MS) nachverfolgt. Die entwickelte Methode wurde weiterhin auf die Bestimmung von SA-Bildung in humanem Serum angewandt, humanes Serumalbumin wurde angereichert via Affinitätschromatographie. ICP-MS diente der Bestimmung der SA-Ln-DOTA-KE-Einheit, durch Kombination mit einer Isotopenverdünnungsanalyse (IDA) wurde eine absolute Quantifizierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen oxidative Schäden bis zu 40 % des vorhandenen Albumins. / Oxidative transformation of cysteine thiol group into different functional groups is considered a significant posttranslational modification (PTM) of great importance. Cysteine sulfenic acid (SA) is the transient state for thiol group oxidation; it can react with free thiols to form disulfide bonds or can be further oxidized with reactive oxygen species (ROS) to form sulfinic and sulfonic acids. As any disturbance in the cellular reduction-oxidation (redox) balance is correlated to age-related diseases, the detection of SA transient state formed a sensor for such redox-mediated events. Whereas only any small change in the quantity of proteins, as well as the formed PTMs, can provide deeper insights into the status of the biological system, quantitative analysis should be carried out to reveal the status of the system. On the other hand, the technological advances, in particular the separation techniques and mass spectrometry (MS), allowed the development of several approaches for the comprehensive assessment of proteome analysis. Herein, we provide a new strategy for the highly sensitive and specific detection of SA using alkyne β-ketoester (KE) previously linked to a lanthanide (Ln)-containing chelator (Ln-DOTA. SA was generated by hydrogen peroxide (H2O2) in different peptide sequences by ROS and was detected by the prepared compound Ln-DOTA-KE. Molecular mass spectrometry (electrospray/ ESI-MS) and (Inductively coupled plasma mass spectrometry /ICP-MS) have been used to monitor the formation of SA linked to Ln-DOTA-KE. The developed strategy has been further applied to the determination of SA-induced formation in human serum by using affinity chromatography for purification of albumin followed by ICP-MS to monitor the formed SA linked to Ln-DOTA-KE in combination with isotope dilution analysis (IDA) for the absolute quantification. Quantitative results showed levels of oxidative damage regarding SA formation in human serum up to 40% of the albumin present.