Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Im Falle eines akuten myokardialen Infarkts ist eine schnelle und präzise Diagnostik notwendig, um ggf. die entsprechend überlebenswichtigen Maßnahmen in die Wege zu leiten. Einer der wichtigsten Biomarker für die Herzinfarkt-Diagnostik ist das kardiale Troponin I (cTnI), welches durch das Absterben der Myokardzellen (Herzmuskel) in den Blutkreislauf gelangt und sich dessen Konzentration über die Zeit ändert. Diese Konzentrationsänderung ist entscheidend für die Diagnostik und letztendlich für weitere lebensrettende medizinische Schritte. Entsprechend wurden in dieser Arbeit verschiedene Messmethoden entwickelt, um cTnI-Konzentrationen zu bestimmen. Zunächst wurden mehrere Enzyme-linked Immunosorbent Assays (ELISA) im Sandwich-Format entwickelt, um eine höchstmögliche Sensitivität zur Detektion von cTnI zu ermöglichen. Um eine schnelle und kostengünstige Detektion von cTnI zu ermöglichen, wurde außerdem ein Lateral-Flow-Assay (LFA) entwickelt. Dabei wurden Gold-Nanoshells für die optische Auswertung verwendet, welche eine empfindlichere Detektion als übliche Gold-Nanopartikel ermöglichen. Des Weiteren wurden verschiedene Immunisierungen mit unterschiedlichen Strategien durchgeführt, um neue Antikörper gegen humanes cTnI zu entwickeln. Für das Online-Monitoring von cTnI wurde der Prototyp eines Biosensors entwickelt, welcher auf Chemilumineszenz-Detektion basiert. Für cTnI wurde mit dem Biosensor eine Nachweisgrenze von 0,6 μg/L (25 pM) in Puffer, 1,8 μg/L (73 pM) in Serum und 1,5 μg/L (63 pM) erzielt. / Cardiovascular diseases are the most common cause of death worldwide. In the event of an acute myocardial infarction, rapid and precise diagnostics are necessary in order to initiate the appropriate vital measures if necessary. One of the most important biomarkers for heart attack diagnostics is cardiac troponin I (cTnI), which enters the bloodstream when the myocardial cells (heart muscle) undergo necrosis after an infarction and whose concentration changes over time. This change in concentration is crucial for diagnostics and ultimately for further lifesaving medical steps. Accordingly, various measurement methods were developed in this work to determine cTnI concentrations. Initially, several enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) were developed in a sandwich format to enable the highest possible sensitivity for the detection of cTnI. A lateral flow assay (LFA) was also developed to enable rapid and cost-effective detection of cTnI. Gold nanoshells were used for optical evaluation, which enable more sensitive detection than conventional gold nanoparticles. Furthermore, different immunizations with different strategies were performed to develop new antibodies against human cTnI. A prototype biosensor based on chemiluminescence detection was developed for the online monitoring of cTnI. For cTnI, a detection limit of 0.6 μg/L (25 pM) in buffer, 1.8 μg/L (73 pM) in serum and 1.5 μg/L (63 pM) was achieved with the biosensor.

Massenspektrometrisches Imaging (MSI) ist unverzichtbar für die Untersuchung der räumlichen Verteilung von Molekülen in einer Vielzahl von biologischen Proben. Seit seiner Einführung hat sich MALDI zu einer dominierenden Bildgebungsmethode entwickelt, die sich als nützlich erwiesen hat, um die Komplexität von Lipidstrukturen in biologischen Geweben zu bestimmen. Einerseits ist die Rolle von Cisplatin bei der Behandlung von menschlichen malignen Erkrankungen gut etabliert, jedoch ist Nephrotoxizität eine limitierende Nebenwirkung, die Veränderungen des renalen Lipidprofils beinhaltet. Dies führte zu der Motivation, die Lipidzusammensetzung des Nierengewebes in mit Cisplatin behandelten Ratten zu untersuchen, um die involvierten Lipid-Signalwege aufzuklären. Es wurde eine Methode zur Kartierung der Lipidzusammensetzung in Nierenschnitten unter Verwendung von MALDI MSI entwickelt. Die Verteilung von Nierenlipiden in Cisplatin-behandelten Proben zeigte deutliche Unterschiede in Bezug auf die Kontrollgruppen. Darüber hinaus wurde die Beurteilung der Ionenbilder von Lipiden in Cisplatin-behandelten Nieren meist als qualitative Aspekte betrachtet. Relative quantitative Vergleiche wurden durch den variablen Einfluss von experimentellen und instrumentellen Bedingungen begrenzt. Daher bestand die Notwendigkeit, ein Normalisierungsverfahren zu entwickeln, das einen Vergleich der Lipidintensität verschiedener Proben ermöglicht. Das Verfahren verwendete einen Tintenstrahldrucker, um eine Mischung der MALDI-Matrix und der internen internen Lipid-Metall-Standards aufzubringen. Unter Verwendung von ICP-MS erlaubte der interne Metallstandard, die Konsistenz der Matrix und der internen Standards zu bestätigen. Die Anwendung der Methode zur Normalisierung von Ionenintensitäten von Nierenlipiden zeigte eine ausgezeichnete Bildkorrektur und ermöglichte einen relativen quantitativen Vergleich von Lipidbildern in Cisplatin-behandelten Proben. / Mass spectrometry imaging is indispensable for studying the spatial distribution of molecules within a diverse range of biological samples. Since its introduction, MALDI has become a dominant imaging method, which proved useful to sort out the complexity of lipid structures in biological tissues. The role of cisplatin in the treatment of human malignancies is well-established. However, nephrotoxicity is a limiting side effect that involves an acute injury of the proximal tubule and alterations in the renal lipid profile. This evolved the motivation to study the spatial distribution of lipids in the kidney tissue of cisplatin-treated rats to shed light on the lipid signaling pathways involved. A method for mapping of lipid distributions in kidney sections using MALDI-LTQ-Orbitrap was developed, utilizing the high performance of orbitrap detection. The distribution of kidney lipids in cisplatin-treated samples revealed clear differences with respect to control group, which could be correlated to the proximal tubule injury. The findings highlight the usefulness of MALDI MSI as complementary tool for clinical diagnostics. Furthermore, assessment of the ion images of lipids in cisplatin-treated kidney mostly considered qualitative aspects. Relative quantitative comparisons were limited by the variable influence of experimental and instrumental conditions. Hence, the necessity developed to establish a normalization method allowing comparison of lipid intensity in MALDI imaging measurements of different samples. The method employed an inkjet printer to apply a mixture of the MALDI matrix and dual lipid-metal internal standards. Using ICP-MS, the metal internal standard allowed to confirm the consistency of the matrix and internal standards application. Applying the method to normalize ion intensities of kidney lipids demonstrated excellent image correction and successfully enabled relative quantitative comparison of lipid images in control and cisplatin-treated samples.

Durch den exzessiven Gebrauch von Antibiotika haben sich in den letzten Jahren zunehmend Resistenzen herausgebildet. Eine potentielle Alternative zu konventionellen Antibiotika sind prädatorische Bakterien. Das Bakterium Bdellovibrio bacteriovorus hat einen zweiphasigen Lebenszyklus bestehend aus einer Angriffsphase, in der es andere gram-negative Bakterien jagt, und einer Wachstumsphase, in der es das Zytoplasma eines Wirtes für die eigene Reproduktion nutzt. Für einen künftigen Einsatz von B. bacteriovorus als Antibiotikum müssen die Prozesse des Lebenszyklus verstanden werden. Das Proteom von B. bacteriovorus wurde bisher jedoch nur sehr wenig untersucht. Daher wurden in dieser Arbeit mithilfe der Massenspektrometrie Proteine von verschiedenen Zeitpunkten des Lebenszyklus von B. bacteriovorus relativ quantifiziert. Es konnten zahlreiche Proteine identifiziert werden, die zu spezifischen Zeitpunkten des Lebenszyklus hoch- oder herabreguliert werden. Die größten Unterschiede im Proteinmuster konnten zwischen der Angriffs- und der Wachstumsphase beobachtet werden. In der Angriffsphase sind einige Proteine herabreguliert, die mit der Proteinexpression im Zusammenhang stehen. Weiterhin wurde bestätigt, dass sich junge und gealterte Zellen der Angriffsphase deutlich voneinander unterscheiden, womit die Angriffsphase eigentlich aus zwei Phasen besteht. Auf Grundlage der Ergebnisse und eines Vergleiches mit Transkriptionsdaten wurde die Vermutung aufgestellt, dass B. bacteriovorus Proteine, welche spezifisch für die Angriffsphase sind, bereits während der Wachstumsphase synthetisiert. Im Zusammenhang mit der Forschung an B. bacteriovorus konnten auch neue Impulse bezüglich der MeCAT-basierten massenspektrometrischen Proteinquantifizierung angestoßen werden. In dieser Arbeit wurde unter anderem ein MeCAT-Reagenz mit Acrylamidfunktionalität entwickelt, welches erfolgreich als interner Standard für die Laserablation-ICP-MS von Polyacrylamidgelen verwendet werden kann. / Due to the excessive use of antibiotics, antibiotic resistance has increased over the last years. A potential alternative to conventional antibiotics are predatory bacteria. The predatory bacterium Bdellovibrio bacteriovorus has a biphasic life cycle consisting of an attack phase in which it hunts other gram-negative bacteria, and a growth phase in which it uses the cytoplasm of a prey cell as a substrate for its own reproduction. For future application of B. bacteriovorus as an antibiotic, it is necessary to understand the processes that occur during the life cycle. However, almost no information has been obtained regarding the proteome of B. bacteriovorus yet. Using mass spectrometry and an isotopic labelling strategy, proteins from different time points in the life cycle of B. bacteriovorus were quantified relatively to each other in this work. Numerous proteins were identified that are up- or down-regulated at specific time points in the life cycle. The largest differences in protein pattern existed between the attack phase and the growth phase, whereas only minor differences occurred within the growth phase. For instance, several proteins that appear to be down-regulated during the attack phase are related to protein expression. Furthermore, it was confirmed that there is a significant difference between young and aged cells of the attack phase. Therefore, the attack phase actually consists of two phases. Based on the results and on a comparison with transcription data, it was suggested that attack phase specific proteins of B. bacteriovorus are already synthesized during the growth phase. In connection with the research on B. bacteriovorus, new impulses regarding the MeCAT based protein quantification with mass spectrometry could be initiated. In this work, a MeCAT reagent with acrylamide functionality was developed, which can be used successfully as an internal standard for laser ablation ICP-MS of polyacrylamide gels.

Immunoassays basieren auf der Anwendung von Antikörpern, welche selektiv den zu messenden Analyten binden. Die Richtigkeit der erhaltenen Ergebnisse hängt maßgeblich von der Selektivität der Antikörper ab und kann durch Interferenzen gestört werden. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, bei der die Probe mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (LC) in Fraktionen aufgetrennt wird und diese Fraktionen anschließend mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) vermessen werden. Dieses Verfahren wurde als LC-ELISA bezeichnet. Das erhaltene Profil aus im ELISA gemessener Analytkonzentration in Abhängigkeit von der Elutionszeit wurde als LC-ELISAgramm bezeichnet und bietet die Möglichkeit, Interferenzen zu erkennen, welche beim ELISA unentdeckt bleiben. Als Modellanalyten für die zu untersuchenden ELISAs dienten Sulfamethoxazol (SMX), Carbamazepin (CBZ) und Estron (E1). Dabei wurden verschiedene Umweltmatrices wie Oberflächenwasser und Abwässer mit dem jeweiligen ELISA vermessen. Es wurde ein Ansatz zur Unterscheidung von spezifischen und unspezifischen Interferenzen in Umweltproben aufgezeigt. Durch diesen Ansatz und Anwendung der sauren Hydrolyse der Probe war es möglich, einen bisher unbekannten SMX-Metaboliten zu detektieren und dessen wahrscheinliche Kreuzreaktivität mit 460 ± 150 % abzuschätzen. Es wurde zudem ein neuer Tracer in einer linearen 13-Stufen-Synthese entwickelt, wobei neuartig die Konjugation der Peroxidase an der N1-Position des SMX erfolgte. / Immunoassays are based on the use of antibodies that selectively bind the analyte. The trueness of the results obtained depends to a great extent on the selectivity of the antibodies and can be affected by interferences. In this study, a method was developed in which the sample is separated into fractions by using high-performance liquid chromatography (LC) and these fractions are measured using an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). This method was referred to as LC-ELISA. The profile obtained from the measured analyte concentration by ELISA as a function of the elution time was referred to as LC-ELISAgram and offers the possibility to detect interferences which otherwise remain undetected during the ELISA. Sulfamethoxazole (SMX), carbamazepine (CBZ) and estrone (E1) were used as model analytes for the ELISA and LC-ELISA measurements. Various environmental matrices such as surface water and wastewater were examined for their interference in the respective ELISA. The good quantification properties of the validated LC-ELISA have been used to demonstrate an approach to distinguish between specific and non-specific interferences from environmental samples. By this approach and application of acidic hydrolysis of the sample, it was possible to detect a previously unknown metabolite of SMX and estimate its cross-reactivity to probably 460 ± 150%. Furthermore, a new tracer was developed in a linear 13-step synthesis, which resulted in the novel conjugation of the peroxidase at the N1-position of SMX. The new hapten was also used for the synthesis of a novel immunogen.

Gd-Kontrastmittel werden in der Medizin für die Magnetresonanztomographie (MRT) benötigt, um einen besseren Bildkontrast zu erzielen. Nach der Anwendung gelangen diese Arzneimittel über das Abwasser in die Klärwerke und von dort in die jeweiligen anliegenden Oberflächengewässer. Somit wird es notwendig, den Verbleib der Gd-MRT-Kontrastmittel in der Umwelt zu verfolgen und aufzuklären. In dieser Arbeit werden für die Analyse von Umweltproben Methoden zur Speziesanalytik von Gd-Kontrastmitteln entwickelt und optimiert. Hierbei wird u.a. die Zwitterionische Hydrophile Interaktionschromatographie (HILIC) verwendet, die mit einer Induktiv- gekoppelten Plasma – Massenspektrometrie (ICP-MS) gekoppelt ist. / Gd based contrast agents are used for medical magnetic resonance imaging (MRI) to enhance the contrast of the image. After application and excretion, the drugs pass through the wastewater treatment plant (WWTP) and make their way into the surrounding surface water bodies. This makes it necessary to monitor the fate of the Gd based contrast agents in the environment. In this work, methods for speciation analysis of Gd based contrast agents in environmental samples were developed and optimised. For this purpose i.a. zwitterionic hydrophilic interaction chromatography (HILIC) is used, which is hyphenated with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

Eine der bedeutendsten technischen Errungenschaften des letzten Jahrhunderts beinhaltet zweifelsfrei die Erfindung des Lasers. Bereits wenige Jahrzehnte nach seiner ersten technischen Umsetzung ist er heute aus so unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie der Mess- und Regeltechnik, der Unterhaltungselektronik, sowie der industriellen Fertigung und Materialbearbeitung nicht mehr wegzudenken. Die analytische Chemie bildet hier keine Ausnahme. Die Möglichkeit mittels Laserstrahlung sowohl räumlich als auch zeitlich definiert einen maßgeschneiderten Energieeintrag in Materialsysteme vorzunehmen, wird heute umfangreich in diversen Analyseverfahren eingesetzt. Ein Meilenstein auf dem Gebiet der Laserentwicklung stellt die Einführung diodengepumpter Festkörperlaser (DPSS) dar. Diese neuartige Lasergeneration vereint die Vorteile einer begünstigten Energiebilanz durch resonante Anregung im Lasermedium mit einer erhöhten Flexibilität der zeitlichen Modulation der Laserausgangsleistung. Während DPSS Laser auf dem Gebiet der Materialbearbeitung bereits die Hälfte des Marktanteils ausmachen, finden sie bislang in den analytischen Wissenschaften nur wenig Verbreitung. Auch hier könnten die inhärenten Vorteile von DPSS Lasern bezüglich Konversionseffizienz, Stabilität, Flexibilität und Strahlprofil maßgeblich zu einer Optimierung relevanter Teilschritte beitragen. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie die Anwendbarkeit eines modernen DPSS Lasers für solch unterschiedliche Aufgaben wie der Laserablation, der Raman-Spektroskopie, der atomaren und molekularen Emissionsspektroskopie, bis hin zur Erzeugung eines neuartigen quasi-kontinuierlichen, luftgetragenen Plasmas für die Atmosphärendruck-Ionisation untersucht. In allen Studien konnten die Verbesserungen der jeweiligen analytischen Verfahren auf die Eigenschaften des verwendeten Lasers zurückgeführt werden. / Without any doubt, one of the most momentous technical achievements of the last century has been the invention of the laser. Today, merely some decades after its first technical realization, the laser has established a leading role in such broad application fields as sensing and control engineering, consumer electronics, as well as industrial production and materials processing. Analytical chemistry does not make an exception. The possibility of both spatially and temporally well-confined introduction of precisely dosed and defined energy into any material is nowadays widely exploited in a plethora of analytical techniques. A milestone in the field of laser technology was the advent of diode-pumped solid-state (DPSS) lasers. This new generation of laser systems combines the benefits of an advantageous energy balance, caused by resonant excitation of the laser medium, with an enhancement in flexibility in terms of modulation of the laser output. While DPSS lasers already account for half of the devices used in materials processing, the dissemination in the analytical sciences has so far hardly occurred. Also here, the inherent advantages of DPSS lasers regarding efficiency, reliability, flexibility, and beam profile could greatly contribute in a multitude of analytically relevant sub-steps. This thesis closes this gap by studying the applicability of a current state-of-the-art DPSS laser for as different tasks as laser ablation, Raman spectroscopy, atomic and molecular emission spectroscopy, all the way to generating a generally new quasi-continuous airborne plasma for ambient ionization. In all cases studied, the improvement of the respective analytical techniques could be ascribed to the intrinsic properties of the used laser.

Zwei Modellreaktionen wurden mit thermoresponsiven Nanoreaktoren untersucht. Die Reduktion von 4-Nitrophenol und von Kaliumhexacyanidoferrat(III) mit Natriumborhydrid. Die Nanoreaktoren bestehen aus einem Polystyrol Kern, umgeben von einer Hydrogel Schale aus Poly-(N-Isopropylacrylamid). Die Reaktionen werden auf der Oberfläche von Metall Nanopartikeln in der Hydrogel Schale katalysiert. In einer auf Gold- und Silberkatalysatoren fokussierten Literaturstudie zeigte sich, dass der geschwindigkeitsbestimmende Reaktionsschritt zwischen beiden Metallen variieren könnte. Kinetische Studien mit Silber haben gezeigt, dass ein erfolgreich auf Gold angewandtes Modell modifiziert werden muss um auf Silber anwendbar zu sein und haben gezeigt, dass sich die Kinetik der Reaktion auf beiden Metallen unterscheidet. Die weitere Analyse ergab die typische, nicht der Arrhenius Abhängigkeit folgende, Abhängigkeit der Reaktionsrate von der Temperatur und hat gezeigt, dass die Partitionierung der Reaktanden im Hydrogel für das kinetische Modell relevant ist. Die Reduktion von Kaliumhexacyanidoferrat(III) auf Gold hat gezeigt, dass elektrostatische Effekte hier eine maßgebliche Rolle spielen. Ein kinetisches Modell wurde erarbeitet, dass die relevanten Einflussfaktoren durch Hydrogel, Geometrie der Nanoreaktoren, diffusions- und elektrostatische Effekte miteinbezieht. Die gewonnenen Daten konnten mittels eines auf der Auswertung des stationären Zustands basierenden Modells erfolgreich gefittet werden. Hierbei wurde das komplexe Zusammenspiel von elektrostatischen Effekten, deren Abschirmung und Einfluss auf die Diffusion sowie die Reaktionsrate gezeigt. Mit wenigen physikalisch aussagekräftigen Fitparametern konnten alle beobachteten Effekte erfolgreich erklärt werden. Der Vergleich der Reduktion von 4-Nitrophenol und von Hexacyanidoferrat(III) zeigt hierbei die entscheidenden Faktoren sowohl für reaktions- als auch für diffusionskontrollierte Reaktionen in thermoresponsiven Hydrogelen. / Two model reactions were investigated with thermoresponsive core-shell nanoreactors, the reduction of 4-nitrophenol and of potassium hexacyanoferrate(III), both reduced with sodium borohydride. The nanoreactors comprise of a polystyrene core surrounded by a hydrogel shell of poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) crosslinked with N,N’-methylenebisacrylamide. Metal nanoparticles are immobilized inside the hydrogel shell on the surface of which the model reactions are catalyzed. In the reduction of 4-nitrophenol, special emphasis is laid on the reduction on gold and silver catalysts. A literature review of mechanistic as well as kinetic studies reveals that the rate determining step may differ between the two catalyst metals. Kinetic investigations with a silver catalyst reveal that the kinetic model derived previously for gold catalysts needs to be modified for the kinetic analysis in this study, confirming a difference in the kinetics for both catalyst metals. The temperature dependent analysis reveals the typical non-Arrhenius dependency of the reaction rate and shows that the partition ratio of the reactants is relevant for the kinetics. The reduction of potassium hexacyanoferrate(III) on gold reveals that electrostatic effects play a major role in this reaction. A new kinetic model is derived, accounting the relevant influence factors of the hydrogel, the nanoreactor geometry, diffusional and electrostatic effects. With a stationary state approach the experimental data are fitted successfully, revealing the complex interplay of electrostatic effects, the screening thereof and the influence on diffusion and reaction rate. With only a few physically meaningful fit parameters all observed effects can be explained successfully. The comparison of the reduction of 4-nitrophenol and potassium hexacyanoferrate(III) highlights the decisive factors in both, reaction and diffusion controlled reactions inside thermoresponsive hydrogels.

Das Hauptanliegen dieser Arbeit war es valide chemische Verfahren für die Optimierung der Gesamtleistung von Glykan-Microarrays bereitzustellen. Dafür erfolgte eine gründliche Untersuchung jedes einzelnen Prozessschritts innerhalb der Arrayproduktion durch Anwendung komplementärer Methoden der chemischen Oberflächenanalytik. Mit Hilfe von fortgeschrittenen Verfahren der Elektronen-Spektroskopie für die chemische Anlayse (ESCA/XPS) wurden valide quantitative Daten bei der chemischen Charakterisierung der Oberflächen erhalten die mit den häufig eingesetzten qualitativen bzw. indirekten Verfahren (z.B. Kontaktwinkel Goniometrie und Fluoreszenz-Spektroskopie) so nicht erhalten werden können. Die robuste Anbindung von Glykanen auf der Substratoberfläche ist Voraussetzung für eine reproduzierbare Anwendung in der Diagnostik aber auch für die Entwicklung valider quantitativer Charakterisierungsmethoden zur Bewertung der Effizienz der Immobilisierungsreaktionen. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung und Optimierung der Glykananbindung an amin-reaktive Oberflächen. Hierzu wurden z.B. spezielle Glykane mit Fluorlabel auf epoxid-funktionalisierten Siliziumoberflächen immobilisiert. Eine Quantifizierung der angebundenen Glykane ist zum Beispiel über die Bestimmung der CF3-Gruppe im hochaufgelösten C1s XPS Spektrum möglich. Die Interaktionen Sonde-Analyt wurden modellhaft mit immobilisierten Glykanen und dem Lektin Concanavalin A mit Verfahren der chemischen Oberflächenanalytik untersucht. Neben der chemischen Charakterisierung frisch präparierter Glykansonden wurde auch das Alterungsverhalten der Glykan-Microarrays untersucht. / The objective of this research is to sidestep many of the initial and current problems of glycan microarray based devices by using new analytical approaches to control molecular engineering. For this purpose, a thorough investigation of each individual step in the array production is carried out by applying complementary methods of surface chemical analysis. New fluorophore-free protocols based on methods of surface analysis as XPS will be developed and validated to enable glycan microarray performance optimization. The advantage of these methods is the direct quantitative access to chemical bonds at high lateral resolution. In contrast to the frequently used qualitative or indirect methods (e.g. contact angle goniometry and fluorescence spectroscopy), valid quantitative data are obtained. The robust binding of glycans on the substrate surface, is a prerequisite for a reproducible application in the diagnostics but also for the development of valid quantitative characterization methods for the evaluation of the efficiency of the immobilization reactions. One focus of the work was the characterization and optimization of the glycan binding to popular amine-reactive surfaces. For this purpose, specific glycans with fluorine-label were immobilized on epoxide-functionalized silicon surfaces. A quantification of the attached glycan molecules is possible, for example, by determining the amount of CF3 groups using the high-resolution C1s XPS spectrum. The interactions between model probe (glycan molecules) and model analyte (lectin concanavalin A) were investigated using powerful methods surface chemical analysis. In addition to the chemical characterization of freshly prepared glycan probes, the aging behavior of the glycan microarrays was also investigated.

Kovalente posttranslationale Modifikationen (PTMs) beeinflussen die Struktur und Funktion von Proteinen. Zu den bedeutendsten PTMs zählt die Proteinphosphorylierung. Labile Phosphorylierungen an Cystein- und Lysinresten, sowie Pyrophosphorylierungen an Serin- und Threoninbausteinen sind vermehrt in den Fokus der Wissenschaft gerückt. Trotz großer Fortschritte auf dem Gebiet der Massenspektrometrie (MS) bleibt die Analyse dieser empfindlichen Modifikationen mittels Tandem-MS eine große Herausforderung. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass Elektronentransferdissoziation (ETD) in Kombination mit zusätzlicher HCD Aktivierung (EThcD) in der Lage ist, Peptide mit labilen Phosphorylierungen in der Seitenkette unter Erhalt der Modifikation zu fragmentieren. In verschiedenen proteomischen Ansätzen wird demonstriert, dass EThcD eine zweifelsfreie Identifizierung natürlich vorkommender Cysteinphosphorylierungen ermöglicht. Darüber hinaus wurde unter dem Gesichtspunkt der Labilität von Lysinphosphorylierungen ein bottom-up-Phosphoproteomikansatz etabliert. Das MS-Verfahren beruht auf der Generierung eines diagnostischen Phospholysinimmoniumions, welches im zweiten Schritt die Erfassung eines zusätzlichen EThcD-Spektrums desselben Precursorions veranlässt (triggert). Darüber hinaus wird im Zuge dieser Arbeit gezeigt, dass sich pyrophosphorylierte Peptide unter CID-Bedingungen in ihrem Neutralverlustmuster von isobaren diphosphorylierten Peptiden unterscheiden. Dieses Verhalten stellt einen Schlüsselschritt in einer neutralverlustgetriggerten EThcD Methode dar, welche die zweifelsfreie Identifizierung von Pyrophosphorylierungen ermöglicht. Darauf basierend konnten in Hefezellen und humanen embryonalen Nierenzellen die ersten Proteinpyrophosphorylierungen, einer neuen endogenen posttranslationalen Modifikation, nachgewiesen werden. / Covalent posttranslational modifications (PTMs) influence the structure and function of proteins. Protein phosphorylations belong to the most important PTMs. Rarely characterized labile phosphorylations, for instance phosphorylations of cysteine and lysine and pyrophosphorylations of serine and threonine residues got into the focus of science. However, the analysis of those delicate modifications via tandem mass spectrometry remains a challenge. In the present work, it is shown that electron-transfer dissociation (ETD) combined with HCD supplemental activation (EThcD) is able to fragment peptides with labile phosphorylations at the side chains without losing the modification. In several bottom-up proteomic approaches, EThcD allowed the reliable identification of a naturally occurring cysteine phosphorylation. Moreover, methods for identification of lysine phosphorylations were developed. For the proteome wide analysis of lysine phosphorylations, considering the lability, a bottom-up phosphoproteomic approach with a highly selective mass spectrometry method was established. The MS-method relies on the generation of diagnostic phospholysine immonium ions during HCD, which trigger in a second step an additional EThcD spectrum of the same precursor ion. This strategy ensures the confident identification of lysine phosphorylated peptides. Furthermore, the present work shows that isobaric pyro- and diphosphorylated peptides differ in their neutral loss pattern during CID. This behavior was a key step in a specific neutral loss triggered EThcD method, which enabled the reliable identification of pyrophosphorylations. This method allowed the identification of the first protein pyrophosphorylations, a new endogenous PTM, in yeast and human embryonic kidney cells.

In den letzten Jahren gab es rasche Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Nukleinsäure-Erkennung. Von microRNA-Quantifizierung zur Untersuchung von Zelltods, --Teilung und -Regulation bis zur Bewertung genetischer Variabilität in Hinblick auf Krankheitsentstehung und -Behandlung: Die Analyse von Nukleinsäuren wird in der zukünftigen Medizin eine zentrale Rolle zukommen. Vor allem die Erkennung von SNPs als Hauptquelle der genetischen Vielfalt, aber aus Analysesicht auch eine der herausforderndsten Mutationen, stellt in dieser Hinsicht einen wesentlichen Aspekt dar. Methoden zur SNP-Erkennung müssen nicht nur sensibel, selektiv und stabil, sondern auch vielfältig sein und eine der wachsenden Analyseanzahl gerecht werdende hohe Verarbeitungsmenge bieten. Im Rahmendieser Arbeit wurde ein chemisches Prüfverfahren zur Erkennung von Nukleinsäuren und Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) entwickelt. Das Reaktionssystem zur Nukleinsäuren- Erkennung beruht hierbeiauf der Interaktion zweier modifizierter Peptid-Nukleinsäure (PNS) Oligonukleotiden. Das Erste beinhaltet einen C-terminalen Thioester (Donor-Sonde), die zweite einen N-terminalen Cysteinyl-Rest (Akzeptor-Sonde). Zusätzlich ist die Donor-Sonde durch einenmakrocyclischen Metall Chelatkomplex aus 1,4,7,10-tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure(DOTA) mit einem gebundenen lanthanoid-tag funktionalisiert. In die Akzeptor-Sonde wurde, zurReinigung mit magnetischen Streptavidin Partikeln, Biotin integriert. Der Ziel-DNA-Strang bringt beideSonden in räumliche Nähe zueinander und ermöglicht so eine chemische Reaktion. Das so gewonneneLigationsprodukt beinhaltet den Lanthanoid-Tag und Biotin, über welches das Produkt gereinigt wird,bevor die Detektion mittels ICP-MS erfolgt. Die Lanthanoid Konzentration dient als Indikator desLigationsprodukts welches wiederum den Reporter des Ziel-DNS-Strangs darstellt. Die, mithilfe diesesSystems erreichte, methodische Nachweisgrenze lag bei 29 pM mit einem RSD von 6,8% bei 50 pM(n=5). Zur Erkennung von SNPs wurde das Experiment mit einer Kombination zweier-Sets PNS Sonden mit unterschiedlichen Lanthanoid Tags durchgeführt. Das erste Set zielte auf die SNP beinhaltende Sequenz (Reportersystem) ab, während das zweite an eine benachbarte Sequenz (Kontrollsystem) binden sollte. Zur Erkennung der SNP wurden die Signale bei der Lanthanoide wurden ins Verhältnis gesetzt. Mithilfe dieses Verfahrens konnte durch Messung von sechs Lanthaniden bei einer Konzentration von 5 nM erfolgreich simultan zwischen den Allelen dreier SNPs unterschieden werden. / The field of nucleic acid detection has evolved swiftly in recent years. From quantification of micro RNA for the study of cell death, proliferation, and regulation, to the assessment of the influence of genetic variability towards disease development and treatment, the analysis of nucleic acids will play a central role in future medicine. In that regard, the detection of SNPs, as the primary source of genetic variability and the most challenging mutation from the analytical point of view, will be at the forefront of the discussion. Methods for the detection of SNPs not only require sensitivity, selectivity and robustness, but they should also allow multiplexing and offer high throughput in order to face the growing analysis demand In this work an assay for the detection of nucleic acids and single nucleotide polymorphisms (SNPs) was developed. The reaction system for the detection of nucleic acids is based on the interaction between two modified peptide nucleic acid (PNA) oligonucleotides. The first incorporated a C-terminal thioester (donor probe), and the second one a N-terminal cysteinyl residue (acceptor probe). In addition, the donor probe is functionalized with a metal-tag, which consist of a macrocyclic metal chelate complex of 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) with a chelated lanthanoide. A biotin tag for purification by streptavidin magnetic particles was incorporated in the acceptor probe. The target DNA strand brings together the reporter probes allowing the chemical reaction. The resulting ligation product contains the metal-tag and the biotin, which is used to purify the product before measurement in the ICP-MS system. The lanthanoid concentration is used as an indicator of the ligation product, which at the same time serves as reporter of the target template. The methodological limit of detection achieved with this system was 29 pM with RSD of 6.8% at 50 pM (n=5). Detection of SNPs was performed using a combination of two sets of PNA probes labeled with different lanthanoid metal tags. The first probe set targeted the sequence where the SNP was present (reporter probe system), while the second set of probes was designed to bind to a neighboring sequence (control probe system). The signals of both lanthanides were used to establish a ratio that allowed the detection of the SNP. This assay was successfully used to simultaneously differentiate between alleles of 3 SNPs by measuring six lanthanoids at 5 nM concentration.