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.

Diese Arbeit entstand im Rahmen des Projektes „Molekulare Endospektroskopie“ an der Technischen Universität Dresden. Der Titel drückt aus, dass durch Kopplung von Endoskopie und Spektroskopie Gewebe auf molekularer Ebene charakterisiert wird. Infrarot- (IR-) und Raman-Spektroskopie bieten dabei besondere Vorteile, da sie zu den molekülspektroskopischen Verfahren mit dem höchsten Informationsgehalt gehören. Beide Methoden beruhen auf Molekülschwingungen, deren Spektren einen chemischen Fingerabdruck über die Zusammensetzung und Struktur der Proben liefern. Der Autor leitete eine wissenschaftliche Nachwuchsgruppe, die die Grundlagen der schwingungs-spektroskopischen Methoden zur Bildgebung von Gewebe und Zellen entwickelte und auf klinische Probleme – vor allem aus dem neuroonkologischen Bereich – anwendete. Diese kumulative Habilitationsschrift fasst vierzehn Veröffentlichungen zusammen, wobei in der letzten die Untersuchung eines Hirntumormodells von Mäusen mit einer faseroptischen Sonde beschrieben wurde. Zunächst werden verschiedene Methoden der Biophotonik verglichen, um die hier eingesetzten Techniken in diesen Kontext zu stellen. Danach werden biomedizinische Anwendungen von Fourier-Transform-Infrarot- (FTIR-) und Raman-Imaging beschrieben. Die eigenen Beiträge sind untergliedert in (i) Raman- und FTIR-Imaging in der Neuroonkologie, (ii) FTIR-mikroskopisches Imaging von Gewebedünnschnitten und (iii) Raman- und FTIR-mikroskopisches Imaging von einzelnen Zellen. Abschließend wird in den Schlussfolgerungen und dem Ausblick diskutiert, welche Rolle die molekulare Endospektroskopie als neue instrumentell-analytische Methode in der medizinischen Diagnostik übernehmen kann. / This work summarizes the results of the project “Molecular Endospectroscopy” at the Dresden University of Technology. The title expresses that tissue is characterized on the molecular level by coupling endoscopy and spectroscopy. Infrared (IR) and Raman spectroscopy offer advantages for these applications because they belong to the methods of molecular spectroscopy with the highest information content. Both methods probe molecular vibrations that provide a chemical fingerprint for the composition and structure of samples. The author was leader of a junior research group which developed vibrational spectroscopic methods for imaging of cells and tissues and applied them to clinical problems, in particular from the field of neuro-oncology. The current cumulative habilitation thesis is based on fourteen publications. The last one describes studies of a murine brain tumor model using a fiber-optic probe. In the first part various biophotonic methods are compared. Then biomedical applications of Fourier transform infrared (FTIR) and Raman imaging are reported. The papers are grouped into the chapters (i) Raman and FTIR imaging in neuro-oncology, (ii) FTIR microscopic imaging of tissue sections and (iii) Raman and FTIR microscopic imaging of single cells. It is discussed in the conclusions and outlook how molecular endospectroscopy as a new analytical tool can complement the standard diagnostic methods.

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.

Fluorhaltige-Koordinationspolymere (FCPs) wurden durch mechanochemische Reaktionen synthetisiert. Die Erdalkalimetallhydroxide, die in ihrem Wassergehalt variieren, wurden als anorganische Quellen verwendet. Die perfluorierten Benzol Dicarboxylsäuren und ihre fluorfreien Analoga wurden als organische Linker verwendet. Die erhaltenen FCPs werden mit den fluorfreien Verbindungen (CPs) verglichen, die unter den gleichen Mahlbedingungen synthetisiert wurden. Der Austausch von Wasserstoff- durch Fluoratome beeinflusst sowohl die thermischen als auch die strukturellen Eigenschaften der FCPs. Letztere werden auch von den Unterschieden der Geometrien und von der Natur der organischen Linker beeinflusst. Während des Mahlprozesses dient Wasser dabei hauptsächlich als Vermittlermedium und zur Stabilisierung der neuen Strukturen. Die Unterschiede in den Kationengrößen zwischen Ca2+- und Sr2+-Ionen wirken sich geringfügig auf ihre Koordination durch die Dicarboxylatanionen aus. Hier kristallisieren Ca- und Sr-Verbindungen zumeist isomorph. Im Gegensatz dazu beeinflusst der große Ionenradius der Ba2+-Kationen die lokalen Koordinationsumgebungen. Die durch Mahlen erhaltenen Verbindungen sind hydratisiert und weisen eine kleine spezifische Oberfläche auf, die nach der thermischen Behandlung zunehmen kann. Die FCPs sind bis zu 300 °C stabil, während die CPs sich erst oberhalb von 400 °C zersetzen. Die hydratisierten Proben wandeln sich beim Tempern in neue dehydratisierte Phasen um. Die Phasenumwandlung kann reversible ablaufen. Zusätzlich wurde der Effekt des Austausches einer Carboxylgruppe durch eine Aminogruppe in einem organischen Liganden untersucht. In den CPs auf der Basis von Anthranilsäure beeinflussen die unterschiedlichen Kationengrößen der Ca2+-, Sr2+-, und Ba2+-Ionen sowohl die Koordinationsumgebung als auch die Dimensionalität der CPs.Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der neuen Materialien wurden systematisch durch verschiedene analytische Techniken. / A series of fluorinated coordination polymers (FCPs) were mechanochemically synthesized using alkaline earth metal hydroxides (M = Ca, Sr, Ba) that vary in their water content as inorganic sources. The perfluorinated benzene-dicarboxylic acids and their fluorine-free analogs were used as organic linkers. The obtained FCPs are compared to their synthesized fluorine-free counterparts (CPs) under the same conditions. The presence of fluorine influences both thermal and structural properties of the resulting FCPs. The latter are also strongly affected by the difference in geometries and nature of organic linkers. Water introduced to grinding acts as a mediator for the milling process and as a reactant for stabilizing the resulting structures. The difference in cation size between Ca2+- and Sr2+-ions has a minor effect on their coordination with perfluorinated or fluorine free benzene-dicarboxylate anions. Here, Ca- and Sr-compounds crystallize isomorphously (an exception was recorded for ortho-phthalate systems). In contrast, the relatively larger size of Ba2+-cation strongly influences the coordination environment. The obtained compounds by milling are hydrated and exhibit small surface areas that can increase after thermal post-treatment. The FCPs are stable up to 300 ˚C. On the other hand, the nonfluorinated CPs begin to decompose above 400 ˚C. The hydrated samples transform into new dehydrated phases upon thermal annealing. The hydrated-dehydrated phase transformation can be reversible. Moreover, the effect of replacement of one carboxylic group by an amino group in an organic ligand was explored. In the CPs based on anthranilic acid, the variations in cation size between Ca2+-, Sr2+-, and Ba2+-ions affect both coordination environment and dimensionality of the resulting CPs. The physicochemical properties of the new materials were systematically investigated applying different analytical techniques.

Ultraschalllevitation kombiniert die Vorteile von Mikrofluidik, wie beispielsweise die sehr geringe benötigte Probenmenge, mit einer wandlosen Probenhandhabung. Obwohl die Kopplung zwischen le- vitierten Tröpchen und verschiedenster analytischer Methoden wie optischer Spektroskopie und Röntgenbeugung sehr genau untersucht ist, fehlt es immer noch an einer etablierten Kopplung mit einer massenspektrometrischen Methode für die Analyse auf molekularer Ebene. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Prinzipien, auf denen eine kontaktlose massenspektrometrische Analyse von levitierten flüssi- gen Proben beruht. Zuerst wurde der neu entworfene akustische Levitator bezüglich des Einflusses seiner Geometrie auf die Levi- tationseigenschaften experimentell und mittels numerischer Simul- tationen untersucht. Die anschließend durch geführten Experimen- te demonstrieren das Potential von Infrarot-Lasern als kombinierte Desorptions- und Ionisationsquelle für organische Substanzen aus einer Mischung aus Wasser und Glycerin als Cromophor. Um einen tieferen Einblick in die hierbei ablaufenden Ionisationsmechanismen zu erhalten, wurde als Modell ein “Sonic-Spray” Konus räumlich per Massenspektrometrie und Laser-induzierter Fluoreszenz untersucht. Levitator-Geometrie auf die Levitationseigenschaften stimmen sehr gut mit numerischen Simulationen überein. Als komplementäre Ionisationsmethode wurde eine Niedertemperatur-Plasmaquelle ein- gesetzt. Nach einer zeitaufgelösten Untersuchung der grundlegenden Ionisationsmechanismen wurde diese Quelle für die Untersuchung flüchtiger Spezies aus der levitierten Probe in deren direkten Umgebung ohne störende Interferenzen ge- nutzt. / Ultrasonic levitation combines advantages of microfluidics like the required small sample volumes with a wall-less sample handling. While the coupling of analytical methods like optical spectroscopy as well as x-ray scattering are very well elaborated, an established mass spectrometric method to obtain molecular analytical information is still lacking. The herein presented work describes the fundamental processes for a contactless mass spectrometric analysis of levitated droplets. First, the influences of the specially designed levitator geometry on the levitation capabilities is described. During further experiments, the use of infrared lasers has proven useful as a combined desorption and ionization source for organic molecules from a mixture of water and glycerol as chromophore. Subsequently, sonic-spray ionization was used to gain a deeper understanding of the ionization processes occurring within the spray plume. Mass spectrometric mapping as well as laser-induced fluorescence were performed to investigate the ionization during an aerodynamic breakup of the micro droplets in the spray process. As a complementary sampling method, the ionization with a low- temperature plasma source is described. First, a time-resolved mass spectrometric investigation of the ionization process is shown. Sub- sequent to this fundamental study, the application of such a plasma source for the direct analysis of volatile compounds from within the droplets in the surrounding environment without interferences from the droplets bulk phase is described.

Unter den Techniken der chemischen Proteomik hat Capture Compound – Massenspektrometrie (CCMS) den Vorteil, Interaktionen von Molekülen mit geringer Affinität zueinander effektiv untersuchen zu können. CCMS beruht auf kleinen molekularen Sonden (Capture Compounds, CCs), die aus drei funktionalen Bestandteilen bestehen: die Selektivitätsfunktion, ist ein kleines Molekül, das mit einem Zielprotein eine schwache Wechselwirkung eingeht. Die zweite Funktionalität erlaubt kovalente Anhaftung der molekularen Sonde an Proteine. Der dritte Anteil erlaubt Detektion mit sehr guten Sensitivität; allerdings ist die Quantifizierung weiterhin ein Schwachpunkt dieser Technik. Ziel dieses Projektes ist, eine in CCMS verwendbare Quantifizierungsmethode zu entwickeln. Heutzutage gibt es zahlreiche MS-basierte Quantifizierungsstrategien; unsere beruht auf der Einführung von Lanthanoid-haltigen Labels – Metal Coded Affinity Tagging (MeCAT). In dieser Arbeit wurde erstmalig die erfolgreiche Verwendung mit Metall- Markern chemoproteomischer Sonden (CCs) zur Detektion und absoluten Quantifizierung von Zielproteinen mit schwacher Wechselwirkung etabliert. Mit den Experimenten an isolierten Enzymen und an lebenden Zellen wurde nachgewiesen, dass Metall-Marker keinen negativen Einfluss auf andere funktionelle Teile chemoproteomischer Sonden haben. CCs, die mit Lanthanoid-Chelaten funktionalisiert sind, zeigen ähnliche Affinität zu ihren Zielproteinen wie die Referenz-Sonden. Zudem erlauben Metall-Marker, die für diese Art molekularer Sonden verwendet werden, die Entwicklung einer element-basierten Technik zur Bilderzeugung. Der herausragende Vorteil der Metall-funktionalisierten CCs kombiniert mit ICP-MS ist, dass diese eine absolute Quantifizierung der Ausbeute der Quervernetzungen ermöglichen. / Capture compound mass spectrometry (CCMS) is a chemical proteomics technique that has the advantage of addressing low abundant target proteins in lysates as well as in living cells. The CCMS is based on small molecule probes (capture compounds) that consist of three functionalities: a small molecule (quite often it is a drug), which interacts with the target protein; the moiety that allows covalent attachment of the molecular probe to the protein; the one that allows detection. The detection moiety utilized for CCMS can offer high sensitivity; however, the challenge of absolute quantification is still a bottleneck of this technique. Metal Coded Affinity Tagging (MeCAT) is a quantitative approach based on the chemical labeling with lanthanide; it allows obtaining both the structural and quantitative information. In this work for the first time the successful utilization of chemoproteomic probes functionalized with a metal tag for the detection and absolute quantification of target proteins was established. With the experiments both on isolated enzymes and living cells it was determined that MeCAT does not negatively influence other functional parts of the probes; therefore, capture compounds functionalized with lanthanide chelates demonstrate similar affinity to the target as the reference probes. Moreover, metal tags utilized for this type of molecular probes can offer a promising elemental imaging technique. However, to achieve the sufficient resolution multiple metal tags per molecular probe are needed. The striking advantage of the approach of utilization metal functionalized capture compound combined with ICP-MS detection is that it allows absolute quantification of crosslink yield, what cannot be performed with other detection methods applied for this technology.

Hepcidin-25, ein 2000 entdecktes Peptidhormon, das eine Schlüsselrolle im Eisenstoffwechsel spielt, hat das Verständnis von Eisenerkrankungen revolutioniert. In dieser Studie wurde LC gekoppelt mit einem Triple-Quadrupol MS in einer schnellen und robusten Methode zur Quantifizierung von Hepcidin-25 in menschlichem Serum verwendet, welche letztlich in Routine-Laboratorien genutzt werden soll. Zu diesem Zweck wurden zwei Probenvorbereitungsstrategien und zwei komplementäre LC Bedingungen untersucht, wobei eine saure mobile Phase (0,1% TFA) mit einem neuartigen Ansatz unter der Verwendung einer basischen mobilen Phase (0,1% NH3) verglichen wurde. In einem laborinternen Vergleich beider LC-MS/MS Methoden wurde Hepcidin-25 in humanen Proben unter Verwendung der gleichen Kalibrierstandards quantifiziert und eine sehr gute Korrelation der Ergebnisse ermittelt. Hierbei wurde die Analysestrategie mit saurer mobiler Phase als hochsensitiv (LOQ von 0,5 μg/L) und präzise (CV <15%) befunden und als Kandidat einer Referenzmethoden für die Hepcidin-25 Quantifizierung in realen Proben empfohlen. Einer der neuartigen Aspekte der Methodik war die Verwendung von Amino- und Fluor-silanisierten Autosampler-Fläschchen, um die Adsorption des 25 Reste umfassenden Peptids anOberflächen zu reduzieren. Darüber hinaus wurde diese LC-MS/MS-Methode in einer internationalen Ringversuchsstudie eingesetzt, bei der ein sekundäres Referenzmaterial als Kalibrierstandard verwendet wurde, und gemäß des International Consortium for Harmonization of Clinical Laboratory Results (ICHCLR) als optimal bewertet. In dieser Arbeit wurde die Bildung von Hepcidin-Komplexen mit Kupfer(II) untersucht. Die erste Umkehrphasen-chromatographische Trennung von Hepcidin-25/Cu(II) und Hepcidin-25 (Kupfer "frei") wurde unter Verwendung von mobilen Phasen mit 0,1% NH3 erreicht. LC-MS/MS und FTICR-MS wurden für die Charakterisierung der gebildeten Hepcidin-25-Cu(II)-Spezies bei pH-Werten von 11 bzw. 7,4 verwendet. / Hepcidin-25, a key iron-regulatory peptide hormone discovered in 2000, has revolutionized the understanding of iron-related pathology. This study applied LC-MS/MS, using the triple quadrupole mass spectrometer, in a rapid and robust analytical strategy for the quantification of hepcidin-25 in human serum, to be implemented in routine laboratories. For this purpose, two sample preparation strategies and two complementary LC conditions were investigated, where the use of acidic mobile phases (0.1% TFA) was compared with a novel approach involving solvents at high pH (0.1% NH3). The application of these LC-MS/MS methods to human samples in an intra-laboratory comparison, using the same hepcidin-25 calibrators, yielded a very good correlation of the results. The LC-MS/MS employing trifluoroacetic acid-based mobile phases was selected as a highly sensitive (LOQ of 0.5 µg/L) and precise (CV<15%) method and was recommended as a reference method candidate for hepcidin-25 quantification in real samples. One of the novel aspects of the methodology was the use of amino- and fluoro-silanized autosampler vials to reduce the interaction of the 25-residue peptide to laboratory glassware surfaces. Moreover, this LC-MS/MS method was used for an international round robin study, applying a secondary reference material as a calibrator and its performance was found to be in the optimal range as defined by the International Consortium for Harmonization of Clinical Laboratory Results (ICHCLR). In this work, the formation of hepcidin-25 complexes with copper(II) was investigated. The first reversed-phase chromatographic separation of hepcidin-25/Cu2+ and hepcidin-25 (copper “free”) was achieved by applying mobile phases containing 0.1% NH3. LC-MS/MS and FTICR-MS were applied for the characterization of the formed hepcidin-25-Cu(II) species at pH values of 11 and 7.4 respectively. A new species corresponding to hepcidin-25 complexed with two copper ions was identified at high pH.

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Eignung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) bei der Online-Analyse der Materialströme in einer Sortieranlage zwecks Identifizierung der Legierungen am Beispiel der Aluminiumknetlegierungen. Als Ansatz sollten hierbei neuartige Laserquellen wie Faserlaser oder diodengepumpte Festkörperlaser verwendet werden, die mit deutlich höheren Repetitionsraten als häufig verwendete blitzlampengepumpte Festkörperlaser betrieben werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie mit diodengepumpten Festkörperlasern als Anregungsquelle durchgeführt. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die LIBS mit solchen Anregungsquellen ein gutes Nachweisvermögen und eine gute Stabilität besitzt. Ferner wurde ein Prototyp für die Online-Analyse der Aluminiumlegierungen entwickelt und mit einem kommerziell erhältlichen System verglichen. Es konnte festgestellt werden, dass das Nachweisvermögen des Prototyps für einige Fragestellungen bei der Sortierung von Aluminiumlegierungen ausreichend ist. Bei dem kommerziell erhältlichen System konnten dagegen selbst bei einer Fördergeschwindigkeit von 3 m/s Nachweisgrenzen erreicht werden, die für sämtlichen aktuellen analytische Fragestellungen auf diesem Gebiet ausreichend sind. Anschließend wurden die analytischen Güteziffern des kommerziell erhältlichen Systems verbessert, indem verschiedene multivariate Analysemethoden und Datenvorverarbeitungstechniken untersucht und optimiert wurden. Im nächsten Schritt wurde das System mit den optimierten Analysemethoden für die Sortierung der realen Produktionsschrotte eingesetzt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Sortierung von Aluminiumlegierungen in verschiedene Gruppen der Aluminiumknetlegierungen bei einer Fördergeschwindigkeit von 3 m /s mittels LIBS möglich ist. Im letzten Schritt wurden die Möglichkeiten der Übertragung der Methoden von einem Gerät auf ein anderes untersucht. Hierbei konnte ein Algorithmus ermittelt werden, bei dem ein derartiger Transfer möglich ist. Somit kann dieser bei einer Serienproduktion der Systeme eingesetzt werden, um den experimentellen Aufwand bei der Kalibrierung drastisch zu reduzieren. / The aim of this study was the investigation of the suitability of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for online analysis of material flow in a sorting plant for identification of alloys on example of aluminum wrought alloys. As a new approach in this study, new laser sources such as fiber lasers or diode-pumped solid state lasers, which can be operated with significantly higher repetition rates as broadly used flash lamp pumped lasers, were used. In this work, a systematic study of laser-induced breakdown spectroscopy with diode-pumped solid-state laser as an excitation source has been studied. It was found that LIBS with such excitation sources has good detection capability and good stability. In addition, a prototype for the online analysis of the aluminum alloys was developed and compared with a commercially available system. It could be determined that the detection capability of the prototype was sufficient for some analytical tasks in sorting of aluminum alloys. The limits of detection of the commercially available system were even at conveyor belt speed of 3 m/s sufficient for all current analytical tasks in this field. Subsequently, the analytical figures of merit of the commercially available system were improved by the study and optimization of the different multivariate analysis techniques and data pretreatment algorithms. In the next step, the system with the optimized analytical methods was used for sorting the real production scrap. It could be demonstrated that the sorting of aluminum alloys in different groups of aluminum wrought alloys at a conveyor speed of 3 m /s is possible by the use of LIBS. In the last step, the possibilities of transfer of the methods from one device to the other one were investigated. Here, an algorithm has been found, which makes such transfer possible. Therefore, this can be used for the reduction of the experimental effort during calibration drastically in a series production of the systems.

Obwohl EtG seit dem Jahr 2000 intensiv als Alkoholmarker in Haaren beforscht wird, bietet die Thematik weiterhin Raum für Forschung, insbesondere im Bereich der instrumentellen Analytik. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beleuchtung dieser und weiterer Aspekte. Die Extraktion erfolgte überwiegend mittels der sogenannten Mikropulverisierung. Sie ermöglichte die simultane Mahlung der Haarmatrix und Extraktion des EtGs mit einem hohen Probendurchsatz. Die Selektion und anschließende Detektion erfolgte überwiegend durch HPLC-MS/MS. Die Sicherheit bei der Bestimmung des Analyten wurde durch die erfolgreiche Teilnahme an drei Ringversuchen der Society of Hair Testing (SoHT) belegt. Wiederholbedingungen wurden durch Herstellung von eigenen Haarreferenzmaterialien und die Verwendung von homogenen Fremdhaarmaterialien sichergestellt. Zur Evaluierung der Stabilität von EtG wurden zwei Haarmaterialien unter thermischen Stressbedingungen eingelagert und mit dem Gehalt von Referenzproben verglichen. Der Analyt zeigte außergewöhnliche Stabilität unter den gewählten Bedingungen. Ebenso erfolgte eine Beurteilung des Zerstörungsgrads von EtG im Haar durch oxidierende Substanzen, einhergehend mit der Entwicklung eines zerstörungsfreien Schnelltests mittels FTIR zur Detektion von oxidierten Cysteinspezies in Haaren. Das Modellsystem Barthaar wurde für zwei Experimentreihen etabliert: die Korrelation des EtG-Gehaltes im Barthaar nach Aufnahme definierter Alkoholmengen und den Nachweis von glucuronidierten Spezies im Barthaar nach Aufnahme der korrespondierenden Muttersubstanzen. Während keine eindeutige Korrelation zwischen aufgenommener Alkoholmenge und EtG-Gehalt im Barthaar hergestellt werden konnte, war es durchaus möglich, zwei glucuronidierte Metabolite von Arzneistoffen im Barthaar nach Konsum der Ausgangssubstanzen nachzuweisen. / Although EtG is subject to extended research since the year 2000, the topic still holds headroom for further experiments, especially when it comes to the field of instrumental analysis. The goal of the present thesis was the clarification of crucial analytical and further aspects. The extraction was mostly carried out using the so-called micropulverisation. It rendered the simultaneous milling of the hair matrix and extraction of EtG possible with a high sample throughput. Selection of the analyte and following detection was mainly carried out using HPLC-MS/MS. The quality of analysis was ensured by the successful participation in three interlaboratory tests carried out by the Society of Hair Testing (SoHT). Repetitive conditions were ensured by manufacturing of own hair reference materials as well as by the usage of homogeneous external hair materials. Two hair materials were treated under thermal stress conditions and the EtG values were compared to reference samples to verify the analytes stability. EtG showed extraordinary stability under the chosen conditions. Likewise, an assessment of the degree of EtG decay after oxidative treatment as well as the development of a nondestructive assay via FTIR to detect oxidized cysteine species were established. The model system beard hair was arranged for the conduction of two experimental series: the correlation of the EtG content in beard hair after defined oral consumption of ethanol and the detection of glucuronidation of the corresponding parent substances after consumption. Whilst no distinct correlation could be observed for the ethanol experiment, it was possible to provide evidence for the existence of two glucuronized metabolites of drugs after consumption of the parent compounds.