Georg Karl von Hevesy war einer der bedeutendsten Gelehrten des 20. Jahrhunderts. Er erhielt den Nobelpreis für Chemie für das Jahr 1943, entdeckte das Hafnium und begründete die Radioanalytische Chemie und die Nuklearmedizin. In dieser Arbeit wird besonders sein Wirken in Freiburg i. Br. beschrieben, wo er 1906 – 1908 studierte, 1926- 1934 das Institut für Physikalische Chemie leitete und nach dem Krieg jedes Jahr einige Wochen verbrachte. Seine Arbeiten in Physik, Chemie, Biologie , Geologie und Medizin sind stark von Interdiszipinarität geprägt.

Die Arbeit Synthese dendritischer Redoxverbindungen und deren Einsatz in der Bioanalytik beschreibt die Synthese von Dendrimeren und Dendronen mit benzylisch N-quarternisierten 4,4 -Bipyridinium-Verbindungen (Viologenen) im dendritischen Gerüst. Weiterhin werden Synthesen neuer Nitrilotriessigsäure (NTA)-Verbindungen synthetisiert, die eine disulfidische Gruppe oder einen Pyrrolrest besitzen.Sensorik: Es gelang, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Wieczorek, mittels eines massenspezifischen Sensorsystems (QCM) die Analyse zweier Proteine (G-Aktin und C-Untereinheit) bezüglich ihrer Interaktion und Stöchometrie nachzuweisen.NTA modifizierte Elektroden: Es wurden verschiedene NTA-Verbindungen auf Goldelektroden immobilisiert und mittels elektrochemischen Methoden und XPS beschrieben. Darüber hinaus gelang eine NTA Modifizierung einer GC-Elektrode. Eine Polypyrrolfilm-Elektrode, welche aktivierte Propansäureesterseitenkette besitzt, wurde mit Aminobutyl-NTA (AB-NTA) verknüpft. Diese modifizierte Elektrode zeigt reversible Nickelionen Aufnahme bzw. Abgabe.Im Bereich der Multielektronen- bzw. hoch geladenen Labels für Proteine wurden kegelförmige, dendritische Viologenderivaten mit funktionalisierten Fokalpunkt hergestellt und diese mit Proteinen derivatisiert (u.a. Cytochrome C). Der Nachweis der nunmehr pH-unabhängigen Oberflächenladungen des Proteins wurde nachgewiesen. (P. Schön et. al., JACS 2005, 127, 11486).

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.

Schwefellost (SM) ist ein verbotener chemischer Kampfstoff. Nach Aufnahme über die Haut führt SM zu einer Reihe von Symptomen. Auf der molekularen Ebene beruht die Toxizität von SM auf der Reaktion mit DNA und Proteinen. Diese kovalenten Addukte eignen sich zum forensischen Nachweis und können über Flüssigkeitschromatographie gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS) detektiert werden. Ein Hauptziel war es in vitro zu untersuchen ob chemisches Scavenging von N-Acetylcystein (NAC) und Glutathion (GSH) Einfluss in der Behandlung von SM-Vergiftungen hat. Es konnte geklärt werden, dass NAC und GSH a) die Alkylierung von Cys34 in humanen Serum Albumin (HSA) durch SM nicht unterbinden kann und b) den Abbau von SM in gepufferter Lösung nicht beschleunigt. Somit ist Scavenging von SM durch NAC und GSH vernachlässigbar. Trotzdem konnte die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Testsystems gezeigt werden. Das zweite Hauptziel war es neue peptidische Biomarker für den Nachweis von SM-Vergiftungen zu finden. Es wurde eine Methode entwickelt, um SM-alkylierte Aminosäurereste in HSA zu finden. Somit konnten 42 SM-alkylierte Peptide gefunden werden. Insgesamt wurden 27 Alkylierungsstellen identifiziert, von denen 24 noch nicht in der Literatur beschrieben wurden. Die vielversprechendste der neue Alkylierungsstellen war das Met329 in HSA. Durch Proteolyse mittels Pepsin wurde das LGM(-HETE)F Tetrapeptid freigeschnitten. Probenvorbereitung und LC-MS Bedingungen wurden optimiert. Allerdings gelang der Nachweis von LGM(-HETE)F in Patientenplasma nicht, was möglicherweise an einer geringeren Stabilität der SM-Alkylierung von Met329 lag. Trotzdem kann sich LGM(-HETE)F als Kurzzeitmarker eignen. Der beobachtete Transfer der HETE-Modifikation vom Met329 zu Glu und Cys Seitenketten stellt einen neuen Einblick in den molekularen Wirkmechanismus von SM dar. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnte in Nachfolgestudien die Hemmung von Enzymen durch Alkylierung von Met durch SM gezeigt werden. / Sulfur mustard (SM) is a banned chemical warfare agent. After incorporation, SM may cause tremendous symptoms. On the molecular level, SM reacts with DNA and proteins. These covalent adducts may be useful for forensic or analytical purposes. After adducting SM, proteins can be proteolyzed forming peptides with a SM-modified amino acid residue. These peptide biomarkers can be detected using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS). One major aim was to develop an in vitro assay to clarify the impact of chemical scavenging of N-acetylcysteine (NAC) and glutathione (GSH) in the treatment of SM. It was found that NAC and GSH had no relevant influence on a) the extent of alkylation of Cys34 in human serum albumin (HSA) and b) the degradation velocity of SM in buffered solution. Accordingly, it was concluded that chemical scavenging of SM by NAC or GSH is negligible. Nevertheless, the robustness and reliability of the developed in vitro assay was shown. The second major aim was to identify novel peptide biomarkers of SM poisoning. An untargeted method to identify SM-alkylated amino acid residues in HSA was developed. Application of this method revealed 42 SM-modified peptides alkylated at 27 different positions. 24 of these positions were not described in the literature so far. A highly interesting target, Met329 in HSA, was investigated in more detail. After pepsin mediated proteolysis, the covalently modified tetrapeptide LGM( HETE)F was generated. Sample preparation and LC-MS conditions were optimized. However, when applying this novel marker to real samples, it could not be detected likely due to its limited stability. Nevertheless, LGM( HETE)F still represents a suitable short term biomarker. The observed transfer of the HETE-moiety from Met329 to Glu and Cys side chains represents a novel insight into the molecular toxicology of SM. Based on these results follow-up studies proved the enzyme inhibitory effect of SM-alkylation of Met residues in keratin kinase.

Plasmonische Substrate stellen ein leistungsstarkes Werkzeug für analytische Anwendungen dar. Neue plasmonische Substrate werden entwickelt, um das Spektrum ihrer Anwendungen und die Nachweisgrenzen der analytischen Spektroskopie zu erweitern. Diese Arbeit setzte sich zum Ziel, plasmonische Nanostrukturen mit Magnesiumfluorid zu beschichten. Magnesiumfluoridbeschichtungen sind zwar porös, weisen aber eine hohe mechanische Stabilität und außergewöhnliche optische Eigenschaften auf (niedrigen Brechungsindexes, großen optischen Fensters). Die Kombination dieser Eigenschaften mit den positiven Eigenschaften von plasmonischen Nanostrukturen kann zu fortschrittlichen plasmonischen Substraten für analytische Anwendungen führen. Diese Arbeit bietet zwei Ansätze für die Beschichtung der plasmonischen Nanostrukturen an die Core-Shell-Nanopartikelherstellung, die einen plasmonischen Core enthält und die Beschichtung von auf Glas immobilisierten plasmonischen Nanostrukturen. Über Metal@metal Fluoride Core-Shell-Nanopartikel wurde in der Literatur noch nichts berichtet. Daher Au@MgF2wurde ein Ansatz verfolgt, der auf dem Wissen über Metall-@Metalloxide und Metallfluoride@Metallfluoride basiert und die Synthese von Core-Shell-Nanopartikeln ermöglicht. Die erhaltenen Strukturen wurden mit elektronenmikroskopischen Methoden charakterisiert. Der zweite Ansatz bestand in der Immobilisierung von Goldnanopartikeln auf Glas und deren Beschichtung mit Magnesiumfluorid. Diese Fertigungsart verleiht eine hohe mechanische Stabilität und wissenswerte optische Eigenschaften an plasmonischen Substraten, die sich durch eine hohe nanoskopische Homogenität der Goldnanopartikelverteilung auszeichnen und optischer Signale, die echte analytische Anwendungen ermöglichen, ermittelt. Die Beschichtung von auf Glas mit Magnesiumfluorid immobilisierten Goldnanopartikeln führt zu einem sehr vielversprechenden Substrat , das in Zukunft für Sensorik und andere Anwendungen verwendet werden kann. / Plasmonic substrates can be a powerful tool for analytical applications. In order to broaden the spectrum of their applications and to push the detection limits of analytical spectroscopy, new plasmonic substrates are developed. The motivation of this work was to coat plasmonic nanostructures with magnesium fluoride. Coatings of magnesium fluoride are porous but exhibit high mechanical stability and extraordinary optical properties including a low refractive index and a wide optical window. Combining these properties with the beneficial properties of plasmonic nanostructures can lead to advanced plasmonic substrates for analytical applications. Two approaches for coating of the plasmonic nanostructures are proposed in this work: a core-shell nanoparticles fabrication and coating of plasmonic nanostructures immobilized on glass. The fabrication of Au@MgF2 core-shell nanoparticles turned out to be an extremely challenging approach. Such systems have not been reported in the literature yet. Therefore, an approach based on knowledge of metal@metal oxides and metal fluorides@metal fluorides core-shell nanoparticles synthesis was undertaken. The obtained structures were characterized using electron microscopy methods. Due to the numerous difficulties in the synthesis and characterization this way of coating plasmonic nanostructures with magnesium fluoride was not further processed. The approach based on immobilization of gold nanoparticles on glass and coating them with magnesium fluoride using a dip-coating method provides plasmonic substrates that are characterized by a high nanoscopic homogeneity of the gold nanoparticles distribution, a high mechanical stability, interesting optical properties and enhancement factors of optical signals that allow for real analytical applications. The coating of gold nanoparticles immobilized on the glass with magnesium fluoride results in very promising substrate that can be used for sensing and other applications in the future.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung neuer chemischer Sonden zur Überwachung der Aktivität von ASM sowohl in vitro als auch in vivo. Darüber hinaus wurde auch die Optimierung der angegebenen Sonden (besser: bereits publizierter Sonden) durchgeführt. Im ersten Teil dieser Studie wurden zwei Eu-Komplexe ausgehend von handelsüblicher Chelidaminsäure synthetisiert und führten zu einer guten Ausbeute mit hoher Reinheit. Die synthetisierten Sonden 4-D+ und 5-D+ wurden zum Nachweis verschiedener Phosphate und Carboxylatspezies verwendet. Sie wurden zur Überwachung der ASM-Aktivität durch den Nachweis des enzymatisch freigesetzten Phosphorylcholins (PC) eingesetzt. Trotz der vielversprechenden Abnahme der Lumineszenz von 4-D+ als Reaktion auf das anorganische PC zusätzlich zur Simulationsreaktion zur Änderung des SM / PC-Verhältnisses wurde in allen enzymatischen homogenen und heterogenen Experimenten ein allgemeiner Löscheffekt beobachtet. Der 5-D+ Komplex könnte zur Überwachung des ATP-hydrolysierenden Apyrase-Enzyms in Echtzeit verwendet werden. Im zweiten Teil dieser Studie wurden verschiedene FRET- und monomarkierte ASM-Sonden entworfen und synthetisiert. Eine neuartige FRET-Sonde mit einem besseren 2P-anregbaren Cumarinderivat zeigte eine etwa 20% Steigerung der Cumarinintensität im Vergleich zum alten Cumarinderivat. Eine neue Generation von ASM-Sonden mit einer quaternären Ammoniumgruppe, die das natürliche Substrat nachahmt, wurde ebenfalls entworfen und synthetisiert. Alle neuen quaternären Sonden wurden als ASM-Substrate nachgewiesen und zeigten unterschiedliche kinetische Parameter. Sie zeigten höhere Umsatz-Kcat-Werte im Vergleich zur nicht quaternären Sonde. Die meisten neuen Sonden zeigten auch höhere Spezifitätskonstanten gegenüber dem ASM-Enzym. / Sphingolipids are a family of bioactive signalling molecules. Besides their role in cellular structure, sphingolipids act as key regulators of many cellular functions including cell proliferation, differentiation, and apoptosis. The acid sphingomyelinase (ASM) catalyses the hydrolysis of sphingomyelin (SM) to ceramide, a metabolic hub of sphingolipid metabolism, and phosphoryl choline. Due to the lack of biochemical analytical tools, the molecular details of acid sphingomyelinase activity are still not fully discovered, and the development of pharmacological inhibitors is also hampered. The scope of this work is to develop new chemical probes for monitoring the activity of ASM both in vitro and in vivo.

In der Entwicklung neuer Agrochemikalien ist es essentiell das weitere Schicksal im Bezug zum Abbau durch abiotische und biotische Einflüsse vorherzusagen. Pestizide gehören zu den Agrochemikalien und durch abiotischen und biotischen Stress werden Transformationsprodukte (TPs) gebildet. Daher ist es von Bedeutung, die TPs von Pestiziden und deren Entstehungsprozess zu untersuchen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit biotischen und abiotischen Umwandlungsprozessen von zwei Modell-Pestiziden, nämlich Chlorpyrifos (ein Insektizid) und Fluopyram (ein Fungizid) unter Verwendung von Modellsystemen. Lebermikrosomeninkubation und elektrochemische Durchflusszellen, die an Online-Massenspektrometrie gekoppelt waren, wurden als experimenteller Modellansatz zu untersuchen um die Biotransformationsprozesse (phase I und phase II) der Ziel-Pestizide. Im zweiten Teil dieser Arbeit, wurden Photodegradationsprodukte der beiden Modellverbindungen durch Bestrahlung mit keimtötendem ultraviolettem Licht (200 - 280 nm) untersucht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Elektrochemie-Massenspektrometrie auf die Herstellung von Referenzstandards für Transformationsprodukte für das gezielte Screening in Lebensmittelproben ausgedehnt. Die strukturelle Aufklärung der Transformationsprodukte erfolgte mittels HPLC, gekoppelt an verschiedene Massenspektrometrietechniken (Single Quad, Triple Quad, FT-ICR HRMS, Triple TOF-MS, Orbitrap HRMS). Zusammenfassend konnte die Kopplung von EC/(LC)/MS als schnelle, zuverlässige, kostengünstige und matrix-unabhängige Methode genutzt werden, um den oxidativen Phase-I und II Metabolismus von Fluopyram und Chlorpyrifos zu simulieren. EC/MS könnte weiterhin zur Synthese von TP Referenzstandards und zur Messung von Realproben genutzt werden. Neue TPs und deren Bildungsmechanismen konnten im Rahmen dieser Dissertation für beide untersuchten Substanzen identifiziert werden. / One of the crucial steps of developing a new agrochemical product is predicting its fate following biotic or abiotic stress. In this regard, pesticides undergo transformation processes in response to biotic and abiotic stress. Therefore, it is important to investigate pesticides’ transformation products (TPs) and the formation processes they undergo. This dissertation deals on biotic and abiotic transformation processes of two model pesticides namely chlorpyrifos (an insecticide) and fluopyram (a fungicide) using model systems. Liver microsome incubation and electrochemical-flow-through cell coupled to online mass spectrometry were used as a model experimental approach to investigate phase I and phase II biotransformation processes of the targeted pesticides. In the second part of this thesis, photodegradation products of the two model compounds were investigated by irradiating with germicidal ultraviolet light (200 – 280 nm). In the last part of this work, electrochemistry-mass spectrometry was scaled-up to the production of transformation product reference standards for targeted screening in different food samples. Structural elucidations of transformation products were performed using HPLC coupled to different mass spectrometry techniques (single quad, triple quad, FT-ICR HRMS, TripleTOF-MS, Orbitrap HRMS). In summary, a fast, reliable, cost-effective and matrix-free simulation of oxidative metabolism (phase I and II) of fluopyram and chlorpyrifos was achieved here by EC/(LC)/MS. EC/MS could, therefore, be scaled up to synthesis TP reference standards for real sample investigation. Additionally, new TPs and their mechanisms were identified for both investigated compounds.

Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie mit Laserablation (LA-ICP-MS) wird zunehmend für die Einzelzellanalyse eingesetzt, jedoch wird eine weitere verbreitete Verbreitung durch den geringen Durchsatz behindert. Daher wurde in dieser Arbeit der Durchsatz von Einzelzellen-LA-ICP-MS untersucht und verbessert. Zunächst werden die beiden möglichen Ablationsmodi, Bildgebung und Einzelpunktanalyse (SSA), hinsichtlich ihrer analytischen Gütezahlen (Signal-Rausch-Verhältnis, Präzision, Genauigkeit, Durchsatz) verglichen. Hierfür wurden adhärente 3T3-Fibroblastenzellen mit zwei Metallfarbstoffen angefärbt und mit beiden Methoden mehrere Dutzend Zellen vermessen. SSA zeigte überlegene Eigenschaften hinsichtlich Durchsatz und Nachweisgrenzen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass >400 Zellen analysiert werden müssen, um zufriedenstellende Statistiken für einen quantitativen Vergleich der Ergebnisse zu erhalten, was als zu mühsam befunden wurde. Daher wurde ein Einzelzellen-Arraying-Schritt integriert, um eine automatisierte LA-ICP-MS-Analyse zu ermöglichen. Hierfür wurden zwei Arrayingverfahren getestet: Zunächst wurde das mikrofluidische Arraying von Zellen getestet, jedoch verhinderte das Einklemmen von weichen PDMS-Chips eine erfolgreiche Anwendung, und eine Neugestaltung des Chips wäre erforderlich. Daraufhin wurde eine neuartige Technologie getestet, die auf dem Arraying von Tröpfchen in Verbindung mit der Bilderkennung von Zellen beruht, wobei ein Anordnungsdurchsatz von 550 Zellen pro Stunde und eine beispiellose Einzelzellengenauigkeit (> 99%) gefunden wurde. In einem Proof-of-Principle-Experiment wurde ein Zellarray von THP-1-Suspensionszellen mittels LA-ICP-TOF-MS analysiert und erstmals gleichzeitig endogene und exogene Isotope einzelner Zellen als Isotopen-Fingerabdrücke von Zellen mit Nachweisgrenzen von lediglich wenigen hundert attogramm. Schließlich wurden diese Ergebnisse mit der derzeit gebräuchlichsten Analysemethode Single-Cell (sc)-ICP-MS verglichen. / Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is increasingly used for single-cell analysis. However, a more widespread use of LA-ICP-MS in single cell analysis is hampered by its low throughput. Hence, in this work the throughput of single cell LA-ICP-MS was studied and improved. First, the two possible ablation modes, imaging and single spot analysis (SSA) of single cells using a large laser spot, are compared regarding their analytical figures of merit (signal to noise, precision, accuracy, throughput), as well as regarding ease of operation and data evaluation. For that, adherent 3T3 fibroblast cells were stained with two metal dyes and several dozen cells were measured using both modes. SSA showed superior characteristics regarding throughput and detection limits. Moreover, it was shown that >400 cells must be analyzed to reach satisfactory statistics for a quantitative comparison of results, which would have been too laborious. Thus, a single cell arraying step was integrated to enable automated LA-ICP-MS analysis. Two different arraying methods were evaluated: First, arraying via hydrodynamic front trapping of cells using a microfluidic device was tested, but clamping of soft PDMS-chips prevented successful arraying and it was concluded that a major redesign of the chip is necessary. Secondly, and a novel technology relying on a microdroplet arrayer in conjunction with image recognition of cells was tested and a moderate arraying throughput (550 cells per hour) and an unprecedented single-cell accuracy (>99%) was found. In a proof of principle experiment, a cell array of THP-1 suspension cells was analyzed using LA-ICP-TOF-MS and endogenic and exogenic isotopes of individual cells were detected for the first time simultaneously as isotopic fingerprints of cells with detection limits as low as hundred attogram. Finally, these results were compared to the currently more commonly used analysis method single-cell (sc)-ICP-MS.

Gegenwärtig ist das Interesse und der Bedarf von Proteinbindern insbesondere in der Biotechnik und Pharmaforschung sehr groß. Kombinatorische, Partikel-basierte (One-Bead-One-Compound) Peptidbibliotheken sind eine Technik, um selektiv bindende Proteine zu identifizieren. Allerdings beinhaltet das Screening dieser Peptidbibliotheken aufwendige Schritte, wie die Separation, Sequenzierung und Charakterisierung von identifizierten Bindern. In dieser Arbeit wurde ein Chip-System entwickelt, auf dem alle Schritte eines Screenings durchgeführt werden können. Dafür wurde ein Glasobjektträger mit einem magnetisch leitenden, doppelseitigen Klebeband versehen. Die Partikel der Bibliothek wurden durch ein Sieb aufgetragen. Dies führte zu einer geordneten Immobilisierung der Partikel auf dem Chip. Über 30.000 Partikel konnten so auf einem Chip immobilisiert werden. Für die Identifizierung von selektiven Protein-bindenden Peptiden wird die immobilisierte Peptidbibliothek mit einem Fluorophor-markierten Protein inkubiert, bindende Partikel mittels Fluoreszenzscan identifiziert und die Peptidsequenz direkt auf dem Chip mittels Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-(MALDI)-Flugzeit-(TOF)-Massenspektroskopie (MS) bestimmt. Die Durchführung einer Abbruchsequenz-Methode erlaubt die eindeutige Bestimmung der Peptidsequenzen mit einer nahezu 100 % Genauigkeit. Die entwickelte Technologie wurde in einem FLAG-Peptid-Modell validiert. Bei dem Screening wurden neue anti-FLAG-Antikörper-bindende Peptide identifiziert. Anschließend wurden in einem Screening von ca. 30.000 Partikeln IgG-bindende Peptide mit mittleren mikromolaren Dissoziationskonstanten identifiziert. Für die Identifizierung stärkerer Binder wurde eine magnetische Anreicherung entwickelt, die dem Chip-Screening vorgeschaltet werden kann. Hiermit wurden aus ca. 1 Million gescreenter Partikel, Peptide mit Dissoziationskonstanten im niedrigen mikromolaren Bereich identifiziert. / The screening of one-bead-one-compound (OBOC) libraries is a well-established technique for the identification of protein-binding ligands. The demand for binders with high affinity and specificity towards various targets has surged in the biomedical and pharmaceutical field in recent years. The combinatoric peptide screening traditionally involves tedious steps such as affinity selection, bead picking, sequencing and characterization. In this thesis, a high-throughput “all-on-one chip” system is presented to avoid slow and technically complex bead picking steps. Beads of a combinatorial peptide library are immobilized on a conventional glass slide equipped with an electrically conductive tape. The beads are applied by using a precision sieve, which allows the spatially ordered immobilization of more than 30,000 beads on one slide. For the target screening, the immobilized library is subsequently incubated with a fluorophore-labeled target protein. In a fluorescence scan followed by matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)-time of flight (TOF) mass spectrometry (MS), high-affinity binders are directly and unambiguously sequenced directly from the bead. The use of an optimized ladder sequencing approach improved the accuracy of the de-novo sequencing step to 100 %. This new technique was validated by employing a FLAG-based model system. In a first step, new peptide binders for the M2 anti-FLAG monoclonal antibody were identified. Finally, this system was utilized to screen for IgG-binding peptides. The screening of about 30.000 peptides on one chip led to the identification of peptide binders in the mid micromolar range. A magnetic enrichment technique was developed to increase the number of screened beads. By combining the magnetic enrichment strategy with the chip system, 1 million beads were screened and IgG-binders in the low micromolar range were identified.

Die COVID-19-Pandemie machte deutlich, wie wichtig die Verfügbarkeit eines Schnelltests für ein funktionierendes Gesundheitssystem ist. Mit dieser einfachen Technologie kann die Unsicherheit in den unterschiedlichen und teils kontroversen statistischen Kennzahlen signifikant verringert werden. Immunoassays wie LFIA, FPIA und ELISA (Lateral Flow Immunoassay, Fluoreszenzpolarisationsimmunoassay und Enzymimmunoassay) werden in der Diagnostik und der Umweltanalyse eingesetzt. Die Verwendung von LFIA für ein Screening vor Ort bietet eine Alternative zu instrumentellen Methoden sowie komplizierteren Immunoassay-Formaten und liefert innerhalb von 10 bis 15 Minuten Ergebnisse. Verfahren mit Membranen als feste Träger erlauben parallele Assays in derselben Probe. In dieser Arbeit wurden Latex-Mikropartikel-basierte und Gold-Nanopartikel-basierte LFIAs zum Nachweis von Bisphenol A (BPA) entwickelt. Ein Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Nitrocellulose-Membranen, Konjugatpads, Membranbehandlungen sowie einer geeigneten LFIA-Vorbehandlung zwecks Optimierung. Die Ergebnisse eines LFIA-Tests können sowohl mit bloßem Auge als auch instrumentell interpretiert werden. Die visuelle Nachweisgrenze (vLOD) wurde bei 10 μg/L gefunden, die berechnete instrumentelle Nachweisgrenze (cLOD) war 0,14 μg/L. Die Synthese der Haptenproteinkonjugate und deren weitere Bewertung in einem ELISA-Aufbau führte zu einem hochempfindlichen Assay mit einer Nachweisgrenze von 0,05 μg/L. Zusätzlich wurde ein Mix-and-Read-FPIA zur Bestimmung von BPA entwickelt. Dafür wurden neue Tracer-Moleküle, welche Fluorophore mit Derivaten des Analyten verbinden, einschließlich eines C6-Spacers (Ahx) synthetisiert. Der Einfluss der Ahx-Tracer-Brückenlänge auf die Assay-Empfindlichkeit wurde abgeschätzt, die Nachweisgrenze lag bei 1,0 μg/L mit einem Arbeitsbereich von 2 bis 155 μg/L. Die Methoden wurden für reale Proben gegen LC-MS/MS als Referenzmethode mit guter Übereinstimmung mit LFIA, FPIA und ELISA validiert. / The COVID-19 pandemic made it obvious how important the availability of a rapid test is for an efficient healthcare system. This simple technology can significantly reduce the uncertainty in the various and sometimes highly controversial statistical figures of a pandemic. Immunoassays, like LFIA, FPIA and ELISA (lateral flow immunoassay, fluorescence polarization immunoassay, enzyme immunoassay) are used in diagnostics and environmental analysis. The use of LFIA for on-site screening is an alternative to instrumental methods and to more sophisticated immunoassay formats. Results from LFIA are obtained within 10 to 15 min. Methods that use membranes as solid supports allow parallel assays to be performed in the same sample. In this work, latex microparticles-based and gold nanoparticles-based LFIAs for a rapid detection of bisphenol A (BPA) were developed. The work focused on the search for suitable nitrocellulose membranes, conjugate pads, membrane treatments, as well as for a proper LFIA pretreatment to optimize the performance. The results of an LFIA test can be interpreted both by naked eye and instrumentally. The visual limit of detection (vLOD) was found to be 10 μg/L, the calculated instrumental limit of detection (cLOD) was 0.14 μg/L. The synthesis of the required hapten-protein conjugates and further evaluation in an ELISA setup resulted in a highly sensitive assay with a limit of detection of 0.05 μg/L. Additionally, a mix-and-read FPIA for determination of BPA was developed. Here, new tracer molecules that link fluorophores to derivatives of the analyte were synthesized, including a C6 spacer (Ahx). The influence of the Ahx tracer bridge length on the assay sensitivity was estimated. The limit of detection was 1.0 μg/L with a working range from 2 to 155 μg/L. The methods were validated for real samples against LC-MS/MS as reference method with good agreement with LFIA, FPIA, and ELISA.