Diese Dissertation beschäftigt sich mit der passiven Probenahme von hydrophoben organischen Schadstoffen in Oberflächengewässern: Polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), polychlorierte Biphenyle (PCB), polybromierte Biphenylether (PBDE), Organochlorpestizide (u. a. HCH, DDX) und weitere hydrophobe Pestizide. Die Zielstellung dieser Arbeit lag bei der Validierung des Silikonstabs als Alternativmethode im Gewässermonitoring zu konventionellen Probenahmetechniken wie Schöpf- und Wochenmischproben der Wasserphase sowie Schwebstoffanalysen. Die Probenahme mit dem Silikonstab erfolgte durch dessen Exposition im Gewässer für einen Zeitraum zwischen einer Woche und mehreren Monaten. Nach Einholung wurden die im Silikonstab akkumulierten Schadstoffe (Analyten) mittels instrumenteller Analytik quantifiziert. Die Probenaufgabe erfolgte ohne vorherige Lösungsmittelextraktion durch direktes Erhitzen des Silikonstabs, wodurch die Analyten vom Polymer desorbieren (Thermodesorption). Die durch Hitze freigesetzten Analyten wurden direkt auf eine chromatographische Trennsäule gegeben und massenspektroskopisch quantifiziert. Nach Erhalt der Ergebnisse der Silikonstab-Analytik gibt es verschiedene Herangehensweisen für die Berechnung der zeitgemittelten Analytkonzentrationen im Gewässer, die in dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert werden. Dazu gehören die Verwendung von experimentellen Daten aus Kalibrierversuchen und Berechnungen auf Grundlage von physikochemischen Eigenschaften der Analyten wie dem Sammler-Wasser-Verteilungskoeffizienten. Im Zuge dieser Arbeit wurde die Aufnahmekinetik des Silikonstabs bei verschiedenen Temperaturen und Fließgeschwindigkeiten mit Hilfe von Kalibrierversuchen untersucht. Die gewonnenen experimentellen Daten wurden für die Entwicklung von Rechenmodellen herangezogen, mit denen das Aufnahmeverhalten vorgesagt werden soll. Es wurden Sammler-Wasser-Verteilungskoeffizienten für den Silikonstab u. a. mit der Kosolvenzmethode bestimmt und als Parameter für die Berechnung von zeitgemittelten Analytkonzentrationen des Gewässers verwendet. Für die Validierung wurde der Silikonstab in zwei Gewässergütemessstationen der Fließgewässer Mulde (Dessau) und Elbe (Magdeburg) in Durchflussbehältern exponiert und die zeitgemittelten Analytkonzentrationen mit verschiedenen Rechenmodellen bestimmt. Die erhaltenen Werte werden mit gleichzeitig entnommenen Wochenmischproben der Wasserphase sowie monatlichen Schwebstoffproben verglichen und die Eignung des Silikonstabs als alternative Probenahmemethode für das Umweltmonitoring von Oberflächengewässern diskutiert.:I ZUSAMMENFASSUNG ...................................................................................................... 2 II INHALTSVERZEICHNIS .................................................................................................. 3 III ABBILDUNGSVERZEICHNIS .......................................................................................... 5 IV TABELLENVERZEICHNIS ................................................................................................ 6 V GLEICHUNGSVERZEICHNIS ............................................................................................ 7 VI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS........................................................................................... 9 0 VIELEN DANK AN … ...................................................................................................... 11 1. EINLEITUNG ................................................................................................................ 12 1.1 Wasser, seine Nutzung und Verschmutzung ............................................................ 12 1.2 Das Wasser und seine Schadstoffe .......................................................................... 15 1.3 Monitoring von Oberflächengewässern .................................................................... 17 1.3.1 Entnahme konventioneller Schöpfproben .............................................................. 17 1.3.2 Entnahme von Mischproben (integrative oder Kompositproben) ........................... 18 1.3.3 Probenahme des Schwebstoffanteils in der Wasserphase .................................... 19 2. PASSIVSAMMLER IN DER WASSERANALYTIK ................................................................ 21 2.1 Theoretische Grundlagen ......................................................................................... 21 2.1.1 Allgemeiner Aufbau von Passivsammlern ............................................................... 23 2.1.2 Die einzelnen Schritte von der Wasser- in die Sammelphase ................................ 25 2.1.3 Adsorptive und absorptive Akkumulation des Analyten in der Sammelphase ........ 26 2.2 Passivsammlersysteme in der Wasseranalytik ......................................................... 28 2.2.1 Absorbierende Passivsammler für hydrophobe Analyten ....................................... 28 2.2.1.1 Semipermeable membrane device (SPMD) .......................................................... 28 2.2.1.2 LDPE-Streifen (LDPE strips) ................................................................................ 29 2.2.1.3 Silikonplatten (silicone sheets) ........................................................................... 30 2.2.1.4 Chemcatcher ...................................................................................................... 31 2.2.1.5 Lösungsmittelfreie Passivsammler (MESCO / Silikonstab) .................................. 32 2.2.2 Absorbierende Passivsammler für polare Analyten ............................................... 35 2.2.2.1 Polar organic integrative Sampler (POCIS) ......................................................... 35 2.2.2.2 Chemcatcher ...................................................................................................... 35 2.3 Auswertung von Passivsammlerdaten ..................................................................... 35 2.3.1 Gleichgewichtssammler ......................................................................................... 36 2.3.2 Laborkalibrierung .................................................................................................. 37 2.3.3 In-situ-Kalibrierung mit Performance Reference Compounds (PRC) ...................... 38 2.3.4 Validierung von Passivsammlern............................................................................ 39 3. LÖSLICHKEIT UND THERMODYNAMISCHES GLEICHGEWICHT ...................................... 41 3.1 Freie Enthalpie und chemisches Potential ................................................................ 41 3.2 Lineare freie Energie-Beziehungen (LFER) für die Abschätzung von KSW ................ 41 3.3 Kosolvenzmodelle für die Modellierung von KSW ...................................................... 43 3.3.1 Log-Linear-Modell von Yalkowsky .......................................................................... 43 3.3.2 Freie Enthalpie-Ansatz (Khossravi-Connors-Modell) .............................................. 44 3.3.3 Jouyban-Acree-Modell ............................................................................................ 44 4. MATERIAL UND METHODEN ......................................................................................... 45 4.1 Präparation der verwendeten Passivsammler .......................................................... 45 4.2 Laborkalibrierung zur Bestimmung von Sammelraten ............................................... 45 4.2.1 Beschreibung der Versuche für die Silikonstab-Kalibrierung .................................. 45 4.3 Experimentelle Bestimmung von Sammler-Wasser-Verteilungskoeffizienten KSW ... 48 4.3.1 Zeitabhängige KSW-Bestimmung in der Wasserphase .......................................... 48 4.3.2 KSW-Bestimmung mit der Kosolvenzmethode ....................................................... 50 4.4 Validierung des Silikonstabs an limnischen Gewässergütemessstationen ............... 52 5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION ................................................................................... 55 5.1 Sammelraten RS für den Silikonstab aus Kalibrierversuchen .................................... 55 5.1.1 Temperaturabhängigkeit ....................................................................................... 58 5.1.2 Einfluss der Hydrodynamik auf die Aufnahmekinetik von PAK ................................ 59 5.1.3 Modellierung von Sammelraten .............................................................................. 62 5.1.3.1 Polynomisches Modell nach Vrana [137] ............................................................. 62 5.1.3.2 Diffusionsmodell nach Booij [71] ......................................................................... 64 5.1.3.3 Diffusionsmodell nach Rusina [85] ...................................................................... 66 5.1.4 Wahl der geeigneten In-situ-Kalibrierung am Beispiel eines Kalibrierversuchs ..... 67 5.1.4.1 Berechnung von In-situ-Sammelraten mit RS-Modellen ...................................... 68 5.1.4.2 Berechnung von In-situ-Sammelraten über Eliminierung von PRCs .................... 69 5.1.4.3 Vergleich Modelle und PRCs mit experimentellen Sammelraten .......................... 70 5.2 Experimentelle Bestimmung des Sammler-Wasser-Verteilungskoeffizienten KSW ... 73 5.2.1 Zeitabhängige KSW-Bestimmung in der Wasserphase .......................................... 73 5.2.2 Zusammenfassung KSW(t)-Versuche in der Wasserphase .................................... 81 5.2.3 KSW-Bestimmung mit der Kosolvenzmethode ....................................................... 81 5.2.3.1 Kosolvenzmodelle ............................................................................................... 83 5.2.4 Zusammenfassung ................................................................................................ 90 5.3 Empirische Modelle zur Abschätzung von KSW-Werten ............................................ 92 5.3.1 Lineare Korrelation des KSW mit physikochemischen und Molekülparametern ...... 92 5.3.2 Berechnung mit Mehrparameter-Regression (LSER) .............................................. 95 5.3.3 Zusammenfassung Abschätzung von KSW-Werten für den Silikonstab ................. 97 5.4 Freilandvalidierung des Silikonstab-Passivsammlers ................................................ 97 5.4.1 Ausbringung an Gewässergütemessstationen....................................................... 97 5.4.1.1 Validierung des Silikonstabs mit Wasserproben ............................................... 100 5.4.1.2 Validierung des Silikonstabs mit Sedimentproben ............................................ 102 5.4.2 Validierung des Silikonstabs bei Laborvergleichsstudien ..................................... 105 6. ERGEBNISSE UND AUSBLICK ..................................................................................... 105 VII LITERATURVERZEICHNIS ......................................................................................... 107 VIII ANHANG ................................................................................................................. 116

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.

Die Bildung und Beständigkeit von CSH-Phasen wurde in Abhängigkeit von Zeit, Ca/Si-Verhältnis, Temperatur, SiO2-Reaktivität, w/s-Verhältnis und NaCl-Sättigung der Lösung untersucht. Semikristalline CSH-Phasen bilden tobermoritähnliche Schichtstrukturen aus und weisen trotz ihrer Metastabilität hohe Beständigkeit bei 25 °C auf. Durch Erhöhung von Temperatur und w/s-Verhältnis wird deren Umwandlung zu kristallinen CSH-Phasen begünstigt, während NaCl-Sättigung der wässrigen Lösung die Kristallisation hemmt. Die Löslichkeit von CSH-Phasen ändert sich ebenfalls durch Variation von Temperatur und NaCl-Konzentration. Die NaCl-Sättigung führt in Folge der teilweisen Substitution von Ca2+ durch Na+ in den Festphasen zu einer deutlichen Erhöhung der Ca2+-Konzentrationen in Lösung. Mischphasenmodelle beschreiben dieses Verhalten in Berechnungen zumeist nicht hinreichend. Die Erweiterung der Datenbasis und Anpassungen der Modelle sind nötig. Mg2+-haltige Kontaktlösungen führen zur Auflösung von CSH- unter Bildung von MSH-Phasen.

Die Herstellung von homogenen Referenzmaterialien ist für die ortsaufgelöste Festkörperanalytik von besonderer Bedeutung. Eine neue Methode zur Herstellung von Referenzmaterialien auf Polymerbasis unter Verwendung von Metallacetylacetonaten wurde entwickelt. Die Elemente Al, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, La, Mg, Pb, Sr und Zn wurden im Spurenbereich eingebracht. Mit µRFA, LA-ICP-MS und LIBS konnte die homogene Elementverteilung in den auf diese Weise hergestellten Polymerschichten und deren Anwendbarkeit zur Kalibrierung von quantitativen Analysen gezeigt werden. Aufgrund der guten Stapelbarkeit der Polymerschichten, konnten diese auch für tiefenaufgelöste Messungen mittels CµRFA erfolgreich eingesetzt werden. Anhand der hergestellten Materialien wurden die Einflüsse verschiedener Messbedingungen bei LA-ICP-MS-Analysen auf das Untersuchungsergebnis evaluiert. Für die Auswertung und Visualisierung der Elementverteilungen sowie deren Kombination mit molekülspektrometrischen Daten wurden, passende Pythonskripte entwickelt.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Einleitung 3 Stand der Forschung 3.1 LA-ICP-MS 3.1.1 Allgemeiner Aufbau 3.1.2 Einflüsse auf das Messergebnis 3.2 Röntgenfluoreszenzanalyse 3.2.1 Allgemeines Prinzip 3.2.2 Besonderheiten der Mikro- und konfokalen Röntgenfluoreszenzanalyse 3.3 Referenzmaterialien 3.3.1 Allgemeiner Zweck 3.3.2 Kalibrierstrategien 3.3.3 Etablierte Materialien für matrixangepasste Standards 3.3.4 Referenzmaterialien auf Basis polymerer Kunststoffe 3.3.5 Zusammenfassung 4 Herstellung von Referenzmaterialien auf Basis strahlenhärtender Lacke 4.1 Hinführung zum Thema 4.2 Herstellung der Acetylacetonat-Komplexe 4.3 Einbringen der Komplexe in die Lackschichten und Bestimmung der Homogenität4.3.1 Präparation der Lackschichten 4.3.2 Probensysteme 4.3.3 Homogenitätsbestimmung 4.3.4 Analyse mit NMR 4.4 Kalibrierreihe 4.4.1 μRFA 4.4.2. LA-ICP-MS 4.4.3 Handheld LIBS 4.4.4 Tiefenprofile 4.5 Multischichtsysteme 4.5.1 Tiefenprofilmessungen gestapelter Lackschichten 4.5.2 Anwendbarkeit für die Tiefenkalibrierung 4.5.3 Temperatureinflüsse auf gestapelte Proben 4.6 Zusammenfassung 5 Einfluss verschiedener Messparameter auf das Ergebnis der LA-ICP-MS-Analysen 5.1 Hinführung zum Thema 5.2 Einfluss auf die Gesamtintensität 5.2.1 Gasflussgeschwindigkeiten 5.2.2 Beurteilung der Schussrate 5.3 Einfluss auf das Austragsverhalten 5.3.1 Skript zur Auswertung der Peakform 5.3.2 Auswertung der Peakform 5.4 Ablagerung von Material auf der Probenoberfläche 5.4.1 Analyse der geklebten Proben 5.4.2 Analyse der gestapelten Proben 5.5 Zusammenfassung 6 Etablierung einer Auswerteroutine 6.1 LA-ICP-MS-Mapping 6.1.1 Einlesen der Daten 6.1.2 Offset-Korrektur 6.1.3 Auswerten von Linienmessungen 6.1.4 Auswertung und Darstellung von Mappings 6.1.5 Clusteranalyse 6.2 Datenkombination verschiedener Analysemethoden 6.2.1 Daten der ultrahochauflösenden Molekülmassenspektrometrie 6.2.2 Probenpräparation 6.2.3 Zusammenfügen der Einzeldaten 6.3 CμRFA-Datenverarbeitung 6.3.1 Einlesen der Daten 6.3.2 Subtraktion und Addition 6.3.3 Darstellung der dreidimensionalen Elementverteilung mit MayaVi 6.3.4 Anpassung des dargestellten Volumens 6.3.5 Datenkorrektur mittels Gaußfit 6.4 Zusammenfassung 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Anhang 8.1 Literatur 8.2 zusätzliche Graphiken und Tabellen 8.3 Pythonskripte 8.4 Geräte und Chemikalien 8.4.1 Chemikalienliste 8.4.2 Geräte und Parameter 8.5 Publikationsliste 8.5.1 Artikel in Fachzeitschriften 8.5.2 Patenteinreichung 8.5.3 Konferenzbeiträge 8.6 Lebenslauf

In dieser Arbeit wurden zwei Messaufbauten für die online Gasanalyse von elektrochemischen Reaktionen entwickelt und im Hinblick auf ihre Unterschiede und Gemeinsamkeiten sowie auf den Designprozess im Allgemeinen verglichen: Differenzielle elektrochemische Massenspektrometrie (DEMS) zur Untersuchung von Nebenreaktionen in Natriumionenbatterien (SIBs). Verschiedene Designansätze aus der Literatur wurden verglichen, um den für die Anwendung in SIBs am besten geeigneten zu finden. Danach wurde ein selbst entwickeltes Design implementiert und validiert. Für die Datenauswertung wird ein neuartiger Ansatz für DEMS in Alkaliionenbatterien vorgestellt, der eine interne Validierung der Ergebnisse ermöglicht. Eine Zusammenfassung der Literatur über bekannte Reaktionen, die zur Gasbildung in Alkali-Ionen-Batterien führen, wird als Referenz die Gasentwicklung in den in dieser Arbeit untersuchten Materialien herangezogen. Das System wird zur Messung der Gasentwicklung verschiedener Elektrodenmaterialien in Halbzellenkonfiguration und zur Bewertung des Zusammenspiels einiger Elektroden in Vollzellenkonfiguration verwendet. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um: Natrium-Mangan-Nickeloxid (NaMNO), Natrium-Vanadium-Phosphat (NVP), Preußisch Weiß (PW), Graphit und Hartkohlenstoff. Als Elektrolyte wurden überwiegend 1M NaPF6 in Diglyme (2G), bzw. Propylencarbonat (PC) verwendet. Das zweite System ist eine rotierende Scheibenelektrode in Verbindung mit Gaschromatographie (RDE-GC). Es wurde entwickelt, um kinetische Effekte bei der elektrokatalytischen CO2-Reduktion an Kupferelektroden zu untersuchen. Die Korrelation von Massentransporteigenschaften und der Gasproduktanalyse kann Aufschluss über die Massentransportabhängigkeit von Selektivität und Aktivität der Reaktion geben. Hier wird die Gasanalyse genutzt, um die elektrochemischen Daten in Teilstromdichten zu dekonvolutieren, die unter definierten Stofftransportbedingungen zur Bildung verschiedener Produkte führen. / In this thesis two independent measurement setups for online gas analysis, in electrochemical reactions are developed and compared in terms of their differences and similarities and on the design: Differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) for the investigation of side reactions in sodium-ion batteries (SIBs). Different design approaches from literature are evaluated to find the most suitable for the application in SIBs. After that a custom design is implemented and validated. A novel approach to DEMS in alkali-ion batteries for the data evaluation is presented, that enables internal verification of the results. Known reactions that lead to gas formation in alkali-ion batteries are reviewed form the literature, as a reference to discuss the gas evolution found in materials investigated. The system is used to measure the gas evolution of different electrode materials in half-cell configuration, and to evaluate the interplay of some of the electrodes in full-cell configuration. Materials that are studied are: sodium manganese nickel oxide (NaMNO), sodium vanadium phosphate (NVP), prussian white (PW), graphite and hard carbon. To do that two model electrolytes were selected 1M NaPF6 in diglyme (2G) and propylene carbonate (PC). The second system is a rotating disc electrode coupled with gas chromatography (RDE-GC). It is designed to study kinetic effects on the electrocatalytic CO2 reduction (CO2RR) on copper electrodes. The correlation of defined mass transport properties and gas product analysis can give insight into the mass transport dependencies on the selectivity and activity of the reaction. Here the gas analysis is used to deconvolute the electrochemical data into partial current densities, that lead to the formation of different products, under defined mass transport conditions. While some challenges remain, preliminary data that underlines the capability of such system as well as the findings on how to design such a system are presented.

In dieser Doktorarbeit wurde eine analytische Methode zur Charakterisierung metallischer Nanopartikel (NPs) entwickelt und die Methode bei der Untersuchung natürlicher Proben angewendet. Mit einem analytisches System bestehend aus einem Mikrotropfengenerator (microdroplet generator, MDG) zusammen mit einem pneumatischen Zerstäuber und einem induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektrometer (ICP-MS) konnte eine quantitative und qualitative Charakterisierung von NPs durchgeführt werden. Der MDG wurde verwendet um die Kalibrierungsfunktion für die massenspektrometrische Quantifizierung der Metalle in den Nanopartikelproben, die über den pneumatischen Zerstäuber eingeführt wurden, einzurichten. Der Hauptvorteil dieser Anordnung besteht darin, dass mit dem MDG für jedes Metall Tropfen einer gewünschten Größe hergestellt werden können und eine 100 %-ige Transporteffizienz gegeben ist. Die eingeführte Masse korrelierte mit der Signalintensität von Nanopartikeln, so dass die mit dem MDG generierten Tropfen für die Kalibrierung verwendet werden konnten ohne dass Referenzmaterial erforderlich war. Die aufwändige und fehleranfällige Bestimmung der Effizienz eines Zerstäubers, die für die Bestimmung des Metallgehaltes von NPs mittels eines Einzelpartikel-ICP-MS (spICP-MS) erforderlich ist, konnte dadurch vermieden werden. Unter Anwendung dieser dualen Einführungsmethode wurden Größen und Konzentrationen einer Reihe von Standard Silber (Ag) NPs und Referenz Gold (Au) NPs mit hoher Genauigkeit bestimmt. Zusätzlich wurde mit einem neuen kommerziell verfügbaren ICP-Flugzeitmassenspektrometer (ICP-TOF-MS) Ag und Au NPs in unterschiedlichen Matrices charakterisiert: in verschiedenen Salzsäure (HCl)- und Salpetersäure (HNO3)- Konzentrationen und in Gegenwart verschiedener Elemente. Bei den unterschiedlichen Matrices war die Größenbestimmung innerhalb der gegebenen Standardabweichungen korrekt. / In this doctoral thesis an analytical method for characterising metal nanoparticles (NPs) was developed and its application for investigating natural samples verified. An analytical system consisting of a microdroplet generator (MDG) used in combination with a pneumatic nebuliser (PN) and an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) proved capable of quantitatively and qualitatively identifying NPs. The MDG was used to establish the calibration function for mass quantification of the metal present in the sample NPs introduced via the PN. The major advantage of this configuration is that the MDG generated droplets of tailored size for any given metal while offering a 100 % transport efficiency. The introduced mass correlated with signal intensities of NPs and thus the microdroplet generated droplets could be used for calibration purposes without the need for any reference material. Thus, the tedious and error-prone nebuliser efficiency determination step that is required when determining the NP metal content using the single particle mode ICP-MS (spICP-MS) approach, could be avoided. With this dual sample introduction method, the sizes and concentrations of a range of standard silver (Ag) NPs and gold (Au) reference NPs were determined with high accuracy. Additionally, together with a new commercially available ICP-time of flight-MS (ICP-TOF-MS) the characterisation of Ag- and Au-NPs was carried out in various matrices: In hydrochloric (HCl) and nitric acid (HNO3) at a range of concentration and in different elemental environments. In the presence of matrices, it was found that the size characterisation of the NPs is correct within the standard deviation.

In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte des Designs und der Funktionsweise von in Flüssigkeit betriebenen Graphen-basierten Sensoren untersucht, wodurch neue Einblicke in grundlegende Prozesse an der Graphen-Flüssigkeits-Grenzfläche gewonnen werden. Zunächst wird die Wirkung redoxaktiver Moleküle in der Elektrolytlösung in elektrochemisch gesteuerten Graphen-FETs untersucht. Während des Betriebs kann ein heterogener Elektronentransfer stattfinden, der zu Faradayschen Strömen am Graphenkanal führt. Diese führen zu Verschiebungen der Transferkurve von Graphen, da die Graphen-Flüssigkeits-Grenzfläche eine nur teilweise polarisierbare Elektrode darstellt. Dies wird als „Faradayscher Effekt“ bezeichnet. Er unterscheidet sich grundlegend von typischen Transduktionsmechanismen. Parameter, die den Faradayschen Effekts beeinflussen, werden detailliert untersucht. So sind die Verschiebungen z.B. abhängig von der Graphenkanalfläche. Der zweite Abschnitt konzentriert sich auf die Kante von Graphen, die einen nanoskopischen eindimensionalen Defekt des zweidimensionalen Materials darstellt. In dieser Arbeit wird ein neuer Graphen-FET vorgestellt, der auf der Steuerung von Graphen nur über die elektrochemische Doppelschicht an der Kante basiert. Um dies zu erreichen, wird der basale Teil des Graphens durch eine Passivierung vollständig von der Elektrolytlösung abgeschirmt. Des Weiteren wird gezeigt, dass die Kante des Graphens durch elektrochemische Modifizierung kovalent funktionalisiert werden kann, wodurch die Ladungsdichte an der Graphenkanten-Flüssigkeits-Grenzfläche effektiv verändert wird. Dabei bleiben die vorteilhaften Eigenschaften der Devices erhalten. Schließlich wird ein neuartiger Ansatz zu Untersuchungen an der Graphenkante in Form von mit hexagonalem Bornitrid-verkapseltem Graphen-Elektroden verfolgt. Die elektroanalytische Detektion von Ferrocenmethanol und Dopamin an der Graphenkante mittels zyklischer Voltammetrie wird an diesen Elektroden gezeigt. / Several aspects of the design and function of sensors based on graphene operated in liquid have been investigated in this thesis, providing new insight into fundamental processes at the graphene-liquid-interface. First, the effect of the presence of redox active molecules in the analyte solution of electrochemically gated graphene FETs is explored. During operation, heterogeneous electron transfer may occur at relevant potentials leading to Faradaic currents at the graphene channel. These lead to doping-like shifts of the transfer curve of graphene, as the graphene-liquid-interface represents a partially polarizable electrode. Due to the origin of the shifts, this observation is termed “Faradaic effect”. It is fundamentally different from typically discussed transduction mechanisms. Parameters influencing the direction and magnitude of the Faradaic effect are discussed in detail, e.g. the shifts are the stronger, the larger the area of the graphene channel. The second part focuses on the edge of graphene, which represents a nanoscopic one-dimensional defect of the two-dimensional material. Here, a new type of graphene FET is introduced based on electrochemical gating of graphene exclusively via the electrical double layer at its edge. To achieve edge-gating, the basal part of graphene is passivated by a photoresist and shielded entirely from interaction with the solution. It is demonstrated that the edge of graphene can be functionalized covalently via electrografting. This changes the charge density at the graphene edge-liquid-interface effectively, while maintaining the favorable transfer characteristics of the devices. Finally, a novel approach towards graphene edge devices was pursued in the form of hexagonal boron nitride encapsulated graphene. The electrochemical detection of ferrocene methanol and dopamine was demonstrated in standard and fastscan cyclic voltammetry at the edge of graphene in these devices.

In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur rückführbaren Proteinquantifizierung unter Verwendung von Schwefelisotopenverdünnung mit induktiv gekoppelter Plasmamassenspektrometrie (ID-ICP-MS) entwickelt. Die Methode dient zur zuverlässigen Quantifizierung laborinterner Proteinstandards. Sie eignet sich nur zur Analyse reiner Proteine, deren Stöchiometrie bekannt ist, da die Proteinkonzentration aus dem Schwefelgehalt bestimmt wird. Nicht proteingebundener Schwefel wird durch Membranfiltration von der Proteinfraktion abgetrennt und mit ID-ICP-MS quantifiziert. Der Gesamtschwefelgehalt in der Probe wird ebenfalls mittels ID-ICP-MS quantifiziert und um die Menge an ungebundenem Schwefel korrigiert. Die Optimierung der Probenvorbereitung zeigte, dass ein Aufschluss die Unsicherheit des Ergebnisses verbessert. Für die Methodenentwicklung wurden ein zertifiziertes Rinderserumalbumin-Referenzmaterial (BSA), sowie ein kommerzielles Avidin verwendet. Die Bestimmung der Proteinmassenfraktionen und Unsicherheitsbudgets erfolgte nach Korrektur für den ungebundenen Schwefel (0,4 % für BSA, 30 % für Avidin). Die Methode wurde auf das Tau-Protein angewendet, das ein Biomarker für die sogenannten „Tauopathien“ ist – eine Gruppe neurodegenerativer Krankheiten, die die Alzheimer-Krankheit und die frontotemporale Demenz einschließen. Durch Verwendung eines isotopenangereicherten Spikes, der an das SI-System angebunden ist, wurde die metrologische Rückführbarkeit für den Massenanteil des Tau-Proteins erreicht. Dieser Tau-Standard wurde zur absoluten Quantifizierung toxischer transgener Tau-Spezies in der löslichen Hirnfraktion transgener Mäuse verwendet. Die entwickelte Methode ist für die rückführbare Quantifizierung von Proteinen zur Verwendung als Standards in der biologischen und medizinischen Forschung anwendbar. Sie zeigte eine ähnliche Präzision wie etablierte Verfahren, erforderte jedoch weniger Probenvorbereitung und keine spezies-spezifischen Standards. / In this work, a method for traceable protein quantification using sulphur isotope dilution inductively coupled plasma mass spectrometry (ID-ICP-MS) was developed. The method is intended for the reliable quantification of in-house protein standards. It is only suited for pure protein formulations for proteins of known stoichiometry because the protein concentration is determined from the sulphur content. Non-protein bound sulphur is separated from the protein fraction by membrane filtration and is quantified by ID-ICP-MS. The total sulphur content in the sample is as well quantified by ID-ICP-MS and corrected for the amount of non-protein bound sulphur. Optimisation of the sample preparation showed that digestion improves the uncertainty of the result. For method development, a certified reference material bovine serum albumin (BSA) and a commercial avidin were used. The protein mass fractions with full uncertainty budgets were determined after correction for unbound sulphur. The developed procedure was applied to the tau protein, which is a biomarker fort he so-called „tauopathies“ – a group of neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease and Frontotemporal dementia. By employing an isotopically enriched spike, which is linked to the SI system, full metrological traceability was achieved for the tau mass fraction. The mass fraction of (0.328 ± 0.036) g kg-1 for tau was determined by ID-ICP-MS and confirmed by amino acid analysis. This tau standard was used for the absolute quantification of toxic transgenic tau species in the soluble brain fraction of transgenic mice. The developed method is applicable for the traceable quantification of proteins for use as standards in biological and medical research. The precision of the method was similar to established absolute protein quantification procedures while requiring less sample preparation and no species-specific standards.