The migration behavior of actinides and other radioactive contaminants in the environment is controlled by prominent molecular phenomena such as hydrolysis and complexation reactions in aqueous solutions as well as the diffusion and sorption onto minerals present along groundwater flow paths. These reactions significantly influence the mobility and bioavailability of the metal ions in the environment, in particular at liquid-solid interfaces. Hence, for the assessment of migration processes the knowledge of the mechanisms occurring at interfaces is crucial. The required structural information can be obtained using various spectroscopic techniques. In the present study, the speciation of uranium(VI) and neptunium(V) at environmentally relevant mineral – water interfaces of oxides of titania, alumina, silica, zinc, and alumosilicates has been investigated by the application of attenuated total reflection Fourier-transform infrared (ATR FT-IR) spectroscopy. Moreover, the distribution of the hydrolysis products in micromolar aqueous solutions of U(VI) and Np(V/VI) at ambient atmosphere has been characterized for the first time, by a combination of ATR FT-IR spectroscopy, near infrared (NIR) absorption spectroscopy, and speciation modeling applying updated thermodynamic databases. From the infrared spectra, a significant change of the U(VI) speciation is derived upon lowering the U(VI) concentration from the milli- to the micromolar range, strongly suggesting the dominance of monomeric U(VI) hydrolysis products in the micromolar solutions. In contradiction to the predicted speciation, monomeric hydroxo species are already present at pH ≥ 2.5 and become dominant at pH 3. At higher pH levels (> 6), a complex speciation is evidenced including carbonate containing complexes. For the first time, spectroscopic results of Np(VI) hydrolysis reactions are provided in the submillimolar concentration range and at pH values up to 5.3, and they are comparatively discussed with U(VI). For both actinides, the formation of similar species is suggested at pH ≤ 4, whereas at higher pH, the infrared spectra evidence structurally different species. At pH 5, the formation of a carbonate-containing dimeric complex, that is (NpO2)2CO3(OH)3−, is strongly suggested, whereas carbonate complexation occurs only under more alkaline conditions in the U(VI) system. The results from the experiments of the sorption processes clearly demonstrate the formation of stable U(VI) surface complexes at all investigated mineral phases. This includes several metal oxides, namely TiO2, Al2O3, and SiO2, serving as model systems for the elucidation of more complex mineral systems, and several alumosilicates, such as kaolinite, muscovite and biotite. From a multiplicity of in situ experiments, the impact of sorbent characteristics and variations in the aqueous U(VI) system on the sorption processes was considered. A preferential formation of an inner-sphere complex is derived from the spectra of the TiO2 and SiO2 phases. In addition, since the in situ FT-IR experiments provide an online monitoring of the absorption changes of the sorption processes, the course of the formation of the U(VI) surface complexes can be observed spectroscopically. It is shown that after prolonged sorption time on TiO2, resulting in a highly covered surface, outer-sphere complexation predominates the sorption processes. The prevailing crystallographic modification, namely anatase and rutile, does not significantly contribute to the spectra, whereas surface specific parameters, e.g. surface area or porosity are important. A significant different surface complexation is observed for Al2O3. The formation of inner-spheric species is assumed at low U(VI) surface coverage which is fostered at low pH, high ionic strength and short contact times. At proceeded sorption the surface complexation changes. From the spectra, an outer-spheric coordination followed by surface precipitation or polymerization is deduced. Moreover, in contrast to TiO2, the appearance of ternary U(VI) carbonate complexes on the γ-Al2O3 surface is suggested. The first results of the surface reactions on more complex, naturally occurring minerals (kaolinite, muscovite and biotite) show the formation of U(VI) inner-sphere sorption complexes. These findings are supported by the spectral information of the metal oxide surfaces. In this work, first spectroscopic results from sorption of aqueous Np(V) on solid mineral phases are provided. It is shown that stable inner-sphere surface species of NpO2+ are formed on TiO2. Outer-sphere complexation is found to play a minor role due to the pH independence of the sorption species throughout the pH range 4 – 7.6. The comparative spectroscopic experiments of Np(V) sorption onto TiO2, SiO2, and ZnO indicate structurally similar bidentate surface complexes. The multiplicity of IR spectroscopic experiments carried out within this study yields a profound collection of spectroscopic data which will be used as references for future investigations of more complex sorption systems in aqueous solution. Furthermore, from a methodological point of view, this study comprehensively extends the application of ATR FT-IR spectroscopic experiments to a wide range in the field of radioecology. The results obtained in this work contribute to a better understanding of the geochemical interactions of actinides, in particular U(VI) and Np(V/VI), in the environment. Consequently, more reliable predictions of actinides migration which are essential for the safety assessment of nuclear waste repositories can be performed. / Das Migrationsverhalten von Aktiniden und anderen radioaktiven Schadstoffen in der Umwelt wird von wichtigen molekularen Prozessen entlang der Grundwasserfließwege reguliert. Dazu gehören sowohl die Hydrolyse und Komplexierung in wässrigen Lösungen als auch Diffusion und Sorption der Schwermetalle an Mineralen. Diese Reaktionen beeinflussen entscheidend die Mobilität und Bioverfügbarkeit der Metallionen in der Umwelt, insbesondere an den fest-flüssig Grenzflächen. Genaue Kenntnisse über die an diesen Grenzflächen stattfindenden Mechanismen sind somit entscheidend, um Migrationsprozesse verlässlich abschätzen zu können. Die benötigten strukturellen Informationen können mit verschiedenen spektroskopischen Techniken ermittelt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Speziation von Uran(VI) und Neptunium(V) an umweltrelevanten Grenzflächen von Oxiden des Titans, Aluminiums, Siliziums und Zinks und von Alumosilikaten mittels ATR FT-IR Spektroskopie. Des Weiteren wurde die Verteilung aquatischer Spezies in mikromolaren Lösungen des U(VI) und Np(V/VI) unter Normalbedingungen charakterisiert. Diese erstmalige Untersuchung wurde mit einer Kombination aus Speziationsmodellierung unter Anwendung aktueller thermodynamischer Daten und ATR FT-IR und NIR Absorptionsspektroskopie realisiert. Die Infrarotspektren zeigen eine deutliche Änderung der Speziesverteilung im Konzentrationsverlauf vom millimolaren zum mikromolaren Bereich. Dies verweist auf die Bildung monomerer U(VI) Hydrolyseprodukte. Im Gegensatz zu berechneten Speziationen werden diese monomeren Komplexe schon bei pH ≥ 2,5 gebildet und dominieren die Speziation bei pH 3. Bei höheren pH-Werten (> 6) konnte eine komplexe Speziesverteilung mit Anteilen von Karbonatkomplexen nachgewiesen werden. Erstmals konnten im Rahmen dieser Arbeit spektroskopische Befunde der Hydrolysereaktionen des Np(VI) im submillimolaren Konzentrationsbereich bis pH 5,3 erhalten werden. Diese wurden im Vergleich mit der U(VI) Speziation diskutiert. Obwohl im sauren Bereich (pH ≤ 4) die Bildung ähnlicher Komplexe nachgewiesen wurde, zeigen die bei höheren pH-Werten erhaltenen Spektren eine unterschiedliche Speziesverteilung. Im Gegensatz zum U(VI) bildet das Np(VI) schon bei pH 5 karbonathaltige aquatische Spezies wie (NpO2)2CO3(OH)3−. Die Ergebnisse der Sorptionsexperimente von U(VI) zeigen die Bildung stabiler Oberflächenkomplexe an allen untersuchten Mineralphasen. Dies umfasst mehrere als Modellsystem dienende Metalloxide wie TiO2, Al2O3 und SiO2, als auch komplexere Alumosilikate wie Kaolinit, Muskovit und Biotit. Für eine detaillierte Charakterisierung der Oberflächenkomplexe wurde eine Vielzahl von in situ Sorptionsexperimenten durchgeführt, die den Einfluss unterschiedlicher Parameter der mineralischen Phase als auch des wässrigen U(VI) Systems berücksichtigen. Die bevorzugte Bildung von innersphärischen Komplexen an TiO2 und SiO2 wird aus den spektroskopischen Daten abgeleitet. Da die in situ FT-IR Spektroskopie eine kontinuierliche Registrierung der Absorptionsänderungen während der ablaufenden Sorptionsprozesse erlaubt, kann somit der Verlauf dieser Prozesse quasi in Echtzeit spektroskopisch verfolgt werden. Es konnte gezeigt werden, dass mit fortschreitender Sorptionsdauer, d.h. bei hohen Beladungsdichten, die Bildung einer weiteren außersphärischen Spezies die Sorption dominert. Die vorliegende kristallographische Modifikation, Anatas und Rutil, ist nicht maßgeblich für das Auftreten unterschiedlicher Sorptionsprozesse verantwortlich, obwohl Parameter wie die spezifische Oberfläche und die Porosität für den Sorptionsprozess von Bedeutung sind. Deutlich verschiedene Oberflächenreaktionen werden für Al2O3 beobachtet. Aus den Spektren kann die Ausbildung einer innersphärischen Spezies bei sehr niedrigen U(VI) Beladungen, niedrigen pH-Werten, hohen Ionenstärken und kurzen Kontaktzeiten abgeleitet werden. Bei fortschreitender Sorption ändert sich die Art der Oberflächenkomplexe. Zunächst bilden sich außersphärische Spezies, während im weiteren Verlauf die Spektren auf eine beginnende Oberflächenausfällung bzw. Polymerisation hinweisen. Weiterhin wird das Auftreten von ternären U(VI) Karbonatkomplexen an γ-Al2O3 aus den spektroskopischen Daten abgeleitet. Die ersten Ergebnisse der Sorptionsexperimente an komplexeren, natürlich auftretenden Mineralphasen (Kaolinit, Muskovit und Biotit) zeigen eine bevorzugte Ausbildung von innersphärischen U(VI) Komplexen. Diese Resultate werden durch die spektralen Befunde der Experimente der Metalloxide gestützt. Erstmalig werden in dieser Arbeit spektroskopische Ergebnisse der Sorptionsprozesse von wässrigen Np(V) an verschiedenen Mineralphasen präsentiert. Wie U(VI) bildet Np(V) stabile innersphärische Oberflächenkomplexe an TiO2. Die Speziesverteilung an der TiO2 Oberfläche ist im pH Bereich 4 – 7,6 konstant. Daher ist zu erwarten, dass eine außersphärische Komplexierung hier nur eine untergeordnete Rolle spielt. Der Vergleich von Spektren der Np(V) Sorptionskomplexe an TiO2, SiO2 und ZnO weist auf die Bildung strukturell ähnlicher bidentater Komplexe hin. Die Vielzahl der hier vorgestellten infrarotspektroskopischen Experimente bietet eine fundierte Sammlung spektroskopischer Daten, die für zukünftige Untersuchungen komplexer aquatischer und mineralischer Systeme unerlässlich ist. Gleichzeitig wurde der Anwendungsbereich der ATR FT-IR Technik auf dem Gebiet der Radioökologie umfassend erweitert. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der geochemischen Wechselwirkungen von Aktiniden, im Speziellen von U(VI) und Np(V) in der Umwelt bei. Damit unterstützen sie den Aufklärungsprozess der Migration von radioaktiven Kontaminationen und dienen als Grundlage für zuverlässige Prognosen für die Sicherheitsbewertung von Endlagern für nukleare Abfälle.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Oberflächenmodifikation von Nanodiamanten (ND) aus der Detonationssynthese und die anschließende Konjugation von einzel- bzw. doppelsträngiger DNA an die zuvor eingeführten funktionellen Gruppen. Als Ausgangsmaterialien wurden zwei Nanodiamantpulver mit unbekannter Oberflächenbelegung eingesetzt, deren Charakterisierung durch elektronenmikroskopische Methoden erfolgte. Weiterhin wurden kommerziell modifizierte ND mit definierter Oberflächenbelegung (Amino- und Hydroxylgruppen) verwendet. Für potenzielle Anwendungen von ND wird eine monofunktionale Oberfläche angestrebt, die u. a. über Oxidation oder Reduktion der durch den Herstellungsprozess eingeführten primären funktionellen Gruppen realisiert werden kann. Die dadurch erzeugten sekundären Funktionen ermöglichen die kovalente bzw. nichtkovalente Anbindung weiterer Substanzen, z. B. von Biomolekülen, an die Oberflächen der ND-Partikel. Die hier beschriebene Konjugation von DNA, an die mit Carboxyl-, Hydroxyl- oder Aminogruppen modifizierten Partikeloberflächen, erfolgte durch die Generierung von Amid-, Phosphodiester- und Isoharnstoffbindungen. Der Erfolg der Konjugationen wurde mit Hilfe von Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Fluoreszenz der Konjugate beruhte dabei auf Fluoreszenzfarbstoffen, die an die DNA-Moleküle gebunden waren. Darüber hinaus wird die Herstellung einer kolloidalen ND-Suspension beschrieben, von der die Partikelgrößen und das Zeta-Potenzial bestimmt wurden. Kolloidale Suspensionen ermöglichen aufgrund der geringen Partikelgrößen diverse biologische und medizinische Anwendungen von ND. Mit den hier präsentierten Ergebnissen erweitert sich der Kenntnisstand zur Konjugation von DNA an ND aus der Detonationssynthese. Die angewandte Methodik kann ebenso auf andere Substanzen wie Proteine oder Chemotherapeutika übertragen werden. Derart funktionalisierte Partikel besitzen ein großes Potenzial für die weitere Anwendung in der Biomedizin und Nanotechnologie. / The present study deals with the surface modification of nanodiamonds (ND) from detonation synthesis and the subsequent conjugation of both single and double stranded DNA to previously introduced functional groups. As starting materials two kinds of nanodiamond powders with unknown surface configuration were used. Both types of ND were characterized by electron-microscopic methods. Furthermore, commercially modified ND with defined surface configuration (amino and hydroxyl groups) were applied. Potential applications of ND require a mono-functional surface, that can be realized e. g. via oxidation or reduction of the primary functional groups introduced during the production process. The thereby generated secondary functions permit the covalent or non-covalent linking of further substances onto the surfaces of ND particles. Conjugation of DNA, as described here, onto the carboxyl-, hydroxyl- or aminomodified particle surfaces was accomplished by generating of amino, phosphodiester and isourea bonds. The success of conjugations has been examined by infrared spectroscopy and fluorescence microscopy. The fluorescence of conjugates based on fluorescent dyes bound to the DNA molecules. Furthermore, the fabrication of a colloidal ND suspension is described, of which the particle sizes and the Zeta potential have been determined. Colloidal suspensions facilitate various biological and medical applications of ND on the basis of low particle sizes. The presented results enlarge the state of knowledge about the conjugation of DNA on ND from detonation synthesis. The applied methodology may also be transferred to other substances like proteins or chemotherapeutics. In this way, functionalized particles have a big potential for further application in biomedicine and nanotechnology.

In der vorliegenden Arbeit wurde die kationische Polymerisation der heterocyclischen Monomere 2-Vinylfuran, 5-Methyl-2-vinylfuran und 2-Vinylthiophen in der Gegenwart silikatischer Partikel untersucht. Produkte dieser Reaktion sind Polymer/SiO2-Hybridpartikel und lösliche Polymere. Zu ihrer Untersuchung wurden NMR-spektroskopische Verfahren, IR-, UV/Vis-, MALDI TOF-Spektroskopie, Elementaranalyse und GPC angewandt. Damit gelang es, die Struktur der Polymere weitgehend aufzuklären. Der Einfluß der Reaktionsbedingungen auf die Ergebnisse der kationischen Oberflächenpolymerisation wurde untersucht und diskutiert. Die Ausbildung vernetzter Polymere bei der kationischen Polymerisation von 2-Vinylfuran bewirkte eine besonders starke Anbindung der Poly(2-vinylfuran)-Schicht und hohe Polymergehalte an den SiO2-Partikeln. Im Falle des Poly(2-vinylthiophens) (PVT) waren die Polymergehalte der Hybridpartikel deutlich niedriger. Es wurde eine lineare Polymerstruktur vorgeschlagen. Poly(2-vinylthiophen) und Poly(2-vinylthiophen)/Kieselgel-Hybridpartikel wurden in polymeranalogen Reaktionen mit Hydridakzeptoren und FeCl3 umgesetzt. Ziele dieser Reaktionen waren die Erzeugung von konjugierten Strukturelementen und die kontrollierte Vernetzung des Polymers über Bisthiopheneinheiten. Der Einfluß der Reaktionszeit und der Natur der eingesetzten Reagenzien auf die Reaktion von PVT mit Hydridakzeptoren wurde ausführlich studiert. Der Einfluß der Reaktionsbedingungen auf die Vernetzungsreaktion mit FeCl3 wurde mit Hilfe von GPC, IR- und 13C{1H}-CP/MAS-NMR-Spektroskopie untersucht. / The following work examines the cationic polymerization of the heterocyclic monomers 2-vinylfuran, 5-methyl-2-vinylfuran und 2-vinylthiophen mediated by silica particles. The products of this reaction are polymer/SiO2-hybridpartikels and a soluble polymer part. For characterization of the products NMR-spectroscopical methods, IR-, UV/Vis-, MALDI TOF-spectroscopy, elemental analysis and GPC were used. With the help of this methods it succeeded to clear up the polymer structure. The influence of the reaction conditions on the results of the cationic polymerization was examined and discussed. Extensive crosslinking of the 2-vinylfuran monomer during cationic polymerization causes a very strong linkage of the poly(2-vinylfuran)-layer and a hight polymer content of the poly(2-vinylfuran)/SiO2-hybridpartikels. In case of poly(2-vinylthiophen) (PVT) the polymer content of the hybrid particles was notedly lower. A linear polymer structure was supposed. The reaction of poly(2-vinylthiophen) and poly(2-vinylthiophen)/silica hybrid particles with hydridacceptors and FeCl3 was studied. The objectives of this reactions were to generate conjugated structures and to cross-link the polymer by creating bisthiophene structures in a controlled manner. The influence of the reaction time and the nature of the acceptors on the reaction of PVT with the hydride acceptors was examined in detail. The influence of the reaction conditions on the cross-linking reaction with FeCl3 was studied with the help of GPC, IR- und 13C{1H} CP/MAS NMR spectroscopy.

In den vergangenen Jahren löste die Nachfrage nach hochwertigen organischen Werkstoffen die Suche nach neuen Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften für mögliche technische An-wendungen aus. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ansatz entwickelt, neue organische Materia-lien zu synthetisieren, wobei die Untersuchung der Copolimerisation von o-Phenylendiamin (OPD) mit o-Toluidin (OT) und m-Toluidin (MT) in wässriger Schwefelsäure im Vordergrund stand. Da-bei fand die zyklische Voltammetrie sowohl bei der elektrochemischen Synthese als auch für die Charakterisierung der Homo- und Copolymere auf einer Goldelektrode Anwendung. Die Copoly-mere wurden aus gemischten Monomerlösungen synthetisiert, die unterschiedliche OPD-Konzentrationen sowie eine konstante OT- oder MT-Konzentration aufwiesen. Die Voltammogr- amme zeigten ein unterschiedliches Verhalten für die verschiedenen OPD-Konzentrationen bei der Zugabe. Die Mischung der Monomerlösungen mit geeigneten Konzentrationen ergab ein Copolym- er mit einem großen potenziell nutzbaren Bereich der Redoxaktivität relativ zu den korrespondiere- nden Homocopolymeren. Die Homopolymere Poly-o-toluidin (POT) und Poly-m-toluidin (PMT) zeigten ähnliche elektrochemische Eigenschaften. Es wurden jedoch Unterschiede in den Eigensch- aften zwischen den OT- und MT-Copolymeren mit OPD beobachtet, die möglicherweise auf eine Abweichung in den Monomereinheiten und der Ausrichtung entlang der Copolymerkette zurückzu- führen sind. Die Copolymerisation der OPD wird offenbar gefördert, wenn OT statt MT als einer der Comonomere verwendet wird. Weiterhin wurde der Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit (dE/dt) und des pH-Wertes auf die elektrochemische Aktivität untersucht. Die Copolymere waren oberflächengebunden, elektrisch aktiv und zeigten sogar bei einem pH-Wert = 8,0 bei Poly(OPT-co-MT) bzw. 9,0 bei Poly(OPT-co-OT) eine gute elektrochemische Aktivität. Die Messungen der in situ Leitfähigkeit unterstützte die Herausbildung eines neuen Stoffes (Copolymer), da die Copo-lymere Elektrodenpotenzialbereiche für eine maximale Leitfähigkeit besitzen, die sich völlig von jenen der Homopolymere unterscheiden. Die Leitfähigkeitswerte der Copolymere lagen zwischen den Werten der Homopolymere. Die in situ UV-Vis spektroelektrochemischen Untersuchungen der Copolymerisation von OPD mit OT und MT bei konstanter potenzieller Polymerisation auf mit Indiumzinnoxid (ITO) be-schichteten Glaselektroden zeigten, dass ein Kopf-Schwanz-verknüpfter p-Aminodiphenylamin (PPD)-Typ eines gemischten Dimers/Oligomers, der wahrscheinlich aus der Dimerisation der Kati-onenradikalen von OPD und OT oder MT resultiert, vorwiegend zu Beginn der Elektropolyme- risation der Mischlösungen entsteht. Ein Absorptionspeak bei λ = 497 nm in den UV-Vis-Spektren wurde diesen Zwischenprodukten zugeordnet. Es erfolgte eine Identifizierung der charakteristi-schen UV-Vis- und Raman- (λ = 647,1 nm) Eigenschaften der Copolymere, synthetisiert mit ver-schiedenen Zugabekonzentrationen auf ITO-beschichtetem Glas bzw. auf Goldelektroden, sowie eine Diskussion ihrer Abhängigkeit vom Elektrodenpotenzial. Die spektroelektrochemischen Er-gebnisse zeigten, dass die Hauptkette des Copolymers wahrscheinlich aus einer Mischung aus Co-polymerketten mit unterschiedlichen Monomergehalten und einer signifikanten Anzahl an Block-segmenten besteht. Die Eigenschaften der Copolymere erwiesen sich als sehr sensibel gegenüber der OPD Zugabekonzentration, so dass eindeutige Änderungen in den elektrochemischen und spektroelektrochemischen Eigenschaften der Stoffe aus Mischlösungen durch bloße Variierung der OPD-Konzentration bei der Zugabe beobachtet werden konnten. Die FT-IR-Spektralanalyse der Copolymere deutet auf die Anwesenheit von sowohl OPD- als auch OT- oder MT-Einheiten und daher auf die Copolymerbildung während der Elektrolyse der Misch-lösungen aus OPD und OT oder MT hin. Die zyklischen Strukturen des Phenazintyps erhöhen sich im Copolymer mit steigender OPD-Konzentration bei der Zugabe. / In recent years the demand for advanced organic materials has sparked the search for new materials with tailored properties for possible technological applications. In the present study an attempt has been made to synthesize new organic conducting materials by exploring the possibility of the copolymerisation of o-phenylenediamine (OPD) with o-toluidine (OT) and m-toluidine (MT) in aqueous sulfuric acid. Cyclic voltammetry was used both for the electrochemical synthesis and characterization of the homopolymers and copolymers on a gold electrode. The copolymers were synthesized from mixed solutions of the monomers having different concentrations of OPD and a constant concentration of OT or MT. The voltammograms exhibited different behavior for different concentrations of OPD in the feed. Mixing of the monomer solutions with appropriate concentrations resulted in a copolymer that shows an extended useful potential range of the redox activity relative to the corresponding homopolymers. The homopolymers poly(o-toluidine) (POT) and poly(m-toluidine) (PMT) show similar electrochemical properties. However, differences were observed in the properties between the copolymers of OT and MT with OPD that could be due to the variation in the monomer units and orientation along the copolymer chains. The copolymerization of OPD seems to be more facilitated if instead of MT, OT is present as one of the comonomers. The effect of scan rate and pH on the electrochemical activity was studied. The copolymers were surface confined, electroactive and showed good electrochemical activity even at pH 8.0 and pH 9.0 in case of poly(OPD-co-MT) and poly(OPD-co-OT), respectively. In situ conductivity measurements further suggest the formation of new material (copolymer) because the copolymers have electrode potential regions for maximum conductivity completely different from those of the homopolymers. The conductivity values of the copolymers were between the conductivities of the homopolymers. In situ UV-Vis spectroelectrochemical studies of the copolymerization of OPD with OT and MT at constant potential polymerization on indium tin oxide (ITO) coated glass electrodes reveal that head to tail coupled p-aminodiphenylamine (PPD) type of mixed dimers/oligomers, presumably resulting from the dimerization of OPD and OT or MT cation radicals, are predominantly formed during the initial stages of the electropolymerization of the mixed solutions. An absorption peak at λ = 497 nm in the UV-Vis spectra was assigned to these intermediates. Characteristic UV-Vis and Raman (λex = 647.1 nm) fea-tures of the copolymers synthesized with different feed concentrations on ITO coated glass and gold electrodes, respectively, have been identified and their dependencies on the electrode potential are discussed. Spectroelectrochemical results reveal that the copolymer backbone probably consist of a mixture of copolymer chains with different monomer contents and has significant number of block segments. The properties of the copolymers were found to be very sensitive to the OPD feed concentration and clear variations in the electrochemical and spectroelectrochemical properties of the materials from mixed solutions can be observed just by varying the concentration of OPD in the feed. FT-IR spectral analysis of the copolymers suggests the presence of both OPD and OT or MT units and thus formation of copolymer during the electrolysis of mixed solutions of OPD and OT or MT. The phenazine type cyclic structures increase in the copolymer with increasing OPD concentration in the feed.

Trichomes are fine epidermal outgrowths covering aerial organs of most land plants. Although unicellular trichomes of Arabidopsis thaliana have long been used as a model system in plant cell and developmental biology, surprisingly little is known about the processes involved in cell wall biogenesis during the last stage of trichome maturation. A role of EXO70H4, a putative subunit of the vesicle tethering complex exocyst, in trichome maturation has recently been identified in our laboratory. Image analysis, histochemical detection and FT-IR spectroscopy methods were used in this study to analyze cell wall defects of the exo70H4 LOF mutant, revealing the mutation causes altered deposition of pectins and possibly also lignins and hemicelluloses. Transgenic lines with EXO70 paralogues driven by the EXO70H4 promoter were prepared and their analysis revealed that the closest paralogue EXO70H3, unlike EXO70A1 and EXO70B1, can complement the exo70H4 mutation. Based on the results, questions concerning trichome cell wall composition, the role of EXO70H4 in trichome maturation and functions of the plant exocyst complex are discussed. Keywords: Arabidopsis, trichome, cell wall, secretory pathway, exocyst complex, EXO70H4, FT-IR spectroscopy

Die vorliegende Arbeit behandelt die Oberflächenmodifikation von Nanodiamanten (ND) aus der Detonationssynthese und die anschließende Konjugation von einzel- bzw. doppelsträngiger DNA an die zuvor eingeführten funktionellen Gruppen. Als Ausgangsmaterialien wurden zwei Nanodiamantpulver mit unbekannter Oberflächenbelegung eingesetzt, deren Charakterisierung durch elektronenmikroskopische Methoden erfolgte. Weiterhin wurden kommerziell modifizierte ND mit definierter Oberflächenbelegung (Amino- und Hydroxylgruppen) verwendet. Für potenzielle Anwendungen von ND wird eine monofunktionale Oberfläche angestrebt, die u. a. über Oxidation oder Reduktion der durch den Herstellungsprozess eingeführten primären funktionellen Gruppen realisiert werden kann. Die dadurch erzeugten sekundären Funktionen ermöglichen die kovalente bzw. nichtkovalente Anbindung weiterer Substanzen, z. B. von Biomolekülen, an die Oberflächen der ND-Partikel. Die hier beschriebene Konjugation von DNA, an die mit Carboxyl-, Hydroxyl- oder Aminogruppen modifizierten Partikeloberflächen, erfolgte durch die Generierung von Amid-, Phosphodiester- und Isoharnstoffbindungen. Der Erfolg der Konjugationen wurde mit Hilfe von Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Fluoreszenz der Konjugate beruhte dabei auf Fluoreszenzfarbstoffen, die an die DNA-Moleküle gebunden waren. Darüber hinaus wird die Herstellung einer kolloidalen ND-Suspension beschrieben, von der die Partikelgrößen und das Zeta-Potenzial bestimmt wurden. Kolloidale Suspensionen ermöglichen aufgrund der geringen Partikelgrößen diverse biologische und medizinische Anwendungen von ND. Mit den hier präsentierten Ergebnissen erweitert sich der Kenntnisstand zur Konjugation von DNA an ND aus der Detonationssynthese. Die angewandte Methodik kann ebenso auf andere Substanzen wie Proteine oder Chemotherapeutika übertragen werden. Derart funktionalisierte Partikel besitzen ein großes Potenzial für die weitere Anwendung in der Biomedizin und Nanotechnologie.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 6 2.1 Nanodiamant 7 2.1.1 Historische Betrachtungen zur Detonationssynthese 7 2.1.2 Herstellung von Diamant 8 2.1.3 Aufbereitung von Nanodiamanten aus der Detonationssynthese 11 2.1.4 Struktur und Eigenschaften von Diamant 12 2.1.5 Homogenisierung der Oberflächenbelegung 16 2.1.6 Aggregation und Deaggregation von Nanodiamant-Partikeln 20 2.1.7 Anwendungen von Nanodiamant-Partikeln 21 2.2 Aptamere 26 2.2.1 Strukturbildung und Bindungsmechanismen 26 2.2.2 Zielsubstanzen 28 2.2.3 Vergleich von Aptameren und Antikörpern 29 2.2.4 Herstellung von Aptameren – Der SELEX-Prozess 32 2.2.5 Anwendungsfelder für Aptamere 34 2.3 Konjugation von Nanopartikeln mit Biomolekülen 38 2.4 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.2 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung durch dynamische Lichtstreuung (DLS) 47 2.4.3 Bestimmung des Zeta-Potenzials durch elektrophoretische Licht-streuung (ELS) 48 2.5 Methoden zur Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 52 2.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 52 2.5.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 53 2.5.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 54 2.6 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 56 2.6.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 56 2.6.2 Fluoreszenzmikroskopie 60 3 Material und Methoden 62 3.1 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.2 Bestimmung von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potenzial 63 3.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 64 3.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 64 3.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 65 3.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 65 3.3 Chemische Modifikation von Nanodiamanten 66 3.3.1 Verwendete Materialien und Geräte 67 3.3.2 Einführung von Carboxylgruppen 68 3.3.3 Einführung von Hydroxylgruppen 69 3.3.4 Einführung von Aminogruppen 70 3.4 Herstellung von Nanodiamant-Aptamer-Konjugaten 73 3.4.1 Verwendete Materialien und Geräte 73 3.4.2 Konjugation über Amidbindungen 77 3.4.3 Konjugation über Ester- und Phosphodiesterbindungen 81 3.4.4 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 85 3.5 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 88 3.5.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 88 3.5.2 Fluoreszenzmikroskopie 89 4 Ergebnisse und Diskussion 92 4.1 Charakterisierung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 92 4.1.1 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 92 4.1.2 Bestimmung des Zeta-Potenzials 93 4.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulvern 98 4.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 98 4.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 101 4.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 107 4.3 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 117 4.3.1 Nanodiamanten: Originalmaterial und modifizierte Nanodiamanten 118 4.3.1.1 Nanodiamanten – Originalmaterial 118 4.3.1.2 Modifikation mit Carboxylgruppen (ND-COOH) 122 4.3.1.3 Modifikation mit Hydroxylgruppen (ND-OH) 123 4.3.1.4 Modifikation mit Aminogruppen (ND-NH2) 128 4.3.2 Nanodiamant-DNA-Konjugate 138 4.3.2.1 Konjugation über Amidbindungen 140 4.3.2.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 144 4.3.2.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 150 4.4 Fluoreszenzmikroskopie an Nanodiamant-DNA-Konjugaten 154 4.4.1 Konjugation über Amidbindungen 154 4.4.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 157 4.4.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 165 6 Literaturverzeichnis 170 Anhang I A-1 Parameter der Partikelgrößen- und Zeta-Potenzial-Messungen I A-2 Nukleotidsequenz von EF1a III A-3 GFP-Filter-Spektrum IV A-4 FT-IR-Spektren von Nanodiamanten V A-5 FT-IR-Spektren von Nanodiamant-DNA-Konjugaten X Verzeichnis der Formelzeichen XIV Abkürzungsverzeichnis XV Eigene wissenschaftliche Beiträge XVIII Danksagung Erklärung / The present study deals with the surface modification of nanodiamonds (ND) from detonation synthesis and the subsequent conjugation of both single and double stranded DNA to previously introduced functional groups. As starting materials two kinds of nanodiamond powders with unknown surface configuration were used. Both types of ND were characterized by electron-microscopic methods. Furthermore, commercially modified ND with defined surface configuration (amino and hydroxyl groups) were applied. Potential applications of ND require a mono-functional surface, that can be realized e. g. via oxidation or reduction of the primary functional groups introduced during the production process. The thereby generated secondary functions permit the covalent or non-covalent linking of further substances onto the surfaces of ND particles. Conjugation of DNA, as described here, onto the carboxyl-, hydroxyl- or aminomodified particle surfaces was accomplished by generating of amino, phosphodiester and isourea bonds. The success of conjugations has been examined by infrared spectroscopy and fluorescence microscopy. The fluorescence of conjugates based on fluorescent dyes bound to the DNA molecules. Furthermore, the fabrication of a colloidal ND suspension is described, of which the particle sizes and the Zeta potential have been determined. Colloidal suspensions facilitate various biological and medical applications of ND on the basis of low particle sizes. The presented results enlarge the state of knowledge about the conjugation of DNA on ND from detonation synthesis. The applied methodology may also be transferred to other substances like proteins or chemotherapeutics. In this way, functionalized particles have a big potential for further application in biomedicine and nanotechnology.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 6 2.1 Nanodiamant 7 2.1.1 Historische Betrachtungen zur Detonationssynthese 7 2.1.2 Herstellung von Diamant 8 2.1.3 Aufbereitung von Nanodiamanten aus der Detonationssynthese 11 2.1.4 Struktur und Eigenschaften von Diamant 12 2.1.5 Homogenisierung der Oberflächenbelegung 16 2.1.6 Aggregation und Deaggregation von Nanodiamant-Partikeln 20 2.1.7 Anwendungen von Nanodiamant-Partikeln 21 2.2 Aptamere 26 2.2.1 Strukturbildung und Bindungsmechanismen 26 2.2.2 Zielsubstanzen 28 2.2.3 Vergleich von Aptameren und Antikörpern 29 2.2.4 Herstellung von Aptameren – Der SELEX-Prozess 32 2.2.5 Anwendungsfelder für Aptamere 34 2.3 Konjugation von Nanopartikeln mit Biomolekülen 38 2.4 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.2 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung durch dynamische Lichtstreuung (DLS) 47 2.4.3 Bestimmung des Zeta-Potenzials durch elektrophoretische Licht-streuung (ELS) 48 2.5 Methoden zur Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 52 2.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 52 2.5.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 53 2.5.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 54 2.6 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 56 2.6.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 56 2.6.2 Fluoreszenzmikroskopie 60 3 Material und Methoden 62 3.1 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.2 Bestimmung von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potenzial 63 3.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 64 3.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 64 3.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 65 3.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 65 3.3 Chemische Modifikation von Nanodiamanten 66 3.3.1 Verwendete Materialien und Geräte 67 3.3.2 Einführung von Carboxylgruppen 68 3.3.3 Einführung von Hydroxylgruppen 69 3.3.4 Einführung von Aminogruppen 70 3.4 Herstellung von Nanodiamant-Aptamer-Konjugaten 73 3.4.1 Verwendete Materialien und Geräte 73 3.4.2 Konjugation über Amidbindungen 77 3.4.3 Konjugation über Ester- und Phosphodiesterbindungen 81 3.4.4 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 85 3.5 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 88 3.5.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 88 3.5.2 Fluoreszenzmikroskopie 89 4 Ergebnisse und Diskussion 92 4.1 Charakterisierung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 92 4.1.1 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 92 4.1.2 Bestimmung des Zeta-Potenzials 93 4.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulvern 98 4.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 98 4.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 101 4.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 107 4.3 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 117 4.3.1 Nanodiamanten: Originalmaterial und modifizierte Nanodiamanten 118 4.3.1.1 Nanodiamanten – Originalmaterial 118 4.3.1.2 Modifikation mit Carboxylgruppen (ND-COOH) 122 4.3.1.3 Modifikation mit Hydroxylgruppen (ND-OH) 123 4.3.1.4 Modifikation mit Aminogruppen (ND-NH2) 128 4.3.2 Nanodiamant-DNA-Konjugate 138 4.3.2.1 Konjugation über Amidbindungen 140 4.3.2.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 144 4.3.2.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 150 4.4 Fluoreszenzmikroskopie an Nanodiamant-DNA-Konjugaten 154 4.4.1 Konjugation über Amidbindungen 154 4.4.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 157 4.4.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 165 6 Literaturverzeichnis 170 Anhang I A-1 Parameter der Partikelgrößen- und Zeta-Potenzial-Messungen I A-2 Nukleotidsequenz von EF1a III A-3 GFP-Filter-Spektrum IV A-4 FT-IR-Spektren von Nanodiamanten V A-5 FT-IR-Spektren von Nanodiamant-DNA-Konjugaten X Verzeichnis der Formelzeichen XIV Abkürzungsverzeichnis XV Eigene wissenschaftliche Beiträge XVIII Danksagung Erklärung

Die Sauerstoffausscheidung in Silicium wird durch die Höhe der Bordotierung beeinflusst. Mit dem Ziel der Aufklärung der Mechanismen bei der Ausscheidung wurden verschiedene physikalische Messmethoden angepasst und ein breiter Borkonzentrationsbereich charakterisiert. Es wurden die frühen Phasen der Ausscheidungsbildung sowie Komplexbildung als auch das Wachstum der Sauerstoffausscheidungen untersucht. Mithilfe einer neuen Methodenkombination aus alkalischem Ätzen und FTIR-Spektroskopie konnten verschiedene Bor-Komplexe nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse über deren Existenz sowie Kinetik wurden numerisch umgesetzt. Mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung wurden erstmals in den frühen Phasen der Sauerstoffausscheidung deren Form und Größe in Abhängigkeit der Borkonzentration bestimmt. Die physikalischen Prozesse, die zu einem beschleunigten als auch anomalen Ausscheidungsverhalten in Abhängigkeit der Borkonzentration führen, konnten teilweise aufgeklärt werden.

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Die Unsicherheit analytischer Ergebnisse lässt Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit der angewandten Analyseverfahren zu. Entsprechend den Qualitätsanforderungen an akkreditierte Prüf- und Kalibrierlaboratorien (siehe u.a. Norm ISO/IEC 17025) ist daher die Angabe der Messunsicherheit erforderlich. Zur Ermittlung der Messunsicherheit typischer FT-IR-spektroskopischer Analysen von Feststoffen und Flüssigkeiten wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses zahlreicher FT-, proben- und gerätespezifischer Parameter auf den Messwert durchgeführt. Die Überprüfung der Ordinatenrichtigkeit bei FT-IR-spektroskopischen Messungen an Gläsern erfolgte mit Hilfe eines Transmissionsstandards des National Physical Laboratory (NPL), der aus einem Schott NG11 Neutralglasfilter besteht, und bei Messungen an Flüssigkeiten durch Vergleich der nach einem Absolutverfahren bestimmten Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit von der IUPAC publizierten Standardwerten. Nach Optimierung der Messbedingungen stimmen die Transmissionswerte des NPL-Standards und die Extinktionskoeffizienten des Dichlormethans mit den entsprechenden Standardwerten überein. Die für die Bestimmung dieser Messgrößen aufgestellten Unsicherheitsbilanzen gestatten die quantitative Abschätzung des Einflusses einzelner Parameter auf die Gesamtunsicherheit. Bei Anwendung der KBr-Presstechnik für die quantitative Analyse von unlöslichen Feststoffen haben die Partikelgröße des Analyten und die Homogenität der Presslinge einen dominierenden Einfluss auf die Qualität der Spektren. Um die Unsicherheit zu minimieren, die auf dem Einfluss der Partikelgröße beruht, muss es ein Ziel der Probenvorbereitung sein, dass die Partikeldurchmesser der Kalibriersubstanz und des Analyten einen Wert von ca. 2 µm nicht überschreiten und möglichst gleich groß sind. Bei Untersuchungen mit Calciumcarbonat-Proben unterschiedlicher Partikeldurchmesser hat sich die Halbwertsbreite der auszuwertenden Bande, die mit der Partikelgröße korreliert, als ein geeignetes Maß für die Beurteilung erwiesen, wie gut letztere Bedingung erfüllt ist. Eine inhomogene Verteilung der absorbierenden Partikel im Pressling kann durch Durchstrahlen der gesamten Oberfläche des Presslings oder durch Mitteln der an verschiedenen Positionen des Presslings gemessenen Spektren berücksichtigt werden. Diese Arbeiten zeigen, dass die Anwendung der KBr-Presstechnik bei sorgfältiger Probenvorbereitung und Einhaltung optimaler Messbedingungen im Rahmen der Messunsicherheit zu richtigen Ergebnissen führt. / The uncertainty of analytical results allows to assess the reliability of the applied analytical methods. According to quality requirements for accredited laboratories (see e.g. ISO/IEC 17025) it is necessary to report the uncertainty of measurement. In order to evaluate the uncertainty of typical quantitative FT-IR spectroscopic analysis of solids and liquids a detailed study of the influence of numerous FT-, sample- and instrument-specific parameters on the measurand was performed. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on glasses was tested with a transmittance standard of the National Physical Laboratory (NPL) that consists of a Schott NG11 neutral density filter. The trueness of FT-IR spectroscopic measurements on liquids was checked by the comparison of the molar absorptivities of dichloromethane determined by transmission measurements with the standard values published by IUPAC. After optimisation of the measurement conditions the transmittance values of the NPL standard and the molar absorptivities of dichloromethane are in accordance with the corresponding standard values. The uncertainty budgets evaluated for these measurends makes it possible to assess the contribution of a single parameter on the combined uncertainty. By using the KBr pressed pellet technique for the quantitative analysis of insoluble solids the particle size of the analyte and the homogeneity of the pellets are the major contributions to the quality of spectra. In order to minimize the uncertainty due to the particle size a purpose of the sample preparation must be to reduce the particle sizes of the calibration sample and the analyte to a maximum size of 2 µm and both particle sizes should agree. A detailed study with calcium carbonate samples with different mean particle sizes has shown that the half-width of the analysed band depends on the particle size and is suitable to test how far the last mentioned condition is fulfilled. In order to minimize the uncertainty due to an inhomogeneous distribution of the absorbing particles in the pellets the infrared beam must pass through the whole surface area of a pellet or the mean value of the spectra measured at different positions on the surface area has to be evaluated. This work proves that the use of the pressed pellet technique can lead to correct results within the limits of the uncertainty if the sample preparation is carried out carefully and optimal measurement conditions are kept.

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