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Die chromatische Dispersion ist in optischen Übertragungssystemen mit Datenraten von 10 Gbit/s und darüber einer der Faktoren, der die Länge der Übertragungsstrecke limitiert. Der Hauptteil der chromatischen Dispersion wird in solchen Übertragungssystemen in der Regel durch Dispersionskompensationsfasern ausgeglichen. Aufgrund von z.B. Umwelteinflüssen kann allerdings auch eine sich zeitlich ändernde Dispersion auftreten. Zur Eliminierung dieser Restdispersion wurden unterschiedliche Ansätze wie abstimmbare Faser-Bragg-Gitter, Virtually-Imaged-Phased-Arrays und Delay-Line-Filter publiziert. Delay-Line-Filter, deren periodisches Übertragungsverhalten durch die Filterkoeffizienten bestimmt wird, wurden bereits als Ring-Resonatoren und kaskadierte Mach-Zehnder-Interferometer in integriert-optischer Technologie hergestellt. Integriert-optische Komponenten verursachen aufgrund der Ankopplung an die Fasern des Übertragungssystems hohe Einfügeverluste. Darüber hinaus treten hohe Wellenleiterverluste, polarisationsabhängige Verluste und Polarisationsmodendispersion auf. Daher wird in dieser Arbeit die Realisierung faseroptischer Delay-Line-Filter, die auf faseroptischen Schmelzkopplern und faseroptischen Gewichtungselementen basieren, untersucht. Aufgrund der geometrischen Längen der faseroptischen Schmelzkoppler und der Größe der Gewichtungselemente können solche Filter allerdings nur mit einer geringen Filterordnung und mit einer geringen Anzahl von Gewichtungselementen hergestellt werden. Um mit Filtern niedriger Ordnung eine möglichst effektive Kompensation der Restdispersion zu erzielen, ist zunächst eine sorgfältige Untersuchung der Filtereigenschaften und des Filterentwurfs erforderlich. Durch systematische Untersuchung des Verhaltens der Filterdispersion in Abhängigkeit der Filterkoeffizienten wurden in dieser Arbeit hierzu erstmalig einfache Entwurfsregeln aufgestellt, die für Filter beliebiger Filterordnung zu annähernd konstantem Dispersionsverlauf führen. Auf dieser Grundlage konnte ein faseroptisches Delay-Line-Filter realisiert werden, das auf zwei in Reihe geschalteten faseroptischen 3x3 Schmelzkopplern basiert. Die Dispersion dieses Filters ist in einem Bereich von 50 GHz um die Mitte einer Filterperiode herum annähernd konstant und kann in einem Bereich von +/-50 ps/nm durch ein einzelnes thermisches Gewichtungselement abgestimmt werden. Aufgrund der faseroptischen Realisierung kann die Komponente problemlos in optische Übertragungsstrecken integriert werden und verursacht dabei Einfügeverluste von lediglich 3 dB. In Übertragungsexperimenten bei Datenraten von 42,5 Gbit/s konnte gezeigt werden, dass das Filter in der Lage ist die Dispersionstoleranz des Systems annähernd zu verdoppeln. Dies gilt sowohl für die Kompensation eines einzelnen Kanals als auch für die simultane Kompensation mehrerer benachbarter Übertragungskanäle mit je 42,5 Gbit/s. / Chromatic dispersion is a limiting factor in fast optical networks with channel bit rates of 10 Gbit/s or higher. The main part of the dispersion is usually compensated by spans of dispersion compensating fiber that have a fixed dispersion value. But the residual dispersion caused by environmental changes or rerouting has to be compensated adaptively. To overcome the effects of residual dispersion several approaches like tunable fiber Bragg gratings, virtually imaged phased arrays and delay line filters can be found in literature. The use of delay line filters like cascaded ring-resonators, multi-cavity etalons and cascaded Mach-Zehnder interferometers, whose periodic transfer behavior is determined by their coefficients, have already been developed in planar-optics. These components cause insertion loss due to the coupling to the fibers. Furthermore they suffer from high waveguide loss, non-negligible polarization dependent loss and polarization mode dispersion. In this thesis the realization of tunable delay line filters based on fiberoptic couplers and fiberoptic weighting elements is investigated. Due to the size of these components the filters can be realized with a limited order and a limited number of weighting elements, only. To fulfill these requirements a careful investigation of the filter design is necessary. By systematically investigating the dispersion of the filter depending on the filter coefficients simple design rules for non-recursive delay line filters with approximately constant dispersion are figured out. That enables the realization of a fiberoptic delay line filter, based on two 3x3 couplers concatenated in series. The dispersion of this filter is constant in a bandwidth of about 50 GHz around the center of a period and can be tuned in a range of +/-50 ps/nm by changing one single weighting element. Due to its nature this device causes low loss and can be easily integrated in an optical transmission system. In experiments it was demonstrated that by adding this filter to a 42.5 Gb/s transmission system the +/- 55 ps/nm dispersion tolerance of the optical receiver can almost be doubled - either in a single channel as well as in a multi channel configuration with five adjacent 42.5 Gb/s channels.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

Die chromatische Dispersion ist in optischen Übertragungssystemen mit Datenraten von 10 Gbit/s und darüber einer der Faktoren, der die Länge der Übertragungsstrecke limitiert. Der Hauptteil der chromatischen Dispersion wird in solchen Übertragungssystemen in der Regel durch Dispersionskompensationsfasern ausgeglichen. Aufgrund von z.B. Umwelteinflüssen kann allerdings auch eine sich zeitlich ändernde Dispersion auftreten. Zur Eliminierung dieser Restdispersion wurden unterschiedliche Ansätze wie abstimmbare Faser-Bragg-Gitter, Virtually-Imaged-Phased-Arrays und Delay-Line-Filter publiziert. Delay-Line-Filter, deren periodisches Übertragungsverhalten durch die Filterkoeffizienten bestimmt wird, wurden bereits als Ring-Resonatoren und kaskadierte Mach-Zehnder-Interferometer in integriert-optischer Technologie hergestellt. Integriert-optische Komponenten verursachen aufgrund der Ankopplung an die Fasern des Übertragungssystems hohe Einfügeverluste. Darüber hinaus treten hohe Wellenleiterverluste, polarisationsabhängige Verluste und Polarisationsmodendispersion auf. Daher wird in dieser Arbeit die Realisierung faseroptischer Delay-Line-Filter, die auf faseroptischen Schmelzkopplern und faseroptischen Gewichtungselementen basieren, untersucht. Aufgrund der geometrischen Längen der faseroptischen Schmelzkoppler und der Größe der Gewichtungselemente können solche Filter allerdings nur mit einer geringen Filterordnung und mit einer geringen Anzahl von Gewichtungselementen hergestellt werden. Um mit Filtern niedriger Ordnung eine möglichst effektive Kompensation der Restdispersion zu erzielen, ist zunächst eine sorgfältige Untersuchung der Filtereigenschaften und des Filterentwurfs erforderlich. Durch systematische Untersuchung des Verhaltens der Filterdispersion in Abhängigkeit der Filterkoeffizienten wurden in dieser Arbeit hierzu erstmalig einfache Entwurfsregeln aufgestellt, die für Filter beliebiger Filterordnung zu annähernd konstantem Dispersionsverlauf führen. Auf dieser Grundlage konnte ein faseroptisches Delay-Line-Filter realisiert werden, das auf zwei in Reihe geschalteten faseroptischen 3x3 Schmelzkopplern basiert. Die Dispersion dieses Filters ist in einem Bereich von 50 GHz um die Mitte einer Filterperiode herum annähernd konstant und kann in einem Bereich von +/-50 ps/nm durch ein einzelnes thermisches Gewichtungselement abgestimmt werden. Aufgrund der faseroptischen Realisierung kann die Komponente problemlos in optische Übertragungsstrecken integriert werden und verursacht dabei Einfügeverluste von lediglich 3 dB. In Übertragungsexperimenten bei Datenraten von 42,5 Gbit/s konnte gezeigt werden, dass das Filter in der Lage ist die Dispersionstoleranz des Systems annähernd zu verdoppeln. Dies gilt sowohl für die Kompensation eines einzelnen Kanals als auch für die simultane Kompensation mehrerer benachbarter Übertragungskanäle mit je 42,5 Gbit/s. / Chromatic dispersion is a limiting factor in fast optical networks with channel bit rates of 10 Gbit/s or higher. The main part of the dispersion is usually compensated by spans of dispersion compensating fiber that have a fixed dispersion value. But the residual dispersion caused by environmental changes or rerouting has to be compensated adaptively. To overcome the effects of residual dispersion several approaches like tunable fiber Bragg gratings, virtually imaged phased arrays and delay line filters can be found in literature. The use of delay line filters like cascaded ring-resonators, multi-cavity etalons and cascaded Mach-Zehnder interferometers, whose periodic transfer behavior is determined by their coefficients, have already been developed in planar-optics. These components cause insertion loss due to the coupling to the fibers. Furthermore they suffer from high waveguide loss, non-negligible polarization dependent loss and polarization mode dispersion. In this thesis the realization of tunable delay line filters based on fiberoptic couplers and fiberoptic weighting elements is investigated. Due to the size of these components the filters can be realized with a limited order and a limited number of weighting elements, only. To fulfill these requirements a careful investigation of the filter design is necessary. By systematically investigating the dispersion of the filter depending on the filter coefficients simple design rules for non-recursive delay line filters with approximately constant dispersion are figured out. That enables the realization of a fiberoptic delay line filter, based on two 3x3 couplers concatenated in series. The dispersion of this filter is constant in a bandwidth of about 50 GHz around the center of a period and can be tuned in a range of +/-50 ps/nm by changing one single weighting element. Due to its nature this device causes low loss and can be easily integrated in an optical transmission system. In experiments it was demonstrated that by adding this filter to a 42.5 Gb/s transmission system the +/- 55 ps/nm dispersion tolerance of the optical receiver can almost be doubled - either in a single channel as well as in a multi channel configuration with five adjacent 42.5 Gb/s channels.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.

Für den Nachweis dieser Schadstoffe in niedrigen Konzentrationsbereichen sind schnelle und empfindliche Analysemethoden erforderlich. Molekular geprägte Polymere (MIPs) wurden als synthetische Materialien entwickelt, um die molekulare Erkennung von natürlichen Rezeptoren nachzuahmen, aufgrund ihrer Fähigkeit, selektiv eine Vielzahl von Analyten zu erkennen, ihre Stabilität und ihrer einfachen Herstellung. Sie sind zunehmend in der chemischen Sensorik als Rezeptormaterial für den Nachweis bestimmter Analyten bei niedrigen Konzentrationen zu finden, insbesondere in Kombination mit Fluoreszenz aufgrund dessen hoher Empfindlichkeit. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von optischen Sensormaterialien unter Verwendung von MIPs als Erkennungselemente im Zusammenhang mit Fluoreszenz zum sensitiven Nachweis von Herbiziden und Antibiotika in Wasser- und Lebensmittelproben and deren Kombination mit verschiedenen Vorrichtungsformaten für die zukünftige Detektion einer breiten Palette von wichtigen Analyten. / For the detection of these contaminants in low concentration ranges fast and sensitive analytical tools are required. Molecularly imprinted polymers (MIPs) have been used as synthetic materials mimicking molecular recognition by natural receptors due to their ability to recognize selectively a wide range of analytes, their stability and ease of synthesis. They have gained more and more attention in chemical sensing as receptor material for the detection of suitable groups of analytes at low concentrations especially in combination with fluorescence due to the latter’s high sensitivity. This work aimed the development of optical sensor materials using MIPs as recognition elements connected with fluorescence for the sensitive detection of herbicides and antibiotics in water and food samples and their combination with various device formats for the future detection of a wide range of analytes.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Biosensoren mit dem Ziel, mit Hilfe der Kopplung molekular geprägter Polymere (MIPs) als neuartiges Rezeptormaterial und dem sensitiven Nachweisprinzip der Fluoreszenz eine neue Qualität des Analytnachweises zu erreichen. Es wurde eine neue Strategie zur Optimierung der Bindungseigenschaften von molekular geprägten Polymeren in wässrigen Lösungsmitteln entwickelt, die die Kopplung aus Design of Experiments und der Optimierung multipler Zielgrößen umfasst. Damit konnten die Polymerbindungseigenschaften für alle vier betrachteten Parameter wesentlich verbessert werden. Mit Hilfe stationärer und zeitaufgelöster Fluoreszenztechniken wurde die Aufklärung der Wechselwirkung zwischen MIP und Analyt auf molekularer Ebene sowie die Charakterisierung einer neuen Nachweisstrategie basierend auf einen Förster-Resonanzenergietransfer-Mechanismus realisiert. Es wurde ferner ein MIP-Sensor für biologische Proben mit mikrofluidischer Probenzuführung aufgebaut und mittels Fluoreszenzspektrometer als konventionelles Nachweisverfahren etabliert. Darauf aufbauend wurde der optische Nachweis miniaturisiert und somit miniaturisierte Lichtquellen und Detektoren sowie eine faser-optische Lichtleitung eingesetzt. Davon ausgehend erfolgte die Optimierung des Messaufbaus hinsichtlich der Sensitivität und Nachweisgrenze des fluoreszierenden Analyten. Schließlich wurden erstmalig fluoreszenzmarkierte MIP-Partikel zur Lokalisation und Quantifizierung auf Zelloberflächen eingesetzt, d.h. diese dienten als Antikörperersatz der Immunfärbung. / This thesis deals with the development of biosensors with the aim to couple molecularly imprinted polymers (MIPs) as new receptor material with the sensitive detection principle of fluorescence in order to improve analyte detection. A new strategy for optimization of binding parameters of molecularly imprinted polymers in aqueous media was developed which is based on the coupling of design of experiments and the optimization of multiple objective parameters. Due to that the polymer binding properties for all four considered parameters could be optimized considerably. With the help of steady state and time-resolved fluorescence techniques the interaction between MIP and analyte could be clarified on a molecular basis. Furthermore the characterization of a new detection strategy based on a Förster resonance energy transfer mechanism was realized. Moreover a MIP sensor with microfluidic sample handling for biological samples was built-up and established with fluorescence spectroscopy as conventional detection method. Based on that, the optical detection was miniaturized with respect to light sources, detectors as well as optical fibers for light guidance. This set-up was optimized concerning sensitivity and limit of detection of the fluorescent analyte. Finally, for the first time fluorescently marked MIP particles were applied for imaging on cell surfaces – meaning that they were used for immunostaining as antibody mimics.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Biosensoren mit dem Ziel, mit Hilfe der Kopplung molekular geprägter Polymere (MIPs) als neuartiges Rezeptormaterial und dem sensitiven Nachweisprinzip der Fluoreszenz eine neue Qualität des Analytnachweises zu erreichen. Es wurde eine neue Strategie zur Optimierung der Bindungseigenschaften von molekular geprägten Polymeren in wässrigen Lösungsmitteln entwickelt, die die Kopplung aus Design of Experiments und der Optimierung multipler Zielgrößen umfasst. Damit konnten die Polymerbindungseigenschaften für alle vier betrachteten Parameter wesentlich verbessert werden. Mit Hilfe stationärer und zeitaufgelöster Fluoreszenztechniken wurde die Aufklärung der Wechselwirkung zwischen MIP und Analyt auf molekularer Ebene sowie die Charakterisierung einer neuen Nachweisstrategie basierend auf einen Förster-Resonanzenergietransfer-Mechanismus realisiert. Es wurde ferner ein MIP-Sensor für biologische Proben mit mikrofluidischer Probenzuführung aufgebaut und mittels Fluoreszenzspektrometer als konventionelles Nachweisverfahren etabliert. Darauf aufbauend wurde der optische Nachweis miniaturisiert und somit miniaturisierte Lichtquellen und Detektoren sowie eine faser-optische Lichtleitung eingesetzt. Davon ausgehend erfolgte die Optimierung des Messaufbaus hinsichtlich der Sensitivität und Nachweisgrenze des fluoreszierenden Analyten. Schließlich wurden erstmalig fluoreszenzmarkierte MIP-Partikel zur Lokalisation und Quantifizierung auf Zelloberflächen eingesetzt, d.h. diese dienten als Antikörperersatz der Immunfärbung. / This thesis deals with the development of biosensors with the aim to couple molecularly imprinted polymers (MIPs) as new receptor material with the sensitive detection principle of fluorescence in order to improve analyte detection. A new strategy for optimization of binding parameters of molecularly imprinted polymers in aqueous media was developed which is based on the coupling of design of experiments and the optimization of multiple objective parameters. Due to that the polymer binding properties for all four considered parameters could be optimized considerably. With the help of steady state and time-resolved fluorescence techniques the interaction between MIP and analyte could be clarified on a molecular basis. Furthermore the characterization of a new detection strategy based on a Förster resonance energy transfer mechanism was realized. Moreover a MIP sensor with microfluidic sample handling for biological samples was built-up and established with fluorescence spectroscopy as conventional detection method. Based on that, the optical detection was miniaturized with respect to light sources, detectors as well as optical fibers for light guidance. This set-up was optimized concerning sensitivity and limit of detection of the fluorescent analyte. Finally, for the first time fluorescently marked MIP particles were applied for imaging on cell surfaces – meaning that they were used for immunostaining as antibody mimics.