Nanoporöse Festkörper weisen sehr hohe spezifische Oberflächen von mehreren hundert bis mehreren Tausend Quadratmetern pro Gramm auf und haben dadurch eine hohe technische Relevanz als sogenannte Adsorbenzien bei Adsorptionsprozessen. Sowohl für die Entwicklung solcher Prozesse als auch für die Übertragung in den industriellen Maßstab sind verlässliche Informationen über die texturellen und energetischen Eigenschaften der Adsorbenzien unerlässlich. Nur mit diesen Informationen können die Adsorbenzien gezielt für wichtige Prozesse, z.B. in der Stofftrennung, Katalyse, Sensorik oder Chromatographie, ausgewählt werden. Zur Charakterisierung von Adsorbenzien kann eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden eingesetzt werden, jedoch variieren die Aussagekraft und der Informationsgehalt der verschiedenen Methoden. Das Ziel der Arbeit ist der Methodenvergleich von kommerziellen und nichtkommerziellen Methoden der Adsorption und Immersion zur Festkörpercharakterisierung und die Bewertung dieser Methoden hinsichtlich der Verlässlichkeit der erhaltenen Festkörperparameter. Zu diesem Zweck wird die Adsorptionsmanometrie von Gasen und Dämpfen, die Flüssigphasenadsorption und die Immersionskalorimetrie zur umfassenden Charakterisierung von Modellfestkörpern mit einer Reihe von Modellfluiden eingesetzt. Als Modellfestkörper dient eine Serie von vier verschiedenen hierarchischen Kohlenstoffmaterialien, sogenannte Kohlenstoffmolekularsiebe (KMS). Die Modellfluide sind gezielt nach variierender Polarität und variierendem Platzbedarf der Fluidteilchen ausgewählt, um die Aussagekraft der verschiedenen Methoden hinsichtlich textureller und energetischer Oberflächeneigenschaften gezielt vergleichen zu können. Insgesamt zeigt der Methodenvergleich eine sinnvolle Ergänzung und eine gute Abstützung der Methoden untereinander. Dies ermöglicht eine gezielte Kombination der Methoden zur Erhöhung der Aussagekraft bei der Festkörpercharakterisierung mit möglichst geringem experimentellem Aufwand. Die Aussagekraft der Flüssigphasenadsorption und der -immersion rechtfertigt den jeweils hohen experimentellen Aufwand für sich allein dabei nicht. Weiterhin wurden Trennungsdiagramme aus den experimentell ermittelten Exzessgrößen mit verschiedenen Modellen vorausberechnet. Dabei zeigt sich, dass beim modellmäßigen Übergang von Exzess- zu Absolutgrößen realistische Annahmen von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Vorausberechnung sind.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis VI Symbol- und Abkürzungsverzeichnis VII Danksagung XI 1. Einleitung und Aufgabenstellung 1 1.1 Einordnung der Thematik 1 1.2 Zielstellung und Vorgehensweise 3 2. Theoretische Grundlagen 4 2.1 Grundbegriffe der Sorption 4 2.1.1 Gassorption 5 2.1.2 Flüssigphasenadsorption 6 2.1.3 Exzess- und Absolutgrößen 7 2.1.4 Relativer und reduzierter Adsorptionsexzess 10 2.2 Poröse Materialien 13 2.3 Texturelle und energetische Heterogenität von Adsorbenzien 15 2.3.1 Informationen aus Gas- und Dampfsorptionsisothermen 15 2.3.1.1 Spezifische Oberfläche und Porenvolumen 16 2.3.1.2 Porenweitenverteilung 20 2.3.1.3 Energetische Heterogenität 22 2.3.2 Informationen aus Flüssigphasenisothermen 24 2.3.2.1 Spezifische Oberfläche und Porenvolumen 25 2.3.2.2 Polarität der Oberfläche und Oberflächenenergie 27 2.3.2.3 Gleichgewichtsdiagramme 28 2.3.3 Informationen aus Immersionsexperimenten 30 3. Materialien und Methoden 33 3.1 Adsorbenzien und Probenvorbereitung 33 3.2 Verwendete Fluide 35 3.3 Ermittlung von Gassorptionsisothermen 36 3.4 Ermittlung von Dampfsorptionsisothermen 41 3.5 Ermittlung von Adsorptionsexzessisothermen flüssiger Mischungen 42 3.6 Ermittlung der Immersionsenthalpie 43 3.7 Bestimmung des pH-Wertes der Carboxen-Kohlenstoffmaterialien 46 4. Ergebnisse und Diskussion 48 4.1 Stickstoff- und Argonsorption bei tiefen Temperaturen 48 4.2 CO2-Adsorption bei drei Temperaturen 56 4.3 Dampfsorption von Wasser, Alkoholen und n Octan 59 4.3.1 Wasserdampf-Isothermen 59 4.3.2 Sorption organischer Adsorptive 63 4.4 Vergleich der Sorption aller Adsorptive 66 4.5 Immersionsenthalpien 67 4.6 Flüssigphasenadsorption 69 4.6.1 Adsorptionsexzessisothermen 69 4.6.2 Gleichgewichtsdiagramme 72 5. Zusammenfassung 76 Literaturverzeichnis 78 Tabellenanhang 84

The study of protein and surfactant interactions is of great significance in a number of applications, such as the cosmetic, food or pharmaceutical industries and many others. However, they require further study due to their compositional complexity and the limitations of current analytical approaches. In this thesis, the cationic surfactant septonex in combination with two differently charged proteins lysozyme and bovine serum albumin under different physiological conditions (temperature, surfactant concentration, environment and others) was selected to study the interactions. Characterization of protein-surfactant interactions is a very important but challenging task, therefore it is essential to use appropriate approaches to explore the nature of these interactions. In order to unify the information to provide rational models, calorimetric methods (DSC, ITC) and dynamic light scattering were used. Isothermal titration calorimetry monitors the evidence for the formation of the system of the mentioned substances and information on aggregation behavior, differential scanning calorimetry characterizes the thermal stability of proteins and dynamic light scattering made it possible to monitor changes in particle size. Both proteins have been proven to interact with positive septonex, even if the lysozyme molecule is also positively charged. However, significant differences were found between the two proteins. From the obtained results it is evident that the identical charge of the protein with the surfactant has an effect on the intensity of the measurement, although all measured interactions showed an endothermic character.

This master thesis deals with the study of thermodynamic and structural aspects of the interactions of humic acids with organic ions. Methylene blue (dye) was used as a model organic ion. The interactions were studied by isothermal titration calorimetry, dissolution calorimetry and by diffusion in diffusion cells.

Over the last years, varieties of technologies for biofilm analysis were developed and established. They work on different principles and deliver information about biofilms on different information levels. In this work, chip-calorimetry was applied as an analytical tool that measures heat produced from biofilms. Any change of metabolism in biofilms is reflected by a changed heat flow. The heat, which is the integral of the heat flow vs. time, is quantitatively related to the growth stoichiometry of the biofilm, as described by the Hess’ Law. The heat flow is related to the growth kinetics with the reaction heat as proportionality factor. The results from the calorimetric measurement thus, deliver general information about growth stoichiometry and kinetics. The other interpretation of calorimetric results bases on the assumed proportionality between heat flow and oxygen consumption rate (- 460 kJ/mol ). This ratio is called oxycaloric equivalent. Because in case of aerobic growth the majority of oxygen is consumed in catabolic processes during the electron transport phosphorylation, calorimetry is assumed to provide information about the catabolic side of the metabolism. The newly developed chip-calorimeter applied in this work is much more suitable for biofilm studies compared to conventional microcalorimeters due to the flow-through design of the calorimetric chamber. The measurement of undisturbed growing biofilms and the comparison with conventional biofilm analysis tools (i.e. plate counts, confocal laser scanning microscopy (CLSM), and the determination of intermediates’ concentrations (e.g. ATP)) demonstrate the proper functionality of the calorimetric method and the related cultivation procedure by delivering measurement results in the range of literature values. However, when the biofilms were challenged with antimicrobial agents i.e. antibiotics, bacteriophage, and predatory bacteria, the calorimetric results surprisingly deviated from the reference analyses. By combining the results of the calorimetric and reference analyses, additional information about the antimicrobial effects on biofilms can be acquired. Combination of heat measurement and plate counts, which is one of the most conventional approaches, demonstrated that antimicrobials (especially the bactericidal acting kanamycin) could cause the loss of culturability while the cells were still metabolically active. The measurement of ATP content resulted in values out of the typical range, which indicated that antimicrobial treatments disturbed the cellular ATP regulation and the ATP concentration was no longer linearly correlated to the cell number. ATP measurements are therefore not suitable for antimicrobial susceptibility testing. The comparison of heat profiles with the biovolume determined by quantification of microscopic images shows an elevated cell specific heat production rate after the introduction of some antimicrobials (antibiotics and bacteriophage). In case of antibiotics, this can be explained as a consequence of the bacterial defense mechanisms. Most of the described defense mechanisms against antibiotics need biological energy and therefore drive the electron transport phosphorylation (ETP). In case of biofilm treatments with bacteriophage, the trigger of increasing ETP might be the synthesis of phage proteins, hull material, and genetic information molecules. In aerobic conditions, oxygen is used as terminal electron acceptor. Elevated ETP leads therefore to an increase in oxygen consumption, which correlates to the heat production using oxycaloric equivalent as a factor. These correlations explain the increase of cell specific heat productions as biofilms were challenged by antibiotics and bacteriophage. However, also a decrease of specific heat production was observed (in case of predatory bacteria). Here, the predatory bacteria activity caused various damages in host cells, including the interruption of ETP. With these experiments, chip-calorimetry was demonstrated as a promising complementary tool in biofilm research, which provides deeper insights about metabolic activity and alterations. It benefits from the noninvasive handling and the online, real-time measurement that allow the method to be applied for monitoring purposes. Furthermore, its miniaturized dimension allows easy integration in more complex analytic systems and also reduces experiment costs with minimal media/chemical consumption. This thesis also demonstrates the potential development of chip-calorimetry to be more suitable for routine analyses. The use of superparamagnetic beads as matrix to grow biofilms allows regulated transfer of biofilm samples into and from the measurement chamber. This was an initial step towards automation and higher-throughput analysis. One further outcome of the thesis is based on the highly interesting fact about the elevated heat production rate of the host cells induced by the phage infection observed in the chip- calorimetric experiments. The volume specific detection limit of the chip-calorimeter is lower compared to a commercial microcalorimeter. Thus, the infection effect of phages was additionally measured in microcalorimeter to get better quantitative information about the thermal effect of the infection. The results showed that the immediate heat increase after the addition of phage into the solution of the host cells appeared to be quantitatively related to the infection factor, MOI (Multiplicity of Infection). Unfortunately, microcalorimetric measurements in closed ampoules are often subjected to the oxygen limitation. Thus, this problem of microcalorimetric measurement has been addressed. The combination of experimental results and mathematical modeling showed that the rate of metabolism in the static ampoules is defined by the diffusion rate of oxygen into media. This factor has to be considered while designing biological experiments in closed calorimetric measuring chambers and interpreting the calorimetric results for their biological meaning. Some possible solutions to overcome the oxygen bioavailability problem are e.g. to design the experiments with low biomass, or by using media with elevated density to float the biomass at the interface to air and thus to reduce the diffusion path.

Lithiumeisen(II)-phosphat ist ein vielversprechendes und umweltfreundliches Kathodenmaterial für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien (LIB), das eingehend im Hinblick auf seine thermodynamischen- und Oberflächeneigenschaften untersucht wurde. Zur Bestimmung der mittleren molaren Mischungsenthalpie von LiFePO4 und FePO4 wurde die Methode der isothermen Titrationskalorimetrie für die Untersuchung heterogener Stoffsysteme optimiert. Die Ergebnisse konnten mit elektrochemischen Gleichgewichtszellspannungsmessungen validiert werden. Ferner wurde die Oberflächenspannung von reinem LiFePO4 experimentell mit Hilfe der Kapillar-Aufstiegsmethode an Pulvern ermittelt. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt stellte experimentelle Bestimmung der Wärmekapazität von phasenreinem orthorhombischen FePO4 dar. Des Weiteren wurde der Ablauf der hydrothermalen LiFePO4-Synthese ausgehend von Li3PO4 und Vivianit anhand von in-situ Messungen der elektrolytischen Leitfähigkeit und thermodynamischen Modellierungen aufgeklärt.

Biomakromoleküle sind in der Natur für viele Abläufe in lebenden Organismen verantwortlich. Dies reicht vom Aufbau der extrazellulären Matrix und dem Cytoskelett über die Erkennung von Botenstoffen durch Rezeptoren bis hin zur Katalyse der verschiedensten Reaktionen in den Zellen selbst. Diese Aufgaben werden zum größten Teil von Proteinen übernommen, und besonders das spezifische Erkennen der Interaktionspartner ist für alle diese Moleküle äußerst wichtig, um eine fehlerfreie Funktion zu gewährleisten. Als Alternative zur evolutiven Erzeugung von optimalen Bindern und Katalysatoren auf der Basis von Aminosäuren und Nukleotiden wurden von Wulff, Shea und Mosbach synthetische molekular geprägte Polymere (molecularly imprinted polymers, MIPs) konzipiert. Das Prinzip dieser künstlichen Erkennungselemente beruht auf der Tatsache, dass sich funktionelle Monomere spezifisch um eine Schablone (Templat) anordnen. Werden diese Monomere dann vernetzend polymerisiert, entsteht ein Polymer mit molekularen Kavitäten, in denen die Funktionalitäten komplementär zum Templat fixiert sind. Dadurch ist die selektive Bindung des Templats in diese Kavitäten möglich. Aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität und ihrer geringen Kosten haben “bio-inspirierte” molekular geprägte Polymere das Potential, biologische Erkennungselemente in der Affinitätschromatographie sowie in Biosensoren und Biochips zu ersetzen. Trotz einiger publizierter Sensorkonfigurationen steht der große Durchbruch noch aus. Ein Hindernis für Routineanwendungen ist die Signalgenerierung bei Bindung des Analyten an das Polymer. Eine Möglichkeit für die markerfreie Detektion ist die Benutzung von Kalorimetern, die Bindungs- oder Reaktionswärmen direkt messen können. In der Enzymtechnologie wird der Enzym-Thermistor für diesen Zweck eingesetzt, da enzymatische Reaktionen eine Enthalpie in einer Größenordnung von 5 – 100 kJ/mol besitzen. In dieser Arbeit wird die Herstellung von katalytisch geprägten Polymeren nach dem Verfahren des Oberflächenprägens erstmalig beschrieben. Die Methode zur Immobilisierung des Templats auf der Oberfläche von porösem Kieselgel sowie die Polymerzusammensetzung wurden optimiert. Weiter wird die Evaluation der katalytischen Eigenschaften über einen optischen Test, sowie das erste Mal die Kombination eines kalorimetrischen Transduktors – des Thermistors – mit der Analyterkennung durch ein katalytisch aktives MIP gezeigt. Bei diesen Messungen konnte zum ersten Mal gleichzeitig die Bindung/Desorption, sowie die katalytische Umwandlung des Substrats durch konzentrationsabhängige Wärmesignale nachgewiesen werden. / Bio macromolecules are responsible in nature for many reactions in living organisms. This reaches from the structure of the extra cellular matrix and the cytoskeleton over the recognition of ligands by receptors up to the catalysis of the most diverse reactions in the cells themselves. These tasks are taken over to the largest part by proteins, and particularly specific recognizing of the interaction partners is extremely important for all these molecules, in order to ensure an error free function. As alternative to the evolutionary production of optimal binders and catalysts on the basis of amino acids and nucleotides, synthetic molecularly imprinted polymer (MIPs) were invented by Wulff, Shea and Moosbach. The principle of these artificial recognition elements is based on the fact that functional monomers specifically arrange themselves around a template. If these monomers are copolymerized with crosslinking monomers, a polymer with molecular cavities is created, in which the functionalities are fixed complementary to the template. Thus the selective binding of the template is possible into these cavities. Due to their high chemical and thermal stability and their small costs "bioinspired" molecularly imprinted polymers have the potential to replace biological recognition elements in affinity chromatography as well as in biosensors and biochips. Despite some published sensor configurations the large break-through is still pending. An obstacle for routine application of is the signal generation on connection of the analyte to the polymer. A possibility for marker-free detection is the use of calorimeters, which can measure heats of reaction or adsorption directly. In enzyme technology the enzyme thermistor is used for this purpose, as enzymatic reactions possess enthalpies in an order of 5 - 100 kJ/mol. In this work the production of catalytically imprinted polymers is described for the first time by the procedure of surface imprinting. The method for immobilization of the template on the surface of porous silicagel as well as the polymer composition were optimized. The evaluation of the catalytic characteristics is shown by an optical test, as well as the first time the combination of a calorimetric transducer - the thermistor - with the analyte recognition by a catalytically active MIP. With these measurements for the first time the binding/desorption, as well as the catalytic transformation of the substrate could be proven at the same time by concentration-dependent heat signals.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zur physikalisch-chemischen und strukturellen Charakterisierung von neuartigen supramolekularen Kristalleinschlussverbindungen am Beispiel der Clathrate der Wirtverbindung 2,2’-bis(9-hydroxy-9-fluorenyl)biphenyl mit Aceton (polar) sowie Chloroform (unpolar). Durch die Kombination von Röntgenstrukturanalysen mit systematischen Messungen thermodynamischer Größen wie Löslichkeit, Einschluss-, Zersetzungs-, Lösungs- und Kristallisationsenthalpien konnten neue Erkenntnisse bezüglich der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie zur Rolle der Wirt-Gast Wechselwirkungen in den existierenden Einschlussverbindungen abgeleitet werden. Die Einschlussbildung bzw. Kristallisation verläuft für alle untersuchten Clathratphasen exotherm. Dies bedeutet, dass die Einschlussverbindungen gegenüber dem reinem Wirt energetisch stark begünstigt sind. Der bestimmende Beitrag hierfür resultiert aus der Bildung eines optimal gepackten Kristallgitters, während spezifische Wirt-Gast Wechselwirkungen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Das Zersetzungsverhalten der verschiedenen Clathratphasen kann widerspruchsfrei aus der Packungsstruktur der Kristalle erklärt werden.

The presented diploma thesis deals with the study of interactions between humic acids as the main component of soil organic matter with a model organic pollutant presented by cationic surfactant Septonex (which was expected to interact positively with humic acids due to its charge) through unconventional combination of dialysis and diffusion techniques realized in diffusion cells together with isothermal titration calorimetry capable of elucidating the nature of ongoing reactions from a thermodynamic point of view. The experiments were performed with a humic acid isolated by standard isolation procedure from Leonardite (1S104H) purchased from the International Society for Humic Substances, with humic acids isolated from lignite as well as modal chernozem. The aim of the submited diploma thesis is to assess the influence of carboxyl functional groups in the structure of humic acids to interactions with Septonex. For this reason, said samples of humic acids have been modified by selective methylation of their carboxyl functional groups, which can no longer participate in interactions with ionic substances. Results from diffusion cells and isothermal titration calorimetry confirmed the assumption that Septonex interacted with all types of unmodified humic acids more than with their methylated derivatives. Despite the available literature, it was surprising that the differences in the interaction of humic acids with Septonex were not diametrically different when comparing unmodified humic acids with their methylated derivatives. The extent of these interactions was assessed through the apparent equilibrium constant Kapp determined in the diffusion (dialysis) experiments and from the course of enthalpy curves from isothermal titration calorimetry. After the experiments and their evaluation, it can be concluded that humic acids and Septonex in their interactions, due to their structures, probably apply not only electrostatic interactions, especially through available carboxyl functional groups of humic acids and positively charged hydrophilic parts of Septonex molecules, but also a significant role have a hydrophobic effect, hydrogen bonds and Van der Waals forces.

Presented master's thesis focuses on the study of hydration of selected biocolloid substances, specifically humic substances (humic acids and fulvic acids), hyaluronic acid with three different molecular weight, chitosan and dextran. Interaction of biocolloids with water was studied by different methods. The effect of solubility, structure, functional groups in molecule on sorption and hydration ability of these biocolloids was investigated. In the case of hyaluronan the influence of molecular weight was also study. Differential scanning calorimetry DSC and perfusion calorimetry give results of heat of hydration, enthalpies and temperature of crystallization and melting. Thermogravimetric analysis TGA was used to determine the original moisture content of the samples.

The main object of the diploma thesis is study of interaction beetween humic acids and selected metal ions using calorimetric titration. The research about reactivity of humic substances is done comparing the different models used to describe the variety of properties of humic substances. In experimental part the methods of FT-IR spektrometry, potenciometric and conductometric titration are used to recieve the total acidity and carboxylic acidity of lignite humic acid. The optimalization of isothermic titration calorimetry is done to be used within study of reactivity of humic acids, revealing the best correlation with sols of studied humic acid. The basic organic compounds were used including benzoic acid, ftalic acid, salycilic acid, pyrocatechol and phenol as models of bonding groups in humic acids. The reaction enthalpy was calculated from the titration of models and results were compared with semiempiric quantum chemistry calculations following INDO method.