Research on the characterisation and understanding of pulsed magnetron discharges used for the deposition of thin, especially dielectric, films has been carried out between 2003 and 2008 at Chemnitz University of Technology. This thesis is a collection and summary of the original research during this period. In the main part of the thesis, work published in peer-reviewed scientific papers is summarised and yet unpublished results are given in more detail. Different aspects highlighted in the publications are described in a general context of the characterisation of the pulsed discharges for the principal understanding. The cross-linking of the published results is addressed and where necessary extensions to the publications are given. The main part is organised in three sections. In the first one, basics of pulsed magnetron discharges, their application, and important questions are summarised. The second section describes general results and physics of the discharges that have been obtained during the research work. It also emphasises the successful development or modifications of experimental techniques for the time-resolved characterisation. The third section addresses the possibilities to modify and control the process by external parameters that are typically accessible during the application or required by it. An appendix to the thesis comprises selected published research work which is made available as reprints of the original publications. Other publications which are not included as reprints are referenced to in the main part. / Untersuchungen zur Charakterisierung und zum Verständnis gepulster Magnetronentladungen, die zur Abscheidung von dünnen Schichten, besonders von dielektrischen Schichten, verwendet werden, wurden in den Jahren 2003 bis 2008 an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführt. Diese Arbeit ist eine Sammlung und Zusammenfassung von neuen Forschungsergebnissen, die in diesem Zeitraum gewonnen wurden. Im Hauptteil der Habilitationsschrift werden die Arbeiten, die in referierten wissenschaftlichen Zeitschriften erschienen sind, zusammengefasst und noch unveröffentlichte Ergebnisse ausführlicher beschrieben. Verschiedene Aspekte, die in den Veröffentlichungen herausgestrichen wurden, werden in einem allgemeinen Zusammenhang der Charakterisierung gepulster Entladungen für ein prinzipielles Verständnis dargestellt. Querverbindungen zwischen den veröffentlichten Ergebnissen werden herausgearbeitet und wo nötig werden Erweiterungen der Originalveröffentlichungen vorgenommen. Der Hauptteil der Habilitationsschrift ist in drei Abschnitte unterteilt. Im ersten Teil werden Grundzüge gepulster Entladungen, ihre Anwendung und wesentliche Fragestellungen zusammengefasst. Der zweite Abschnitt beschreibt allgemeine Ergebnisse und die Physik der Entladungen, die während der Forschungsarbeit herausgearbeitet wurden. Er stellt auch die erfolgreiche Neuentwicklung oder Modifikation von Messtechniken zur zeitaufgelösten Charakterisierung heraus. Der dritte Abschnitt befasst sich mit den Möglichkeiten, den Beschichtungsprozess durch externe Parameter, die typischerweise während der Prozessanwendung zugänglich oder auch erforderlich sind, zu modifizieren und zu steuern. Der Anhang der Schrift beinhaltet ausgewählte Originalveröffentlichungen, die in Form von Reprints zugänglich gemacht werden. Andere Veröffentlichungen, die nicht im Anhang enthalten sind, werden im Hauptteil zitiert.

Halogenhaltigen atmosphärischen Spurengasen wird eine Schlüsselrolle bei lokalen, regionalen und globalen Veränderungen der Erdatmosphäre zugesprochen. Die Photolyse dieser Stoffe durch ultraviolette Strahlung der Sonne führt zum Eintrag reaktiver Atome und Radikale in die Atmosphäre. Dies betrifft vor allem den stratosphärischen Ozonabbau, der nach heutigem Kenntnisstand durch Reaktionszyklen katalysiert wird und bei dem die Photolyse halogenhaltiger Spurengase an zentraler Stelle beteiligt ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden primäre Photoprozesse halogenhaltiger atmosphärischer Spurengase in Laborexperimenten charakterisiert. Dabei bestand das Ziel in der Bestimmung von primären Quantenausbeuten und Verzweigungsverhältnissen konkurrierender Photolysekanäle. Hierfür wurde ein neuartiger experimenteller Ansatz genutzt, der die folgenden Komponenten beinhaltet: (a) Photolyse der Spurengase durch gepulste ultraviolette Laserstrahlung unter stoßfreien Bedingungen, (b) Ein-Photon-Ionisation der neutralen Photolyseprodukte mittels durchstimmbarer Vakuum-UV-Strahlung und (c) Identifizierung der gebildeten Photoprodukt-Ionen durch Flugzeit-Massenspektrometrie. Dieser Ansatz ermöglicht die Identifizierung aller gebildeten Photolyseprodukte, die Bestimmung des Anregungszustandes der Photoprodukte durch Ausnutzung von Autoionisationsprozessen und die Bestimmung von Verzweigungsverhältnissen und Quantenausbeuten konkurrierender Photoprozesse.Im einzelnen wurden die atmosphärischen Spurengase Chlormonoxid (ClO) und sein Dimer (Cl2O2), Nitrylchlorid (ClNO2), Brommonoxid (BrO) und Bromnitrat (BrONO2) untersucht. Die Resultate können zur Verfeinerung atmosphärischer Modelle und deren Prognosefähigkeit beitragen. Insbesondere können die Ergebnisse auch einen Beitrag zur zuverlässigen Interpretation von Ergebnissen aus Feldstudien leisten.

In den letzten Jahren gab es rasche Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Nukleinsäure-Erkennung. Von microRNA-Quantifizierung zur Untersuchung von Zelltods, --Teilung und -Regulation bis zur Bewertung genetischer Variabilität in Hinblick auf Krankheitsentstehung und -Behandlung: Die Analyse von Nukleinsäuren wird in der zukünftigen Medizin eine zentrale Rolle zukommen. Vor allem die Erkennung von SNPs als Hauptquelle der genetischen Vielfalt, aber aus Analysesicht auch eine der herausforderndsten Mutationen, stellt in dieser Hinsicht einen wesentlichen Aspekt dar. Methoden zur SNP-Erkennung müssen nicht nur sensibel, selektiv und stabil, sondern auch vielfältig sein und eine der wachsenden Analyseanzahl gerecht werdende hohe Verarbeitungsmenge bieten. Im Rahmendieser Arbeit wurde ein chemisches Prüfverfahren zur Erkennung von Nukleinsäuren und Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) entwickelt. Das Reaktionssystem zur Nukleinsäuren- Erkennung beruht hierbeiauf der Interaktion zweier modifizierter Peptid-Nukleinsäure (PNS) Oligonukleotiden. Das Erste beinhaltet einen C-terminalen Thioester (Donor-Sonde), die zweite einen N-terminalen Cysteinyl-Rest (Akzeptor-Sonde). Zusätzlich ist die Donor-Sonde durch einenmakrocyclischen Metall Chelatkomplex aus 1,4,7,10-tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure(DOTA) mit einem gebundenen lanthanoid-tag funktionalisiert. In die Akzeptor-Sonde wurde, zurReinigung mit magnetischen Streptavidin Partikeln, Biotin integriert. Der Ziel-DNA-Strang bringt beideSonden in räumliche Nähe zueinander und ermöglicht so eine chemische Reaktion. Das so gewonneneLigationsprodukt beinhaltet den Lanthanoid-Tag und Biotin, über welches das Produkt gereinigt wird,bevor die Detektion mittels ICP-MS erfolgt. Die Lanthanoid Konzentration dient als Indikator desLigationsprodukts welches wiederum den Reporter des Ziel-DNS-Strangs darstellt. Die, mithilfe diesesSystems erreichte, methodische Nachweisgrenze lag bei 29 pM mit einem RSD von 6,8% bei 50 pM(n=5). Zur Erkennung von SNPs wurde das Experiment mit einer Kombination zweier-Sets PNS Sonden mit unterschiedlichen Lanthanoid Tags durchgeführt. Das erste Set zielte auf die SNP beinhaltende Sequenz (Reportersystem) ab, während das zweite an eine benachbarte Sequenz (Kontrollsystem) binden sollte. Zur Erkennung der SNP wurden die Signale bei der Lanthanoide wurden ins Verhältnis gesetzt. Mithilfe dieses Verfahrens konnte durch Messung von sechs Lanthaniden bei einer Konzentration von 5 nM erfolgreich simultan zwischen den Allelen dreier SNPs unterschieden werden. / The field of nucleic acid detection has evolved swiftly in recent years. From quantification of micro RNA for the study of cell death, proliferation, and regulation, to the assessment of the influence of genetic variability towards disease development and treatment, the analysis of nucleic acids will play a central role in future medicine. In that regard, the detection of SNPs, as the primary source of genetic variability and the most challenging mutation from the analytical point of view, will be at the forefront of the discussion. Methods for the detection of SNPs not only require sensitivity, selectivity and robustness, but they should also allow multiplexing and offer high throughput in order to face the growing analysis demand In this work an assay for the detection of nucleic acids and single nucleotide polymorphisms (SNPs) was developed. The reaction system for the detection of nucleic acids is based on the interaction between two modified peptide nucleic acid (PNA) oligonucleotides. The first incorporated a C-terminal thioester (donor probe), and the second one a N-terminal cysteinyl residue (acceptor probe). In addition, the donor probe is functionalized with a metal-tag, which consist of a macrocyclic metal chelate complex of 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) with a chelated lanthanoide. A biotin tag for purification by streptavidin magnetic particles was incorporated in the acceptor probe. The target DNA strand brings together the reporter probes allowing the chemical reaction. The resulting ligation product contains the metal-tag and the biotin, which is used to purify the product before measurement in the ICP-MS system. The lanthanoid concentration is used as an indicator of the ligation product, which at the same time serves as reporter of the target template. The methodological limit of detection achieved with this system was 29 pM with RSD of 6.8% at 50 pM (n=5). Detection of SNPs was performed using a combination of two sets of PNA probes labeled with different lanthanoid metal tags. The first probe set targeted the sequence where the SNP was present (reporter probe system), while the second set of probes was designed to bind to a neighboring sequence (control probe system). The signals of both lanthanides were used to establish a ratio that allowed the detection of the SNP. This assay was successfully used to simultaneously differentiate between alleles of 3 SNPs by measuring six lanthanoids at 5 nM concentration.

The physical properties of glycerophospholipids (GPLs) are not only determined by the head group (HG), but also by their fatty acid (FA) chains, which affect their distribution and function within membranes in the cell. Understanding the microheterogenity of lipid membranes on a molecular level requires qualitative and quantitative characterization of individual lipids and identification of their FA moieties. The aim of my study was to introduce the new technology of multiple precursor ion scanning (MPIS) on a QSTAR Pulsar time-of-flight mass spectrometer (QqTOF) to analyze lipids. Detailed information on fatty acid composition of individual GPL molecules could be obtained in parallel with conventional profiling of lipid classes, and this could be done by direct analysis of total lipid extracts. This method was termed Fatty Acid Scanning (FAS) and Head Group Scanning HGS, respectively. In this way the molecular GPL composition of total lipid extracts could be charted in a single analysis accurately and rapidly at a low picomole concentration level. Furthermore, combining FAS and HGS together with ion trap MS3 analysis allowed complete charting of the molecular composition of PCs, including quantification of their positional isomers, thus providing a detailed and comprehensive characterization of molecular composition of the pool of PCs. Development of the Lipid Profiler software allowed full automation and rapid processing of complex data, including identification and quantification of molecular GPLs. This approach was evaluated by preliminary applications. First, the molecular composition of PCs of total lipid extracts of MDCK cells and of human red blood cells (RBC) could accurately be charted. Significant presence of positional isomers was observed increasing the total number of individual PC species close to one hundred. Secondly, the molecular PC and SM species distribution in detergent resistant membranes (DRMs) prepared by Triton X-100 DRMs were analyzed and were found to be enriched in distinct GPLs. The distribution in PCs and SMs of Triton X-100 DRMs of RBC were compared with those of the DRMs of MDCK cells. Finally, combining the use of a 96 well plate and a robotic system demonstrated that these analyses can be automated and analyzed with high throughput. This system we termed Shotgun Lipidomics. Taken together, this mass spectrometric methodology provides rapid and detailed insight into the distribution of the molecular GPLs of membranes and membrane sub-fractions.

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

Background SARS-CoV-2 infection causes acute respiratory distress, which may progress to multiorgan failure and death. Severe COVID-19 disease is accompanied by reduced erythrocyte turnover, low hemoglobin levels along with increased total bilirubin and ferritin serum concentrations. Moreover, expansion of erythroid progenitors in peripheral blood together with hypoxia, anemia, and coagulopathies highly correlates with severity and mortality. We demonstrate that SARS-CoV-2 directly infects erythroid precursor cells, impairs hemoglobin homeostasis and aggravates COVID-19 disease. Methods Erythroid precursor cells derived from peripheral CD34+ blood stem cells of healthy donors were infected in vitro with SARS-CoV-2 alpha variant and differentiated into red blood cells (RBCs). Hemoglobin and iron metabolism in hospitalized COVID-19 patients and controls were analyzed in plasma-depleted whole blood samples. Raman trapping spectroscopy rapidly identified diseased cells. Results RBC precursors express ACE2 receptor and CD147 at day 5 of differentiation, which makes them susceptible to SARS-CoV-2 infection. qPCR analysis of differentiated RBCs revealed increased HAMP mRNA expression levels, encoding for hepcidin, which inhibits iron uptake. COVID-19 patients showed impaired hemoglobin biosynthesis, enhanced formation of zinc-protoporphyrine IX, heme-CO2, and CO-hemoglobin as well as degradation of Fe-heme. Moreover, significant iron dysmetablolism with high serum ferritin and low serum iron and transferrin levels occurred, explaining disturbances of oxygen-binding capacity in severely ill COVID-19 patients. Conclusions Our data identify RBC precursors as a direct target of SARS-CoV-2 and suggest that SARS-CoV-2 induced dysregulation in hemoglobin- and iron-metabolism contributes to the severe systemic course of COVID-19. This opens the door for new diagnostic and therapeutic strategies.

To investigate the influence of the internal micellar structure on the course of enzymatic cross-linking especially in the initial phase of the reaction, casein micelles isolated from raw milk via ultracentrifugation were incubated with microbial transglutaminase (mTG) in comparison with non-micellar sodium caseinate. Reactive lysine and glutamine residues were identified using a label-free approach, based on the identification of isopeptides within tryptic hydrolysates by targeted HRMS as well as manual monitoring of fragmentation spectra. Identified reactive sites were furthermore weighted by tracking the formation of isopeptides over an incubation time of 15, 30, 45 and 60 min, respectively. Fifteen isopeptides formed in the early stage of mTG cross-linking of caseins were identified and further specified concerning the position of lysine and glutamine residues involved in the reaction. The results revealed lysine K176 and glutamine Q175 of β-casein as the most reactive residues, which might be located in a highly flexible region of the molecule based on different possible reaction partners identified in this study. Except for the isopeptide αₛ₁ K34–αₛ₂ Q101 in sodium caseinate (SC), all reactive sites were detected in micellar and in non-micellar casein, indicating that the initial phase of enzymatic cross-linking is not affected by micellar aggregation of caseins.

In der vorliegenden Arbeit wurden modernste Multiplexing-Ansätze der quantitativen Proteomanalyse angewandt, um das neuartige Virus SARS-CoV-2 zu untersuchen, den Erreger der globalen COVID-19 Pandemie, die Ende 2019 begann. Trotz enormer internationaler Anstrengungen zur Erforschung dieser Krankheit sind viele Aspekte der grundlegenden Virusbiologie, Virus-Wirt-Interaktionen und der COVID-19-Pathophysiologie noch immer unbekannt. Dies verhindert die Entwicklung gezielter Behandlungen, insbesondere für COVID-19-Patienten mit schwerem Verlauf. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Infektionsdynamik in lungenähnlichen Zelllinien untersucht. Der Vergleich von SARS-CoV mit SARS-CoV-2-Infektion in Zellen mit niedriger ACE2 Expression ermöglichte es, die Rolle anderer Membranproteine ​​als Virus Eintrittsfaktoren neu zu bewerten. In SARS-CoV-2 infizierten Calu-3-Zellen konnten Reaktionen der Wirtszellen beobachtet werden, die die Interaktion zwischen viralen Proteinen und Proteikinasen der Wirtszelle vermitteln. Im nächsten Teil wurde die angeborene Immunantwort des Wirts auf das Virus untersucht. Primäre, aus Blut isolierte Monozyten, die mit SARS-CoV-2 behandelt wurden, wiesen eine spezifische Protein-Signatur auf, die auf eine Polarisierung der Zellen zu einem profibrischen Makrophagen-Phänotyp hindeutet. Weitere Analysen zeigten, dass dieser Prozess weitgehend unabhängig von bekannten antiviralen Reaktionen und viraler RNA-Sensoren in Monozyten abläuft. Die durch das Virus hervorgerufene Phosphoproteom-Signatur deutet an, dass die profibrotische Polarisierung durch die kombinierte Wechselwirkung von viralen Proteinen und Infektionsnebenprodukten mit Wirtsrezeptoren induziert wurde. Zusammenfassend liefert diese Arbeit einen wertvollen Beitrag zur Aufklärung von Mechanismen, die zu einem schweren COVID-19 Verlauf führen können und hebt dabei die Bedeutung von Proteomanalysen in der Erforschung viraler Erkrankungen hervor. / In this thesis, we used cutting-edge multiplexed quantitative proteomics and phosphoproteomics approaches to study the virus SARS-CoV-2. The newly emerged betacoronavirus is the causative agent of the global pandemic of COVID-19 that began in late 2019. Despite the tremendous research effort in studying this disease, many aspects of the basic viral biology, virus-host interactions and COVID-19 pathophysiology still remain obscure. This prevents the development of targeted treatments, especially for severe COVID-19 patients. In the first part of this thesis, we studied infection dynamics in lung-like cell lines. Comparison between SARS-CoV and SARS-CoV-2 infections in low-ACE2-expressing cells allowed us to re-evaluate the role of other membrane proteins as entry factors. In Calu-3 cells, we could observe host responses mediating the interactions between viral proteins and host kinases. Next, we focused on the innate immune response of the host to the virus. Ex vivo monocytes treated with SARS-CoV-2 exhibited a specific proteomic signature indicating a polarization toward a profibric macrophage phenotype. Further dissection of this response revealed it to be largely independent from the viral RNA sensing and antiviral response cellular mechanisms. Furthermore, the specific phosphoproteomics signature induced by the virus indicated that the profibrotic polarization was induced by the combined interaction between viral proteins and infection byproducts with host receptors. In summary, this thesis shows the power of mass spectrometry based proteomics to study the complex dynamics between viruses and host cells. Furthermore, we uncovered a potential mechanism contributing to the development of severe COVID-19.

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

Inositolpyrophosphate (PP-InsPs) sind eine wichtige Gruppe eukaryotischer Botenstoffe, die mit verschiedenen Prozessen wie Apoptose, Phosphathomeostase und Insulinsignalkaskaden verknüpft sind. Trotz ihrer Entdeckung vor mehr als 20 Jahren bleibt es eine Herausforderung, die Signalmechanismen dieser Moleküle zu verstehen. Ursachen dafür sind der limitierte Zugang zu synthetischen PP-InsPs und ein Mangel an allgemein zugänglichen analytischen Methoden. Daher wurden in dieser Arbeit chemische und analytische Verfahren entwickelt, um unser Verständnis von diesen Molekülen sowohl auf ein biochemischer als auch auf zelluläre Ebene zu verbessern. Um der Knappheit an synthetischen PP-InsPs entgegen zu wirken, wurde eine hocheffiziente chemoenzymatische Synthese entwickelt, bei der mehr als 100 mg aller wesentlichen PP-InsPs aus Säugern hergestellt werden konnten. Parallel wurde ein neues analytisches Werkzeug entwickelt, dass Konzentrationen von PP-InsPs in komplexen Proben quantifizieren konnte. Mittels Enzymkatalyse konnten 13C-markiertes myo-inositol und 13C-markierte PP-InsPs hergestellt werden und niedrige Konzentrationen mit nuklearer Magnetresonanzspektroskopie detektiert werden. In vitro waren diese Verbindungen sehr nützlich, um PP-InsP Kinasen von Pflanzen und Säugern zu charakterisieren. Endogene Konzentrationen von PP-InsPs konnten durch metabolisches Markieren mit 13C-markiertem myo-inositol in humanen Zelllinien quantifiziert werden. Letztendlich wurde mittels eines neuen entwickelten proteomischen Ansatzes endogene Proteinpyrophosphorilierung, eine von PP-InsP eingebaute posttranslationale Proteinmodifikation, in menschlichen Zelllinien zum ersten Mal nachgewiesen. Zusammenfassend haben die aufgelisteten chemischen und analytischen Werkzeuge ein hohes Potenzial unser Verständnis der Signalmechanismen hinter den diversen Phänotypen der PP-InsPs zu stärken und Forschungsarbeit in dieser Richtung zu beschleunigen. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are an important group of second messengers that intersect with a wide range of processes in eukaryotic cells including phosphate homeostasis, insulin signaling and apoptosis. Despite their discovery more than two decades ago, elucidating the underlying signaling mechanisms remains a significant challenge. Therefore, a new set of chemical and analytical methods was developed here to improve our understanding of these intriguing molecules on the biochemical and cellular level. To overcome the shortage of synthetic PP-InsPs, a highly efficient and scalable chemoenzymatic approach was designed and the major mammalian PP-InsPs could be obtained in hundreds of milligram quantities and in high purity. In parallel, a new analytical tool was developed to quantify levels of PP-InsPs in complex samples. Chemoenzymatic access to 13C-labeled myo-inositol and 13C-labeled PP-InsPs enabled the detection of low concentrations of PP-InsPs using nuclear magnetic resonance spectroscopy. In vitro, these compounds were of great use for the biochemical characterization of PP-InsPs kinases from mammals and plants. Endogenous pools of PP-InsPs from human cell lines were identified and quantified by metabolic labeling with 13C-labeled myo-inositol. Finally, a new proteomics workflow towards the detection of protein pyrophosphorylation, a posttranslational modification mediated by PP-InsPs, using mass spectrometry was optimized and endogenously modified mammalian proteins could be identified for the first time and with high confidence. Taken together, the chemical and analytical tools presented here have great potential to accelerate the understanding of PP-InsP signaling and metabolism. Access to large amounts of PP-InsPs together with a reliable quantification method and the detection of endogenous protein pyrophosphorylation sites will be essential to unravel the signaling mechanisms underlying the diverse phenotypes associated with these metabolites.