Introduction Combined thermal and fluid modeling is useful for design and optimization of cyclotron water targets. Previous heat transfer models assumed either a distribution of void under saturation conditions [1] or a static volumetric heat distribution [2]. This work explores the coupling of Monte Carlo radiation transport and Computation Fluid Dynamics (CFD) software in a computational model of the BTI Targetry visualization target [3]. In a batch water target, as the target medium is heated by energy deposition from the proton beam, a non-uniform density distribution develops. Production target operation is ultimately limited by the range thickness of the target un-der conditions of reduced water density. Since proton range is a function of target density, the system model must include the corresponding change in the volumetric heat distribution. As an initial attempt to couple the radiation transport and fluid dynamics calculations, the scope of this work was limited to subcooled target conditions. With the increasing availability of multi-phase CFD capabilities, this work provides the basis for extending these calculations to boiling targets where the coupling of the radiation transport and fluid dynamics is expected to be much stronger. Material and Methods The Monte Carlo radiation transport code MCNPX was used to create energy deposition data tallies from proton interaction with the target water and beam window. The beam was modeled as a Gaussian distribution with 50% transmission through a 10 mm diameter collimator. The energy deposition tally was translated into a 3-dimensional, point-wise heat generation table and supplied as an input to the CFD code ANSYS CFX. An iterative method was developed to couple the volumetric heat distribution from MCNPX to the fluid density distribution computed within ANSYS CFX. A 3-dimensional table of water density was exported from ANSYS CFX and imported into MCNPX. MCNPX was then used to calculate the heat generation rate (due to proton interactions) based on the assumed density profile. Applying the new heat generation profile to the ANSYS CFX model resulted in changes to the beam shape and penetration depth. The iterative scheme continued until converged values for density and heat generation rate were achieved. Monte Carlo methods are computationally ex-pensive due to the large number of particle histories needed to generate accurate results. CFD simulations are also computationally expensive due to the large number of mesh elements needed. Optimization methods were used for both MCNPX and ANSYS CFX to result in achievable solution times and memory requirements. Local mesh refinement in the beam strike area was necessary for convergence. This was achieved by extending the boundary layer of the mesh within the target water domain deeper into the fluid. This allowed for better resolution within the beam strike area without significantly increasing the expense in the remainder of the fluid domain. Additionally, direct simulation of the cooling water domain was decoupled from the computational model during the iterative process. Heat transfer coefficients from the first iteration were applied as a boundary condition for subsequent iterations. Once the beam and density distributions reached convergence, the beam data was applied to a high fidelity “full” model, which included the cooling water domain as well as increased particle histories in MCNPX. Results and Conclusions The target was initially modeled assuming a 10 μA beam of 18 MeV protons into uniform density target water with operating pressure of 400 psi. These conditions resulted in predicted maximum temperatures below the saturation temperature. The final converged beam data was compared to the original (uniform density) beam data. As expected, the density-dependent beam penetrates farther into the target water than when a uniform density is assumed. The density-dependent beam has a broader Bragg peak region with a lower maximum heat generation rate than the original beam. A line plot of the volumetric heat generation rate through the center of the beam is shown in FIG. 2. Even though the maximum volumetric heat generation rate was lower, the density-dependent beam resulted in a higher maximum fluid temperature. Experiments were performed with the visualization target on an IBA 18/9 cyclotron, and video was recorded for a range of target operating conditions. Analysis of the video recordings from the experiment gives a peak fluid velocity in the target chamber of roughly 5–10 centimeters per second with a 10 A beam current. The velocities predicted by the CFD model are within the same range. There is also good agreement be-tween proton beam range between the experiment and model. The effective proton range can be seen in FIGURES 3 and 4. Future work will include applying the coupling technique for two-phase boiling conditions and to gas targets. If successful, this method should be a powerful tool for design and optimization of liquid and gas targets.

Die Anwendung von Hochintensitätslasern zur Beschleunigung von Teilchen bietet eine Alternative zu klassischen Teilchenbeschleunigern und den von diesen erzeugten Strahlenqualitäten. Nach großen Fortschritten auf dem Gebiet der Laser-Teilchenbeschleunigung wurde die Anwendung der neuen Technologie in der klinischen Ionentherapie vorgeschlagen und diskutiert. Bevor es dazu kommen kann, muss aber neben der Verbesserung der Strahleigenschaften, wie z. B. der Erhöhung der Energie, und der Stabilität der Teilchenbeschleunigung auch eine geeignete physikalische und dosimetrische Charakterisierung entwickelt und die biologische Wirksamkeit dieser neuartigen, ultrakurz gepulsten Strahlenqualität mit extrem hoher Pulsdosisleistung untersucht werden. Dies erfordert eine ganze Reihe von umfangreichen Experimenten der notwendigen Translationskette, angefangen von in vitro Zellbestrahlungen über in vivo Studien bis hin zu präklinischen Untersuchungen und ersten klinischen Studien. Hierzu wurden das Verbundprojekt onCOOPtics gegründet und in einem ersten Schritt in vitro Zellbestrahlungen zur Untersuchung der biologischen Wirksamkeit laserbeschleunigter Teilchen durchgeführt. Dazu wurden Dosis-Effekt-Kurven für humane Tumor- und Normalgewebs-Zelllinien jeweils für mehrere biologische Endpunkte bestimmt. Begonnen wurde dabei mit der umfangreichen Untersuchung laserbeschleunigter Elektronen am JeTi-Lasersystem in Jena, auf welche zum Zeitpunkt der Verfügbarkeit des DRACO-Lasersystems in Dresden die dosimetrische und strahlenbiologische Charakterisierung laserbeschleunigter Protonen an diesem Lasersystem folgte. Dabei stellte die Entwicklung einer präzisen Dosimetrie zur Bestimmung der applizierten Dosis aufgrund der Strahleigenschaften laserbeschleunigter Teilchen eine große Herausforderung dar. Sie ist aber sowohl im Hinblick auf eine spätere klinische Anwendung als auch für die Durchführung quantitativer strahlenbiologischer Experimente obligatorisch. Diese Arbeit, die im Rahmen des Verbundprojektes entstanden ist, leistet dazu in vielfacher Hinsicht einen wesentlichen Beitrag: Erstens wurden geeignete Detektoren zur präzisen dosimetrischen Charakterisierung laserbeschleunigter Elektronen und Protonen entwickelt, optimiert und charakterisiert sowie präzise kalibriert. So wurden umfangreiche Studien zu verschiedenen Eigenschaften der auch in der klinischen Dosimetrie angewandten radiochromischen Filme durchgeführt und die Filme entsprechend kalibriert. Dabei wurden neue Erkenntnisse u. a. über deren Energieabhängigkeit gewonnen, die für zahlreiche Anwendungen der Filme von Bedeutung sind. Weiterhin wurden verschiedene Ionisationskammern zur Echtzeit-Strahlmonitorierung von laserbeschleunigten Elektronen und Protonen ausgewählt und dosimetrisch charakterisiert. Zudem wurde der Einsatz von CR-39 Festkörperspurdetektoren zur spektroskopischen Untersuchung laserbeschleunigter Protonen etabliert, indem die Nachverarbeitung und Auslesung der Detektoren charakterisiert und optimiert wurden und außerdem eine retrospektive Filterprozedur der detektierten Krater entwickelt und angewendet wurde. Ferner wurde ein Faraday Cup, der auf die speziellen Eigenschaften derzeitiger laserbeschleunigter Protonen-Strahlenqualitäten abgestimmt ist, entwickelt, charakterisiert und mit drei voneinander unabhängigen Methoden kalibriert. Die radiochromischen Filme und der Faraday Cup konnten daraufhin als Referenzdosimeter sowohl an den konventionellen als auch an den neuartigen Laser-Teilchenbeschleunigern erfolgreich eingesetzt werden. Zweitens bildete die durchgeführte Echtzeit- und Referenzdosimetrie laserbeschleunigter Elektronen die Grundlage für die weltweit ersten systematischen Zellbestrahlungsexperimente dieser Strahlenqualität. Dabei konnten trotz großer Pulsdosisschwankungen alle Anforderungen bezüglich Dosishomogenität, Strahlstabilität, präziser Deposition einer vorgegebenen Dosis und Unsicherheit der bestimmten applizierten Dosis, die für eine quantitative Auswertung der radiobiologischen Daten notwendig sind, erfüllt werden. Exemplarisch sei die bestimmte Gesamt-Dosisunsicherheit von unter 10% genannt. Drittens wurden auch laserbeschleunigte Protonen so präzise dosimetrisch monitoriert und charakterisiert, dass auch mit dieser Strahlenqualität quantitative strahlenbiologische Untersuchungen durchgeführt werden konnten. Herausgefordert durch die kurze Reichweite der Protonen im Submillimeterbereich und das breite Energiespektrum dieser Strahlenqualität, gelang dies neben der Charakterisierung und Kalibrierung der einzelnen Detektoren durch die Konzeption und Realisierung eines integrierten Dosimetrie- und Zellbestrahlungssystems (IDOCIS).Weltweit erstmalig wurde eine Echtzeit-Strahlmonitorierung während der Zellbestrahlungen mit laserbeschleunigten Protonen durchgeführt, die sowohl zur kontrollierten Applikation einer vorgegebenen Dosis und zur Strahlüberwachung als auch zusammen mit der durchgeführten Referenzdosimetrie zur hochpräzisen Bestimmung der absolut in den Zellen deponierten Dosis diente. Außerdem trug die parallele und redundante Verwendung zweier voneinander unabhängiger Referenzdosimetrie-Systeme erheblich zur Erreichung einer hohen Zuverlässigkeit und Sicherheit bei. Die Unsicherheit in der bestimmten deponierten Dosis betrug entsprechend für den Endpunkt der residualen DNS-Doppelstrangbrüche 24h nach Bestrahlung, für den eine vollständige Dosis-Effekt-Kurve ermittelt wurde, nur ca. 10%. Die Unsicherheit liegt damit schon fast in dem Bereich, der an klinisch angewandten Beschleunigern zulässig ist (3-5%). Dagegen konnte zu Beginn dieser Arbeit die Dosis laserbeschleunigter Protonen nur mit einer Ungenauigkeit von mehr als 50% abgeschätzt werden. Viertens wurden die zur Bestimmung der relativen biologischen Wirksamkeit notwendigen Vergleichsbestrahlungen mit konventionellen Elektronen- und Protonenstrahlenquellen und die zur Vergleichbarkeit der konventionellen und laserbeschleunigten Strahlenqualitäten erforderlichen Referenzbestrahlungen mit 200kVp Röntgenröhren im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls dosimetrisch optimiert und genau charakterisiert. Die dosimetrischen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit waren eine notwendige Voraussetzung für die im Rahmen anderer Arbeiten vollzogene strahlenbiologische Auswertung der durchgeführten Zellbestrahlungen. Dabei wurde insgesamt kein signifikanter Unterschied in der strahlenbiologischen Wirksamkeit zwischen laserbeschleunigten, ultrakurz gepulsten und konventionellen, kontinuierlichen Strahlenqualitäten weder für Elektronen noch für Protonen festgestellt. Durch die Konsistenz dieser Ergebnisse für beide Teilchenarten und unterschiedliche biologische Endpunkte ist damit die nächste Stufe auf dem translationalen Weg hin zur klinischen Anwendung laserbeschleunigter Teilchen begehbar: Die Durchführung von in vivo Untersuchungen. Dabei muss zwar von einer zweidimensionalen (Zell-Monolayer) auf eine dreidimensionale Zielvolumenbestrahlung (Tumor) übergegangen werden, wobei aber die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Dosimetrieverfahren und Detektoren auch bei den Tierbestrahlungen angewendet und eingesetzt werden können. / The application of high-intensity lasers for particle acceleration provides an alternative to conventional particle accelerators and also alternative beam qualities. Soon after the recent progress in the field of laser particle acceleration, its application in clinical ion therapy was proposed and discussed widely. Besides the improvement of the beam properties (increasing of beam energy and stability of particle acceleration process, e. g.) a capable physical and dosimetric characterization has to be developed before the technology can be applied in cancer therapy. The same is true for investigation of the biological effectiveness of this new, ultra-short pulsed beam quality with extremely high pulse dose rate. Hence, the whole translational chain, beginning from in vitro cell irradiation over in vivo studies to the point of preclinical investigations and first clinical trials, is necessary. For this reason, in a first step the joint research project onCOOPtics was founded and in vitro cell irradiation experiments were performed to study the biological effectiveness of laser accelerated particles. Therefore, dose-effect-curves for tumor and normal tissue cell lines were determined for different biological endpoints. Starting with extensive experiments with laser accelerated electrons at the JeTi laser system in Jena, the investigations were continued with dosimetric and radiobiological characterization of laser accelerated protons at the DRACO laser system in Dresden shortly after the DRACO laser started its operation. In this process, the development of a precise dosimetry for determination of the applied dose posed a great challenge due to the beam properties of laser accelerated particles. However, this is a crucial and compulsive requirement for both, the future clinical application and also for the realization of quantitative radiobiological experiments. Compiled in the onCOOPtics framework, this paper contributed to this task in multiple key aspects: Firstly, capable detectors for precise dosimetric characterization of laser accelerated electrons and protons were developed, optimized and characterized as well as precisely calibrated. Thus, comprehensive investigations were performed studying different properties of radiochromic films which are also applied in clinical dosimetry. In addition, these films were precisely calibrated for different beam qualities. Thereby, new findings of the energy dependence of radiochromic films were obtained which are of importance for numerous applications of these films. Moreover, different ionization chambers for real-time beam monitoring of laser accelerated electrons and protons were selected and characterized. Furthermore, the application of CR-39 solid state track detectors was established for spectroscopic investigations of laser accelerated protons by characterizing and optimizing the postirradiation processing and the readout of the detectors. Also a retrospective filter procedure of the detected tracks was developed and applied. Moreover, a Faraday Cup adjusted to the special properties of current laser accelerated proton beam qualities was developed, characterized and precisely calibrated by means of three independent calibration methods. Finally, the radiochromic films and the Faraday Cup could be used as reference dosimeters both for conventional accelerators and also for novel laser particle accelerators. Secondly, the performed real-time and reference dosimetry of laser accelerated electrons was the prerequisite of the first systematic cell irradiation experiments with this beam quality worldwide. Despite high pulse dose fluctuations, all requirements were satisfied concerning dose homogeneity, beam stability, precise deposition of a prescribed dose and uncertainty of the applied dose, that are all necessary for a quantitative evaluation of the radiobiological data. Exemplary, a total dose uncertainty below 10% was reached. Thirdly, laser accelerated protons were precisely monitored and characterized allowing quantitative, well-founded radiobiological investigations with this beam quality. This task was very much challenged by the short range of the protons in the sub-millimeter range and the broad energy spectrum of the beam quality. It was succeeded not only due to the comprehensive characterization and precise calibration of the different detectors but also due to the conception and realization of an integrated dosimetry and cell irradiation system (IDOCIS). For the first time, a real-time beam monitoring during cell irradiation with laser accelerated protons was performed. This real-time monitoring was not only used for controlled application of the prescribed dose and beam monitoring and also – together with the performed reference dosimetry – for precise determination of the deposited dose at cell location. In addition, high reliability and safety was considerably ensured by using two independent reference dosimetry systems in parallel. Hence, the determined uncertainty of the deposited dose was only about 10% for the biological endpoint of the residual DNA double strand breaks 24h after irradiation. For this endpoint a complete dose-effect-curve was obtained. Therefore, the achieved uncertainty is almost as small as necessary at clinically applied accelerators (3

Introduction We measured the excitation functions of natZn (p,x) reactions up to 17.6 MeV using the stacked-foils activation technique. High-purity natural zinc (and copper) foils were irradiated with proton beams from an 18MeV medical cyclotron, the predominant purpose of which is to provide a routine regional service for clinical PET radiopharmaceuticals. Thick-target integral yields were also deduced from the measured excitation functions of the produced radioisotopes. These results were compared with the literature and were found to be in good agreement with most but not all published reports. Material and Methods The excitation functions of the natZn(p,x) reactions were measured by the well-known stacked foil technique (1). High purity zinc foils (99.99%; Goodfellow Metals Ltd., UK) each thickness 0.025 ± 0.003 mm with isotopic composition 64Zn (48.6 %), 66Zn (27.9 %), 67Zn (4.1 %), 68Zn (18.8 %) and 70Zn (0.6 %) were loaded into a solid targetry system on a 300-mm external beam line utilising helium-gas and chilled water to cool the target body (2). A typical foils stack consisted of repeated units of four Zn foils interleaved with a high purity copper foil (0.025 ± 0.004 mm); the latter for monitoring beam flux using the well documented 63,65Cu(p,n)63,65Zn reactions. Foil stacks were irradiated with a primary beam of energy 17.6 MeV, accounting for beam degradation by an obligatory 0.0250 ± 0.0005 mm-thick Havar® foil beam-line vacuum window. Irradiation was for 3 min at a beam current of 5 µA. Activated foils were measured using cryo high-purity Ge γ-spectroscopy to quantify the product radionuclides 61Cu, 66Ga, 67Ga and 65Zn. Radioactivity of each isotope was corrected to end of bombardment (EOB). Results and Conclusion New cross-sectional data for natZn(p,x) reactions up to 17.6 MeV yielding 61Cu, 66Ga, 67Ga and 65Zn isotopes were measured in independent replicated (N = 3) experiments. Results were generally in good agreement with published data. These isotopes can potentially be used in clinical or preclinical studies, following appropriate chemical separations of the zinc, gallium and copper (3). The FIG. 1 shows thick-target integral yields calculated from excitation functions measured in this study. It can be calculated (for example) that useful activities of 61Cu can be produced using a 100 µm thick natZn target in a beam provided by a standard medium-energy medical cyclotron. For example, an irradiation at 40 µA for 2 hr at 17.6 MeV would produce approximately 1.7 GBq of 61Cu at EOB. Such currents are readily achievable using solid targetry in our laboratory (2).

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The subject of this thesis is the synthesis and characterization of PBI-based fluorescent metallosupramolecular polymers and cyclic arrays. Terpyridine receptor functionalized PBIs of predesigned geometry have been used as building blocks to construct desired macromolecular structures through metal-ion-directed self-assembly. These metallosupramolecular architectures have been investigated by NMR, UV/Vis and fluorescence spectroscopy, mass spectrometry, and atomic force microscopy. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von fluoreszierenden metallsupramolekularen Koordinations-polymeren und Makrozyklen. Als Bausteine für die Bildung dieser makromolekularen Strukturen durch Metallionen-induzierte Selbstorganisationsprozesse wurden Terpyridin-funktionalisierte Perylenbisimide verwendet, welche bereits die benötigte Geometrie besitzen. Die Charakterisierung der Komplexbildung und der optischen Eigenschaften der gebildeten metallsupramolekularen Architekturen, sowie die Visualisierung der Makromoleküle und Charakterisierung ihrer Organisationseigenschaften auf verschiedenen Oberflächen wurden durchgeführt.

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Einleitung: Mit der vorliegenden Studie wurden zum ersten Mal beim Menschen die Auswirkungen von Dehydration (Dehy) und anschließender Rehydratation (Rehy) auf cerebrale volumenregulatorische Metabolite (myo-Inosit (mI), N-Azetylaspartat+N-Azetylaspartylglutamat (tNAA), Kreatin (Cr), Glyzerophosphocholin+Phosphocholin (Cho) und Glutamat+Glutamin (Glx)) sowie auf Flüssigkeitsverschiebungen untersucht. Methoden: 14 Radsportler (26.6 (22.7/29.8) Jahre, Median und 25./75. Perzentile) wurden mittels 1H-Spektroskopie (1H-MRS) in der okzipitoparietalen grauen Substanz (GM) und parietalen weißen Substanz rechts (WMR) und links (WML) untersucht (GE Signa Horizon 3T94; PRESS: TE 30ms, TR 6000ms, VOI 8ml). Die Messungen erfolgten vor, direkt nach Dehy und nach Rehy (180min, Zufuhr von 150\% der verlorenen Körpermasse (KM)). Zusätzlich wurde durch T2-Relaxationsmessungen der Atrophieindex alpha (Verhältnis cerebrales Gewebewasser (HW) zu Liquor (CSF)) bestimmt. Resultate: Die KM der Probanden reduzierte sich durch Dehy um 3.7 (3.4/4.1)% und stieg durch Rehy wieder um 4.5 (3.7/5.3)% an (Wilcoxon: p / Introduction: In the present study the influence of Dehy on cerebral volume regulatory metabolites (myo-Inositol (mI), N-Acetyl-aspartata+N-Acetyl-aspartyl-glutamate (tNAA), Creatine (Cr), Glycerophosphocholine+Phosphocholine (Cho) and Glutamate+Glutamine (Glx)) and fluid shifts has been investigated for the first time in humans. Methods: 14 cyclists (26.6 (22.7/29.8) y, median and 25./75. percentile) have been examined with proton NMR spectroscopy in the occipito-parietal gray matter (GM) and the right (WMR) and left (WML) parietal with matter (GE Signa Horizon 3T94; PRESS: TE 30ms, TR 6000ms, VOI 8ml). Spectra were acquired before, immediately after Dehy and after rehydration (Rehy). Rehy took place during 180min and 150% of lost body weight (BW) was substituted. Additionally the atrophy index alpha (ratio between cerebral water and liquor) was assessed (T2 signal decay as a function of echo time). Results: BW of volunteers has been decreased 3.7 (3.4/4.1)% after Dehy and increased 4.5 (3.7/5.3)% after Rehy (Wilcoxon: p

Festkörperspurdetektoren (FKSD) auf der Basis von Polymermaterialien sind ein geeignetes Mittel zum Nachweis von Ionenstrahlung [1]. Ebenso können damit Neutronen über ihre sekundären Ionen gemessen werden. Als passive und integrierende Detektoren eignen sie sich insbesondere gut für die Dosimetrie, wobei die geringe bzw. fehlende Empfindlichkeit für Elektronen und Photonenstrahlung ein weiteres Argument für die Anwendungen in gemischten Strahlungsfeldern darstellt. Als passive Detektoren arbeiten FKSD ohne zusätzliche Messelektronik und Stromversorgung. Das macht sie insbesondere für die Personen- und Ortsdosimetrie interessant. Allerdings sind die latenten, submikroskopischen Ionenspuren nach der Exposition nicht unmittelbar sichtbar. Erst durch einen mehr oder weniger aufwendigen Ätzprozess werden diese lichtmikroskopisch oder für das Auge direkt sichtbar. Da bei FKSD von der Herstellung bis zur Ätzung alle Ereignisse registriert werden, handelt es sich somit auch um integrierende Detektoren.Für die Dosimetrie ist insbesondere der Nachweis von leichten Ionen bis zu spezifischen Energien von 10 MeV / Nukleon wichtig. Protonenstrahlung wird für die Radiotherapie von Geschwulstkrankheiten angewendet; die meisten leichten Ionen der Elemente Wasserstoff bis Sauerstoff sind Bestandteile der Sekundärstrahlung von Neutronen,[Alpha]-Teilchen treten häufig als Zerfallsprodukt verschiedener schwerer Radioisotope auf. Während eine große Zahl von Polymeren eine Empfindlichkeit für schwere Ionen zeigen, ist die Auswahl für leichte Ionen schon sehr eingeschränkt.[Alpha]-Teilchen können noch mit verschiedenen Polykarbonaten, Zelluloseacetat und -nitrat nachgewiesen werden. Die Registrierung von Protonen ist derzeit nur mit dem besonderen Polykarbonat CR - 39 und mit Zellulose (di/tri) nitrat möglich. Natürlich eignen sich diese Materialien auch hervorragend zur Messung von [Alpha] -Teilchen. Leichte Ionen stellen weiterhin eine wichtige Sonde in der Radiobiologie dar. Festkörperspurdetektoren können hier als Monitore für die getroffenen Zellen und Zellbestandteile dienen. Dadurch ist prinzipiell eine genaue Lokalisierung der getroffenen Zellbausteine/Organellen möglich...

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung und den Eigenschaften strahlungsinduzierter Defekte in Silizium. Zur Erzeugung der untersuchten Zentren werden Wasserstoff- und Helium-Ionenstrahlen im MeV-Bereich verwendet. Die Untersuchung erfolgt mittels Spreading-Resistance- und temperaturabhängiger Hall-Messungen. Betrachtet wird zunächst die Erzeugung einer n-Dotierung durch Wasserstoff-Implantation in Abhängigkeit von Implantationsparametern, - bedingungen und dem Ausheilprozess. Für Helium-bestrahltes Silizium werden die Auswirkungen der Bestrahlung auf Widerstand, Ladungsträgerkonzentration und Beweglichkeit untersucht.

Understanding the function of membrane proteins is crucial to elucidate the molecular mechanisms by which transmembrane signaling based physiological processes,i. e., the interactions of extracellular ligands with membrane-bound receptors, are regulated. In this work, synthetic transmembrane segments derived from the visual photoreceptor rhodopsin, the full length system rhodopsin and mutants of opsin are used to study physical processes that underlie the function of this prototypical class-A G-protein coupled Receptor. The dependency of membrane protein hydration and protein-lipid interactions on side chain charge neutralization is addressed by fluorescence spectroscopy on synthetic transmembrane segments in detergent and lipidic environment constituting transmembrane segments of rhodopsin in the membrane. Results from spectroscopic studies allow us to construct a structural and thermodynamical model of coupled protonation of the conserved ERY motif in transmembrane helix 3 of rhodopsin and of helix restructuring in the micro-domain formed at the protein/lipid water phase boundary. Furthermore, synthesized peptides and full length systems were studied by time resolved FTIR-Fluorescence Cross Correlation Hydration Modulation, a technique specifically developed for the purpose of this study, to achieve a full prospect of time-resolved hydration effects on lipidic and proteinogenic groups, as well as their interactions. Multi-spectral experiments and time-dependent analyses based on 2D correlation where established to analyze large data sets obtained from time-resolved FTIR difference spectra and simultaneous static fluorescence recordings. The data reveal that lipids play a mediating role in transmitting hydration to the subsequent membrane protein response followed by water penetration into the receptor structure or into the sub-headgroup region in single membrane-spanning peptides carrying the conserved proton uptake site (monitored by the fluorescence emission of hydrophobic buried tryptophan). Our results support the assumption of the critical role of the lipid/water interface in membrane protein function and they prove in particular the important influence of electrostatics, i. e., side chain charges at the phase boundary, and hydration on that function. / Für die Aufklärung der molekularen Wirkungsweise von physiologischen, auf Signaltransduktion, d. h. dem Zusammenspiel von extrazellulären Reizen und membrangebundenen Rezeptoren, beruhenden Prozessen ist das Verständnis der Funktion von Membranproteinen unerlässlich. In dieser Arbeit werden von Rhodopsin abgleitete, synthetische transmembrane Segmentpeptide, Opsin-Mutanten und der vollständige Photorezeptor Rhodopsin untersucht, um die physikalischen Prozesse zu beleuchten, die der Funktionen dieses prototypischen Klasse-A G-Protein gekoppelten Rezeptors zugrunde liegen. Die Abhängigkeit der Membranprotein-Hydratation und der Lipid-Protein-Wechselwirkung von der Ladung einer Aminosäuren-Seitenkette wird erforscht. Hierzu werden synthetische, transmembrane Segmentpeptide in Lipid und Detergenz, als Modell transmembraner Segmente von Rhodopsin in der Membran mittels Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Aus den erhaltenen Ergebnissen wird ein thermodynamisches und strukturelles Modell hergeleitet, welches die Kopplung der Protonierung des hochkonservierten ERY-Motivs in Transmembranhelix 3 von Rhodopsin an die Restrukturierung der Helix in der Mikroumgebung der Lipid-Wasser-Phasengrenze erklärt. Des Weiteren werden sowohl die Segementpeptide als auch die vollständigen Systeme Opsin und Rhodopsin mittels zeitaufgelöster FTIR-Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Hydratations-Modulation untersucht. Diese Technik wurde eigens zur Aufklärung von zeitabhängigen Hydratationseffekten auf Lipide und Proteine oder Peptide entwickelt. Dabei werden zeitaufgelöste FTIR Differenz-Spektren und gleichzeitig statische Fluoreszenzsignale aufgenommen und diese zeitabhängigen multispektralen Datensätze mittels 2D Korrelation analysiert. Die Auswertung der Experimente enthüllt einen sequentiellen Hydratationsprozess. Dieser beginnt mit der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen an der Carbonylgruppe des Lipids, gefolgt von Strukturänderungen der Transmembranproteine und abgeschlossen durch das Eindringen von Wasser in das Proteininnere. Letzteres wird nachgewiesen durch die Fluoreszenz von Tryptophan im hydrophoben Peptid- oder Proteininneren. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Annahme, dass Lipid-Protein-Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle in der Funktion von Membranproteinen spielen und das insbesondere Elektrostatik, in Form von Ladungen an der Phasengrenze, und die Hydratisierung einen kritischen Einfluss auf diese Funktion haben.