Histidinkinase-Rhodopsine (HKRs) können als besondere Gruppe der Hybrid-Histidinkinasen beschrieben werden, deren N-terminale sensorische Domäne ein mikrobielles Rhodopsin ist. HKR-codierende Sequenzen konnten in den Genomen verschiedener Algen, Pilze und Amoeben gefunden werden doch ihre Aufgaben und Wirkungsweisen sind bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die rekombinanten Rhodopsin-Domänen von zwei HKRs mit verschiedenen spektroskopischen Techniken charakterisiert. Sie zeigten mehrere Besonderheiten. Das Rhodopsin-Fragment von Cr-HKR1 aus Chlamydomonas reinhardtii kann durch alternierende kurzwellige und langwellige Belichtung zwischen zwei stabilen Absorptionsformen konvertiert werden: einer Blaulicht-absorbierenden (Rh-Bl) und einer UVA-Licht-absorbierenden Form (Rh-UV). Dies resultiert aus der ungewöhnlichen thermischen Stabilität des Zustandes mit deprotonierter Schiff’scher Base. Das zweite charakterisierte HKR, die Os-HKR-Rhodopsin-Domäne aus der marinen Picoalge Ostreococcus tauri, zeigt eine Dunkelabsorption von 505 nm. Auch Os-HKR ist photochrom und die deprotonierte Spezies kann effizient akkumuliert werden. Diese P400-Absorptionsform ist jedoch nicht völlig stabil sondern es kommt nach Belichtungsende zur langsamen Dunkelzustands-Regeneration. Überraschenderweise konnte die Bindung sowie die transiente Abgabe eines Anions während des Os-HKR-Photozyklus festgestellt werden. Somit beeinflusst nicht nur das Licht, sondern auch das Salz in der Umgebung die Os-HKR-Reaktionen. Aufgrund ihrer photochromen Eigenschaften werden die HKRs als wirksame lichtinduzierte Schalter für die C-terminalen Signaltransduktionsdomänen postuliert. Schwingungsspektroskopische Analysen deckten eine Heterogenität hinsichtlich der im Protein gebundenen Retinal‐Konfiguration sowie die Existenz von zwei parallelen Photozyklen auf. Jeder dieser Photozyklen geht aus einer der beiden Retinal-Isomere hervor. / Histidine kinase rhodopsins (HKRs) can be described as hybrid histidine kinases with a microbial rhodopsin as N-terminal sensory domain. HKR-encoding sequences were found in the genomes of various unicellular organisms such as algae, fungi and amoeba but their mechanistic and physiologic function is unknown. During this work the absorptive properties of the recombinant rhodopsin domains of two HKRs were studied by the usage of different spectroscopic techniques. Both HKRs showed unusual characteristics. The rhodopsin fragment of Cr‐HKR1 from Chlamydomonas reinhardtii can be interconverted between two stable absorbance forms by the alternate application of short‐ and long‐wavelength light: a blue light-absorbing dark form (Rh-Bl) and a UVA light-absorbing form (Rh-UV). This unusual photocycle results from the uncommon thermal stability of the absorbance state with a deprotonated retinal Schiff base. The second studied HKR, the Os‐HKR rhodopsin domain from the marine picoalga Ostreococcus tauri, shows an absorbance maximum at 505 nm in darkness. Likewise Cr‐HKR1 the Os‐HKR is photochromic and the deprotonated form P400 can be efficiently accumulated. But the Os-HKR P400-form is not completely stable. A slow dark state recovery occurs. Surprisingly the dark state absorbance of Os‐HKR was found to be dependent on anion binding in the protein. Furthermore during the photocycle the transient anion release occurs and therefore not only light but also salt impacts the Os-HKR-reactions. Due to their pronounced photochromic properties, the HKRs are postulated to act as effective molecular switches for the C-terminal signal transduction domains in response to the light conditions. Vibrational spectroscopy revealed the heterogeneity with regard to the retinal configuration bound in the HKRs suggesting the existence of two parallel photocycles. Either of these photocycles originates from one of the two retinal isoforms.

In der vorliegenden Arbeit wurde der lichtinduzierte Reaktionszyklus des bakteriellen Phytochroms Agp2 aus Agrobacterium tumefaciens mit FTIR‑ und UV‑Vis‑Spektroskopie untersucht. Der Photorezeptor besteht aus einem photosensorischen Modul und einer signalgebenden Histidin-Kinase-Domäne. Das photosensorische Modul bindet das Tetrapyrrol Biliverdin als Chromophor. Der Grundzustand von Agp2 (Pfr, 750 nm) ist gegenüber dem lichtaktivierten Zustand (Pr, 700 nm) rotverschoben, weshalb Agp2 den Bathyphytochromen zugeordnet wird. Die Untersuchungen erfolgten unter Verwendung von Isotopenmarkierung, H/D-Austauschexperimenten und ortsspezifischer Mutagenese. Daraus ließen sich folgende molekulare Änderungen charakterisieren, welche im Reaktionszyklus von Agp2 erfolgen: Die lichtinduzierte Isomerisierung des Chromophors führt zu einem Übergang vom Pfr- in den Pr-Zustand, wobei zwei Intermediate, Lumi‑F und Meta‑F, durchlaufen werden. Neben der Konformationsänderung des Chromophor‑D‑Rings ist auch die C‑Ring-Propionsäureseitenkette an der Photoreaktion beteiligt. Die C-Ring-Propionsäureseitenkette ist im Pfr-Zustand protoniert und wird im Übergang von Meta-F zu Pr deprotoniert. Der Pr-Zustand weist eine pH-Abhängigkeit auf, welche auf die pH-abhängige Ladung des Histidins 278 der Chromophortasche zurückzuführen ist. Je nach Ladung des Histidins 278 wird die Keto‑ bzw. Enolform der C(19)=O‑Gruppe des D‑Rings stabilisiert. Die Keto/Enol-Tautomerie ist auf eine innerhalb des Chromophors erfolgende Protontranslokation zurückzuführen und moduliert die Relaxation in den Pfr-Zustand. Änderungen der Amid-I-Absorption im Pfr-Pr-Übergang werden der Umstrukturierung der Tongue-Region des photosensorischen Moduls von einer Alpha-helikalen zu einer Beta‑Faltblatt-Struktur zugeordnet. Diese Strukturänderung wird als möglicher Weg der proteininternen Signaltransduktion zwischen photosensorischem und signalgebendem Modul vorgeschlagen. / In this thesis the light-induced reaction cycle of the bacterial phytochrome Agp2 from Agrobacterium tumefaciens was investigated using FTIR and UV‑vis spectroscopy. The photoreceptor comprises a photosensitive module and a signalling histidine kinase domain. The photosensitive module binds the biliverdin tetrapyrrol as chromophore. The Agp2 ground state (Pfr, 750 nm) is red-shifted in comparison with its light-activated state (Pr, 700 nm). Therefore, Agp2 is assigned to the group of bathy phytochromes. The investigations were conducted using isotopically labelled protein, labelled chromophore as well as hydrogen‑deuterium (H‑D) exchange and site-directed mutagenesis. Based on these the following molecular changes could be characterized that occur in the reaction cycle of Agp2: The light-induced isomerization of the chromophore leads to a transition from the Pfr to the Pr state, involving two intermediates, Lumi-F and Meta-F. Besides conformational changes of the chromophore D-ring, the C-ring propionic side chain is involved in the photoreaction as well. The C-ring propionic side chain is protonated in the Pfr state and gets deprotonated in the Meta-F to Pr transition. The Pr state exhibits pH‑dependent alterations which can be explained by pH dependent polarity changes of histidine 278 in the chromophore pocket. Depending on the charge of histidine, the D‑ring C(19)=O group is stabilized either in keto or enol form. The keto/enol tautomerism involves a proton translocation within the chromophore and modulates the relaxation to the Pfr state. The changes in the amide I region in the Pfr-Pr transition are associated with an alpha‑helix to beta‑sheet secondary structure change of the PHY domain tongue‑region. This structural change is proposed as the potential path of signal transduction between the photosensitive and the signalling module.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die UV/Vis-spektroskopische Bestimmung der Kamlet-Taft-Polaritätsparameter von strukturell unterschiedlichen Ionischen Flüssigkeiten (ILs), mit Hilfe von spezifischen solvatochromen Sondenmolekülen. Dabei wurden der Einfluss des Anions und Kations auf die Polarität, sowie die Stärke der Wechselwirkung zwischen beiden Ionen untersucht. Es konnte für Ionischen Flüssigkeiten mit dem 1-Butyl-3-methylimidazoliumkation eine 1H-NMR-spektroskopische Methode zur Ermittlung der Polaritätsparameter entwickelt werden. Diese bietet den Vorteil, dass sie auch bei farbigen, hydrolyseempfindlichen oder höher schmelzenden ILs eingesetzt werden kann, wenn die Anwendung solvatochromer Sondenmoleküle nicht möglich ist. Ein weiteres Augenmerk lag auf der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den ILs und silikatischen Oberflächen. Neben der Studie der anionenvermittelten starken Physisorption von 1-Methylimidazoliumchlorid an Aerosil®300 konnte auch eine neuartige Methode zur gezielten Chemisorption von Imidazolium- und Phosphoniumkationen an Siliziumdioxidoberflächen entwickelt werden. Dabei wurden verschieden Carbene und Ylide als basische IL-typische Kationenprecursoren eingesetzt. Die Analyse der erhaltenen Materialien erfolgte mit Hilfe verschiedener Methoden der Festkörper-NMR-Spektroskopie.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung neuartiger elektrophiler Barbiturate. In diesen Zielverbindungen sollte die kovalente Verknüpfung eines elektrophilen bzw. Lewis-aciden Zentrums mit einer Wasserstoffbrückensequenz realisiert sowie deren gegenseitige Beeinflussung untersucht werden. Im Mittelpunkt standen dabei Barbitursäure-funktionalisierte Triarylmethylium-Ionen sowie Merocyanine. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte mittels NMR-Spektroskopie, Einkristall-Röntgenstrukturanalyse sowie solvatochromen Messungen. Besonderes Augenmerk lag auf der Wechselwirkung mit verschiedenen Rezeptoren über Wasserstoffbrückenbindungen, wobei sowohl die Anzahl als auch die Stärke der Wasserstoffbrücken variiert wurden. Die Reaktion der elektrophilen Barbiturate mit ausgewählten Nucleophilen wurde NMR- und UV/Vis-spektroskopisch verfolgt. In ternären Systemen bestehend aus Elektrophil, Nucleophil und Rezeptor wurde systematisch der Einfluss der Komplexierung über Wasserstoffbrücken auf die Gleichgewichts- und Geschwindigkeitskonstante der Elektrophil-Nucleophil-Rekombination erfasst. Daneben erfolgte die Bestimmung der Nucleophilie-Parameter substituierter Barbiturat-Anionen unter Berücksichtigung des ambidenten Verhaltens dieser Nucleophile.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die UV/Vis-spektroskopische Bestimmung der Kamlet-Taft-Polaritätsparameter von strukturell unterschiedlichen Ionischen Flüssigkeiten (ILs), mit Hilfe von spezifischen solvatochromen Sondenmolekülen. Dabei wurden der Einfluss des Anions und Kations auf die Polarität, sowie die Stärke der Wechselwirkung zwischen beiden Ionen untersucht. Es konnte für Ionischen Flüssigkeiten mit dem 1-Butyl-3-methylimidazoliumkation eine 1H-NMR-spektroskopische Methode zur Ermittlung der Polaritätsparameter entwickelt werden. Diese bietet den Vorteil, dass sie auch bei farbigen, hydrolyseempfindlichen oder höher schmelzenden ILs eingesetzt werden kann, wenn die Anwendung solvatochromer Sondenmoleküle nicht möglich ist. Ein weiteres Augenmerk lag auf der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den ILs und silikatischen Oberflächen. Neben der Studie der anionenvermittelten starken Physisorption von 1-Methylimidazoliumchlorid an Aerosil®300 konnte auch eine neuartige Methode zur gezielten Chemisorption von Imidazolium- und Phosphoniumkationen an Siliziumdioxidoberflächen entwickelt werden. Dabei wurden verschieden Carbene und Ylide als basische IL-typische Kationenprecursoren eingesetzt. Die Analyse der erhaltenen Materialien erfolgte mit Hilfe verschiedener Methoden der Festkörper-NMR-Spektroskopie.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung neuartiger elektrophiler Barbiturate. In diesen Zielverbindungen sollte die kovalente Verknüpfung eines elektrophilen bzw. Lewis-aciden Zentrums mit einer Wasserstoffbrückensequenz realisiert sowie deren gegenseitige Beeinflussung untersucht werden. Im Mittelpunkt standen dabei Barbitursäure-funktionalisierte Triarylmethylium-Ionen sowie Merocyanine. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte mittels NMR-Spektroskopie, Einkristall-Röntgenstrukturanalyse sowie solvatochromen Messungen. Besonderes Augenmerk lag auf der Wechselwirkung mit verschiedenen Rezeptoren über Wasserstoffbrückenbindungen, wobei sowohl die Anzahl als auch die Stärke der Wasserstoffbrücken variiert wurden. Die Reaktion der elektrophilen Barbiturate mit ausgewählten Nucleophilen wurde NMR- und UV/Vis-spektroskopisch verfolgt. In ternären Systemen bestehend aus Elektrophil, Nucleophil und Rezeptor wurde systematisch der Einfluss der Komplexierung über Wasserstoffbrücken auf die Gleichgewichts- und Geschwindigkeitskonstante der Elektrophil-Nucleophil-Rekombination erfasst. Daneben erfolgte die Bestimmung der Nucleophilie-Parameter substituierter Barbiturat-Anionen unter Berücksichtigung des ambidenten Verhaltens dieser Nucleophile.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt. Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt. / Carbon nanotubes (CNT) polymer composites in the field of sensory applications have considerable potential. However, their electrical properties and their changes under mechanical stress play a decisive role. The deagglomeration process of the CNTs also has a great influence on the aspect ratio of the CNT agglomerates as well as the CNTs themselves and thus the electrical conductivity and reproducibility of the composite in both the mechanically unloaded and loaded state.This is shown by means of (partially) analytical models. The dispersion quality is influenced by many factors. The process parameters during ultrasound dispersion are currently being determined by a trial-and-error method. Within the scope of the work, a dispersing equation for cylindrical particles, which are approximate to CNTs, was first developed, applied and verified for the dispersion of CNTs in solvents. The validity of the equation for CNTs was shown by the variation of the ultrasonic parameters time as well as energy and their influence on the degree of dispersion. The absorbance measured by means of UV-VIS spectroscopy serves as an indirect measure of the degree of dispersion. After pre-testing for suitable material selection, all relevant influencing parameters were calculated or determined experimentally. Experimental verification was carried out on CNT-N-methyl-2-pyrrolidone dispersions, which were dispersed in a controlled manner by means of an ultrasonic sonotrode. As a result, it is illustrated that the determination of the optimal ultrasonic parameters is possible and can replace the conventional practice of the experimental determination of the dispersing parameters for CNTs. Accordingly, the basis for the production of electrically reproducible CNT polymer composite-based sensors has been established. In addition, the application potential of this sensor concept ranging from individual sensors for selective pressure measurement over pressure distribution measurement as a sensor matrix to the application as a shoe insole for pressure monitoring was shown.

This Diploma thesis is focused on physical and chemical effects which contribute to the decomposition of organic dyes by diaphragm discharge generated in water solutions. Due to the application of DC high voltage source in continuous regime, there is an effect of electrolysis contributing to the dye decomposition by diaphragm discharge. The aim of this work was to find out when the electrolysis is running (or when is the moment of discharge breakdown) and which factors influence the breakdown. The other goal was decomposition of selected textile and food organic dyes by electrolysis itself. In the theoretical part, theory about creation of electrical discharges in aqueous solutions is noted and various types of underwater discharges are described. Background researches about underwater electrical discharges used in the world are mentioned as well as the use of diaphragm discharges and various ways how to remove organic dyes from wastewater. Finally, theories of electrolysis, UV-VIS spectroscopy and basis of other analytical methods useful for detection of organic molecules are described. Experimental part is oriented to experiment procedure which was carried out in a reactor with separated electrode areas. Separation was made by dielectric diaphragm with a pinhole in the centre. Its initial diameter was 0.4 mm. Used chemicals and course of experiments are described in this part, too. First, the breakdown moment in the reactor was investigated (i. e. determination, when only electrolysis was operating) by formation of hydrogen peroxide and measurement of dynamic (time resolved) electrical characteristics. Next, decomposition of selected dyes by electrolysis was carried out. As the decomposition was related to decolorization of the solution, UV-VIS spectroscopy in the range of 350–700 nm was used for determination of dye concentration. Next part focused on results presents various factors which had an effect on breakdown of diaphragm discharge. These factors are kind of used electrolyte, initial conductivity of solution, kind of dye, temperature of solution and type of reactor (or solution volume). From the result, the most important factor is initial solution conductivity. After the determination of the breakdown moment, the electrolysis of organic dyes was performed. The applied current was 10 mA, initial conductivity was 500 µS/cm and used electrolyte was NaCl. Moreover comparison of dye decomposition in dependence on the different applied power was realized. From this comparison one can assume, there is no significant contribution of electrolysis (the efficiency is approximately 15 %) to the diaphragm discharge in aqueous solution.

My diploma thesis is focused on a comparison of direct-current and high frequency (15-80 kHz) electric discharge, which generates non-thermal plasma in water solution of sodium chloride. Mainly current-voltage and Lissajous charts are discussed in the first part of this thesis. These charts describe different discharge phases: electrolysis, bubble formation, discharge breakdown and discharge regular operation in a pin-hole of a dielectric barrier. Influence of frequency, electrolyte conductivity, thickness of the diaphragm (or length of the capillary) and pin-hole diameter on discharge breakdown and bubble generation was studied, too. Measurements were realized in a polycarbonate reactor with total volume of 110 ml, which was divided by a changeable polyacetal insulating wall. This wall divided the reactor into two approximately equal spaces with one stainless steel planar electrode in each part. The Shapal-MTM ceramic discs (thickness of 0.3–1.5 mm and diameter of the central pin-hole of 0.3-0.9 mm) were mounted in the centre of the insulating wall. Initial conductivity of sodium chloride solution was chosen within the interval of 100900 S/cm. The second part of my thesis compares an influence of the direct-current (DC) and high frequency (HF) power sources on physical solution properties (conductivity, pH and temperature) and generation of hydrogen peroxide. A plasma reactor with total volume of 4 l and with mixing set up was divided into two equal spaces with one planar platinum electrode in each part. Diaphragm with thickness of 0.6 mm and pin-hole diameter of 0.6 mm was installed in the middle of the separating wall. Experiment was held at discharge operation of 45 W for 40 minutes with both power sources. Detection of hydrogen peroxide was realised by using a titanium reagent forming a yellow complex, which was analysed by absorption spectroscopy. If HF discharge power is plotted as a function of applied frequency, exponential decrease of frequency with increasing power can be observed. Higher breakdown voltage is necessary for thicker dielectric barriers, on the other hand for bigger diameter of the pin-hole lower breakdown voltage and higher power is needed in DC as well as in HF regime. Breakdown voltage is decreased by the increasing conductivity in both regimes; due to more charge carriers in the higher conductivity lower breakdown voltage is needed. However frequency in HF regime and DC discharge power increases. HF discharge power is decreased by the increasing conductivity. Solution conductivity and temperature are increased by initial conductivity value in both discharge regimes. Solution pH drops to acidic conditions when HF or DC positive regime is applied due to the generation of reactive species and electrolysis (in DC regime). However solution becomes alkaline when DC negative regime is applied. Concentration of hydrogen peroxide is produced linearly when HF or DC negative regime is applied and it depends on initial solution conductivity.