In this thesis some multivariate spectroscopic methods for the analysis of solutions are proposed. Spectroscopy and multivariate data analysis form a powerful combination for obtaining both quantitative and qualitative information and it is shown how spectroscopic techniques in combination with chemometric data evaluation can be used to obtain rapid, simple and efficient analytical methods. These spectroscopic methods consisting of spectroscopic analysis, a high level of automation and chemometric data evaluation can lead to analytical methods with a high analytical capacity, and for these methods, the term high-capacity analysis (HCA) is suggested. It is further shown how chemometric evaluation of the multivariate data in chromatographic analyses decreases the need for baseline separation. The thesis is based on six papers and the chemometric tools used are experimental design, principal component analysis (PCA), soft independent modelling of class analogy (SIMCA), partial least squares regression (PLS) and parallel factor analysis (PARAFAC). The analytical techniques utilised are scanning ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, diode array detection (DAD) used in non-column chromatographic diode array UV spectroscopy, high-performance liquid chromatography with diode array detection (HPLC-DAD) and fluorescence spectroscopy. The methods proposed are exemplified in the analysis of pharmaceutical solutions and serum proteins. In Paper I a method is proposed for the determination of the content and identity of the active compound in pharmaceutical solutions by means of UV-Vis spectroscopy, orthogonal signal correction and multivariate calibration with PLS and SIMCA classification. Paper II proposes a new method for the rapid determination of pharmaceutical solutions by the use of non-column chromatographic diode array UV spectroscopy, i.e. a conventional HPLC-DAD system without any chromatographic column connected. In Paper III an investigation is made of the ability of a control sample, of known content and identity to diagnose and correct errors in multivariate predictions something that together with use of multivariate residuals can make it possible to use the same calibration model over time. In Paper IV a method is proposed for simultaneous determination of serum proteins with fluorescence spectroscopy and multivariate calibration. Paper V proposes a method for the determination of chromatographic peak purity by means of PCA of HPLC-DAD data. In Paper VI PARAFAC is applied for the decomposition of DAD data of some partially separated peaks into the pure chromatographic, spectral and concentration profiles.

In der vorliegenden Arbeit wird die Oberflächenfunktionalisierung von zwei Mischgläsern und verschiedenen SiO2-Produkten untersucht. Die Oberfläche der Partikel wird mit verschiedenen Funktionalisierungskomponenten umgesetzt, wobei eine Unterteilung in chemisch reaktiv und chemisch nicht reaktiv erfolgt. Als chemisch reaktive Oberflächengruppen werden Epoxide verwendet. Zu den chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten zählen Polydimethylsiloxan, Hexamethyldisilazan und ein tertiäres Aminosilan. Aus den funktionalisierten Sr-Glasproben kann durch Zugabe einer kationisch polymerisierenden, organischen Matrix ein Kompositmaterial hergestellt werden. Dabei ist die Bildung einer kovalenten Anbindung zwischen den chemisch reaktiven Oberflächengruppen und der organischen Matrix möglich. Die Funktionalisierung der Oberfläche wirkt sich auf die Werkstoffkennwerte Biegefestigkeit und Biegemodul der Kompositmaterialien aus. Durch multiple Oberflächenfunktionalisierung, d. h. einer Kombination aus chemisch reaktiven und chemisch nicht reaktiven Funktionalisierungskomponenten, können die Eigenschaften der Gläser gezielt eingestellt werden. Die Charakterisierung der Oberfläche erfolgt mittels Festkörper-NMR-Untersuchungen, XPS-Messungen und Solvatochromieuntersuchungen. Weiterhin wird die Verwendung des Preussmann-Tests zum Nachweis von kovalent an der Oberfläche gebundenen Epoxiden beschrieben.

Die potentiellen Precursor Magnesiumoxobromid bzw. Mangan(II,III)-oxopivalat für die noch unbekannten metallsubstituierten IRMOF-Homologen MOF-5(Mg) bzw. MOF-5(Mn) konnten erfolgreich synthetisiert und Charakterisiert werden. Deren experimenteller Einsatz zur Synthese der IRMOF-Homologen schlug jedoch fehl. Es konnte gezeigt werden, dass unter den klassischen CSA-Reaktionsbedingungen sowie unter modifizierten Parametern keine Synthese der IRMOF-Homologen möglich ist. Diese Feststellung wurde mit der Diskussion um die Eigenschaften der Komplexe, der Metallionen sowie mit einer Aufarbeitung der dazu zugänglichen Literatur begründet. Es ist mit der Synthese der neuen MOF-177-Homologen MOF-177(Co) und MOF-177(Be) gelungen, die bereits bei MOF-5-Homologen eingesetzten Precursor und Parameter auf ein System anzuwenden, das nicht zu den Yaghi\\\\\\\\\\\\\\\'schen IRMOFs gehört. Die Festkörper weisen mit ihren Oberflächenwerten SBET(MOF-177(Co)) = 3742 m²/g bzw. SBET(MOF-177(Be)) = 1816.4 m²/g klar mikroporöses Adsorptionsverhalten auf. Eine erste vereinfachte Anpassung der Kristallstrukturen an die experimentellen PXRDs konnte für beide MOFs vorgenommen werden. MOF-177(Co) zeigt wie auch MOF-5(Co) eine leicht vergrößerte Gitterkonstante. MOF-177(Be) konnte aufgrund der Verdrehung der Carboxylatgruppen am Berylliumoxocluster ausschließlich in röntgenamorpher Form hergestellt werden. Die Untersuchung der auftretenden Co-Spezies in reinen und mit Zinkprecursor gemischten Lösungen an Cobaltoxopivalat in den Lösungsmitteln Toluol brachte folgende Erkenntnisse: • Der im Feststoff dimere achtkernige Cobaltprecursor zerfällt während des Lösens in die vierkernige monomere Form und ist strukturanalog dem basischen Zinkcarboxylaten (Typ I). • Der Komplex unterliegt einem solvensabhängigem Komplexstabilitäts-gleichgewicht. Dieses ist aufgrund der koordinierenden Eigenschaften des DEF, in den DEF-Lösungen weiter in Richtung der Zersetzungsprodukte verschoben. In beiden Lösungen ist der Komplex zu über 90% undissoziiert. • Nur in DEF treten bei dem Zumischen verschiedener Zinkprecursor Metallaustauschreaktionen auf. Es ist somit die Existenz von vierkernigen Zn-Co-Mischclustern der allg. Form [CoyZn(4-y)O] bewiesen worden. • Es wurde nachgewiesen, dass beim Vorhandensein von Acetat und Pivalat Anionenaustauschreaktionen stattfinden und Komplexe der Form [CoyZn(4-y)O(Piv)xAc(6-x)] auftreten. Die Bedeutung für das Stattfinden des CSAs unter Berücksichtigung der empirischen Erkenntnisse aus der Literatur wurde erörtert.

In this work, mixed alkoxides of general formula [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 and C2H5, x = 1, 4.5 and 9) are obtained. They are used to prepare complex (V/Nb)-pentoxides. Different spectroscopic methods, for example UV/VIS, resonance raman, infrared, temperature dependant 51V NMR and two dimensional 1H or 13C NMR, are used to elucidate structural details. It can be shown that the alkoxide precursor is a mixture of monomers and dimers which exchange very quickly. 2 % [V(O)Nb(OPr)8] (Pr = propyl) exists in a 0.1 molar solution. This complex is in equilibrium with V(O)(OPr)3 and Nb(OPr)5. Nb(OPr)5 itself exchanges with [Nb(OPr)5]2. For nuclear magnetic resonance experiments the exchange has to be slowed down using low temperatures.Controlled hydrolysis at 5 °C of a mixture of V(O)(OPr)3 and [Nb(OEt)5]2 in propanol leads to a clear transparent gel. The ratio of V : Nb is 1 : 1, 1 : 4.5 or 1 : 9, and oxalic acid is used as a chelating agent. Moreover, a dried product of a frozen solution of ammonium vanadate and ammonium oxyoxalatoniobate in water is found to be an appropriate precursor for the fore-mentioned oxides. Thermal decomposition of the gels and of the freeze dried products is monitored thermoanalytically and mass spectrometrically.The compositions of the resulting phases are examined and compared with the composition obtained via conventional synthesis (sintering of powder mixtures). Phases VNbxO(2.5+2.5x) (x = 1, 4.5 and 9) are obtained through the sol-gel technique and freeze drying at distinctly lower temperatures. VNbO5 crystallizes between 400 and 650 °C and V4Nb18O55 between 550 and 750 °C. A clean, non-reduced phase, VNb9O25, crystallizes above 1100 °C in oxygen. Below this temperature, solid solutions of V2O5 in TT- or M-Nb2O5 exist. Conventionally, pure VNbO5 is not obtainable. Some sol-gel synthesized products have the advantage of a more complete phase formation. In this way, a new phase of composition VNb9O25 can be found. The phase is homöotypic to M-Nb2O5.An additional advantage of the sol-gel synthesis lies in relatively high surface areas. Adversely, carbon remaining from the alcohol groups favours the thermodynamically stable phase VNb9O25 over the phase V4Nb18O55. Consequently, the freeze drying method seems to be the best way to get metastable phases in the system V2O5/x·Nb2O5.The formation of the complex oxides is controlled through the thermodynamics at phase boundaries. Therefore, to get mixed phases, structurally similar starting materials are preferred. In other words, using V2O5 and TT-Nb2O5 as starting materials the mixed phase similar to TT-Nb2O5 can be obtained. B-Nb2O5 as precursor yields another mixed phase similar to B-Nb2O5. In this work, this effect is called the "structure directing effect". It is explained through the consumption of free enthalpy at the phase boundaries.As an additional point, catalytic activities of the complex oxides are examined. Because of a synergism of the known good activity of V2O5 and the good selectivity of Nb2O5, a strongly enhanced activity of the mixed oxides is found. Large surface areas further improve the activity. Connections between oxygen partial pressure, band gap and catalytic activity are found. A dilution of V2O5 in Nb2O5 down to 10 mol-% also causes an enhancement of catalytic activity. / In der Arbeit werden durch die Synthese gemischter Alkoxide der Gesamtzusammensetzung [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 und C2H5, x = 1, 4,5 und 9) sowie gefriergetrockneter Pulver Ausgangssubstanzen für gemischte, komplexe Vanadium- und Nioboxide erhalten. Untersuchungen mittels UV/VIS-, Resonanz-Raman- und IR-Spektroskopie sowie temperaturabhängiger 51V- und zweidimensionaler 1H-/13C NMR-Spektroskopie zeigen, dass es sich bei der Alkoxid-Vorstufe um ein Gemisch aus monomeren und dimeren Einheiten handelt, die in schnellem Gleichgewicht miteinander stehen. So liegt [V(O)Nb(OPr)8] als Donorkomplex vor, der im Gleichgewicht mit VO(OPr)3 und Nb(OPr)5 steht. Nb(OPr)5 steht wiederum im Gleichgewicht mit [Nb(OPr)5]2. Die Bildung und der Zerfall des Donorkomplexes erfolgen bei Raumtemperatur so schnell, dass er nur durch UV/VIS- und Resonanz-Raman-Spektroskopie sichtbar wird; bei der Kernresonanzspektroskopie muss der Austausch durch tiefe Temperaturen verlangsamt werden.Mittels kontrollierter Hydrolyse einer Mischung aus VO(OPr)3 und [Nb(OEt)5]2 in Propanol mit Oxalsäure als Chelatbildner und der Verlangsamung der Kondensation über die Erniedrigung der Temperatur wird ein homogenes, transparentes Gel aus V2O5 und Nb2O5 hergestellt. Daneben wird durch eine Lösung aus Ammoniumvanadat und Ammoniumoxyoxalatoniobat ein für die Gefriertrocknung geeigneter Precursor zur Synthese der Oxidphasen gefunden. Die Zersetzung des Gels und der gefriergetrockneten Pulver werden mittels DTA, TG und Massenspektrometrie untersucht und die Phasenausbildung mit der Reaktion von konventionellen Festkörpergemengen verglichen.Die dabei entstehenden metastabilen und thermodynamisch stabilen Phasen VNbxO(2,5+2,5x) (x = 1, 4,5 und 9) sind durch das Sol-Gel-Verfahren sowie durch die Gefriertrocknung bei deutlich niedrigeren Temperaturen und mit geringerem Fremdphasenanteil als bei der konventionellen Synthese erhältlich. VNbO5 existiert bis 650 °C, V4Nb18O55 bis 750 °C, darüber wandelt sich jede Zusammensetzung in VNb9O25 bzw. in verschiedene Nb2O5-Modifikationen und V2O5 um. Die Sol-Gel-Methode liefert im Vergleich zur Gefriertrocknung bei 900-1100 °C den Vorteil der schnelleren Phasenausbildung durch die größere Homogenität der Vorstufe. So erhält man Zwischenstufen, die sonst nur mit Beimengungen zu synthetisieren sind. In diesem Zusammenhang kann erstmalig eine zu M-Nb2O5 homöotype Verbindung der Zusammensetzung VNb9O25 erhalten werden. Ein weiterer Vorteil der Sol-Gel-Synthese ist der Erhalt größerer Oberflächen nach der Zersetzung. Nachteilig erscheinen jedoch bei einer Synthese bei tiefen Temperaturen (500-800 °C) die Alkoholatreste. So entstehen wesentlich eher die thermodynamisch begünstigten Phasen, z. B. VNb9O25 vor V4Nb18O55 und V4Nb18O55 vor VNbO5. Weiterhin macht sich die komplizierte Präparation der Gele bemerkbar; daher stellt im Allgemeinen die Gefriertrockung die Methode der Wahl dar.Die Ausbildung der komplexen Oxide erfolgt stark geprägt durch die Thermodynamik an den Phasengrenzen. Daher erfolgt eine bevorzugte Ausbildung strukturähnlicher Mischphasen. Diese erstmalig in diesem Ausmaß festgestellte Tatsache wird in der Arbeit der Strukturdirigierende Effekt genannt. Eine Erklärung dieses Effektes erfolgt anhand des Verbrauchs der Freien Enthalpie an den Phasengrenzen.Aufgrund eines Synergismus der Eigenschaften von V2O5 und Nb2O5 bei der oxidativen Dehydrierung von Propan zu Propen (relativ hohe katalytische Aktivität von V2O5 und hohe Selektivität von Nb2O5) wird eine überproportional hohe katalytische Aktivität bei den Mischoxiden erhalten. Die durch die unkonventionellen Methoden erhaltenen großen Oberflächen verbessern die Aktivität weiter. Es können Zusammenhänge festgestellt werden zwischen der Sauerstoffabgabetendenz, der Redoxkraft, der Bandlücke der Mischoxide und der katalytischen Aktivität. Die Einzigartigkeit des Nb2O5-Wirtsgitters bewirkt bei der Verdünnung von V2O5 darin eine hohe katalytische Leistungssteigerung.

In this work, an electrochemical method based on a cyt c biosensor has been developed, for the detection of selected arsenic and cyanide compounds. Boron Doped Diamond (BDD) electrode was used as a transducer, onto which cyt c was immobilised and used for direct determination of Prussian blue, potassium cyanide and arsenic trioxide by inhibition mechanism. The sensitivity as calculated from cyclic voltammetry (CV) and square wave voltammetry (SWV), for each analyte in phosphate buffer (pH= 7) was found to be (1.087- 4.488 ×10-9 M) and the detection limits ranging from 0.0043- 9.1 μM. These values represent a big improvement over the current Environmental Protection Agency (EPA) and World Health Organisation (WHO) guidelines.

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.

Magister Scientiae - MSc / In this work, an electrochemical method based on a cyt c biosensor has been developed, for the detection of selected arsenic and cyanide compounds. Boron Doped Diamond (BDD) electrode was used as a transducer, onto which cyt c was immobilised and used for direct determination of Prussian blue, potassium cyanide and arsenic trioxide by inhibition mechanism. The sensitivity as calculated from cyclic voltammetry (CV) and square wave voltammetry (SWV), for each analyte in phosphate buffer (pH= 7) was found to be (1.087- 4.488 ×10-9 M) and the detection limits ranging from 0.0043- 9.1 μM. These values represent a big improvement over the current Environmental Protection Agency (EPA) and World Health Organisation (WHO) guidelines. / South Africa

This work investigates the correlation of structural and photovoltaic properties of dyes used in dye-sensitized solar cells. Experimental methods, including ultraviolet-visible spectroscopy, fluorescence spectroscopy, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy are employed to study optical and electrochemical properties of dye molecules. Computational methods, including density functional theory and time-dependent density functional theory, are used to validate and predict the optical and electronic properties of dye molecules, in their isolated state and once embedded into a working electrode device environment that comprises a dye...TiO2 interface. The results chapters begin with the presentation of a series of quinodimethene dyes that are experimentally validated for their photovoltaic application, and associated computational studies reveal that an inner structural factor - a phenyl ring rotation occurring during the optical excitation process - leads to the competitive photovoltaic device performance of these dyes. Carbazole-based dyes are then systematically studied by computation, especially considering charge transfer paths and binding modes of these dyes on a titania surface. The theoretical models for the basic building block of this chemical family of dyes, known as MK-44, successfully support and explain structural discoveries from X-ray diffraction and reflectometry that impact of their function. A benzothiadiazole-based dye, RK-1, is then systematically studied by both experimental and computational methods, and the results show that the π-bridge composed of thiophene, benzothiadiazole and benzene rings leads to excellent charge separation; and the rotation of these rings during the optical excitation process may well be consistent with the fluorescence spectrum. Finally, the well-known ruthenium-based dyes are theoretically studied to determine the properties of different ligands connected to the metal core of the complex. Conformations with different NCS ligands are calculated in terms of energy and explain well the corresponding results from X-ray diffraction. Acid-base properties of carboxyl groups connected to pyridine ligands in N3 and N749 are theoretically calculated based on thermodynamics and density functional theory. Implicit and explicit models are both adopted to predict these acid dissociative constant values, which are generally in a good agreement with the reported experimental data. The thesis concludes with conclusions and a future outlook.

Le domaine de la bioénergétique concerne l’étude des échanges et des transformations de l’énergie au sein des organismes vivants. Cette thèse propose une étude électrochimique et spectroscopique de protéines issues de la chaine respiratoire, les oxydases terminales, afin de comprendre l’influence de différentes propriétés de ces enzymes (potentiels des cofacteurs, dépendance pH…) sur leur mécanisme réactionnel. La première partie de ce travail décrit le développement d’une méthode d’immobilisation permettant de conserver l’intégrité et l’activité de ces enzymes. Cette technique a d’abord été utilisée pour étudier l’inhibition de la cytochrome aa3 oxydase de P. denitrificans et a permis de mettre en avant l’importance du transfert de protons sur la réaction de réduction de l’oxygène. Une deuxième étude propose de comparer deux isoformes de la cytochrome cbb3 oxydase dont aucune différence n’a été observée à ce jour. La spectroscopie IRTF couplée à l’électrochimie montre l’implication de résidus acides différents au cours de la réaction d’oxydoréduction suggérant des différences mécanistiques. La dernière partie propose une étude comparative d’oxydases terminales de différents types et met en perspective l’influence des potentiels relatifs des hèmes sur la réaction de réduction de l’oxygène. / The field of bioenergetics concerns the study of exchange and transformation of energy in living organisms. This manuscript proposes an electrochemical and spectroscopic study of the fourth complex of the respiratory chain, the terminal oxidases. The aim of this study was to understand the influence of some properties of these enzymes (potential of the cofactors, pH dependency…) on the catalytic mechanism. The first part describes an immobilization procedure which retains the protein activity and structure. This procedure has been applied for the study the inhibition of the proton pathways of cytochrome aa3 oxidase from P. denitrificans and shows the importance of proton transfer on the oxygen reduction. In a second study, two isoforms of cytochrome cbb3 oxidase were compared. No differences were observed between them until now. Our electrochemically induced FTIR spectroscopy study suggests the implication of different acidic residues during the redox reaction implying differences in the mechanism of these enzymes. The last part deals with the comparison of terminal oxidases of different types and shows the influence of the relative order of the midpoint potentials of the hemes on the oxygen reduction.

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.