Um hochsensitive räumliche Auflösung zu erreichen, wurden oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) und spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) weiterentwickelt. Das grundlegende Funktionsprinzip ist jedoch noch nicht vollständig verstanden und auch Experimente dazu fehlen teilweise. In dieser Arbeit habe ich zuerst Gap-mode TERS eingesetzt, bei welcher ein starkes elektromagnetisches Feld es ermöglicht, dünne Schichten von sehr schwach streuenden Molekülen zu untersuchen. Mit der Nanometerauflösung von TERS konnte ein auf der Goldoberfläche spontan phasen-getrennten, gemischtes Thiolsystem räumlich aufgelöst werden, während STM die Nanodomänen nicht über ihre Höhenunterschiede erkennen konnte. Neue Studien deuten auf eine Raman-Verstärkung durch Graphen und Flachgold aufgrund eines chemischen Mechanismus hin. Kupfer Phthalocyanin (CuPc)-Moleküle zwischen Graphen und einer flachen Goldoberfläche erlauben Elektronenübertragungen in beide Richtungen und damit stellt sich die Frage, ob chemische Verstärkungen von SERS zueinander addiert werden können. Die Ergebnisse deuten auf eine Kopplung von den zwei einzelnen Oberflächen hin. Es wurde eine 68-fache Verstärkung von geschichtetem CuPc zwischen Graphen und Gold beobachtet, jeweils bezogen auf CuPc auf Glimmer. Zuletzt wurde mittels TERS diese Schichtstruktur untersucht. Moleküle, die sich auf der Goldoberfläche selbstanordnen und mit Graphen bedeckt worden sind, fungieren als optische Sensoren, bei welchen die Graphenverkapselung die Moleküle beschützt. Außerdem kann eine sehr hohe Raman-Verstärkung mit großer lokaler Auflösung aufgrund der kombinierten Effekte von SERS und TERS herbeigeführt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Spitze, die Graphen-verstärkte Raman-Streuung (GERS) zusätzlich um vier Größenordnungen verbessern kann, aber Gap-mode TERS abschirmt. / The quest to achieve ultrahigh sensitivity, surface specificity and high spatial resolution has led to the development of plasmon- and chemically- enhanced Raman spectroscopy, including techniques such as surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS). However, a lack of fundamentally experimental demonstrations still remains. In this thesis, I firstly used gap-mode TERS, which allows studying even molecularly thin layers of very weakly scattering molecules. With the nanoscale spatial resolution provided by TERS, the spontaneous segregation in a mixed thiol system on a gold surface could be resolved, while scanning tunneling microscopy (STM) could not discern the nanodomains via their apparent height difference. Furthermore, since graphene and a flat gold surface both were known to provide some Raman enhancement through mainly a chemical mechanism, sandwiching copper phthalocyanine (CuPc) molecules between graphene and a flat gold surface allowed electrons to be transferred in both directions, and thereby to address the question whether chemical enhancements with different origins in SERS can add to each other. The results suggest that the chemical enhancements were influenced by the two individual surfaces, and a 68-fold enhancement of sandwiched CuPc between graphene and gold was observed, as compared to CuPc on mica. Last, TERS was applied to study this sandwiched structure. Molecules self-assembled on a gold surface and covered by transferred graphene acted as optical probes. Such an arrangement has interesting properties in the sense that molecules are protected and encapsulated by graphene. Also, a possible ultrahigh Raman enhancement together with localized spatial resolution may be achieved due to the combined effects from SERS and TERS. The results showed that a tip can improve graphene-enhanced Raman scattering (GERS) further by 4 orders of magnitude, but graphene exerts some shielding effect to gap-mode TERS.

Schnelltests sind eine weit verbreitete Analysemethode, um vor Ort schnelle analytische Aussagen treffen zu können. Ein möglicher Zugang zu Schnelltests für Analyten in geringer Konzentration könnten Messung von Oberflächenverstärkten Raman-Spektren sein. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere auf drei Aspekte der SERS-Messungen (= Oberflächenverstärkte Raman-Streuung) eingegangen: die Reproduzierbarkeit der SERS-Signalintensität, die Interpretation der Konzentrationskurven und die Analyse von Probengemischen. Für die Untersuchung der Reproduzierbarkeit wurden verschiedene Auftragungsmethoden und Messsysteme getestet und es wurde untersucht, wie reproduzierbar die Signalintensitäten über einen längeren Zeitraum sind. Dabei wurde festgestellt, dass die Kombination von einer homogenen Auftragung der Nanopartikelsuspensionen auf dem Papier und ein großer Durchmesser des Laser- und Detektionspunktes auf der Probe zu einer stabileren Signalintensität führen. Die bei einem Labormessaufbau eine Stabilität des Messsignals von ca. 20 % relativer Standardabweichung über einen Zeitraum von ca. 2,5 Monaten lieferte. Für die Analyse und Auswertung der Abhängigkeiten der SERS-Signalintensität von der Konzentration des Analyten wurden Konzentrationsreihen von verschiedenen Verbindungen aufgenommen. Die Messdaten konnten mit einer Langmuir-Isotherme beschrieben und mit dem Langmuir-SERS-Modell erklärt werden. Für die gemessenen Thiolverbindungen wurde zudem noch eine weitere Möglichkeit der quantitativen Analyse gefunden, die auf der Auswertung der Verschiebung von bestimmten SERS-Banden im Spektrum in Abhängigkeit von der Analytkonzentration beruht. Für die Analysen der Mehrkomponenten-Lösungen wurden die Papierbasierten Mikrofluidik-Analysesysteme (µPADs) eingesetzt. Hier konnte beobachtet werden, dass Analyten aus einer Lösung auf Grund ihrer hohen Affinität zu den Nanopartikeln abgetrennt werden können und es so möglich ist, diese zu analysieren. / Rapid tests are widely used analytical methods for obtaining analytical information immediately on site. Surface enhanced Raman scattering (SERS) is a possible detection method for compounds in diluted samples. This thesis focuses mainly on three aspects: reproducibility of SERS signal intensity, interpretation of concentration curves and analysis of sample mixtures. The signal reproducibility was investigated using different deposition methods and measurement systems and the reproducibility of measurements was tested over longer periods of time. It was found that the most stable signal intensity was obtained using a combination of homogeneous deposition of a nanoparticle suspension on paper and a detection configuration that involves large diameters of both, the laser and the detection spot on the sample. It was shown with a laboratory setup, that comparatively stable measurements are possible with a relative standard deviation of approx. 20 % over a period of approx. 2.5 months. For the analysis and interpretation of the dependence of the SERS signal intensity on the concentration of the analyte, concentration series of different compounds were measured. The measurement data could be fitted with a Langmuir isotherm and explained with the Langmuir SERS model. For the measured thiol compounds an alternative option for quantification was found: the shift of certain SERS bands in the Raman spectrum as a function of analyte concentration. For the analysis of compound mixture in solution microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) were used. It was observed that certain analytes which have a high affinity for the nanoparticles can be separated from the solution and thereby analyzed.

Die Ablagerung von Siliziumdioxid ist ein verbreitetes Phänomen, das mit der Toleranz von Pflanzen gegenüber Belastungen korreliert. Die Pflanzen akkumulieren das amorphe Siliziumdioxid in mikroskopischen Partikeln, den Phytolithen, jedoch ist der exakte Mechanismus nicht vollständig aufgeklärt. Um ein besseres Verständnis über die Ablagerung von Siliziumdioxid zu erlangen, wurden verschiedene spektroskopische Techniken an Sorghumblättern und molekularen Modellen angewandt. Festkörper Kernspinresonanz und thermogravimetrische Analysen zeigen, dass die Siliziumdioxidstruktur von der Phytolithe-Extraktion abhängt. Basierend auf Raman- und IR-Daten einzelner Phytolithe lassen sich die Änderungen dieser Strukturen ermitteln. Das deutet auf unterschiedliche biologische Prozesse der Ablagerung des Siliciumdioxids hin. Die Pflanzengewebe in denen Siliciumdioxid abgelagert ist, wurden mit einem multimodalen Ansatz charakterisiert, welcher Fluoreszenz-, Hellfeld- und Rasterelektronenmikroskopie beinhaltet. Die chemische Zusammensetzung der Pflanzengewebe wurden mit Raman- und FTIR-Mikrospektroskopie kartiert. Ein neuartiger Ansatz zur Untersuchung von Pflanzengeweben wurde verwendet, basierend auf der optischen Nahfeldmikroskopie im mittleren IR-Bereich. Dieser ermöglicht eine kombinierte Analyse von mechanischen Materialeigenschaften sowie der chemischen Zusammensetzung und Struktur. Um die Rolle der organischen Matrix zu verstehen, wurden Modellverbindungen betrachtet, die die Ablagerung von Kieselsäure in den Pflanzen induzieren können. In-vitro-Reaktionen konnten eine gleichzeitige Präzipitation von Lignin und Siliciumdioxid sowie eine Polymerisation zusammen mit Peptiden simulieren. Die Ergebnisse lassen starke Wechselwirkungen zwischen diesen Verbindungen vermuten. Neben einem besseren Verständnis verschiedener Aspekte der Silifizierung von Pflanzen werden in dieser Arbeit neue Methoden zur Charakterisierung von Pflanzenproben vorgeschlagen. / Silica deposition is a common phenomenon that correlates with plant tolerance to various stresses. Plants accumulate amorphous silica in microscopic particles termed phytoliths, through yet unclear mechanisms. With the aim to gain better understanding of the processes that govern silica deposition, different vibrational techniques were used on sorghum leaves and molecular models to obtain chemical and structural information addressing different length scales. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance and thermogravimetric analysis showed that phytolith extraction methods affect silica structure. Nevertheless, Raman and IR analysis of individual phytoliths revealed differences in the structure and composition between phytolith types, suggesting the existence of different biological pathways for silica deposition. The environment of sorghum tissues where silica is deposited was assessed using a multimodal approach consisting of fluorescence, brightfield and scanning electron microscopies, while chemical composition was mapped using Raman and Fourier transformed Infrared microspectroscopy. Scattering-type near-field optical microscopy in the mid-infrared region was used to characterize the plant tissues, in both fixed and native plant samples. The nano-IR images and the mechanical phase image enabled a combined probing of mechanical material properties together with the chemical composition and structure of both the cell walls and the phytolith structures. In vitro reactions simulating lignin-silica co-precipitation and silica polymerization with peptides revealed strong interaction between these compounds and silica, and their possible involvement in silica deposition in the plant. This thesis provides a better understanding of the chemical process that control plant silicification, suggests new methodologies to characterize plant samples, and evaluates the current methods used in plant science.

Lysosomen spielen entscheidende Rolle bei der zellulären Homöostase. Die Überwachung von Lysosomen, die Lipide ansammeln, ist eine erhebliche Herausforderung. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) als Methode zur Überwachung intakter Lysosomen, insbesondere hinsichtlich des Einflusses von Arzneimitteln, die den Lipidstoffwechsel stören. Um das Potenzial von SERS zur Untersuchung von Lysosomen in lebenden Zellen zu bewerten, wurden die Wechselwirkungen zwischen trizyklischen Antidepressiva und saurer Sphingomyelinase untersucht. Zunächst wurden Modellsysteme untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen den Antidepressiva und Goldnanopartikeln wurden durch SERS charakterisiert. Die Daten zeigten, dass Moleküle mit den Nanopartikeln interagieren. Als Modellsystem der lipidreichen Umgebung wurden Komposite aus Liposomen und Goldnanopartikeln von SERS und Cryo-EM untersucht. Die SERS-Spektren sind charakteristisch für die Lipidzusammensetzung der Vesikel. Die Wechselwirkungen zwischen den Antidepressiva und den Lysosomen wurden in der Fibroblastenzelllinie 3T3 durch SERS und komplementäre Methoden untersucht. In Übereinstimmung mit den SERS-Spektren von Modellsystemen zeigen die SERS-Spektren lebender Zellen Signaturen sowohl der Antidepressiva als auch der Lipide. Um die Unterschiede in den Lysosomen zwischen behandelten und nicht behandelten Zellen aufzudecken, wurde ein zufälliger Waldansatz verwendet. Darüber hinaus wurde SERS verwendet, um die Lipidverteilung in Leishmania-infizierten Makrophagen zu untersuchen, von denen bekannt ist, dass sie Lipide akkumulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass SERS verwendet werden kann, um die Lipidzusammensetzung in lebenden Zellen verschiedener Zelltypen zu untersuchen. Als neue methodische Entwicklung zeigt die Random-Forest-Analyse von SERS-Daten, dass Ansätze des maschinellen Lernens für ein besseres Verständnis von Daten aus biologischen Systemen nützlich sein können. / Lysosomes play a crucial role in cellular homeostasis. Monitoring lysosomes that accumulate lipids represents a considerable challenge. This thesis focuses on the development of surface-enhanced Raman scattering (SERS) as a method to monitor intact lysosomes, in particular regarding the influence of drugs that interfere with lipid metabolism. To evaluate the potential of SERS for studying lysosomes in live cells, the interactions between tricyclic antidepressants and acid sphingomyelinase were studied. First, model systems were investigated. The interactions between the antidepressants and gold nanoparticles were characterized by SERS. The data showed that molecules interact with the nanoparticles. As a model system of the lipid-rich environment, composites of liposome and gold nanoparticles were studied by SERS and cryo-EM. The SERS spectra are characteristic of the vesicles’ lipid composition. The interactions between the antidepressants and the lysosomes were studied in the fibroblast cell line 3T3 by SERS and complementary methods. In agreement with the SERS spectra of model systems, the SERS spectra of live cells show signatures of both, the antidepressants and the lipids. To reveal the differences in the lysosomes between treated and non-treated cells, a random forest approach was used. Moreover, SERS was used to study the lipid distribution in Leishmania-infected macrophages known to accumulate lipids. The results show that SERS can be used to investigate lipid composition in live cells of different cell types. As a new methodological development, the random forest analysis of SERS data shows that machine learning approaches can be useful for a better understanding of data from biological systems.

Polymorphie beschreibt die Eigenschaft vieler anorganischer und organischer Substanzen bei gleicher chemischer Zusammensetzung in mehr als einer kristallinen Struktur aufzutreten, die zu unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Polymorphe führen kann. Dies gewinnt an Bedeutung sobald eine spezifische kristalline Form mit definierten Eigenschaften verlangt wird. Um Kristallisationsprozesse und das Endprodukt zu kontrollieren und zu beeinflussen, sind Kenntnisse der zugrundeliegenden Kristallisationsmechanismen und -kinetiken, wie auch der Effekte von äußeren Faktoren erforderlich. In diesem Zusammenhang ermöglichen In-situ-Charakterisierungsmethoden eine detaillierte, zeitaufgelöste Beobachtung von Kristallisationsprozessen. Die Kristallisationsprozesse von fünf polymorphen Modellverbindungen, Nifedipin, Felodipin, Quinaldin, L-Glutaminsäure und ROY, wurden unter verschiedenen Bedingungen und ausgehend von verschiedenen Vorläuferphasen in situ untersucht. Neben der Kristallisation aus unterschiedlichen amorphen Phasen interessierte die Kristallisation aus der Lösung, welche insbesondere unter Levitationsbedingungen in einem Ultraschall-Levitator betrachtet wurde. Der Einfluss von Lösungsmittel, Oberfläche, relativer Luftfeuchtigkeit und Kristallisationssetup auf die Kristallisationsprozesse wurde untersucht. Röntgenbeugungsmethoden mit Synchrotron-Strahlung und Raman-Spektroskopie erlaubten besonders bei simultaner Anwendung die umfassende strukturelle Charakterisierung der Kristallisationsvorgänge mit allen auftretenden kristallinen wie auch amorphen Phasen und der Lösung in situ mit hoher Zeitauflösung. Kristallisationswege konnten nachvollzogen und der Einfluss äußerer Faktoren auf die Selektivität der Kristallisationsprozesse untersucht werden. Allgemeine Systematiken wie eine steuernde Wirkung des Lösungsmittels oder die bevorzugte Kristallisation thermodynamisch stabiler Phasen bei einer homogeneren Kristallisation lassen sich finden. / Polymorphism describes organic or inorganic materials which can occur in more than one crystalline phase with the same chemical composition. A difference in crystal structure may result in different chemical or physical properties, making polymorphism important whenever a specific form with well-defined characteristics is demanded. The need to control and manipulate the crystallization processes and particularly the final crystal product requires thorough understanding of the underlying crystallization mechanisms and kinetics, as well as the effects of external factors. In this context, in situ characterization methods permit a detailed, time-resolved investigation of crystallization processes. For five polymorphic model compounds, nifedipine, felodipine, quinaldine, L-glutamic acid and ROY, the crystallization processes were investigated in situ by applying different conditions and starting from different precursor phases. Aside from the crystallization from various amorphous phases, the crystallization from solution was also of interest. The latter was examined especially under levitation conditions using an ultrasonic levitator. Furthermore, the influence of the solvent, surface, relative humidity, and the crystallization setup on the crystallization processes was analyzed. X-Ray diffraction using synchrotron radiation and Raman spectroscopy enabled a thorough structural characterization of the crystallization processes in situ with high time resolution, especially if applied simultaneously. All the occurring crystalline and amorphous phases as well as the solution were characterized with this method. The crystallization pathways were retraced and the influence of external factors on the selectivity of the crystallization processes was elucidated. Some general characteristics like a steering effect of the solvent and the preferred crystallization of thermodynamically stable phases in more homogeneous crystallizations were identified.

Die Charakterisierung der Protein-Nanopartikel-Wechselwirkungen in komplexen biomolekularen Systemen wie einer lebenden Zelle ist für die Pharma-, Medizin- und Umweltforschung von entscheidender Bedeutung. In solchen biomolekularen Systemen adsorbieren Proteine leicht auf der Oberfläche von Nanopartikeln, die die Proteinkorona bilden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der Proteinkorona in lebenden Zellen, wobei verschiedene analytische Ansätze kombiniert werden. Experimente mit oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) an reinen Proteinlösungen zeigten die Konzentrationsabhängigkeit der Protein-Gold-Nanopartikel-Wechselwirkungen, die zu unterschiedlichen SERS-Spektren führten und ermöglichten die Bestimmung von Proteinsegmenten, die an Citrat-stabilisierte Gold-Nanopartikel binden. In SERS-Experimenten mit lebenden Zellen wurde die Anwesenheit von Proteinfragmenten in der innersten Schicht der Proteinkorona, die als harte Proteinkorona bezeichnet wird, festgestellt. Eine analytische Methode, die Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese und Hochleistungs-Flüssigchromatographie-gekoppelte Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie kombiniert, wurde entwickelt, um die Bestandteile der Hartproteinkorona zu identifizieren. Die Proteomics-, SERS- und Cryo-Soft-X-Ray-Nanotomographiedaten, wobei letztere Informationen über die dreidimensionale Ultrastruktur der Zelle liefern, zeigen den Aufnahmemechanismus, die Verarbeitung, die Akkumulationsstelle, die molekulare Umgebung und die induzierten zellulären Reaktionen internalisierter Goldnanopartikel. Diese Arbeit validiert die Verwendung von SERS bei der Analyse der Proteinkorona in der Lösung von Modellproteinen und in lebenden Zellen und präsentiert eine geeignete Methode zur Analyse der unveränderten harten Proteinkorona, die in lebenden Zellen gebildet wird. / The characterization of the protein-nanoparticle interactions in complex biomolecular systems such as a living cell is vital for pharmaceutical, medical, and environmental research fields. In such biomolecular systems, proteins readily adsorb on the surface of nanoparticles forming the protein corona. This thesis focuses on the characterization of the protein corona in living cells combining different analytical approaches. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) experiments on pure protein solutions revealed the concentration dependence of the protein-gold nanoparticle interactions resulting in different SERS spectra, and allowed for the determination of protein segments binding to citrate-stabilized gold nanoparticles. In live cell SERS experiments, the presence of protein fragments in the innermost layer of the protein corona, called the hard protein corona, was revealed. An analytical method combining sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis and high-performance liquid chromatography-coupled electrospray ionization mass spectrometry was developed to identify the constituents of the hard protein corona. The proteomics, SERS, and cryo soft X-ray nanotomography data, the latter providing information of the three dimensional ultrastructure of the cell, reveal the uptake mechanism, processing, accumulation site, molecular environment, and the induced cellular responses of internalized gold nanoparticles. This work validates the use of SERS in the analysis of the protein corona in the solution of model proteins and in living cells, and presents a suitable method for the analysis of the unaltered hard protein corona formed in living cells.

Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis der durch plasmonische und Komposit-Nanomaterialien verursachten Verstärkung der Hyper-Raman Streuung zu vertiefen. Diese Nanostrukturen werden in oberflächenverstärkten Hyper-Raman-Streuung (surface enhanced hyper Raman scattering, SEHRS) Experimenten, die durch den nichtlinearen parametrischen Prozess der Frequenzverdopplung (SHG) und der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) ergänzt werden, zur umfassenden Untersuchung organischer Moleküle und Materialien angewendet. Die SEHRS-Verstärkung von Goldnanopartikeln unterschiedlicher Form und Größe sowie von Metallfilmen bestehend aus periodisch angeordneten Hohlräumen (Nanovoids) wurde in Experimenten mit dem Farbstoff Kristallviolett bei einer Anregungswellenlänge von 1064 nm und durch numerische Simulationen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Aggregate von großen kugelförmigen Goldnanopartikeln und Nanostäbchen in Lösung eine sehr hohe elektromagnetische SEHRS-Verstärkung bewirken. Darüber hinaus können die Homogenität des Signals, die Reproduzierbarkeit in Bezug auf die Herstellung und die Substratstabilität im Vergleich zu früheren Ansätzen durch Verwendung von Nanovoids signifikant verbessert werden. Die Weiterentwicklung von Nanostrukturen für die multimodale Mehrphotonen-Spektroskopie ist hier anhand der Synthese und der optischen Charakterisierung von plasmonischen Bariumtitanat-Nanokompositen demonstriert. Eine systematische Studie der Wechselwirkung von Aminosäuren und aromatischen Thiolen mit Gold- und Silbernanopartikeln wurde mit SEHRS bei einer Anregungswellenlänge von 1064 nm und mit SERS bei Anregungswellenlängen im sichtbaren Spektralbereich durchgeführt. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass ein tieferes Verständnis und ein rationales Design verbesserter plasmonischer Nanostrukturen ermöglichen, SEHRS mit anderen Mehrphotonen-angeregten Effekten zu kombinieren und diese in der analytischen Chemie und Biophysik einzusetzen. / The aim of this work is to extend the understanding of the enhancement in surface enhanced hyper Raman scattering (SEHRS) generated by plasmonic and composite nanomaterials, and to apply these nanostructures in SEHRS experiments complemented by the non-linear parametric process of second harmonic generation (SHG) and by surface enhanced Raman scattering (SERS), for the comprehensive probing of organic molecules and materials. The enhancement from gold nanoparticles with different sizes and shapes as well as from metal films comprised of periodically arranged voids was investigated in SEHRS experiments at 1064 nm excitation using the crystal violet dye and by numerical simulations. The results indicate that aggregates of large spherical gold nanoparticles and nanorods in solution provide very strong electromagnetic enhancement of HRS. Moreover, the homogeneity of the signal, reproducibility in terms of fabrication, and substrate stability can be significantly improved compared to previous approaches by using nanovoid arrays. Further developments of enhancing nanostructures towards multimodal multiphoton spectroscopic applications are demonstrated here by the synthesis and optical characterization of plasmonic-barium titanate nanocomposites. A systematic study on the interaction of amino acids and aromatic thiols with gold and silver nanoparticles was conducted with 1064 nm-excited SEHRS and SERS excited in the visible spectral range. In conclusion, this work underlines that a better understanding and a rational design of improved plasmonic nanostructures allow to combine SEHRS and other multiphoton excited effects, and to use them in analytical chemistry and biophysics.

Die Vorverarbeitung und Analyse von spektrometrischen und spektroskopischen Daten von Pflanzengewebe sind in den unterschiedlichsten Forschungsbereichen wie der Pflanzenbiologie, Agrarwissenschaften und Klimaforschung von großer Bedeutung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der optimierten Nutzung von Daten von Pflanzengeweben, insbesondere der Daten gewonnen durch Matrix–Assistierte Laser–Desorption–Ionisierung Massenspektrometrie, Raman-Spektroskopie und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie. Die Klassifizierungsfähigkeit mit diesen Methoden wird insbesondere nach Kombination der Daten untereinander und mit zusätzlichen chemischen und biologischen Informationen verglichen. Die diskutierten Beispiele befassen sich mit der Untersuchung und Einordnung innerhalb einer bestimmten Pflanzenart, beispielsweise der Unterscheidung von Proben aus unterschiedlichen Populationen, Wachstumsbedingungen oder Gewebeunterstrukturen. Die Daten wurden mit sowohl mit explorativen Werkzeugen wie der Hauptkomponentenanalyse und der hierarchischen Clusteranalyse, als auch mit Methoden des maschinellen Lernens wie die Diskriminanzanalyse oder künstliche neuronale Netzwerke umfassten. Konkret zeigen die Ergebnisse, dass die Kombination der Methoden mit zusätzlichen pflanzenbezogenen Informationen in einer Konsensus-Hauptkomponentenanalyse zu einer umfassenden Charakterisierung der Proben führt. Es werden verschiedene Strategien zur Datenvorbehandlung diskutiert, um nicht relevante spektrale Information zu reduzieren, z.B. aus Karten von Pflanzengeweben oder eingebetteten Pollenkörnern. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf die Relevanz der gezielten Nutzung spektrometrischer und spektroskopischer Daten hin und lassen sich nicht nur auf pflanzenbezogene Themen, sondern auch auf andere analytische Klassifizierungsprobleme übertragen. / The pre-processing and analysis of spectrometric and spectroscopic data of plant tissue are important in a wide variety of research areas, such as plant biology, agricultural science, and climate research. The focus of the thesis is the optimized utilization of data from plant tissues, which includes data from Matrix-Assisted-Laser Desorption/Ionization time of flight mass spectrometry, Raman spectroscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy. The ability to attain a classification using these methods is compared, in particular after combination of the data with each other and with additional chemical and biological information. The discussed examples are concerned with the investigation and classification within a particular plant species, such as the distinction of samples from different populations, growth conditions, or tissue substructures. The data were analyzed by exploratory tools such as principal component analysis and hierarchical cluster analysis, as well as by predictive tools that included partial least square-discriminant analysis and machine learning approaches. Specifically, the results show that combination of the methods with additional plant-related information in a consensus principal component analysis leads to a comprehensive characterization of the samples. Different data pre-treatment strategies are discussed to reduce non-relevant spectral information, e.g., from maps of plant tissues or embedded pollen grains. The results in this work indicate the relevance of the targeted utilization of spectrometric and spectroscopic data and could be applied not only to plant-related topics but also to other analytical classification problems.

Anhand von theoretischen Untersuchungen wird eine umfassende Beschreibung von kleinen Metalloxidclustern gegeben. Bei den untersuchten Systemen handelt es sich um Aluminium- und Eisenoxid-Ionen sowie entsprechende Oxid-Cluster, die beide Metalle enthalten. Neben der Bestimmung der geometrischen Struktur der Cluster werden auch die allgemeinen elektronischen Eigenschaften der eisenhaltigen Verbindungen untersucht. Alle Vorhersagen werden durch Vergleich mit verfügbaren experimentellen Ergebnissen -- hauptsächlich aus der Infrarot-Photodissoziations- und der Photoelektronenspektroskopie -- überprüft und bewertet. Soweit möglich werden die Bewegungen von Atomen oder kleinen Gruppen innerhalb der Cluster einzelnen experimentellen Signalen zugeordnet. Besondere Aufmerksamkeit wird dem Eisendioxidmolekül und seinem Anion gewidmet. Es wird mit spezialisierten Wellenfunktionsmethoden untersucht, mit denen ab initio Franck-Condon-Simulationen einschließlich nicht-adiabatischer und Spin-Orbit-Kopplungen für die Photoionisation des Anions erstellt werden. Sie liefern Erklärungen für die komplizierte Schwingungsstruktur des experimentellen hochauflösenden Photoelektronenspektrums. / By means of theoretical investigations, a comprehensive description of small metal oxide clusters is given. The studied systems are aluminum and iron oxide ions as well as respective bi-metallic oxide clusters. Besides the determination of the geometrical structure of the clusters, the general electronic properties of the iron-containing compounds are investigated. All predictions are checked and assessed by comparison with available experimental results, mainly infrared photodissociation and photoelectron spectroscopy measurements. As far as possible, motions of atoms or small groups within the clusters are assigned to distinct experimental vibrational features. Particular attention is paid to the iron dioxide molecule and its anion. It is studied with sophisticated wave function methods based on which ab initio Franck-Condon simulations for the photodetachment from the anion, including non-adiabatic and spin-orbit couplings, are generated. They provide explanations for the complicated vibrational structure of the experimental high-resolution photoelectron spectrum.

Schlüsselfaktoren der bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von Knochen sind seine komplexe hierarchische Struktur und chemische Zusammensetzung. Ziel dieser Dissertation war die simultane Untersuchung von Materialkomposition und 3D Struktur in Relation zu lokalen elastischen Eigenschaften von Knochengewebe unter Verwendung von neuen hochauflösenden experimentellen Konzepten. Im ersten Teil wurde polarisierte Raman Spektroskopie (PRS) eingesetzt um gesunden humanen kortikalen Knochen zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass sich PRS eignet, um sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die 3D Organisation der Kollagenfasern in einer Messung aufzuklären. Dominante Faserorientierungen ganzer Gewebedomänen konnten identifiziert und mit der Koexistenz zweier Faserorganisationsmuster verknüpft werden. Durch Kombination derPRS Experimente mit ko-lokalisierten Synchrotron-Phasenkontrast-Nano-Tomografie- undUltraschallmikroskopie-Messungen wurde eine komplementäre Untersuchung von Faserarchitektur, chemischer Komposition und elastischen Eigenschaften einzelner Knochenlamellen ermöglicht. Die multimodale Analyse ergab, dass die charakteristischen lamellären Ondulationen der Elastizität in erster Linie durch sich lokal ändernde Faserorientierungen bedingt werden und nicht durch Variationen der Materialzusammensetzung, Abweichungen der Mineralkristallpartikeleigenschaften oder durch Fluktuationen der Massendichte. Im letzten Teil wurde mittels akustischer Mikroskopie der Einfluss der Mutation des Neurofibromin 1 Genes auf die pathologische Entwicklung von mechanischen Knocheneigenschaften untersucht. Anhand zweier Knockout-Mausmodelle wurde festgestellt, dass nur eine Mutation in frühen mesenchymalen Vorläuferzellen die Steifigkeit der langen Röhrenknochen signifikant beeinträchtigt. Perspektivisch eignet sich der vorgestellte multimodale Ansatz für nicht-destruktive Charakterisierung eines breiten Spektrums biologischer und synthetischer Faserverbundwerkstoffe. / Key factors determining the remarkable mechanical performance of bone are its material composition and complex hierarchically structure. The aim of this thesis was the concurrent investigation of the chemical composition and 3D structure of bone tissue in relation to the local elastic properties by introducing novel high resolution experimental approaches. In the first part, polarized Raman spectroscopy (PRS) was applied to analyze healthy human cortical bone. In particular, it was demonstrated that PRS can be employed to simultaneously investigate the chemical composition and the 3D organization of collagen fibrils in a single experiment. Predominant fibril orientations in entire tissue domains were identified and linked to the coexistence of two fibril organization patterns. To further extend the analysis, PRS experiments were combined with synchrotron X-ray phase contrast nano tomography and scanning acoustic microscopy measurements in a site-matched study design. This multimodal approach enabled complementary imaging of the fibrillar architecture, tissue composition and resulting elastic properties of single bone lamellae. In line with earlier studies, crosscorrelation analysis strongly suggested that the characteristic elastic undulations of bone lamellae are the result of the twisting fibrillar orientation, rather than compositional variations, modulations of the mineral particle maturity, or mass density fluctuations. Finally, acoustic microscopy was applied to analyze the impact of the neurofibromin 1 gene mutation on the pathologic development of the mechanical properties of bone. Analysis of two knock-out mouse models revealed that only Nf1 ablation in early mesenchymal progenitor cells significantly impairs the elastic stiffness of long bones. In future studies, the presented multimodal methodology can be translated for non-destructive and high resolution characterization of a broad range of biological and synthetic fiber composite materials.