Diese Arbeit konzentriert sich auf die Anwendbarkeit eines hochmodernen 100 kHz BB-VSFG-Spektrometers, das kürzlich im SALSA Photonics Lab entwickelt wurde, für die Analyse der Grenzflächenstruktur von Alkylketten, des sie umgebenden Wassers und der Phosphatkopfgruppen von Phospholipidschichten. Zunächst wurden Phospholipid-Doppelschichten, die mehrere Komponenten enthalten, bei Laserwiederholraten von 5, 10, 50 und 100 kHz mit konstanter Pulsenergie untersucht. Die BB-VSFG-Spektren legen nahe, dass die Phospholipid-Doppelschichten während der Messungen ohne wärmeinduzierte Veränderungen stabil waren. Darüber hinaus bot die Erhöhung der Laserwiederholungsrate eine praktikable Möglichkeit, Spektren in kurzen Datenerfassungszeiten zu erhalten, ohne dass das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt wurde. Die extrem kurze Aufnahmezeit von 500 ms, die hohe spektrale Auflösung und alle verwendeten Pulsparameter sorgen dafür, dass bei Messungen unter Umgebungsbedingungen keine thermisch bedingten Photoschäden auftreten. Es wurde eine systematische Untersuchung von ein- und zweikomponentigen Phospholipid-Monoschichten in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung und dem Mischungsverhältnis für verschiedene Kombinationen an Polarisationen durchgeführt und die Abhängigkeit der Schwingungsspektren untersucht. Die Struktur von Alkylketten und umgebendem Wasser wurde anhand derselben Modellsystemen analysiert. Bislang nicht beobachtete Schwingungsbanden und Spektren von Monolagen mit geringer Oberflächenbedeckung wurden mit einem bisher nicht erreichten Signal-Rausch-Verhältnis gemessen und beschrieben. Die Struktur von Phospholipid-Monolagen mit identischen Kopfgruppen und unterschiedlichen Ketten wurde analysiert und verglichen. Die Spektren bestätigten die Anwesenheit von Wassermolekülen in der Nähe der Phosphat- und Cholingruppen der Phospholipid-Monolagen. / This thesis focuses on the applicability of a state-of-the-art 100 kHz BB-VSFG spectrometer recently developed at the SALSA Photonics Lab and on the analysis of the interfacial structure of alkyl chains, surrounding water, and the phosphate head groups of phospholipid layers. First, multi-component phospholipid bilayers were studied at laser repetition rates of 5, 10, 50, and 100 kHz at constant pulse energy. The spectra suggest that the phospholipid bilayers were stable during the measurements with no heat-induced distortions. Moreover, an increase in the laser repetition rate provided a feasible route to obtain spectra in short data acquisition times without compromising the signal-to-noise ratio. The extremely short acquisition time of 500 ms, the high spectral resolution, and all applied pulse parameters ensured no thermal induced photodamages occur during the measurements. A systematic study of one- and two-component phospholipid monolayers as a function of surface tension and mixture ratio at different polarization combinations was performed and the dependence of the vibrational spectra was explored. The structure of alkyl chains and surrounding water was analyzed using the same model systems. Vibrational modes that were previously unseen and spectra of monolayers at low surface coverage were reported for the first time with an unprecedented signal-to-noise ratio. The structure of phospholipid monolayers containing identical head groups and different chains was analyzed and compared. The order of the phospholipid molecules as a function of the composition of the monolayers was inferred from the spectral data. The influence of the hydration and/or changes in the orientation of the phosphate group was visible from the spectra as well.

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.

Hyper-Raman-Streuung folgt anderen Symmetrieauswahlregeln als Raman-Streuung und profitiert als nicht-linearer Zweiphotonenprozess noch mehr von verstärkten elektromagnetischen Feldern an der Oberfläche plasmonischer Nanostrukturen. Damit könnte die oberflächenverstärkte Hyper-Raman-Streuung (SEHRS) praktische Bedeutung in der Spektroskopie erlangen. Durch die Kombination von SEHRS und oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) können komplementäre Strukturinformationen erhalten werden. Diese eignen sich aufgrund der Lokalisierung der Verstärkung auf die unmittelbare Umgebung der Nanostrukturen besonders für die Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Molekülen und Metalloberflächen. Ziel dieser Arbeit war es, ein tieferes Verständnis des SEHRS-Effekts zu erlangen und dessen Anwendbarkeit für analytische Fragestellungen einzuschätzen. Dazu wurden SEHRS-Experimente mit Anregung bei 1064 nm und SERS-Experimente mit Anregung bei derselben Wellenlänge sowie mit Anregung bei 532 nm - für eine Detektion von SEHRS und SERS im gleichen Spektralbereich - durchgeführt. Als Beispiel für nicht-resonante Anregung wurden die vom pH-Wert abhängigen SEHRS- und SERS-Spektren von para-Mercaptobenzoesäure untersucht. Mit diesen Spektren wurde die Wechselwirkung verschiedener Silbernanostrukturen mit den Molekülen charakterisiert. Anhand von beta-Carotin wurden Einflüsse von Resonanzverstärkung im SEHRS-Experiment durch die gleichzeitige Anregung eines molekularen elektronischen Übergangs untersucht. Dabei wurde durch eine Thiolfunktionalisierung des Carotins eine intensivere Wechselwirkung mit der Silberoberfläche erzielt, sodass nicht nur resonante SEHRS- und SERS-Spektren, sondern auch nicht-resonante SERS-Spektren von Carotin erhalten werden konnten. Die Anwendbarkeit von SEHRS für hyperspektrale Kartierung in Verbindung mit Mikrospektroskopie wurde durch die Untersuchung von Verteilungen verschiedener Farbstoffe auf strukturierten plasmonischen Oberflächen demonstriert. / Hyper-Raman scattering follows different symmetry selection rules than Raman scattering and, as a non-linear two-photon process, profits even more than Raman scattering from enhanced electromagnetic fields at the surface of plasmonic nanostructures. Surface-enhanced hyper-Raman scattering (SEHRS) could thus gain practical importance for spectroscopy. The combination of SEHRS and surface-enhanced Raman scattering (SERS) offers complementary structural information. Specifically, due to the localization of the enhancement to the close proximity of the nanostructures, this information can be utilized for the characterization of the interaction between molecules and metal surfaces. The aim of this work was to increase the understanding of the SEHRS effect and to assess its applicability to answer analytical questions. For that purpose, SEHRS experiments with excitation at 1064 nm and SERS experiments with excitation at the same wavelength, as well as with excitation at 532 nm - to detect SEHRS and SERS in the same spectral region - were conducted. As an example for non-resonant excitation, pH-dependent SEHRS and SERS spectra of para-mercaptobenzoic acid were examined. Based on these spectra, the interaction of different silver nanostructures with the molecules was characterized. beta-Carotene was used to study the influence of resonance enhancement by the excitation of a molecular electronic transition during SEHRS experiments. By the thiol-functionalization of carotene, a more intense interaction with the silver surface was achieved, which enables to obtain not only resonant SEHRS and SERS but also non-resonant SERS spectra of carotene. Hyperspectral SEHRS imaging in combination with microspectroscopy was demonstrated by analyzing the distribution of different dyes on structured plasmonic surfaces.

Diese Arbeit präsentiert eine einfache eine einfache, auf Photolithographie basierende Methode zur Darstellung einer isolierten Graphenkante (oder GrEdge) einer Monolage als Nanoelektrode auf einem isolierenden Substrat vorgestellt. Trotz ihrer Millimeter-Länge verhält sich die nur einen Nanometer breite GrEdge-Elektrode wie ein Nanodraht mit einem hohen Seitenverhältnis von 1000000 zu 1. Des Weiteren wird der Einsatz von elektrochemischer Modifikation (ECM) demonstriert, um die GrEdge selektiv mit Metall-Nanopartikeln und organischen Schichten nicht-kovalente oder kovalente zu funktionalisieren, wodurch die Chemie der Kante verändert werden kann. Durch die Anbringung von Metall-Nanopartikeln kann zusätzlich oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genutzt werden, um die chemische Beschaffenheit sowohl der unberührten als auch der funktionalisierten GrEdge zu charakterisieren. Die GrEdge weist sehr hohe Mass-entransportraten auf, was charakteristisch für Nanoelektroden ist. Dementsprechend wird die voltammetrische Antwort von der Kinetik des heterogenen Elektrontransfers (HET) diktiert. An der GrEdge-Elektrode werden hohe HET-Raten beobachtet: mindestens 14 cm/s für Außensphäre sonde Ferrocenmethanol (FcMeOH) mit einem quasi-Nernst'schen Verhalten und 0,06 cm/s oder höher für innere Sphäre sonde Ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) mit einer kinetisch kontrollierten Reaktion. Nach der selektiven Modifikation der Kante mit Goldnanopartikeln erweist sich der HET als reversibel, mit einer massentransportbegrenztes Nernst‘sches Verhalten aufweisen für beide Redoxmoleküle. Darüber hinaus ermöglicht die schnelle HET-Kinetik die Detektion der reduzierten Form von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) mit niedrigen Ansatzpotentialen und hinunter bis zu niedrigen mikromolaren Konzentrationen. Entsprechend verbessert die vorliegende Arbeit das Verständnis der Kante von Graphen und deren Chemie. / This thesis presents a simple photolithography-based method to realize the isolated monolayer graphene edge (or GrEdge) nanoelectrode on an insulating substrate. The millimeter-long and a nanometer-wide GrEdge is found to behave like a nanowire with a high aspect ratio of 1000000-to-1. Further, the use of electrochemical modification (ECM) is demonstrated to selectively functionalize the GrEdge with metal nanoparticles and organic moieties in a non-covalent/ covalent manner to tune the chemistry of the edge. The attachment of metal nanoparticles was used to exploit surface-enhanced Raman scattering (SERS) to characterize the chemistry of both the pristine and the functionalized GrEdge. The GrEdge electrodes were found to exhibit very high mass transport rates, characteristic of nanoelectrodes. Accordingly, the voltammetric response is found to be dictated by the kinetics of heterogeneous electron transfer (HET), attributed to the nanoscale geometry and a unique diffusional profile at such electrodes. At the GrEdge electrode, high HET rates are observed: at least 14 cm/s for outer-sphere probe, ferrocenemethanol (FcMeOH) with a quasi-Nernstian behavior; and 0.06 cm/s or higher for inner-sphere probe, ferricyanide ([Fe(CN)6]3-) with a kinetically controlled response. Upon selective modification of the edge with gold nanoparticles, the HET is found to be reversible, with a mass-transport-limited Nernstian response for both probes. Furthermore, the fast HET kinetics enables the sensing of the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and flavin adenine dinucleotide (FAD) with low onset potentials and down to low micromolar concentrations. Hence, this thesis improves the understanding of the edges of graphene and their chemistry. It also realizes isolated GrEdge as a new class of nanoelectrode which forms an important basis within the fields of fundamental electrochemistry and analytical sciences.

Geladene Phosphatgruppen sind von wesentlicher Bedeutung für die Hydratisierung von Phospholipiden und DNS. Hydratisierungshüllen spielen eine wichtige Rolle für die Ausbildung und Stabilisierung von Zellmembranen und der DNS-Doppelhelixstruktur. In dieser Arbeit werden elementare Phosphat-Wasser-Wechselwirkungen in einem Phospholidmodellsystem – sogenannten inversen Mizellen - mit variablen Wassergehalt zwischen einem und 16 Wassermolekülen pro Phospholipid untersucht. Die schnellsten Prozesse an den Grenzflächen wie z.B. Phosphat-Wasser-Wasserstoffbrückendynamik und Schwingungsenergieumverteilung finden auf einer Femto- bis Pikosekundenzeitskala statt. Molekulare Schwingungen sind sensitive lokale Sonden für die Struktur und Dynamik. Deshalb ermöglicht Femtosekunden-Schwingungsspektroskope, insbesondere zweidimensionale Infrarotspektroskopie (2D IR) und Pump-Probe-Spektroskopie in einem breiten Spektralbereich, die Dynamik mikroskopischer Phosphat-Wasser-Wechselwirkungen in Echtzeit zu beobachten. Wir zeigen die ersten zweidimensionalen Infrarotspektren von Phosphat-Streckschwingungen, die unabhängig vom Wassergehalt grenzflächensensitive Sonden darstellen. Solche Spektren belegen, dass die schnellsten strukturellen Fluktuationen der Phospholipid-Kopfgruppen auf einer 300-fs Zeitskala ablaufen, wohingegen die Phosphat-Wasser-Wasserstoffbrücken länger als 10 ps bestehen bleiben. Die Schwingungsdynamik intramolekularer Wasserschwingungen, d.h. der OH-Streck- und Biegeschwingung, zeigen, dass sich kleine Wasserpools um die Phosphatgruppen bilden, sobald drei oder mehr Wassermoleküle pro Phospholipid vorliegen. Solche Wasserpools dienen als effiziente Wärmesenken für intramolekulare Schwingungen des Wassers und der Phosphatgruppen. / Charged phosphate groups are the major hydration sites of biomolecules such as phospholipids and DNA. Hydration shells play a key role in the formation and stabilization of cell membranes and the DNA double helix structure. Here, we introduce phospholipid reverse micelles with variable water content (between one and sixteen water molecules per phospholipid) as a model system to study elementary phosphate-water interactions. The fastest processes at phosphate-water interfaces , e.g. hydrogen-bond dynamics and vibrational energy transfer occur on a femto- to picosecond time scale. Since molecular vibrations are sensitive local probes of the structure and dynamics, the use of femtosecond vibrational spectroscopy, in particular two-dimensional infrared spectroscopy (2D IR) and pump-probe spectroscopy in a broad spectral range, allow for the observation of microscopic phosphate-water interactions in real time. We present the first two-dimensional infrared spectra of phosphate stretching vibrations that represent true interfacial probes independent of the hydration level. Such spectra reveal that the fastest structural fluctuations of phospholipid headgroups occur on a 300-fs timescale whereas phosphate-water hydrogen bonds are preserved for >10 ps. Vibrational dynamics of intramolecular water vibrations, i.e., the OH stretching and bending modes show that small water pools around the phosphate groups form when three or more water molecules per phospholipid are present. Such water pools act as efficient heat sinks of excess energy deposited in intramolecular vibrations of water or the phosphate groups.