Übergangsmetallfluoridverbindungen sind sehr vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Kathoden für Alkaliionenbatterien. Dennoch verhindern einige Nachteile dieser Materialklasse ihre Anwendung in Energiespeichermedien. Metallfluoride haben eine stark isolierende Wirkung, außerdem bewirken die Mechanismen beim Lade-/Entladevorgang, große Volumenänderungen und somit eine drastische Reorganisation des Materials, welche nur geringfügig umkehrbar ist. Um diese Nachteile zu reduzieren, werden in dieser Arbeit innovative Syntheserouten für die Umwandlung von Metallfluoridverbindungen sowie deren Anwendung in Alkaliionenbatterien vorgestellt. Im ersten Teil werden MFx Verbindungen (M = Co, Fe; x = 2 oder 3) untersucht. Diese Materialien zeigen eine hohe Ausgangskapazität aber nur bei sehr geringen C-Raten und zudem sehr geringe Zyklisierbarkeiten. Ex-situ-XRD und -TEM zeigen, dass die geringe Umkehrbarkeit der Prozesse hauptsächlich aus der Umwandlungsreaktion während des Be-/Entladens resultieren. Im zweiten Teil werden sowohl die Synthesen als auch die elektrochemischen Eigenschaften von Perowskiten aus Übergangsmetallfluoriden vorgestellt. NaFeF3 zeigt hierbei exzellente Leistungen und Reversibilitäten. Die Untersuchung der Mechansimen durch ex-situ und operando XRD während der Be- und Entladeprozesse hinsichtlich verschiedener Alkalisysteme zeigt, dass das kristalline Netzwerk über den Zyklus erhalten bleibt. Dies führt zur hohen Reversibilität und hohen Leistung selbst bei hohen C-Raten. Der Erhalt der Kristallstruktur wird durch elektrochemische Stabilisierung der kubischen Konformation von FeF3 ermöglicht, welche normalerweise erst bei hohen Temperaturen (400 °C) beobachtet wird und durch geringere Reorganisationen innerhalb des Kristallgerüsts erklärt werden kann. Ähnliche elektrochemische Eigenschaften können für KFeF3 und NH4FeF3 beobachtet werden, wobei erstmalig von Ammoniumionen als Ladungsträger in Alkaliionensystemen berichtet wird. / Metal fluoride compounds appear as very appealing candidates for the next generation of alkali-ion battery cathodes. However, many drawbacks prevent this family of compounds to be applicable to storage systems. Metal fluorides demonstrate a high insulating character, and the mechanisms involved during the discharge/charge processes atom engender large volume changes and a drastic reorganization of the material, which induces poor reversibility. In order to answer these problematics, the present thesis reports the elaboration of innovative synthesis routes for transition metal fluoride compounds and the application of these fluoride materials in alkali-ion battery systems. In a first part, MFx compounds (M = Co, Fe; x = 2 or 3) are studied. Those compounds exhibit high initial capacity but very poor cyclability and low C-rate capabilities. Ex-situ X-ray diffraction and transmission electron microscopy demonstrate that the low reversibility of the processes is mainly due to the conversion reaction occurring during their discharge/charge. In the second part, the syntheses of transition metal fluoride perovskites are reported, as well as their electrochemical properties. NaFeF3 demonstrates excellent performances and reversibility. The study of the mechanisms occurring during its charge/discharge processes towards different alkali systems by ex-situ and operando X-ray diffraction reveals that its crystalline framework is maintained along the cycles, resulting in high reversibility and excellent C-rate performance. This retention of the crystal framework is possible by an electrochemical stabilization of a cubic conformation of FeF3, which is usually only observable at high temperature (400 °C), and can be explained by lower reorganizations within the crystal framework. Similar electrochemical properties could be observed for KFeF3 and NH4FeF3, where ammonium ions are reported for the first time as a charge carrier in alkali-ion systems.

In der Entwicklung neuer Agrochemikalien ist es essentiell das weitere Schicksal im Bezug zum Abbau durch abiotische und biotische Einflüsse vorherzusagen. Pestizide gehören zu den Agrochemikalien und durch abiotischen und biotischen Stress werden Transformationsprodukte (TPs) gebildet. Daher ist es von Bedeutung, die TPs von Pestiziden und deren Entstehungsprozess zu untersuchen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit biotischen und abiotischen Umwandlungsprozessen von zwei Modell-Pestiziden, nämlich Chlorpyrifos (ein Insektizid) und Fluopyram (ein Fungizid) unter Verwendung von Modellsystemen. Lebermikrosomeninkubation und elektrochemische Durchflusszellen, die an Online-Massenspektrometrie gekoppelt waren, wurden als experimenteller Modellansatz zu untersuchen um die Biotransformationsprozesse (phase I und phase II) der Ziel-Pestizide. Im zweiten Teil dieser Arbeit, wurden Photodegradationsprodukte der beiden Modellverbindungen durch Bestrahlung mit keimtötendem ultraviolettem Licht (200 - 280 nm) untersucht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Elektrochemie-Massenspektrometrie auf die Herstellung von Referenzstandards für Transformationsprodukte für das gezielte Screening in Lebensmittelproben ausgedehnt. Die strukturelle Aufklärung der Transformationsprodukte erfolgte mittels HPLC, gekoppelt an verschiedene Massenspektrometrietechniken (Single Quad, Triple Quad, FT-ICR HRMS, Triple TOF-MS, Orbitrap HRMS). Zusammenfassend konnte die Kopplung von EC/(LC)/MS als schnelle, zuverlässige, kostengünstige und matrix-unabhängige Methode genutzt werden, um den oxidativen Phase-I und II Metabolismus von Fluopyram und Chlorpyrifos zu simulieren. EC/MS könnte weiterhin zur Synthese von TP Referenzstandards und zur Messung von Realproben genutzt werden. Neue TPs und deren Bildungsmechanismen konnten im Rahmen dieser Dissertation für beide untersuchten Substanzen identifiziert werden. / One of the crucial steps of developing a new agrochemical product is predicting its fate following biotic or abiotic stress. In this regard, pesticides undergo transformation processes in response to biotic and abiotic stress. Therefore, it is important to investigate pesticides’ transformation products (TPs) and the formation processes they undergo. This dissertation deals on biotic and abiotic transformation processes of two model pesticides namely chlorpyrifos (an insecticide) and fluopyram (a fungicide) using model systems. Liver microsome incubation and electrochemical-flow-through cell coupled to online mass spectrometry were used as a model experimental approach to investigate phase I and phase II biotransformation processes of the targeted pesticides. In the second part of this thesis, photodegradation products of the two model compounds were investigated by irradiating with germicidal ultraviolet light (200 – 280 nm). In the last part of this work, electrochemistry-mass spectrometry was scaled-up to the production of transformation product reference standards for targeted screening in different food samples. Structural elucidations of transformation products were performed using HPLC coupled to different mass spectrometry techniques (single quad, triple quad, FT-ICR HRMS, TripleTOF-MS, Orbitrap HRMS). In summary, a fast, reliable, cost-effective and matrix-free simulation of oxidative metabolism (phase I and II) of fluopyram and chlorpyrifos was achieved here by EC/(LC)/MS. EC/MS could, therefore, be scaled up to synthesis TP reference standards for real sample investigation. Additionally, new TPs and their mechanisms were identified for both investigated compounds.

Polyurethane (PU) bilden eine wichtige Klasse von Kunststoffen, die in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz kommen. Damit verbunden sind hohe Ansprüche an die Stabilität und Lebensdauer derartiger Polymere. Das Verständnis wichtiger Abbauprozesse stellt somit die Voraussetzung zur Optimierung deren Einsatzes dar. In dieser Arbeit wurde die Degradation von Ether und Ester Polyurethan-Probenkörpern zuerst durch eine kombinierte Bewitterung aus photochemischer, hydrolytischer und thermischer Beanspruchung simuliert und mit verschiedenen spektroskopischen, massenspektrometrischen und chromatographischen Methoden untersucht. Durch die Wahl zum Teil neuartiger konnten individuelle Prüfkörperhergestellt werden. Analytischer Schwerpunkt der Untersuchungen stellte dabei die Gel-Permeations-Chromatographie (GPC) dar. Mit dieser Methode war es erstmals möglich, aus den zeitlichen Änderungen von Molmassen und Löslichkeiten während der Beanspruchung Rückschlüsse auf einzelne Degradationsmechanismen wie Kettenbruch, Vernetzung und Verzweigung zu ziehen. Kombiniert wurde diese Untersuchung mit spektroskopischen und massenspektrometrischen Verfahren. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die Degradation von Polyurethanen nahezu ausschließlich durch Temperaturerhöhung und UV-Strahlung induziert wurde, während die Feuchtigkeit allein keinen signifikanten Einfluss hatte. Die beobachteten Effekte ließen sich überwiegend durch Kettenbrüche und Verzweigung bzw. Vernetzungen erklären, wobei sich beide Prozesse überlagerten. Die Ergebnisse lassen auch darauf schließen, das Ester PU bei identischen Degradationsbedingungen grundsätzlich stabiler sind und weniger stark abgebaut wurden, als Ether PU. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die kombinierte Bewitterung, die einen natürlichen Abbau simulieren soll, besser zu verstehen und den Anteil der einzelnen Umweltfaktoren auf die Gesamtalterung der Materialen realistischer einzuordnen. / Polyurethanes (PU) are an important class of polymers that are used in many technical applications. Therefore, there are high demands regarding their stability and durability Thus, an understanding of important degradation processes is required for their optimized use. In this thesis, the degradation of ether and ester polyurethane samples was initially simulated by a combined weathering by photochemical, hydrolytic and thermal exposure and investigated with different spectroscopic and mass spectrometric methods. Using innovative manufacturing techniques (e.g. 3D printing, electrospinning) for the fabrication of specimens, individual samples from nano- to centimeter scale became available. Based on the results of the combined weathering, exposure scenarios were developed, which reduced the complexity of the degradation towards the investigation of individual parameters (temperature, UV radiation, humidity). The analytical investigations were focused on gel permeation chromatography (GPC). For the first time, time-depending degradation mechanisms such as chain scission, crosslinking and branching were derived from changes of molecular masses and solubilities during exposure. This chromatographic investigation was combined with spectroscopic and mass spectrometric methods. The results presented in this thesis show, that degradation of polyurethanes was induced almost exclusively by temperature and UV radiation, while moisture alone had no significant influence. The observed effects could mainly be explained by chain scission and branching/crosslinking affecting each other. The results also indicate that ester PU was more stable under identical degradation conditions and degraded less than ether PU. These results might contribute to a better understanding of the combined weathering, which is intended to simulate natural degradation, and might serve for a realistic evaluation of the contribution of single degradation parameters.

Die Kontamination von Trinkwasser mit Arzneimitteln stellt eine ernste Gesundheitsgefahr dar. Um die Trinkwasserqualität kontinuierlich überwachen und im Falle einer Verunreinigung zeitnah reagieren zu können, sind neuartige Sensoren erforderlich. Hier können immunanalytische Methoden, die auf der Bindung des Analyten an hochselektive Antikörper beruhen, hilfreich sein. In dieser Arbeit wurden magnetpartikelbasierte Immunoassays (MBBAs) für zwei relevante Kontaminanten des Trinkwassers entwickelt: Diclofenac (DCF) und Amoxicillin (AMX). Bei letzterem erwiesen sich neben der Ausgangsverbindung auch dessen Hydrolyseprodukte (HPs) als relevant für die Gefährdungsbeurteilung. In einer umfassenden Studie wurde der Einfluss von externen Faktoren und intrinsischen Eigenschaften des Wassers auf die Hydrolysegeschwindigkeit untersucht. Da die Hydrolyse von AMX auch die Erkennung durch den Antikörper beeinflusst, wurde eine Strategie zur Analyse von Proben mit unbekanntem Hydrolysegrad von AMX unter Verwendung des Enzyms β-Lactamase in der Probenvorbereitung entwickelt. Für beide Analyten ermöglichen die MBBAs eine schnelle Quantifizierung mit Ergebnissen in weniger als einer Stunde, was eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Immunoassays wie dem Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) darstellt. Im Vergleich zu den entsprechenden ELISAs mit denselben Antikörpern weisen die MBBAs zudem verbesserte analytische Parameter auf, wie einen breiteren Messbereich und niedrigere Nachweisgrenzen. Aufgrund der magnetischen Eigenschaften der Partikel, die als Plattform für die Assays dienen, eignen sie sich für den mobilen und automatisierten Einsatz vor Ort. Ein integriertes Diagnosesystem, bei dem die elektrochemische Detektion mittels Chronoamperometrie auf einem mikrofluidischen Chip eine weitere Miniaturisierung des Systems ermöglicht, wurde entworfen, um die Überwachung der Trinkwasserqualität online in Wasserwerken zu ermöglichen. / The contamination of drinking water with pharmaceuticals represents a severe health risk. In order to monitor the drinking water quality continuously and enable quick countermeasures in case of contamination, novel sensors are required. Here, immunoanalytical methods based on the binding of the analyte to highly selective antibodies can be helpful. In this work, magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) have been developed for the detection of two relevant contaminants of drinking water: diclofenac (DCF) and amoxicillin (AMX). In case of the latter, not only the parent drug is of interest in the risk assessment but also its hydrolysis products (HPs). In a comprehensive study, the influence of external factors and intrinsic properties of the water on the rate of hydrolysis was investigated. As the hydrolysis of AMX further impacts the recognition by the antibody, a strategy to analyze samples with unknown hydrolysis degree of AMX was established employing the enzyme β-lactamase in sample preparation. For both analytes, the MBBAs enable the fast quantification with results obtained in less than one hour which represents a major improvement over conventional immunoassays like the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Compared to the respective ELISAs with the same antibodies, the MBBAs further exhibit improved analytical parameters such as a broader measurement range and lower limits of detection. Due to the magnetic properties of the beads that serve as a platform for the assays, they are suitable for the mobile and automated detection at the point-of-care. An integrated diagnostic system was designed in which electrochemical detection with chronoamperometry on a microfluidic chip allows for further miniaturization of the system to enable monitoring of the drinking water quality online in water supply pipes at waterworks.

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Zur Restaurierung eutrophierter Seen kommen unterschiedliche chemische Fällmittel zum Einsatz. Eine neuartige Fällmittelkombination von Aluminat und Calciumhydroxid wurde in einem whole-lake-Experiment zur Restaurierung des Tiefwarensees (Mecklenburg-Vorpommern) eingesetzt. Dabei wurden im Laufe der 5 Jahre währenden Fällmittelzugabe ca. 2 t P zusätzlich im Sediment festgelegt. Dadurch wechselte der vorher hocheutrophe See in den mesotrophen Zustand. Mit Sedimentuntersuchungen und einer modellhaften Prognose wird nachgewiesen, dass die P-Retention erhöht und damit eine nachhaltige Wirkung der Restaurierung erzielt wurde. Weiterhin wurde ein neuentwickelter Nitrat-Depotstoff in Labortests und einem Enclosureversuch im Dagowsee (Brandenburg) angewandt. Der Depotstoff stellte das Nitrat zeitverzögert über mehrere Wochen nach der Applikation an der Sedimentoberfläche zur Verfügung. Die erhöhten Nitratkonzentrationen bewirkten zusammen mit dem gleichzeitig eingebrachten P-Bindungspartner Fe eine Vergrößerung der P-Bindungskapazität der behandelten Sedimente. Dadurch wurde die P-Rücklösung aus den Sedimenten mindestens ein Jahr lang beinahe vollständig unterdrückt. Beide Fällmittelkombinationen förderten zunächst hauptsächlich die Bildung anorganischer partikulärer P-Verbindungen im Sediment. Die bakteriellen Mineralisationsprozesse wurden nur indirekt bzw. zeitlich versetzt beeinflusst. Die sich andeutenden Veränderungen in Art und Intensität der mikrobiellen Stoffumsetzungen werden als Folge der Entwicklung der Sedimentation sowie des Sedimentmilieus diskutiert. Um das Gefahrenpotenzial beim Einsatz aluminiumhaltiger Fällmittel in der Seenrestaurierung einschätzen zu können, wurde unter Berücksichtigung der relevanten Mechanismen der Al-Toxizität und der Al-Chemie ein geeignetes Analyse-Verfahren für die Anwendung in karbonatreichen Seen angepasst und damit erstmals die gelösten monomeren Al-Hydroxide, die als potenziell toxisch wirkende Al-Spezies beschrieben werden, vor und während einer Maßnahme analytisch überwacht. Das Risiko einer Al-Giftwirkung auf Organismen im behandelten Tiefwarensee wird als sehr gering eingestuft. / In order to restore eutrophicated lakes different chemical phosphorus precipitation agents are utilized. A novel combined hypolimnetic aluminium and calcium precipitation treatment was first applied to restore Lake Tiefwaren (Mecklenburg Vorpommern, Germany) in a whole-lake-experiment lasting five years. About 2 t of phosphorus, also from deep (> 10 cm) sediment layers, were permanently bound during the restoration and the lake changed from a highly eutrophic to a mesotrophic state. Different investigations of the sediments and a model based prognosis demonstrate that the sediment’s P retention capacity increased indicating that a sustainable restoration effect was obtained. In addition a newly developed nitrate storing compound was tested in the laboratory as well as in a mesocosm experiment in Lake Dagow (Brandenburg, Germany). This compound provides nitrate at the sediment surface for some weeks. The nitrate together with the simultaneously added iron increased the P-retention of the treated sediments. Therefore the P release from sediments was suppressed for at least one year. The addition of both chemical compounds initially enhanced the P precipitation, whereas microbial processes of the P diagenesis were affected indirectly or temporally delayed. The observed changes in microbial activities are discussed as an effect of the changing sedimentation rate and chemical characteristics (pH, redox). In order to assess the risk of toxicity on aquatic organisms by the aluminium compounds used for lake restoration an analytical method was adapted for use in carbonate-rich natural waters. This enabled us for the first time to monitor dissolved aluminium hydroxide, a potentially toxic aluminium species, before and during a restoration process. The risk of a toxic effect on organisms in Lake Tiefwaren was found to be neglectible.

Die Laserablation gekoppelt mit der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma ist eine vielversprechende direkte Feststofftechnik, die sich jedoch bei der Analyse von Kunststoffen wegen des Mangels an matrixangepassten zertifizierten Referenzmaterialien nicht durchsetzen konnte. Vorherige Arbeiten belegen polymerabhängige Abtragsraten. Das oft als interner Standard verwendete Intensitätssignal des Kohlenstoffisotopes 13C zur Korrektur dieser Unterschiede wird in der Literatur kritisch diskutiert. In dieser Arbeit als ein Teil des BMBF-geförderten MaxLaP-Projektes wurden matrixangepasste Standards auf Polyethylen- und Acrylnitril-Butadien-Styrolbasis entwickelt. In diese Standards wurden Br, Cd, Cu, Cr, Fe, Sb in organischer und anorganischer Form ihrer Verbindungen mittels Extrusion eingearbeitet. Die quantitative Zusammensetzung der Materialien wurde mittels ETV-ICP-OES, DC-arc-OES, RFA und ICP-MS nach Mikrowellendruckaufschluss überprüft. Die Verfahren wurden für die Kunststoffanalyse optimiert. Die mikroskopische Homogenität der Einarbeitung wurde mittels µ-SYRFA und LA-ICP-MS untersucht. Zur Untersuchung der Matrixeffekte während der LA-ICP-MS und der matrixunabhängigen Kalibrierung für Kunststoffe wurden der Einfluss der chemischen Verbindung der Additive, die Größe, der bei der Laserablation gebildeten Partikel und die Art des Kunststoffes auf die Laserablation analysiert. Die Korrektur des verschiedenen Materialabtrages über die Verwendung des 13C-Signals konnte für 21 verschiedene Kunststoffe erfolgreich durchgeführt werden. Allerdings zeigen die zugesetzten Additive ein nicht identisches Verhalten hinsichtlich Transport und Ionisierung. Weitere Ergebnisse belegen eine Anreicherung der Additive in verschiedenen Partikelgrößen sowie eine deutlich unterschiedliche Partikelbildung bei Ablationen von verschiedenen polymeren Matrices, was zu einer verstärkten Elementfraktionierung bei einer nicht matrixangepassten Kalibrierung führt. / Laser ablation coupled to a mass spectrometer with inductively coupled plasma (LA-ICP-MS) is a promising direct solid sampling technique. Due to the lack of matrix matched standard materials laser ablation is not well established in polymer analysis. In a recent study a polymer dependent interaction with the laser beam was reported, which resulted in a polymer depending ablation rate. The usage of the carbon-13-signal intensity as internal standard to correct these differences as commonly applied has been critically discussed in literature. In this work as part of a BMBF-supported MaxLaP-project (matrix effects during laser ablation of polymers) matrix matched standards based on polyethylene and acrylonitrile butadiene styrene were developed. In these materials Br, Cd, Cu, Cr, Fe and Sb were incorporated as organic and inorganic compounds through extrusion. Quantitative composition of the materials was determined by ETV-ICP-OES, DC-arc-OES, XRF and ICP-MS after high pressure microwave digestion. Analytical methods were optimized for trace analysis in plastic matrices. Microscopic homogeneity was examined by µ-SyXRF as well as LA-ICP-MS. In order to investigate the matrix effects and to determine the possibility of a matrix independent calibration for plastic materials, the influence of the chemical form of the additives, size of the formed particles and the type of the plastic on the LA-ICP-MS measurements were analyzed. The correction of the material uptake by the carbon-13-signal was successfully applied for 21 different types of plastic. However, different incorporated additives show a different transport and ionization behavior. Furthermore, our results confirm a different enrichment of the additives depending on particle size and a significantly different particle formation for different types of plastic, which leads to a more pronounced elemental fractionation by not using a matrix matched calibration.

Gd-Kontrastmittel werden in der Medizin für die Magnetresonanztomographie (MRT) benötigt, um einen besseren Bildkontrast zu erzielen. Nach der Anwendung gelangen diese Arzneimittel über das Abwasser in die Klärwerke und von dort in die jeweiligen anliegenden Oberflächengewässer. Somit wird es notwendig, den Verbleib der Gd-MRT-Kontrastmittel in der Umwelt zu verfolgen und aufzuklären. In dieser Arbeit werden für die Analyse von Umweltproben Methoden zur Speziesanalytik von Gd-Kontrastmitteln entwickelt und optimiert. Hierbei wird u.a. die Zwitterionische Hydrophile Interaktionschromatographie (HILIC) verwendet, die mit einer Induktiv- gekoppelten Plasma – Massenspektrometrie (ICP-MS) gekoppelt ist. / Gd based contrast agents are used for medical magnetic resonance imaging (MRI) to enhance the contrast of the image. After application and excretion, the drugs pass through the wastewater treatment plant (WWTP) and make their way into the surrounding surface water bodies. This makes it necessary to monitor the fate of the Gd based contrast agents in the environment. In this work, methods for speciation analysis of Gd based contrast agents in environmental samples were developed and optimised. For this purpose i.a. zwitterionic hydrophilic interaction chromatography (HILIC) is used, which is hyphenated with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

Auf Basis moderner unabhängiger Analysenmethoden wurden selektive und spezifische Analysenverfahren für die Analytik von Phenolen, unter besonderer Berücksichtigung der Alkylphenole entwickelt, optimiert und teilweise validiert. Es wurden Verfahren für die Hochleistungs-Flüssigchromatographie - Massenspektrometrie (HPLC-MS), Hochleistungs-Flüssigchromatographie - Kernmagnetische Resonanzspektrometrie (HPLC-NMR), Gaschromatographie - Massenspektrometrie (GC-MS) und Kapillarelektrophorese (CE) entwickelt. Die HPLC-MS wurde mit den Atmosphärendrucktechniken "Electrospray Ionization" (HPLC-ESI-MS) und "Atmospheric Pressure Chemical Ionization" (HPLC-APCI-MS) eingesetzt. Die Gaschromatographie wurde in Kopplung zu einem hochauflösenden Massenspektrometer (GC-HRMS) und in Kopplung zu einem niederauflösenden Quadrupol-Spektrometer (GC-LRMS) verwendet. Mit der Kapillarelektrophorese wurden Verfahren in den Modi "Kapillar-Zonen-Elektrophorese (CZE) und "Micellare Electrokinetische Chromatographie (MEKC) mit verschiedenen internen Anreicherungstechniken ("Stacking") entwickelt. Für die Validierung des MEKC-Verfahrens mit interner Anreicherung ("Direktes-MEKC-Stacking") wurde ein Ringversuch organisiert und durchgeführt. Anhand von representativen Modellgemischen wurden die Verfahren geprüft und miteinander verglichen. Die Modellgemische sind reproduzierbar herstellbar; ihre Stabilität und Homogenität wurde abgesichert, so daß sie als synthetische Referenzmaterialien zur laborinternen Qualitätssicherung, zur Methodenbewertung und zum Laboratoriumsvergleich eingesetzt werden können. Anhand von charakteristischen Kenngrößen wie Bestimmungsgrenzen, Selektivität, Zeitaufwand, Kosten und Meßunsicherheiten wurden die Verfahren auf ihre Eignung als Standard- bzw. Referenzverfahren bewertet. Die Verfahren der HPLC-NMR, HPLC-ESI-MS, HPLC-APCI-MS und GC-HRMS können mit unterschiedlichem Einsatzbereich als Referenzverfahren für die Analytik von Phenolen eingesetzt werden. Die GC-HRMS ist dabei das leistungsstärkste Referenzverfahren. Die Verfahren der GC-LRMS und CE ("Direktes-MEKC-Stacking") sind als Standardverfahren geeignet und besitzen alle Voraussetzungen um auch als Normverfahren für die Analytik von Phenolen eingeführt zu werden. / Different selective and specific analysis procedures were developed for the determination of phenol derivatives, in particular alkylphenols, in environmental relevant matrices using High-Performance Liquid Chromatography - Mass Spectrometry (HPLC-MS), High-Performance Liquid Chromatography- Nuclear-Magnetic Resonance Spectrometry (HPLC-NMR), Gas Chromatography- Mass Spectrometry (GC-MS) and Capillary Electrophoresis (CE). HPLC-MS was used with atmospheric pressure ionization techniques, Electrospray Ionization (HPLC-ESI-MS) and Atmospheric Pressure Chemical Ionization (HPLC-APCI-MS). Analysis procedures for GC-MS were developed for a high resolution mass spectrometer (GC-HRMS) and a low resolution benchtop quadrupole mass spectrometer (GC-LRMS). CE was used in the Capillary Zone Electrophoresis (CZE) and Micellar Electrokinetic Chromatography (MEKC) mode with different internal stacking techniques. The MEKC procedure with internal stacking (called "Direct-MEKC-Stacking") was validated by an interlaboratory comparison test. These procedures were tested and optimized using representative model mixtures and the most efficient then validated. The model mixtures were produced reproducably and their stability and homogeneity were demonstrated for the application as synthetic reference materials, e.g. for internal laboratory control, quality assurance or method development. The different analysis procedures were categorized as standard- or reference procedures on the basis of characteristic properties, e.g. detection limits, selectivity, analysis time, cost and uncertainty. HPLC-NMR, HPLC-ESI-MS, HPLC-APCI-MS, GC-HRMS can be used as reference procedures for different fields of use. Best performance can be reached with GC-HRMS. GC-LRMS and "Direct-MEKC-Stacking" can be used as standard procedures for the analysis of phenol derivatives and they fulfill all conditions for their implementation in standardization.

DieMenschheit ist vielfältigen chemischenWirkstoffen ausgesetzt – zum Beispiel durch Kosmetika und Pharmazeutika sowie durch viele andere chemische Quellen. Es wird angenommen, dass diese stetige Exposition mit Chemikalien gesundheitliche Beeinträchtigungen bei Menschen hervorruft. Zudem haben Regulierungsbehörden aus Europa und den USA festgestellt, dass es ein Risiko gibt, welches mit der kombinierten Exposition durch mehrere Chemikalien im Zusammenhang steht. Mögliche Kombinationen von Tausenden Wirkstoffen zu testen, ist sehr zeitaufwendig und nicht praktikabel. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist es, die Probleme von Off-target-Effekten chemischer Strukturen zu benennen – mit den Mitteln der Chemieinformatik, der strukturellen Bioinformatik sowie unter Berücksichtigung von computerbasierten, systembiologischen Ansätzen. Diese Dissertation ist in vier Hauptprojekte eingeteilt. ImProjekt I (Kapitel 3)wurde ein neuartiger Ensemble-Ansatz basierend auf der strukturellen Ähnlichkeit von chemischenWirkstoffen und Bestimmungen von toxischen Fragmenten implementiert,um die orale Toxizität bei Nagetieren vorherzusagen. Im Projekt II (Kapitel 4) wurden – auf der Grundlage von Daten des Tox21 Wettbewerbs – unterschiedliche Machine-Learning Modelle entwickelt und verglichen, um die Komponenten vorherzusagen, die in den toxikologischen Stoffwechselwegen mit Zielmolekülen interagieren von target-spezifischenWirkstoffen vorherzusagen. In Projekt III (Kapitel 5) wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, welcher das dreigliedrige Konzept aus computerbasierter Systembiologie, Chemieinformatik und der strukturellen-Bioinformatik nutzt, um Medikamente zu bestimmen, welche das metabolische Syndrom hervorrufen. In Projekt IV (Kapitel 6) wurde in silico ein Screening Protokoll entwickelt, welches die strukturelle Ähnlichkeit, die pharmakophorischen Eigenschaften und die Überprüfung von computerbasierten Docking Studien berücksichtigt. / Exposure to various chemicals agents through cosmetics, medications, preserved food, environments and many other sources have resulted in serious health issues in humans. Additionally, regulatory authorities from Europe and United States of America have recognized the risk associated with combined exposure to multiple chemicals. Testing all possible combinations of these thousands of compounds is impractical and time consuming. The main aim of the thesis is to address the problem of off-targets effects of chemical structures by applying and developing cheminformatics, structural bioinformatics and computational systems biology approaches. This dissertation is divided into four main projects representing four different computational methods to aid different level of toxicological investigations. In project I (chapter 3) a novel ensemble approach based on the structural similarity of the chemical compounds and identifications of toxic fragments was implemented to predict rodent oral toxicity. In project II (chapter 4) different machine learning models were developed and compared using Tox 21 challenge 2014 data, to predict the outcomes of the compounds that have the potential to interact with the targets active in toxicological pathways. In project III (chapter 5) a novel approach integrating the trio concept of ’computational system biology, cheminformatics and structural bioinformatics’ to predict drugs induced metabolic syndrome have been described. In project IV (chapter 6) a in silico screening protocol was established taking into the structurally similarity, pharmacophoric features and validation using computational docking studies. This approach led to the identification of novel binding site for acyclovir in the peptide binding groove of the human leukocyte antigen (HLA) specific allele.