Immunoassays basieren auf der Anwendung von Antikörpern, welche selektiv den zu messenden Analyten binden. Die Richtigkeit der erhaltenen Ergebnisse hängt maßgeblich von der Selektivität der Antikörper ab und kann durch Interferenzen gestört werden. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, bei der die Probe mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (LC) in Fraktionen aufgetrennt wird und diese Fraktionen anschließend mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) vermessen werden. Dieses Verfahren wurde als LC-ELISA bezeichnet. Das erhaltene Profil aus im ELISA gemessener Analytkonzentration in Abhängigkeit von der Elutionszeit wurde als LC-ELISAgramm bezeichnet und bietet die Möglichkeit, Interferenzen zu erkennen, welche beim ELISA unentdeckt bleiben. Als Modellanalyten für die zu untersuchenden ELISAs dienten Sulfamethoxazol (SMX), Carbamazepin (CBZ) und Estron (E1). Dabei wurden verschiedene Umweltmatrices wie Oberflächenwasser und Abwässer mit dem jeweiligen ELISA vermessen. Es wurde ein Ansatz zur Unterscheidung von spezifischen und unspezifischen Interferenzen in Umweltproben aufgezeigt. Durch diesen Ansatz und Anwendung der sauren Hydrolyse der Probe war es möglich, einen bisher unbekannten SMX-Metaboliten zu detektieren und dessen wahrscheinliche Kreuzreaktivität mit 460 ± 150 % abzuschätzen. Es wurde zudem ein neuer Tracer in einer linearen 13-Stufen-Synthese entwickelt, wobei neuartig die Konjugation der Peroxidase an der N1-Position des SMX erfolgte. / Immunoassays are based on the use of antibodies that selectively bind the analyte. The trueness of the results obtained depends to a great extent on the selectivity of the antibodies and can be affected by interferences. In this study, a method was developed in which the sample is separated into fractions by using high-performance liquid chromatography (LC) and these fractions are measured using an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). This method was referred to as LC-ELISA. The profile obtained from the measured analyte concentration by ELISA as a function of the elution time was referred to as LC-ELISAgram and offers the possibility to detect interferences which otherwise remain undetected during the ELISA. Sulfamethoxazole (SMX), carbamazepine (CBZ) and estrone (E1) were used as model analytes for the ELISA and LC-ELISA measurements. Various environmental matrices such as surface water and wastewater were examined for their interference in the respective ELISA. The good quantification properties of the validated LC-ELISA have been used to demonstrate an approach to distinguish between specific and non-specific interferences from environmental samples. By this approach and application of acidic hydrolysis of the sample, it was possible to detect a previously unknown metabolite of SMX and estimate its cross-reactivity to probably 460 ± 150%. Furthermore, a new tracer was developed in a linear 13-step synthesis, which resulted in the novel conjugation of the peroxidase at the N1-position of SMX. The new hapten was also used for the synthesis of a novel immunogen.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung neuer chemischer Sonden zur Überwachung der Aktivität von ASM sowohl in vitro als auch in vivo. Darüber hinaus wurde auch die Optimierung der angegebenen Sonden (besser: bereits publizierter Sonden) durchgeführt. Im ersten Teil dieser Studie wurden zwei Eu-Komplexe ausgehend von handelsüblicher Chelidaminsäure synthetisiert und führten zu einer guten Ausbeute mit hoher Reinheit. Die synthetisierten Sonden 4-D+ und 5-D+ wurden zum Nachweis verschiedener Phosphate und Carboxylatspezies verwendet. Sie wurden zur Überwachung der ASM-Aktivität durch den Nachweis des enzymatisch freigesetzten Phosphorylcholins (PC) eingesetzt. Trotz der vielversprechenden Abnahme der Lumineszenz von 4-D+ als Reaktion auf das anorganische PC zusätzlich zur Simulationsreaktion zur Änderung des SM / PC-Verhältnisses wurde in allen enzymatischen homogenen und heterogenen Experimenten ein allgemeiner Löscheffekt beobachtet. Der 5-D+ Komplex könnte zur Überwachung des ATP-hydrolysierenden Apyrase-Enzyms in Echtzeit verwendet werden. Im zweiten Teil dieser Studie wurden verschiedene FRET- und monomarkierte ASM-Sonden entworfen und synthetisiert. Eine neuartige FRET-Sonde mit einem besseren 2P-anregbaren Cumarinderivat zeigte eine etwa 20% Steigerung der Cumarinintensität im Vergleich zum alten Cumarinderivat. Eine neue Generation von ASM-Sonden mit einer quaternären Ammoniumgruppe, die das natürliche Substrat nachahmt, wurde ebenfalls entworfen und synthetisiert. Alle neuen quaternären Sonden wurden als ASM-Substrate nachgewiesen und zeigten unterschiedliche kinetische Parameter. Sie zeigten höhere Umsatz-Kcat-Werte im Vergleich zur nicht quaternären Sonde. Die meisten neuen Sonden zeigten auch höhere Spezifitätskonstanten gegenüber dem ASM-Enzym. / Sphingolipids are a family of bioactive signalling molecules. Besides their role in cellular structure, sphingolipids act as key regulators of many cellular functions including cell proliferation, differentiation, and apoptosis. The acid sphingomyelinase (ASM) catalyses the hydrolysis of sphingomyelin (SM) to ceramide, a metabolic hub of sphingolipid metabolism, and phosphoryl choline. Due to the lack of biochemical analytical tools, the molecular details of acid sphingomyelinase activity are still not fully discovered, and the development of pharmacological inhibitors is also hampered. The scope of this work is to develop new chemical probes for monitoring the activity of ASM both in vitro and in vivo.

In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte des Designs und der Funktionsweise von in Flüssigkeit betriebenen Graphen-basierten Sensoren untersucht, wodurch neue Einblicke in grundlegende Prozesse an der Graphen-Flüssigkeits-Grenzfläche gewonnen werden. Zunächst wird die Wirkung redoxaktiver Moleküle in der Elektrolytlösung in elektrochemisch gesteuerten Graphen-FETs untersucht. Während des Betriebs kann ein heterogener Elektronentransfer stattfinden, der zu Faradayschen Strömen am Graphenkanal führt. Diese führen zu Verschiebungen der Transferkurve von Graphen, da die Graphen-Flüssigkeits-Grenzfläche eine nur teilweise polarisierbare Elektrode darstellt. Dies wird als „Faradayscher Effekt“ bezeichnet. Er unterscheidet sich grundlegend von typischen Transduktionsmechanismen. Parameter, die den Faradayschen Effekts beeinflussen, werden detailliert untersucht. So sind die Verschiebungen z.B. abhängig von der Graphenkanalfläche. Der zweite Abschnitt konzentriert sich auf die Kante von Graphen, die einen nanoskopischen eindimensionalen Defekt des zweidimensionalen Materials darstellt. In dieser Arbeit wird ein neuer Graphen-FET vorgestellt, der auf der Steuerung von Graphen nur über die elektrochemische Doppelschicht an der Kante basiert. Um dies zu erreichen, wird der basale Teil des Graphens durch eine Passivierung vollständig von der Elektrolytlösung abgeschirmt. Des Weiteren wird gezeigt, dass die Kante des Graphens durch elektrochemische Modifizierung kovalent funktionalisiert werden kann, wodurch die Ladungsdichte an der Graphenkanten-Flüssigkeits-Grenzfläche effektiv verändert wird. Dabei bleiben die vorteilhaften Eigenschaften der Devices erhalten. Schließlich wird ein neuartiger Ansatz zu Untersuchungen an der Graphenkante in Form von mit hexagonalem Bornitrid-verkapseltem Graphen-Elektroden verfolgt. Die elektroanalytische Detektion von Ferrocenmethanol und Dopamin an der Graphenkante mittels zyklischer Voltammetrie wird an diesen Elektroden gezeigt. / Several aspects of the design and function of sensors based on graphene operated in liquid have been investigated in this thesis, providing new insight into fundamental processes at the graphene-liquid-interface. First, the effect of the presence of redox active molecules in the analyte solution of electrochemically gated graphene FETs is explored. During operation, heterogeneous electron transfer may occur at relevant potentials leading to Faradaic currents at the graphene channel. These lead to doping-like shifts of the transfer curve of graphene, as the graphene-liquid-interface represents a partially polarizable electrode. Due to the origin of the shifts, this observation is termed “Faradaic effect”. It is fundamentally different from typically discussed transduction mechanisms. Parameters influencing the direction and magnitude of the Faradaic effect are discussed in detail, e.g. the shifts are the stronger, the larger the area of the graphene channel. The second part focuses on the edge of graphene, which represents a nanoscopic one-dimensional defect of the two-dimensional material. Here, a new type of graphene FET is introduced based on electrochemical gating of graphene exclusively via the electrical double layer at its edge. To achieve edge-gating, the basal part of graphene is passivated by a photoresist and shielded entirely from interaction with the solution. It is demonstrated that the edge of graphene can be functionalized covalently via electrografting. This changes the charge density at the graphene edge-liquid-interface effectively, while maintaining the favorable transfer characteristics of the devices. Finally, a novel approach towards graphene edge devices was pursued in the form of hexagonal boron nitride encapsulated graphene. The electrochemical detection of ferrocene methanol and dopamine was demonstrated in standard and fastscan cyclic voltammetry at the edge of graphene in these devices.

In dieser Arbeit wurden zwei Messaufbauten für die online Gasanalyse von elektrochemischen Reaktionen entwickelt und im Hinblick auf ihre Unterschiede und Gemeinsamkeiten sowie auf den Designprozess im Allgemeinen verglichen: Differenzielle elektrochemische Massenspektrometrie (DEMS) zur Untersuchung von Nebenreaktionen in Natriumionenbatterien (SIBs). Verschiedene Designansätze aus der Literatur wurden verglichen, um den für die Anwendung in SIBs am besten geeigneten zu finden. Danach wurde ein selbst entwickeltes Design implementiert und validiert. Für die Datenauswertung wird ein neuartiger Ansatz für DEMS in Alkaliionenbatterien vorgestellt, der eine interne Validierung der Ergebnisse ermöglicht. Eine Zusammenfassung der Literatur über bekannte Reaktionen, die zur Gasbildung in Alkali-Ionen-Batterien führen, wird als Referenz die Gasentwicklung in den in dieser Arbeit untersuchten Materialien herangezogen. Das System wird zur Messung der Gasentwicklung verschiedener Elektrodenmaterialien in Halbzellenkonfiguration und zur Bewertung des Zusammenspiels einiger Elektroden in Vollzellenkonfiguration verwendet. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um: Natrium-Mangan-Nickeloxid (NaMNO), Natrium-Vanadium-Phosphat (NVP), Preußisch Weiß (PW), Graphit und Hartkohlenstoff. Als Elektrolyte wurden überwiegend 1M NaPF6 in Diglyme (2G), bzw. Propylencarbonat (PC) verwendet. Das zweite System ist eine rotierende Scheibenelektrode in Verbindung mit Gaschromatographie (RDE-GC). Es wurde entwickelt, um kinetische Effekte bei der elektrokatalytischen CO2-Reduktion an Kupferelektroden zu untersuchen. Die Korrelation von Massentransporteigenschaften und der Gasproduktanalyse kann Aufschluss über die Massentransportabhängigkeit von Selektivität und Aktivität der Reaktion geben. Hier wird die Gasanalyse genutzt, um die elektrochemischen Daten in Teilstromdichten zu dekonvolutieren, die unter definierten Stofftransportbedingungen zur Bildung verschiedener Produkte führen. / In this thesis two independent measurement setups for online gas analysis, in electrochemical reactions are developed and compared in terms of their differences and similarities and on the design: Differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) for the investigation of side reactions in sodium-ion batteries (SIBs). Different design approaches from literature are evaluated to find the most suitable for the application in SIBs. After that a custom design is implemented and validated. A novel approach to DEMS in alkali-ion batteries for the data evaluation is presented, that enables internal verification of the results. Known reactions that lead to gas formation in alkali-ion batteries are reviewed form the literature, as a reference to discuss the gas evolution found in materials investigated. The system is used to measure the gas evolution of different electrode materials in half-cell configuration, and to evaluate the interplay of some of the electrodes in full-cell configuration. Materials that are studied are: sodium manganese nickel oxide (NaMNO), sodium vanadium phosphate (NVP), prussian white (PW), graphite and hard carbon. To do that two model electrolytes were selected 1M NaPF6 in diglyme (2G) and propylene carbonate (PC). The second system is a rotating disc electrode coupled with gas chromatography (RDE-GC). It is designed to study kinetic effects on the electrocatalytic CO2 reduction (CO2RR) on copper electrodes. The correlation of defined mass transport properties and gas product analysis can give insight into the mass transport dependencies on the selectivity and activity of the reaction. Here the gas analysis is used to deconvolute the electrochemical data into partial current densities, that lead to the formation of different products, under defined mass transport conditions. While some challenges remain, preliminary data that underlines the capability of such system as well as the findings on how to design such a system are presented.

Massenspektrometrisches Imaging (MSI) ist unverzichtbar für die Untersuchung der räumlichen Verteilung von Molekülen in einer Vielzahl von biologischen Proben. Seit seiner Einführung hat sich MALDI zu einer dominierenden Bildgebungsmethode entwickelt, die sich als nützlich erwiesen hat, um die Komplexität von Lipidstrukturen in biologischen Geweben zu bestimmen. Einerseits ist die Rolle von Cisplatin bei der Behandlung von menschlichen malignen Erkrankungen gut etabliert, jedoch ist Nephrotoxizität eine limitierende Nebenwirkung, die Veränderungen des renalen Lipidprofils beinhaltet. Dies führte zu der Motivation, die Lipidzusammensetzung des Nierengewebes in mit Cisplatin behandelten Ratten zu untersuchen, um die involvierten Lipid-Signalwege aufzuklären. Es wurde eine Methode zur Kartierung der Lipidzusammensetzung in Nierenschnitten unter Verwendung von MALDI MSI entwickelt. Die Verteilung von Nierenlipiden in Cisplatin-behandelten Proben zeigte deutliche Unterschiede in Bezug auf die Kontrollgruppen. Darüber hinaus wurde die Beurteilung der Ionenbilder von Lipiden in Cisplatin-behandelten Nieren meist als qualitative Aspekte betrachtet. Relative quantitative Vergleiche wurden durch den variablen Einfluss von experimentellen und instrumentellen Bedingungen begrenzt. Daher bestand die Notwendigkeit, ein Normalisierungsverfahren zu entwickeln, das einen Vergleich der Lipidintensität verschiedener Proben ermöglicht. Das Verfahren verwendete einen Tintenstrahldrucker, um eine Mischung der MALDI-Matrix und der internen internen Lipid-Metall-Standards aufzubringen. Unter Verwendung von ICP-MS erlaubte der interne Metallstandard, die Konsistenz der Matrix und der internen Standards zu bestätigen. Die Anwendung der Methode zur Normalisierung von Ionenintensitäten von Nierenlipiden zeigte eine ausgezeichnete Bildkorrektur und ermöglichte einen relativen quantitativen Vergleich von Lipidbildern in Cisplatin-behandelten Proben. / Mass spectrometry imaging is indispensable for studying the spatial distribution of molecules within a diverse range of biological samples. Since its introduction, MALDI has become a dominant imaging method, which proved useful to sort out the complexity of lipid structures in biological tissues. The role of cisplatin in the treatment of human malignancies is well-established. However, nephrotoxicity is a limiting side effect that involves an acute injury of the proximal tubule and alterations in the renal lipid profile. This evolved the motivation to study the spatial distribution of lipids in the kidney tissue of cisplatin-treated rats to shed light on the lipid signaling pathways involved. A method for mapping of lipid distributions in kidney sections using MALDI-LTQ-Orbitrap was developed, utilizing the high performance of orbitrap detection. The distribution of kidney lipids in cisplatin-treated samples revealed clear differences with respect to control group, which could be correlated to the proximal tubule injury. The findings highlight the usefulness of MALDI MSI as complementary tool for clinical diagnostics. Furthermore, assessment of the ion images of lipids in cisplatin-treated kidney mostly considered qualitative aspects. Relative quantitative comparisons were limited by the variable influence of experimental and instrumental conditions. Hence, the necessity developed to establish a normalization method allowing comparison of lipid intensity in MALDI imaging measurements of different samples. The method employed an inkjet printer to apply a mixture of the MALDI matrix and dual lipid-metal internal standards. Using ICP-MS, the metal internal standard allowed to confirm the consistency of the matrix and internal standards application. Applying the method to normalize ion intensities of kidney lipids demonstrated excellent image correction and successfully enabled relative quantitative comparison of lipid images in control and cisplatin-treated samples.

Das Verständnis natürlicher biologischen Materialien für die Entwicklung neuer biomimetischer Materialien ist von großem Interesse in der Chemie und den Materialwissenschaften. In vielen komplexen biomolekularen Materialien ist die Etablierung der Struktur-Funktionsbeziehungen von Proteinbausteine notwendig, um die Eigenschaften der daraus aufgebauten weichen, biologischen Materialien zu verstehen, wie z. B. die extrazelluläre Matrix. Inspiriert durch bekannte Faltungsmotive von ECM-Proteinen, wurden vereinfachte Modellpeptide entwickelt, um deren Funktion zu untersuchen oder diese als biomimetische Bausteine für synthetische Biomaterialien zu verwenden. Ziel dieser Arbeit war die Synthese von hybriden Hydrogelen, die aus einem synthetischen Polymer und ECM-inspirierten Modellpeptiden zusammengesetzt sind. Insbesondere Kollagen-mimetische Peptide und Coiled-Coil-formende Peptide wurden benutzt, um das biokompatible und hydrophile Polymer Polyethyleneglykol zu vernetzen. Dabei wurde von der Fähigkeit dieser Peptide zur dynamischen Selbstassemblierung Gebrauch gemacht. Unter Verwendung von Kollagen-mimetischen Peptiden mit langsamer Dissoziationskinetik wurden Hydrogele synthetisiert, die weichen, glasartigen Materialien mit einem gestauchten exponentiellen Relaxationsverhalten entsprechen und auch einen Alterungsprozess zeigen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Netzwerkkonnektivität ein bis dato selten gebrauchter Designparameter ist, um die rheologischen Eigenschaften von Hydrogelen nach Wunsch zu kontrollieren. Die Kombination molekular einstellbarer Vernetzer mit einem Fluoreszenz-Reportersystem, welches deren Zustand auslesen kann, kann detaillierte Einblicke in das Reaktionsvermögen solcher Netzwerke auf mechanische Stimuli ermöglichen. Das Verständnis molekularer Prozesse erlaubt langfristig die Synthese von ECM-inspirierten Biomaterialien, deren Eigenschaften nach Wunsch einstellbar sind und die selbst ihren mikroskopischen und mesoskopischen Zustand anzeigen. / Understanding natural biological materials for the development of novel biomimetic materials has drawn enormous attention from the areas of chemistry and material science. In many complex biomolecular materials, establishing molecular structure-function relationships of proteins forms the basis for understanding the emerging properties of various biological soft materials, such as the extracellular matrix (ECM). Inspired by common association motifs of ECM proteins, simplified model peptides have been developed for functional studies and as biomimetic building blocks for synthetic biomaterials. The aim of this thesis was to utilize ECM-inspired and molecularly controlled model peptides for the synthesis of peptide-polymer hybrid hydrogels. Specifically, collagen-mimetic peptides (CMPs) and coiled coil (CC)-forming peptides were utilized to crosslink the biocompatible and hydrophilic polymer poly(ethylene glycol) (PEG), making use of the ability of these peptides to dynamically self-assemble. Employing CMPs with slow dissociation kinetics, hydrogels have been synthesized that resemble soft glassy materials with compressed exponential relaxation and aging. Furthermore, network connectivity has been shown to be an underutilized design parameter for tuning the rheological properties of hydrogels. Combining molecularly controlled crosslinks with a fluorescence reporter system that allows to read out crosslink status will ultimately allow for more detailed insights into the response of such networks to mechanical perturbation and thus aid the synthesis of ECM-inspired biomaterials with tunable and self-reporting properties.

Das Hauptanliegen dieser Arbeit war es valide chemische Verfahren für die Optimierung der Gesamtleistung von Glykan-Microarrays bereitzustellen. Dafür erfolgte eine gründliche Untersuchung jedes einzelnen Prozessschritts innerhalb der Arrayproduktion durch Anwendung komplementärer Methoden der chemischen Oberflächenanalytik. Mit Hilfe von fortgeschrittenen Verfahren der Elektronen-Spektroskopie für die chemische Anlayse (ESCA/XPS) wurden valide quantitative Daten bei der chemischen Charakterisierung der Oberflächen erhalten die mit den häufig eingesetzten qualitativen bzw. indirekten Verfahren (z.B. Kontaktwinkel Goniometrie und Fluoreszenz-Spektroskopie) so nicht erhalten werden können. Die robuste Anbindung von Glykanen auf der Substratoberfläche ist Voraussetzung für eine reproduzierbare Anwendung in der Diagnostik aber auch für die Entwicklung valider quantitativer Charakterisierungsmethoden zur Bewertung der Effizienz der Immobilisierungsreaktionen. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung und Optimierung der Glykananbindung an amin-reaktive Oberflächen. Hierzu wurden z.B. spezielle Glykane mit Fluorlabel auf epoxid-funktionalisierten Siliziumoberflächen immobilisiert. Eine Quantifizierung der angebundenen Glykane ist zum Beispiel über die Bestimmung der CF3-Gruppe im hochaufgelösten C1s XPS Spektrum möglich. Die Interaktionen Sonde-Analyt wurden modellhaft mit immobilisierten Glykanen und dem Lektin Concanavalin A mit Verfahren der chemischen Oberflächenanalytik untersucht. Neben der chemischen Charakterisierung frisch präparierter Glykansonden wurde auch das Alterungsverhalten der Glykan-Microarrays untersucht. / The objective of this research is to sidestep many of the initial and current problems of glycan microarray based devices by using new analytical approaches to control molecular engineering. For this purpose, a thorough investigation of each individual step in the array production is carried out by applying complementary methods of surface chemical analysis. New fluorophore-free protocols based on methods of surface analysis as XPS will be developed and validated to enable glycan microarray performance optimization. The advantage of these methods is the direct quantitative access to chemical bonds at high lateral resolution. In contrast to the frequently used qualitative or indirect methods (e.g. contact angle goniometry and fluorescence spectroscopy), valid quantitative data are obtained. The robust binding of glycans on the substrate surface, is a prerequisite for a reproducible application in the diagnostics but also for the development of valid quantitative characterization methods for the evaluation of the efficiency of the immobilization reactions. One focus of the work was the characterization and optimization of the glycan binding to popular amine-reactive surfaces. For this purpose, specific glycans with fluorine-label were immobilized on epoxide-functionalized silicon surfaces. A quantification of the attached glycan molecules is possible, for example, by determining the amount of CF3 groups using the high-resolution C1s XPS spectrum. The interactions between model probe (glycan molecules) and model analyte (lectin concanavalin A) were investigated using powerful methods surface chemical analysis. In addition to the chemical characterization of freshly prepared glycan probes, the aging behavior of the glycan microarrays was also investigated.

In den letzten Jahren gab es rasche Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Nukleinsäure-Erkennung. Von microRNA-Quantifizierung zur Untersuchung von Zelltods, --Teilung und -Regulation bis zur Bewertung genetischer Variabilität in Hinblick auf Krankheitsentstehung und -Behandlung: Die Analyse von Nukleinsäuren wird in der zukünftigen Medizin eine zentrale Rolle zukommen. Vor allem die Erkennung von SNPs als Hauptquelle der genetischen Vielfalt, aber aus Analysesicht auch eine der herausforderndsten Mutationen, stellt in dieser Hinsicht einen wesentlichen Aspekt dar. Methoden zur SNP-Erkennung müssen nicht nur sensibel, selektiv und stabil, sondern auch vielfältig sein und eine der wachsenden Analyseanzahl gerecht werdende hohe Verarbeitungsmenge bieten. Im Rahmendieser Arbeit wurde ein chemisches Prüfverfahren zur Erkennung von Nukleinsäuren und Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) entwickelt. Das Reaktionssystem zur Nukleinsäuren- Erkennung beruht hierbeiauf der Interaktion zweier modifizierter Peptid-Nukleinsäure (PNS) Oligonukleotiden. Das Erste beinhaltet einen C-terminalen Thioester (Donor-Sonde), die zweite einen N-terminalen Cysteinyl-Rest (Akzeptor-Sonde). Zusätzlich ist die Donor-Sonde durch einenmakrocyclischen Metall Chelatkomplex aus 1,4,7,10-tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure(DOTA) mit einem gebundenen lanthanoid-tag funktionalisiert. In die Akzeptor-Sonde wurde, zurReinigung mit magnetischen Streptavidin Partikeln, Biotin integriert. Der Ziel-DNA-Strang bringt beideSonden in räumliche Nähe zueinander und ermöglicht so eine chemische Reaktion. Das so gewonneneLigationsprodukt beinhaltet den Lanthanoid-Tag und Biotin, über welches das Produkt gereinigt wird,bevor die Detektion mittels ICP-MS erfolgt. Die Lanthanoid Konzentration dient als Indikator desLigationsprodukts welches wiederum den Reporter des Ziel-DNS-Strangs darstellt. Die, mithilfe diesesSystems erreichte, methodische Nachweisgrenze lag bei 29 pM mit einem RSD von 6,8% bei 50 pM(n=5). Zur Erkennung von SNPs wurde das Experiment mit einer Kombination zweier-Sets PNS Sonden mit unterschiedlichen Lanthanoid Tags durchgeführt. Das erste Set zielte auf die SNP beinhaltende Sequenz (Reportersystem) ab, während das zweite an eine benachbarte Sequenz (Kontrollsystem) binden sollte. Zur Erkennung der SNP wurden die Signale bei der Lanthanoide wurden ins Verhältnis gesetzt. Mithilfe dieses Verfahrens konnte durch Messung von sechs Lanthaniden bei einer Konzentration von 5 nM erfolgreich simultan zwischen den Allelen dreier SNPs unterschieden werden. / The field of nucleic acid detection has evolved swiftly in recent years. From quantification of micro RNA for the study of cell death, proliferation, and regulation, to the assessment of the influence of genetic variability towards disease development and treatment, the analysis of nucleic acids will play a central role in future medicine. In that regard, the detection of SNPs, as the primary source of genetic variability and the most challenging mutation from the analytical point of view, will be at the forefront of the discussion. Methods for the detection of SNPs not only require sensitivity, selectivity and robustness, but they should also allow multiplexing and offer high throughput in order to face the growing analysis demand In this work an assay for the detection of nucleic acids and single nucleotide polymorphisms (SNPs) was developed. The reaction system for the detection of nucleic acids is based on the interaction between two modified peptide nucleic acid (PNA) oligonucleotides. The first incorporated a C-terminal thioester (donor probe), and the second one a N-terminal cysteinyl residue (acceptor probe). In addition, the donor probe is functionalized with a metal-tag, which consist of a macrocyclic metal chelate complex of 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) with a chelated lanthanoide. A biotin tag for purification by streptavidin magnetic particles was incorporated in the acceptor probe. The target DNA strand brings together the reporter probes allowing the chemical reaction. The resulting ligation product contains the metal-tag and the biotin, which is used to purify the product before measurement in the ICP-MS system. The lanthanoid concentration is used as an indicator of the ligation product, which at the same time serves as reporter of the target template. The methodological limit of detection achieved with this system was 29 pM with RSD of 6.8% at 50 pM (n=5). Detection of SNPs was performed using a combination of two sets of PNA probes labeled with different lanthanoid metal tags. The first probe set targeted the sequence where the SNP was present (reporter probe system), while the second set of probes was designed to bind to a neighboring sequence (control probe system). The signals of both lanthanides were used to establish a ratio that allowed the detection of the SNP. This assay was successfully used to simultaneously differentiate between alleles of 3 SNPs by measuring six lanthanoids at 5 nM concentration.

Zwei Modellreaktionen wurden mit thermoresponsiven Nanoreaktoren untersucht. Die Reduktion von 4-Nitrophenol und von Kaliumhexacyanidoferrat(III) mit Natriumborhydrid. Die Nanoreaktoren bestehen aus einem Polystyrol Kern, umgeben von einer Hydrogel Schale aus Poly-(N-Isopropylacrylamid). Die Reaktionen werden auf der Oberfläche von Metall Nanopartikeln in der Hydrogel Schale katalysiert. In einer auf Gold- und Silberkatalysatoren fokussierten Literaturstudie zeigte sich, dass der geschwindigkeitsbestimmende Reaktionsschritt zwischen beiden Metallen variieren könnte. Kinetische Studien mit Silber haben gezeigt, dass ein erfolgreich auf Gold angewandtes Modell modifiziert werden muss um auf Silber anwendbar zu sein und haben gezeigt, dass sich die Kinetik der Reaktion auf beiden Metallen unterscheidet. Die weitere Analyse ergab die typische, nicht der Arrhenius Abhängigkeit folgende, Abhängigkeit der Reaktionsrate von der Temperatur und hat gezeigt, dass die Partitionierung der Reaktanden im Hydrogel für das kinetische Modell relevant ist. Die Reduktion von Kaliumhexacyanidoferrat(III) auf Gold hat gezeigt, dass elektrostatische Effekte hier eine maßgebliche Rolle spielen. Ein kinetisches Modell wurde erarbeitet, dass die relevanten Einflussfaktoren durch Hydrogel, Geometrie der Nanoreaktoren, diffusions- und elektrostatische Effekte miteinbezieht. Die gewonnenen Daten konnten mittels eines auf der Auswertung des stationären Zustands basierenden Modells erfolgreich gefittet werden. Hierbei wurde das komplexe Zusammenspiel von elektrostatischen Effekten, deren Abschirmung und Einfluss auf die Diffusion sowie die Reaktionsrate gezeigt. Mit wenigen physikalisch aussagekräftigen Fitparametern konnten alle beobachteten Effekte erfolgreich erklärt werden. Der Vergleich der Reduktion von 4-Nitrophenol und von Hexacyanidoferrat(III) zeigt hierbei die entscheidenden Faktoren sowohl für reaktions- als auch für diffusionskontrollierte Reaktionen in thermoresponsiven Hydrogelen. / Two model reactions were investigated with thermoresponsive core-shell nanoreactors, the reduction of 4-nitrophenol and of potassium hexacyanoferrate(III), both reduced with sodium borohydride. The nanoreactors comprise of a polystyrene core surrounded by a hydrogel shell of poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) crosslinked with N,N’-methylenebisacrylamide. Metal nanoparticles are immobilized inside the hydrogel shell on the surface of which the model reactions are catalyzed. In the reduction of 4-nitrophenol, special emphasis is laid on the reduction on gold and silver catalysts. A literature review of mechanistic as well as kinetic studies reveals that the rate determining step may differ between the two catalyst metals. Kinetic investigations with a silver catalyst reveal that the kinetic model derived previously for gold catalysts needs to be modified for the kinetic analysis in this study, confirming a difference in the kinetics for both catalyst metals. The temperature dependent analysis reveals the typical non-Arrhenius dependency of the reaction rate and shows that the partition ratio of the reactants is relevant for the kinetics. The reduction of potassium hexacyanoferrate(III) on gold reveals that electrostatic effects play a major role in this reaction. A new kinetic model is derived, accounting the relevant influence factors of the hydrogel, the nanoreactor geometry, diffusional and electrostatic effects. With a stationary state approach the experimental data are fitted successfully, revealing the complex interplay of electrostatic effects, the screening thereof and the influence on diffusion and reaction rate. With only a few physically meaningful fit parameters all observed effects can be explained successfully. The comparison of the reduction of 4-nitrophenol and potassium hexacyanoferrate(III) highlights the decisive factors in both, reaction and diffusion controlled reactions inside thermoresponsive hydrogels.

In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur rückführbaren Proteinquantifizierung unter Verwendung von Schwefelisotopenverdünnung mit induktiv gekoppelter Plasmamassenspektrometrie (ID-ICP-MS) entwickelt. Die Methode dient zur zuverlässigen Quantifizierung laborinterner Proteinstandards. Sie eignet sich nur zur Analyse reiner Proteine, deren Stöchiometrie bekannt ist, da die Proteinkonzentration aus dem Schwefelgehalt bestimmt wird. Nicht proteingebundener Schwefel wird durch Membranfiltration von der Proteinfraktion abgetrennt und mit ID-ICP-MS quantifiziert. Der Gesamtschwefelgehalt in der Probe wird ebenfalls mittels ID-ICP-MS quantifiziert und um die Menge an ungebundenem Schwefel korrigiert. Die Optimierung der Probenvorbereitung zeigte, dass ein Aufschluss die Unsicherheit des Ergebnisses verbessert. Für die Methodenentwicklung wurden ein zertifiziertes Rinderserumalbumin-Referenzmaterial (BSA), sowie ein kommerzielles Avidin verwendet. Die Bestimmung der Proteinmassenfraktionen und Unsicherheitsbudgets erfolgte nach Korrektur für den ungebundenen Schwefel (0,4 % für BSA, 30 % für Avidin). Die Methode wurde auf das Tau-Protein angewendet, das ein Biomarker für die sogenannten „Tauopathien“ ist – eine Gruppe neurodegenerativer Krankheiten, die die Alzheimer-Krankheit und die frontotemporale Demenz einschließen. Durch Verwendung eines isotopenangereicherten Spikes, der an das SI-System angebunden ist, wurde die metrologische Rückführbarkeit für den Massenanteil des Tau-Proteins erreicht. Dieser Tau-Standard wurde zur absoluten Quantifizierung toxischer transgener Tau-Spezies in der löslichen Hirnfraktion transgener Mäuse verwendet. Die entwickelte Methode ist für die rückführbare Quantifizierung von Proteinen zur Verwendung als Standards in der biologischen und medizinischen Forschung anwendbar. Sie zeigte eine ähnliche Präzision wie etablierte Verfahren, erforderte jedoch weniger Probenvorbereitung und keine spezies-spezifischen Standards. / In this work, a method for traceable protein quantification using sulphur isotope dilution inductively coupled plasma mass spectrometry (ID-ICP-MS) was developed. The method is intended for the reliable quantification of in-house protein standards. It is only suited for pure protein formulations for proteins of known stoichiometry because the protein concentration is determined from the sulphur content. Non-protein bound sulphur is separated from the protein fraction by membrane filtration and is quantified by ID-ICP-MS. The total sulphur content in the sample is as well quantified by ID-ICP-MS and corrected for the amount of non-protein bound sulphur. Optimisation of the sample preparation showed that digestion improves the uncertainty of the result. For method development, a certified reference material bovine serum albumin (BSA) and a commercial avidin were used. The protein mass fractions with full uncertainty budgets were determined after correction for unbound sulphur. The developed procedure was applied to the tau protein, which is a biomarker fort he so-called „tauopathies“ – a group of neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease and Frontotemporal dementia. By employing an isotopically enriched spike, which is linked to the SI system, full metrological traceability was achieved for the tau mass fraction. The mass fraction of (0.328 ± 0.036) g kg-1 for tau was determined by ID-ICP-MS and confirmed by amino acid analysis. This tau standard was used for the absolute quantification of toxic transgenic tau species in the soluble brain fraction of transgenic mice. The developed method is applicable for the traceable quantification of proteins for use as standards in biological and medical research. The precision of the method was similar to established absolute protein quantification procedures while requiring less sample preparation and no species-specific standards.