Durch den exzessiven Gebrauch von Antibiotika haben sich in den letzten Jahren zunehmend Resistenzen herausgebildet. Eine potentielle Alternative zu konventionellen Antibiotika sind prädatorische Bakterien. Das Bakterium Bdellovibrio bacteriovorus hat einen zweiphasigen Lebenszyklus bestehend aus einer Angriffsphase, in der es andere gram-negative Bakterien jagt, und einer Wachstumsphase, in der es das Zytoplasma eines Wirtes für die eigene Reproduktion nutzt. Für einen künftigen Einsatz von B. bacteriovorus als Antibiotikum müssen die Prozesse des Lebenszyklus verstanden werden. Das Proteom von B. bacteriovorus wurde bisher jedoch nur sehr wenig untersucht. Daher wurden in dieser Arbeit mithilfe der Massenspektrometrie Proteine von verschiedenen Zeitpunkten des Lebenszyklus von B. bacteriovorus relativ quantifiziert. Es konnten zahlreiche Proteine identifiziert werden, die zu spezifischen Zeitpunkten des Lebenszyklus hoch- oder herabreguliert werden. Die größten Unterschiede im Proteinmuster konnten zwischen der Angriffs- und der Wachstumsphase beobachtet werden. In der Angriffsphase sind einige Proteine herabreguliert, die mit der Proteinexpression im Zusammenhang stehen. Weiterhin wurde bestätigt, dass sich junge und gealterte Zellen der Angriffsphase deutlich voneinander unterscheiden, womit die Angriffsphase eigentlich aus zwei Phasen besteht. Auf Grundlage der Ergebnisse und eines Vergleiches mit Transkriptionsdaten wurde die Vermutung aufgestellt, dass B. bacteriovorus Proteine, welche spezifisch für die Angriffsphase sind, bereits während der Wachstumsphase synthetisiert. Im Zusammenhang mit der Forschung an B. bacteriovorus konnten auch neue Impulse bezüglich der MeCAT-basierten massenspektrometrischen Proteinquantifizierung angestoßen werden. In dieser Arbeit wurde unter anderem ein MeCAT-Reagenz mit Acrylamidfunktionalität entwickelt, welches erfolgreich als interner Standard für die Laserablation-ICP-MS von Polyacrylamidgelen verwendet werden kann. / Due to the excessive use of antibiotics, antibiotic resistance has increased over the last years. A potential alternative to conventional antibiotics are predatory bacteria. The predatory bacterium Bdellovibrio bacteriovorus has a biphasic life cycle consisting of an attack phase in which it hunts other gram-negative bacteria, and a growth phase in which it uses the cytoplasm of a prey cell as a substrate for its own reproduction. For future application of B. bacteriovorus as an antibiotic, it is necessary to understand the processes that occur during the life cycle. However, almost no information has been obtained regarding the proteome of B. bacteriovorus yet. Using mass spectrometry and an isotopic labelling strategy, proteins from different time points in the life cycle of B. bacteriovorus were quantified relatively to each other in this work. Numerous proteins were identified that are up- or down-regulated at specific time points in the life cycle. The largest differences in protein pattern existed between the attack phase and the growth phase, whereas only minor differences occurred within the growth phase. For instance, several proteins that appear to be down-regulated during the attack phase are related to protein expression. Furthermore, it was confirmed that there is a significant difference between young and aged cells of the attack phase. Therefore, the attack phase actually consists of two phases. Based on the results and on a comparison with transcription data, it was suggested that attack phase specific proteins of B. bacteriovorus are already synthesized during the growth phase. In connection with the research on B. bacteriovorus, new impulses regarding the MeCAT based protein quantification with mass spectrometry could be initiated. In this work, a MeCAT reagent with acrylamide functionality was developed, which can be used successfully as an internal standard for laser ablation ICP-MS of polyacrylamide gels.

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).

Eine der bedeutendsten technischen Errungenschaften des letzten Jahrhunderts beinhaltet zweifelsfrei die Erfindung des Lasers. Bereits wenige Jahrzehnte nach seiner ersten technischen Umsetzung ist er heute aus so unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie der Mess- und Regeltechnik, der Unterhaltungselektronik, sowie der industriellen Fertigung und Materialbearbeitung nicht mehr wegzudenken. Die analytische Chemie bildet hier keine Ausnahme. Die Möglichkeit mittels Laserstrahlung sowohl räumlich als auch zeitlich definiert einen maßgeschneiderten Energieeintrag in Materialsysteme vorzunehmen, wird heute umfangreich in diversen Analyseverfahren eingesetzt. Ein Meilenstein auf dem Gebiet der Laserentwicklung stellt die Einführung diodengepumpter Festkörperlaser (DPSS) dar. Diese neuartige Lasergeneration vereint die Vorteile einer begünstigten Energiebilanz durch resonante Anregung im Lasermedium mit einer erhöhten Flexibilität der zeitlichen Modulation der Laserausgangsleistung. Während DPSS Laser auf dem Gebiet der Materialbearbeitung bereits die Hälfte des Marktanteils ausmachen, finden sie bislang in den analytischen Wissenschaften nur wenig Verbreitung. Auch hier könnten die inhärenten Vorteile von DPSS Lasern bezüglich Konversionseffizienz, Stabilität, Flexibilität und Strahlprofil maßgeblich zu einer Optimierung relevanter Teilschritte beitragen. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie die Anwendbarkeit eines modernen DPSS Lasers für solch unterschiedliche Aufgaben wie der Laserablation, der Raman-Spektroskopie, der atomaren und molekularen Emissionsspektroskopie, bis hin zur Erzeugung eines neuartigen quasi-kontinuierlichen, luftgetragenen Plasmas für die Atmosphärendruck-Ionisation untersucht. In allen Studien konnten die Verbesserungen der jeweiligen analytischen Verfahren auf die Eigenschaften des verwendeten Lasers zurückgeführt werden. / Without any doubt, one of the most momentous technical achievements of the last century has been the invention of the laser. Today, merely some decades after its first technical realization, the laser has established a leading role in such broad application fields as sensing and control engineering, consumer electronics, as well as industrial production and materials processing. Analytical chemistry does not make an exception. The possibility of both spatially and temporally well-confined introduction of precisely dosed and defined energy into any material is nowadays widely exploited in a plethora of analytical techniques. A milestone in the field of laser technology was the advent of diode-pumped solid-state (DPSS) lasers. This new generation of laser systems combines the benefits of an advantageous energy balance, caused by resonant excitation of the laser medium, with an enhancement in flexibility in terms of modulation of the laser output. While DPSS lasers already account for half of the devices used in materials processing, the dissemination in the analytical sciences has so far hardly occurred. Also here, the inherent advantages of DPSS lasers regarding efficiency, reliability, flexibility, and beam profile could greatly contribute in a multitude of analytically relevant sub-steps. This thesis closes this gap by studying the applicability of a current state-of-the-art DPSS laser for as different tasks as laser ablation, Raman spectroscopy, atomic and molecular emission spectroscopy, all the way to generating a generally new quasi-continuous airborne plasma for ambient ionization. In all cases studied, the improvement of the respective analytical techniques could be ascribed to the intrinsic properties of the used laser.

Die Bildungsmechanismen von Metalloxiden, speziell der Eisen- und Aluminiumoxide, im wässrigen Medium sind aufgrund der Vielzahl kurzlebiger Intermediate und komplexen Reaktionspfaden nur wenig verstanden. Ein Verständnis der Reaktionsmechanismen kann jedoch mit Hilfe von zeitaufgelösten Untersuchungen wesentlich vertieft werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Verwendung von zeitaufgelösten Untersuchungen, die größtenteils auf röntgenbasierenden Analyseverfahren beruhen, um die intermediären Phasen direkt unter realistischen Bedingungen zu identifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung der Reaktionsmechanismen von Eisenoxiden und -oxidhydroxiden direkt in einer stabilisator-unterstützten Synthese. Nach einer Optimierung der instrumentellen Aufbauten, wurden erstmals zeitaufgelöste, simultane Röntgenkleinwinkelstreu- und Röntgenabsorptionsspektroskopie-Experimente an einem Eisenoxid-System durchgeführt, indem ein akustischer Levitator als Probenhalter verwendet wurde. Als Unterstützung wurden weitere analytische Methoden verwendet, um ein Gesamtbild über die intermediären Spezies in den drei vorliegenden Reaktionsmechanismen zu erhalten. Mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie in Kombination mit einem Mikrojet konnten Spezies, wie Eisen-oxo-Oligomere, als Intermediate in den frühen Stadien des Hydrolyseprozesses von Akaganeit-Nanopartikeln detektiert werden. Das erste Photoelektronenspektrum für diese Spezies konnte gezeigt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden zeitaufgelöste Untersuchungen an einem Aluminiumoxo- System durchgeführt. Es gelang erstmals durch die Kombination von Weitwinkelstreuexperimenten mit dem akustischen Levitator, die Kristallisation des Al13-Clusters in einer sulfathaltigen-Lösung als Aluminiumsulfat-Cluster Al13SO4 in situ zu detektieren. / The formation mechanisms of metal oxides, especially iron and aluminium oxides, in aqueous media are poorly understood due to the large number of short-lived intermediates and complex reaction paths. However, an understanding of the reaction mechanisms can be considerably deepened with the help of time-resolved investigations. This work focuses on the use of time-resolved investigations, which rest largely on X-ray based analysis techniques, to identify the intermediate phases directly under realistic conditions. In the first part of this work, the reaction mechanisms of iron oxides and iron oxide hydroxides were investigated directly in a stabilizer-assisted synthesis. Time-resolved, simultaneous small-angle X-ray scattering and X-ray absorption spectroscopy experiments were performed on an iron oxide system for the first time using an acoustic levitator as sample holder after the optimisation of the instrumental set-ups. Further analytical methods were used to obtain detailed insights of the intermediate species in the three reaction mechanisms. Using X-ray photoelectron spectroscopy in combination with a microjet, species such as iron oxo oligomers could be detected as intermediates in the early stages of the hydrolysis process of Akaganeit nanoparticles. The first photoelectron spectrum for this species could be shown. In the last part of this work, time-resolved investigations were carried out on an aluminium oxo system. In situ-investigations were possible by combining wide-angle X-ray scattering experiments with the acoustic levitator. For the first time it was possible to detect the early stage crystallization of the Al13 cluster in a sulfate-containing solution as an aluminum sulfate cluster Al13SO4 directly in solution.

Vitamin-D-Mangel und -Unterversorgung haben sich zu einem großen Problem für die öffentliche Gesundheit entwickelt, das vor allem auf eine unzureichende Sonnenlichtexposition und eine begrenzte Zufuhr dieses essenziellen Nährstoffs über die Nahrung zurückzuführen ist. Diese "Pandemie" hat zu einem bemerkenswerten Anstieg der Nachfrage nach der Bestimmung des zirkulierenden 25-Hydroxyvitamin-D-Spiegels (25(OH)D) geführt. Die meisten Studien fokussieren sich in erster Linie auf 25(OH)D und betrachten es als Biomarker für den Vitamin-D-Status. Es besteht jedoch ein wachsendes Interesse an der gleichzeitigen Messung mehrerer klinisch bedeutsamer Vitamin-D-Metaboliten wie dem nativen Vitamin D, 25(OH)D-Epimeren, 1,25-Dihydroxyvitamin D und 24,25-Dihydroxyvitamin D. Die Flüssigchromatographie/Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) gilt als "Goldstandard" für die Bestimmung des Vitamin-D-Spiegels und ermöglicht die gleichzeitige Analyse mehrerer Analyten, die für das Verständnis der physiologischen Rolle von Vitamin D und seiner klinischen Auswirkungen unerlässlich sind. In der vorliegenden Doktorarbeit soll verschiedene Aspekte der Vitamin-D-Landschaft erforschen, umfassende Einblicke geben und Herausforderungen innerhalb des Forschungsthemas besprechen. Zunächst lag der Schwerpunkt auf dem Vergleich mehrerer Derivatisierungsreagenzien für die Vitamin-D-Analyse und der Frage, wie sie sich auf die Nachweisempfindlichkeit der Methode und die chromatographische Trennung der getesteten Vitamin-D-Metaboliten auswirken. Ein zweiter Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der Stabilität der Derivatisierungsprodukte in Serumextrakten. Der letzte Versuch war die Entwicklung einer LC-MS/MS-Methode, die die Ergebnisse der vorangegangenen Untersuchungen nutzen sollte. Als Ergebnis wurde eine neue Methode vorgestellt, die meines Wissens zum ersten Mal FMP-TS für die chemische Derivatisierung von Vitamin-D-Metaboliten verwendet. / Vitamin D deficiency has emerged as a significant public health concern, attributed largely to insufficient exposure to sunlight and limited dietary sources rich in this essential nutrient. This “pandemic” has led to a notable increase in the demand for assessing circulating levels of 25-hydroxyvitamin D (25(OH)D). Most studies have primarily focused on 25(OH)D, considered it as the vitamin D status biomarker. However, there is a growing interest in simultaneously measuring multiple clinically significant vitamin D metabolites such as the native vitamin D, 25(OH)D epimer, 1,25-dihydroxyvitamin D, 24,25-dihydroxyvitamin D and others. Thus, there is an urgent need to develop analytical methods which will be able to separate and quantify the metabolites of interest accurately and precisely. Liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) stands out as the “gold standard” technique for vitamin D analysis. Its versatility enables simultaneous analysis of multiple analytes, thereby facilitating the generation of comprehensive vitamin D profiles essential for understanding its physiological role and clinical implications. The present doctoral thesis is designed to explore diverse aspects of vitamin D landscape, providing comprehensive insights and addressing challenges within the research topic. Initially there was a focus on comparing multiple derivatization reagents for vitamin D analysis and discovering how they impact the method’s detection sensitivity and the chromatographic separation of the tested vitamin D metabolites. Moreover, there was a second focal point on examining the stability of the derivatization products in serum extracts. The final attempt was the development of an LC-MS/MS method that would utilize the outcomes of the investigations conducted before. As a result, a new method was introduced utilizing FMP-TS for the chemical derivatization of vitamin D metabolites, a reagent which has not been reported before for vitamin D analysis.

Für den Nachweis dieser Schadstoffe in niedrigen Konzentrationsbereichen sind schnelle und empfindliche Analysemethoden erforderlich. Molekular geprägte Polymere (MIPs) wurden als synthetische Materialien entwickelt, um die molekulare Erkennung von natürlichen Rezeptoren nachzuahmen, aufgrund ihrer Fähigkeit, selektiv eine Vielzahl von Analyten zu erkennen, ihre Stabilität und ihrer einfachen Herstellung. Sie sind zunehmend in der chemischen Sensorik als Rezeptormaterial für den Nachweis bestimmter Analyten bei niedrigen Konzentrationen zu finden, insbesondere in Kombination mit Fluoreszenz aufgrund dessen hoher Empfindlichkeit. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von optischen Sensormaterialien unter Verwendung von MIPs als Erkennungselemente im Zusammenhang mit Fluoreszenz zum sensitiven Nachweis von Herbiziden und Antibiotika in Wasser- und Lebensmittelproben and deren Kombination mit verschiedenen Vorrichtungsformaten für die zukünftige Detektion einer breiten Palette von wichtigen Analyten. / For the detection of these contaminants in low concentration ranges fast and sensitive analytical tools are required. Molecularly imprinted polymers (MIPs) have been used as synthetic materials mimicking molecular recognition by natural receptors due to their ability to recognize selectively a wide range of analytes, their stability and ease of synthesis. They have gained more and more attention in chemical sensing as receptor material for the detection of suitable groups of analytes at low concentrations especially in combination with fluorescence due to the latter’s high sensitivity. This work aimed the development of optical sensor materials using MIPs as recognition elements connected with fluorescence for the sensitive detection of herbicides and antibiotics in water and food samples and their combination with various device formats for the future detection of a wide range of analytes.

Natural resins have been in use for a long time and for manifold purposes resulting in a long and complex terminological history. The investigation of this history has so far been based on the connection between nomenclature and chemical composition. Because resin chemistry and the botanical classification of source plants are connected as well, the investigation of natural resins can be enhanced by adding taxonomy as an additional dimension, providing a more complex and complete picture of resin chemistry and resin use. The Vigani Cabinet, a collection of 300-year-old pharmaceutical and chemical materials owned by Queens’ College, Cambridge (UK), allows doing just that. A wide range of historical literature provides information about contemporary terminology, botanical and geographical origin, manufacture, trade and properties of resinous materials from the 18th century. This contemporary context is a particular feature of the Cabinet, which allows adding a historical dimension to the correlations between terminology, chemical composition and taxonomy. The dissertation thesis presented here provides an investigation of 17 botanical, 80 reference materials and samples from 24 natural resins from the Vigani Cabinet, studying these complex correlations and changes over time. The analytical method employed in this study was gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) with and without methylation with trimethylsulfoniumhydroxide. This technique provided detailed molecular compositions of the studied materials. Analysed botanical samples are taken from Pinaceae, Cupressaceae and Pistacia resins, commerical references from Araucariaceae, Copaifera, Fabaceae, Myroxylon and Burseraceae. Additionally, the soluble fraction of Baltic amber was analysed. Materials from the Vigani Cabinet analysed in this work were labelled as "turpentines", "pix burgundica", "sandaracha", "copaiba", "balsamum peruvianum and tolutanum", "mastiche", "anime", "copal", "elemi", "tacamahaca" and "succinum". Historical nomenclature of natural resins has not always been unequivocally associated with a botanical origin. The availability of natural resins changed throughout the centuries. Lack of knowledge, in particular about resins from over-seas, or adulterations resulting from changing harvesting methods, led to changes in trade names or variations in the composition of products traded under the same name. Generic names were used for resins with similar properties but different botanical (and geographical) origin. The thesis shows that a chemotaxonomic reference system is suitable for the identification of unknown resinous materials, and a number of new insights into the nomenclature of natural resins from the 17th and 18th century is obtained. The study of historical literature contributed in a significant way to the historico-cultural and archeometric research of the samples from the Vigani Cabinet and of natural resins in general and provided a basis for the interpretation of the chemical data from the Vigani samples. / Naturharze werden schon lange für sehr unterschiedliche Zwecke verwendet. Dies hat zu einer oft komplizierten Terminologie geführt, deren Untersuchung sich bisher auf den Zusammenhang zwischen dem Namen des Harzes und seiner chemischer Zusammensetzung stützte. Letztere ist aber auch mit der botanischer Herkunft und damit der Biochemie der Stammpflanze verknüpft, weshalb man chemotaxonomische Aspekte für die systematische Untersuchung von Naturharzen als zusätzliche Variablen nutzen kann. Dadurch erhält man, wie die gezeigt werden soll, ein vollständigeres und komplexeres Bild der Chemie und Nutzung von Naturharzen. Die hier präsentierte Untersuchung beschäftigt sich mit dem Vigani-Kabinett, einer 300 Jahre alten pharmazeutischen Materialiensammlung, die sich im Queens‘ College, Cambridge (UK), befindet. In der Literatur des ausgehenden 17. und des 18. Jahrhunderts finden sich zahlreiche Informationen zu Terminologie, botanischer und geographischer Herkunft, Verarbeitung, Handel und Eigenschaften von Naturharzen. Dadurch wird die historische Dimension des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen Terminologie, chemischer Zusammensetzung und Taxonomie erfahrbar. In der Arbeit werden 17 botanische Proben, 80 moderne Referenzmaterialien und 24 Proben aus dem Vigani-Kabinett im Hinblick auf diese Zusammenhänge und Veränderungen untersucht.Die chemischen Analysen wurden mit gekoppelter Gaschromatografie-Massenspektrometrie mit und ohne Methylierung mit Trimethylsulfoniumhydroxid durchgeführt. Damit konnte die molekulare Zusammensetzung der Proben detailliert untersucht werden. Die untersuchten botanischen Proben stammten von Pinaceae, Cupressaceae und Pistaciaharzen, kommerzielle Referenzen von Araucariaceae, Copaifera, Fabaceae, Myroxylon und Burseraceaeharzen. Zusätzlich wurde noch die lösliche Fraktion von Baltischem Bernstein untersucht. Die untersuchten Proben aus dem Vigani-Kabinett waren sowohl englisch als auch Latein mit "turpentines", "pix burgundica", "sandaracha", "copaiba", "mastiche", "anime", "copal", "elemi", "tacamahaca", "balsamum peruvianum and tolutanum" und "succinum" beschriftet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die historische Nomenklatur von Naturharzen nicht immer eindeutig mit ihrem botanischen Ursprung verknüpft war. Zusätzlich veränderte sich die Erhältlichkeit der Harze im Laufe der Jahrhunderte. Durch fehlendes Wissen, insbesondere für Materialien und Pflanzen aus Übersee, oder Verfälschungen aufgrund von veränderten Fördermethoden veränderten sich die Handelsnamen dieser Materialien oder die Zusammensetzung von Materialien, die unter demselben Namen gehandelt wurden. Harze mit ähnlichen Eigenschaften aber unterschiedlichen botanischen (und geographischen) Ursprungs trugen generische Namen. Die Arbeit zeigt jedoch, dass ein chemotaxonomisches Bezugssystem die Identifizierung von unbekannten Harzen ermöglicht, und zeigt eine Reihe neuer Erkenntnisse über die Nomenklatur von Naturharzen des 17. und 18. Jahrhunderts. Die Untersuchung historischer Quellen trug dabei sehr zur Erhellung des historisch-kulturellen und archeometrischen Hintergrundes und zur Interpretation der chemischen Daten der Vigani-Proben bei.

Natural resins have been in use for a long time and for manifold purposes resulting in a long and complex terminological history. The investigation of this history has so far been based on the connection between nomenclature and chemical composition. Because resin chemistry and the botanical classification of source plants are connected as well, the investigation of natural resins can be enhanced by adding taxonomy as an additional dimension, providing a more complex and complete picture of resin chemistry and resin use. The Vigani Cabinet, a collection of 300-year-old pharmaceutical and chemical materials owned by Queens’ College, Cambridge (UK), allows doing just that. A wide range of historical literature provides information about contemporary terminology, botanical and geographical origin, manufacture, trade and properties of resinous materials from the 18th century. This contemporary context is a particular feature of the Cabinet, which allows adding a historical dimension to the correlations between terminology, chemical composition and taxonomy. The dissertation thesis presented here provides an investigation of 17 botanical, 80 reference materials and samples from 24 natural resins from the Vigani Cabinet, studying these complex correlations and changes over time. The analytical method employed in this study was gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) with and without methylation with trimethylsulfoniumhydroxide. This technique provided detailed molecular compositions of the studied materials. Analysed botanical samples are taken from Pinaceae, Cupressaceae and Pistacia resins, commerical references from Araucariaceae, Copaifera, Fabaceae, Myroxylon and Burseraceae. Additionally, the soluble fraction of Baltic amber was analysed. Materials from the Vigani Cabinet analysed in this work were labelled as "turpentines", "pix burgundica", "sandaracha", "copaiba", "balsamum peruvianum and tolutanum", "mastiche", "anime", "copal", "elemi", "tacamahaca" and "succinum". Historical nomenclature of natural resins has not always been unequivocally associated with a botanical origin. The availability of natural resins changed throughout the centuries. Lack of knowledge, in particular about resins from over-seas, or adulterations resulting from changing harvesting methods, led to changes in trade names or variations in the composition of products traded under the same name. Generic names were used for resins with similar properties but different botanical (and geographical) origin. The thesis shows that a chemotaxonomic reference system is suitable for the identification of unknown resinous materials, and a number of new insights into the nomenclature of natural resins from the 17th and 18th century is obtained. The study of historical literature contributed in a significant way to the historico-cultural and archeometric research of the samples from the Vigani Cabinet and of natural resins in general and provided a basis for the interpretation of the chemical data from the Vigani samples.:CONTENTS 1 INTRODUCTION 1 1.1 Natural resins in a historical and modern context 1 1.2 The Vigani Cabinet and its historical background 3 1.3 Aim of the thesis - outline 6 2 LITERATURE REVIEW 8 2.1 Gymnosperm resins – conifer resins and products 9 2.1.1 Pinaceae 9 2.1.2 Cupressaceae 17 2.1.3 Araucariaceae 20 2.2 Angiosperm resins I – Fabales 21 2.3 Angiosperm resins II – Sapindales 30 2.3.1 Anacardiaceae 30 2.3.2 Burseraceae 35 2.3.3 Rutaceae 43 2.4 Fossil resins 45 2.5 Summary and research deficits 49 3 EXPERIMENTAL 53 3.1 Coupled gas chromatography and mass spectrometry 53 3.1.1 Materials 53 3.1.2 Sample preparation 54 3.1.3 Instrumentation 54 3.1.4 Data-Evaluation 58 3.2 Fourier transformation infrared spectroscopy 60 3.2.1 Sample preparation 61 3.2.2 Instrumentation 61 3.2.3 Data evaluation 61 4 RESULTS – REFERENCE MATERIALS 62 4.1 Gymnosperm resins – conifer resins and products 62 4.1.1 Pinaceae – Coniferous turpentines 62 4.1.1.1 Phytochemical markers – detection of adulterations 62 4.1.1.2 Aging by heat and light 73 4.1.2 Cupressaceae – Sandarac 80 4.1.3 Araucariaceae – Coniferous copals 88 4.1.4 Discussion 91 4.2 Angiosperm Resins I - Fabales 94 4.2.1 Copaifera – Copaiba balsam 94 4.2.2 Legume copals 102 4.2.3 Myroxylon – Balsam of Tolu and Peru 108 4.2.4 Discussion 117 4.3 Angiosperm resins II - Sapindales 120 4.3.1 Anacardiaceae – Pistacia resins 120 4.3.2 Burseraceae – Elemi, copal and others 127 4.3.3 Discussion 142 4.4 Fossil resins 144 4.4.1 Baltic amber 144 4.4.2 Discussion 153 4.5 Summary and research deficits 155 5 RESULTS – RESINOUS MATERIALS FROM THE VIGANI CABINET 160 5.1 Gymnosperm resins – conifer resins and products 162 5.1.1 1/8 Terebin. Strasb. 163 5.1.2 1/9 Tereb Com 170 5.1.3 1/10 Venice Turpentine 176 5.1.4 1/11 Venic. Turpent. 183 5.1.5 1/13 Tereb E Chio 188 5.1.6 A/23 Pix Burgundica 194 5.1.7 A/26 Sandaracha 203 5.2 Angiosperm resins I - Fabales 210 5.2.1 1/4 Balsam Cipivi 211 5.2.2 A/5 Gum Animi 218 5.2.3 La2/7 Unknown resin 228 5.2.4 1/31 Bals Peruv 230 5.2.5 2/1 Bals Peru 237 5.2.6 Z/17 Balsam Tolutanum 240 5. 3 Angiosperm resins II – Sapindales 245 5.3.1 A/11 Mastiche 246 5.3.2 1/14 Tereb i E Cypri 252 5.3.3 A/21 Gum Copal 258 5.3.4 A/24 [.] Elemi 268 5.3.5 A/22 Tacamahaca 276 5.3.6 Z/1 Tacamahaca 283 5.4 Fossil Resins 287 5.4.1 E/13 Succinum Citrinum 288 5.4.2 E/14 Succinum flavan 295 5.4.3 E/15 Succinum albam 302 5.4.4 E/16 Succinum nigram 307 5.4.5 F/13 L. Gagatis 313 6 CONCLUSIONS 316 7 REFERENCES 324 APPENDIX 365 Investigated materials from the Vigani Cabinet 366 Annotated list of historical literature 367 List of figures 374 List of tables 379 Compound lists 381 Atlas of mass spectra 422 / Naturharze werden schon lange für sehr unterschiedliche Zwecke verwendet. Dies hat zu einer oft komplizierten Terminologie geführt, deren Untersuchung sich bisher auf den Zusammenhang zwischen dem Namen des Harzes und seiner chemischer Zusammensetzung stützte. Letztere ist aber auch mit der botanischer Herkunft und damit der Biochemie der Stammpflanze verknüpft, weshalb man chemotaxonomische Aspekte für die systematische Untersuchung von Naturharzen als zusätzliche Variablen nutzen kann. Dadurch erhält man, wie die gezeigt werden soll, ein vollständigeres und komplexeres Bild der Chemie und Nutzung von Naturharzen. Die hier präsentierte Untersuchung beschäftigt sich mit dem Vigani-Kabinett, einer 300 Jahre alten pharmazeutischen Materialiensammlung, die sich im Queens‘ College, Cambridge (UK), befindet. In der Literatur des ausgehenden 17. und des 18. Jahrhunderts finden sich zahlreiche Informationen zu Terminologie, botanischer und geographischer Herkunft, Verarbeitung, Handel und Eigenschaften von Naturharzen. Dadurch wird die historische Dimension des oben beschriebenen Zusammenhangs zwischen Terminologie, chemischer Zusammensetzung und Taxonomie erfahrbar. In der Arbeit werden 17 botanische Proben, 80 moderne Referenzmaterialien und 24 Proben aus dem Vigani-Kabinett im Hinblick auf diese Zusammenhänge und Veränderungen untersucht.Die chemischen Analysen wurden mit gekoppelter Gaschromatografie-Massenspektrometrie mit und ohne Methylierung mit Trimethylsulfoniumhydroxid durchgeführt. Damit konnte die molekulare Zusammensetzung der Proben detailliert untersucht werden. Die untersuchten botanischen Proben stammten von Pinaceae, Cupressaceae und Pistaciaharzen, kommerzielle Referenzen von Araucariaceae, Copaifera, Fabaceae, Myroxylon und Burseraceaeharzen. Zusätzlich wurde noch die lösliche Fraktion von Baltischem Bernstein untersucht. Die untersuchten Proben aus dem Vigani-Kabinett waren sowohl englisch als auch Latein mit "turpentines", "pix burgundica", "sandaracha", "copaiba", "mastiche", "anime", "copal", "elemi", "tacamahaca", "balsamum peruvianum and tolutanum" und "succinum" beschriftet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die historische Nomenklatur von Naturharzen nicht immer eindeutig mit ihrem botanischen Ursprung verknüpft war. Zusätzlich veränderte sich die Erhältlichkeit der Harze im Laufe der Jahrhunderte. Durch fehlendes Wissen, insbesondere für Materialien und Pflanzen aus Übersee, oder Verfälschungen aufgrund von veränderten Fördermethoden veränderten sich die Handelsnamen dieser Materialien oder die Zusammensetzung von Materialien, die unter demselben Namen gehandelt wurden. Harze mit ähnlichen Eigenschaften aber unterschiedlichen botanischen (und geographischen) Ursprungs trugen generische Namen. Die Arbeit zeigt jedoch, dass ein chemotaxonomisches Bezugssystem die Identifizierung von unbekannten Harzen ermöglicht, und zeigt eine Reihe neuer Erkenntnisse über die Nomenklatur von Naturharzen des 17. und 18. Jahrhunderts. Die Untersuchung historischer Quellen trug dabei sehr zur Erhellung des historisch-kulturellen und archeometrischen Hintergrundes und zur Interpretation der chemischen Daten der Vigani-Proben bei.:CONTENTS 1 INTRODUCTION 1 1.1 Natural resins in a historical and modern context 1 1.2 The Vigani Cabinet and its historical background 3 1.3 Aim of the thesis - outline 6 2 LITERATURE REVIEW 8 2.1 Gymnosperm resins – conifer resins and products 9 2.1.1 Pinaceae 9 2.1.2 Cupressaceae 17 2.1.3 Araucariaceae 20 2.2 Angiosperm resins I – Fabales 21 2.3 Angiosperm resins II – Sapindales 30 2.3.1 Anacardiaceae 30 2.3.2 Burseraceae 35 2.3.3 Rutaceae 43 2.4 Fossil resins 45 2.5 Summary and research deficits 49 3 EXPERIMENTAL 53 3.1 Coupled gas chromatography and mass spectrometry 53 3.1.1 Materials 53 3.1.2 Sample preparation 54 3.1.3 Instrumentation 54 3.1.4 Data-Evaluation 58 3.2 Fourier transformation infrared spectroscopy 60 3.2.1 Sample preparation 61 3.2.2 Instrumentation 61 3.2.3 Data evaluation 61 4 RESULTS – REFERENCE MATERIALS 62 4.1 Gymnosperm resins – conifer resins and products 62 4.1.1 Pinaceae – Coniferous turpentines 62 4.1.1.1 Phytochemical markers – detection of adulterations 62 4.1.1.2 Aging by heat and light 73 4.1.2 Cupressaceae – Sandarac 80 4.1.3 Araucariaceae – Coniferous copals 88 4.1.4 Discussion 91 4.2 Angiosperm Resins I - Fabales 94 4.2.1 Copaifera – Copaiba balsam 94 4.2.2 Legume copals 102 4.2.3 Myroxylon – Balsam of Tolu and Peru 108 4.2.4 Discussion 117 4.3 Angiosperm resins II - Sapindales 120 4.3.1 Anacardiaceae – Pistacia resins 120 4.3.2 Burseraceae – Elemi, copal and others 127 4.3.3 Discussion 142 4.4 Fossil resins 144 4.4.1 Baltic amber 144 4.4.2 Discussion 153 4.5 Summary and research deficits 155 5 RESULTS – RESINOUS MATERIALS FROM THE VIGANI CABINET 160 5.1 Gymnosperm resins – conifer resins and products 162 5.1.1 1/8 Terebin. Strasb. 163 5.1.2 1/9 Tereb Com 170 5.1.3 1/10 Venice Turpentine 176 5.1.4 1/11 Venic. Turpent. 183 5.1.5 1/13 Tereb E Chio 188 5.1.6 A/23 Pix Burgundica 194 5.1.7 A/26 Sandaracha 203 5.2 Angiosperm resins I - Fabales 210 5.2.1 1/4 Balsam Cipivi 211 5.2.2 A/5 Gum Animi 218 5.2.3 La2/7 Unknown resin 228 5.2.4 1/31 Bals Peruv 230 5.2.5 2/1 Bals Peru 237 5.2.6 Z/17 Balsam Tolutanum 240 5. 3 Angiosperm resins II – Sapindales 245 5.3.1 A/11 Mastiche 246 5.3.2 1/14 Tereb i E Cypri 252 5.3.3 A/21 Gum Copal 258 5.3.4 A/24 [.] Elemi 268 5.3.5 A/22 Tacamahaca 276 5.3.6 Z/1 Tacamahaca 283 5.4 Fossil Resins 287 5.4.1 E/13 Succinum Citrinum 288 5.4.2 E/14 Succinum flavan 295 5.4.3 E/15 Succinum albam 302 5.4.4 E/16 Succinum nigram 307 5.4.5 F/13 L. Gagatis 313 6 CONCLUSIONS 316 7 REFERENCES 324 APPENDIX 365 Investigated materials from the Vigani Cabinet 366 Annotated list of historical literature 367 List of figures 374 List of tables 379 Compound lists 381 Atlas of mass spectra 422

Die Arbeit beschäftigt sich mit laser-induzierter Plasmaspektroskopie (LIBS) im Kontext der robotischen Mars-Erkundung. Bei LIBS wird Plasma analysiert, das durch Ablation von Probenmaterial gebildet wird. Die Methode wird seit 2012 von dem Instrument ChemCam des Mars-Rovers Curiosity eingesetzt, um das Gestein und den Boden der Marsoberfläche zu untersuchen. Sie wird auch in der NASA-Mission Mars 2020 und in der chinesischen Mission HX-1 eingesetzt werden, welche im Jahr 2020 zum Mars starten sollen. Zwei Studien dieser Arbeit betrachten Emissionen von Molekülen, die sich im Plasma bilden. Diese können zur Detektion von Chlor und Fluor eingesetzt werden, die von geologischem Interesse für Mars sind. Emissionen von MgCl und CaCl werden in simulierten Marsbedingungen für die Bestimmung der Chlorkonzentration untersucht. Nur das CaCl-Signal wird als stark genug befunden. Dieses ist am stärksten bei vergleichsweise geringen Chlorkonzentrationen, was durch einen Nichtgleichgewichtszustand des Plasmas erklärt werden kann. In der zweiten Studie werden die Emissionen von CaCl und CaF verglichen. Beide können mit demselben Modell in Abhängigkeit der Konzentrationen der Reaktionspartner beschrieben werden. Allerdings werden auch starke Matrixeffekte beobachtet, die die Emissionen beeinträchtigen können. Im letzten Teil der Arbeit wird der Plasma-Imaging-Aufbau beschrieben, der aufgebaut wurde. Der Aufbau ermöglicht räumlich aufgelöste Messungen der Emissionsspektren. Es werden erste Ergebnisse vorgestellt, die mit diesem Aufbau erzielt wurden. Diese zeigen, dass CaCl und CaF nur im Plasmazentrum emittieren, was mit einer Verdünnung und Ausbildung eines Niedertemperaturbereichs im Plasmazentrum erklärt werden kann. Atomare Emissionen von Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff sind dagegen intensiver an der Plasmafront und zeigen Verwirbelungen auf, was auf komplexe Temperaturverteilungen und auf einen starken Einfluss von Strömungen im Plasma hinweist. / In this thesis, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is investigated in the context of the robotic exploration of Mars. In LIBS, the plasma formed by laser-ablated sample material is analyzed spectroscopically. Since 2012, it is employed by the ChemCam instrument on board the Mars rover Curiosity to analyze rocks and soil on the Martian surface. The technique will also be used in NASA's Mars 2020 mission and in the Chinese HX-1 mission, which are both scheduled to launch to Mars in 2020. The first two studies are concerned with emissions of molecules that form in the laser-induced plasma. These can be used to detect chlorine and fluorine, which are of geological interest for Mars. In the first study, MgCl and CaCl emissions are investigated for the detection and quantification of chlorine in Martian atmospheric conditions. Only the CaCl signal is found to be intense enough for this purpose. The CaCl signal is found to be skewed towards low chlorine concentrations, which is explained by a non-equilibrium model of the laser-induced plasma. In the second study, the emissions of CaCl and CaF are compared. The same model is used to describe the dependence of both signals on the respective reactant concentrations. Strong matrix effects are observed that affect the observed intensities. In the final part of the thesis the plasma imaging setup that was developed in the context of this thesis is presented. It enables spatially resolved measurements of the plasma emission spectra. First results show that CaCl and CaF emissions are confined close to the plasma center, likely because rarefaction leads to a low-temperature center in which molecules can form. Atomic emissions of hydrogen, carbon, and oxygen are more stable at the plasma front and show signs of vorticity, indicating a complex temperature distribution and a strong influence of flows within the plasma.

Im ersten Teil wurde Probenvorbereitungs-Methoden und instrumentelle Methoden zur Organofluor-Bestimmung verglichen, um Vor- und Nachteile bei der Summenparameter-Analytik von per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) zu identifizieren. Daher wurden Oberflächenwasserproben aus der Spree in Berlin und Industrieabwasserproben mit zwei PFAS-Summenparametern analysiert – dem extrahierbaren (EOF) und dem adsorbierbaren organisch gebundenen Fluor (AOF). Beide PFAS-Summenparameter wurden mit zwei fluorsensitiven Detektionssystemen analysiert – Hochauflösender Kontinuumstrahler-Graphitofen Molekülabsorptionsspektrometrie (HR-CS-GFMAS) und combustion Ionenchromatographie (CIC). HR-CS-GFMAS erwies sich im Vergleich zu CIC als der empfindlichere und schnellere Ansatz mit höherer Präzision. Im zweiten Teil wurde eine neue Methode zur PFAS-Summenparameteranalyse und EOF-Bestimmung in Bodenproben auf Basis von HR-CS-GFMAS entwickelt und optimiert. EOF-Massenanteile wurden bei mehrfacher Extraktion und Nutzung der Festphasenextraktion (SPE) zur Entfernung anorganischen Fluors untersucht. Bei einem Vergleich der optimierten Methode mit und ohne SPE zeigte sich eine drastische Diskriminierung von Organofluor-Verbindungen mittels SPE. Im dritten Teil wurden Organofluor-Massenbilanzen in aquatischen Systemen anhand von Oberflächenwasser- und Schwebstoffproben (SPM) untersucht. SPM-Proben wurden mit vier komplementären Analysemethoden analysiert – target und non-target, direct total oxidizable precursor assay (dTOPA) und EOF. Daher wurden drei Organofluor-Massenbilanzansätze für die räumlich und zeitaufgelöste SPM-Probenanalyse verwendet: (I) Identifizierung von oxidierbaren PFAS-Vorläufer, (II) Identifizierung des Anteils der identifizierten und nicht identifiziertes EOF und (III) PFAS-target, PFAS dTOPA, non-target-Screening und EOF-Analyse, um das nicht identifizierte EOF aus Ansatz (II) weiter zu entschlüsseln. / In the first part, a comparison of sample preparation and instrumental methods for organofluorine determination was used to identify advantages and disadvantages in sum parameter analysis of per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs). Therefore, surface water samples from the Spree River in Berlin, Germany and industrial effluent samples were analyzed using two PFAS sum parameters – the extractable (EOF) and adsorbable organically bound fluorine (AOF). Both PFAS sum parameters were analyzed using two fluorine sensitive detection systems – high-resolution-continuum source-graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS) and combustion ion chromatography (CIC). HR-CS-GFMAS turned out to be the more sensitive and faster approach accompanied with higher precision compared to CIC. In the second part, a new method for PFAS sum parameter analysis and EOF determination in soil samples based on HR-CS-GFMAS was developed and optimized. EOF mass fractions were investigated upon multiple extraction and utilization of solid phase extraction (SPE) for inorganic fluorine removal. In a comparison of the optimized method with and without SPE, a highly biased discrimination of organofluorines using SPE was shown. In the third part, organofluorine mass balances were investigated in aquatic systems using surface water and suspended particulate matter (SPM) samples. SPM samples were analyzed using 4 complementary analytical methods – target and non-target HRMS, direct total oxidizable precursor assay (dTOPA) and EOF. Therefore, 3 organofluorine mass balance approaches were used for SPM sample analysis in spatial and time resolved manner: (I) Identification of oxidizable PFAS precursors, (II) Identification of the proportion of identified and unidentified EOF and (III) PFAS target, PFAS dTOPA, non-target screening and EOF analysis to further unravel the unidentified EOF from approach (II).