Plasmonische Substrate stellen ein leistungsstarkes Werkzeug für analytische Anwendungen dar. Neue plasmonische Substrate werden entwickelt, um das Spektrum ihrer Anwendungen und die Nachweisgrenzen der analytischen Spektroskopie zu erweitern. Diese Arbeit setzte sich zum Ziel, plasmonische Nanostrukturen mit Magnesiumfluorid zu beschichten. Magnesiumfluoridbeschichtungen sind zwar porös, weisen aber eine hohe mechanische Stabilität und außergewöhnliche optische Eigenschaften auf (niedrigen Brechungsindexes, großen optischen Fensters). Die Kombination dieser Eigenschaften mit den positiven Eigenschaften von plasmonischen Nanostrukturen kann zu fortschrittlichen plasmonischen Substraten für analytische Anwendungen führen. Diese Arbeit bietet zwei Ansätze für die Beschichtung der plasmonischen Nanostrukturen an die Core-Shell-Nanopartikelherstellung, die einen plasmonischen Core enthält und die Beschichtung von auf Glas immobilisierten plasmonischen Nanostrukturen. Über Metal@metal Fluoride Core-Shell-Nanopartikel wurde in der Literatur noch nichts berichtet. Daher Au@MgF2wurde ein Ansatz verfolgt, der auf dem Wissen über Metall-@Metalloxide und Metallfluoride@Metallfluoride basiert und die Synthese von Core-Shell-Nanopartikeln ermöglicht. Die erhaltenen Strukturen wurden mit elektronenmikroskopischen Methoden charakterisiert. Der zweite Ansatz bestand in der Immobilisierung von Goldnanopartikeln auf Glas und deren Beschichtung mit Magnesiumfluorid. Diese Fertigungsart verleiht eine hohe mechanische Stabilität und wissenswerte optische Eigenschaften an plasmonischen Substraten, die sich durch eine hohe nanoskopische Homogenität der Goldnanopartikelverteilung auszeichnen und optischer Signale, die echte analytische Anwendungen ermöglichen, ermittelt. Die Beschichtung von auf Glas mit Magnesiumfluorid immobilisierten Goldnanopartikeln führt zu einem sehr vielversprechenden Substrat , das in Zukunft für Sensorik und andere Anwendungen verwendet werden kann. / Plasmonic substrates can be a powerful tool for analytical applications. In order to broaden the spectrum of their applications and to push the detection limits of analytical spectroscopy, new plasmonic substrates are developed. The motivation of this work was to coat plasmonic nanostructures with magnesium fluoride. Coatings of magnesium fluoride are porous but exhibit high mechanical stability and extraordinary optical properties including a low refractive index and a wide optical window. Combining these properties with the beneficial properties of plasmonic nanostructures can lead to advanced plasmonic substrates for analytical applications. Two approaches for coating of the plasmonic nanostructures are proposed in this work: a core-shell nanoparticles fabrication and coating of plasmonic nanostructures immobilized on glass. The fabrication of Au@MgF2 core-shell nanoparticles turned out to be an extremely challenging approach. Such systems have not been reported in the literature yet. Therefore, an approach based on knowledge of metal@metal oxides and metal fluorides@metal fluorides core-shell nanoparticles synthesis was undertaken. The obtained structures were characterized using electron microscopy methods. Due to the numerous difficulties in the synthesis and characterization this way of coating plasmonic nanostructures with magnesium fluoride was not further processed. The approach based on immobilization of gold nanoparticles on glass and coating them with magnesium fluoride using a dip-coating method provides plasmonic substrates that are characterized by a high nanoscopic homogeneity of the gold nanoparticles distribution, a high mechanical stability, interesting optical properties and enhancement factors of optical signals that allow for real analytical applications. The coating of gold nanoparticles immobilized on the glass with magnesium fluoride results in very promising substrate that can be used for sensing and other applications in the future.

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.

Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie mit Laserablation (LA-ICP-MS) wird zunehmend für die Einzelzellanalyse eingesetzt, jedoch wird eine weitere verbreitete Verbreitung durch den geringen Durchsatz behindert. Daher wurde in dieser Arbeit der Durchsatz von Einzelzellen-LA-ICP-MS untersucht und verbessert. Zunächst werden die beiden möglichen Ablationsmodi, Bildgebung und Einzelpunktanalyse (SSA), hinsichtlich ihrer analytischen Gütezahlen (Signal-Rausch-Verhältnis, Präzision, Genauigkeit, Durchsatz) verglichen. Hierfür wurden adhärente 3T3-Fibroblastenzellen mit zwei Metallfarbstoffen angefärbt und mit beiden Methoden mehrere Dutzend Zellen vermessen. SSA zeigte überlegene Eigenschaften hinsichtlich Durchsatz und Nachweisgrenzen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass >400 Zellen analysiert werden müssen, um zufriedenstellende Statistiken für einen quantitativen Vergleich der Ergebnisse zu erhalten, was als zu mühsam befunden wurde. Daher wurde ein Einzelzellen-Arraying-Schritt integriert, um eine automatisierte LA-ICP-MS-Analyse zu ermöglichen. Hierfür wurden zwei Arrayingverfahren getestet: Zunächst wurde das mikrofluidische Arraying von Zellen getestet, jedoch verhinderte das Einklemmen von weichen PDMS-Chips eine erfolgreiche Anwendung, und eine Neugestaltung des Chips wäre erforderlich. Daraufhin wurde eine neuartige Technologie getestet, die auf dem Arraying von Tröpfchen in Verbindung mit der Bilderkennung von Zellen beruht, wobei ein Anordnungsdurchsatz von 550 Zellen pro Stunde und eine beispiellose Einzelzellengenauigkeit (> 99%) gefunden wurde. In einem Proof-of-Principle-Experiment wurde ein Zellarray von THP-1-Suspensionszellen mittels LA-ICP-TOF-MS analysiert und erstmals gleichzeitig endogene und exogene Isotope einzelner Zellen als Isotopen-Fingerabdrücke von Zellen mit Nachweisgrenzen von lediglich wenigen hundert attogramm. Schließlich wurden diese Ergebnisse mit der derzeit gebräuchlichsten Analysemethode Single-Cell (sc)-ICP-MS verglichen. / Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is increasingly used for single-cell analysis. However, a more widespread use of LA-ICP-MS in single cell analysis is hampered by its low throughput. Hence, in this work the throughput of single cell LA-ICP-MS was studied and improved. First, the two possible ablation modes, imaging and single spot analysis (SSA) of single cells using a large laser spot, are compared regarding their analytical figures of merit (signal to noise, precision, accuracy, throughput), as well as regarding ease of operation and data evaluation. For that, adherent 3T3 fibroblast cells were stained with two metal dyes and several dozen cells were measured using both modes. SSA showed superior characteristics regarding throughput and detection limits. Moreover, it was shown that >400 cells must be analyzed to reach satisfactory statistics for a quantitative comparison of results, which would have been too laborious. Thus, a single cell arraying step was integrated to enable automated LA-ICP-MS analysis. Two different arraying methods were evaluated: First, arraying via hydrodynamic front trapping of cells using a microfluidic device was tested, but clamping of soft PDMS-chips prevented successful arraying and it was concluded that a major redesign of the chip is necessary. Secondly, and a novel technology relying on a microdroplet arrayer in conjunction with image recognition of cells was tested and a moderate arraying throughput (550 cells per hour) and an unprecedented single-cell accuracy (>99%) was found. In a proof of principle experiment, a cell array of THP-1 suspension cells was analyzed using LA-ICP-TOF-MS and endogenic and exogenic isotopes of individual cells were detected for the first time simultaneously as isotopic fingerprints of cells with detection limits as low as hundred attogram. Finally, these results were compared to the currently more commonly used analysis method single-cell (sc)-ICP-MS.

Gegenwärtig ist das Interesse und der Bedarf von Proteinbindern insbesondere in der Biotechnik und Pharmaforschung sehr groß. Kombinatorische, Partikel-basierte (One-Bead-One-Compound) Peptidbibliotheken sind eine Technik, um selektiv bindende Proteine zu identifizieren. Allerdings beinhaltet das Screening dieser Peptidbibliotheken aufwendige Schritte, wie die Separation, Sequenzierung und Charakterisierung von identifizierten Bindern. In dieser Arbeit wurde ein Chip-System entwickelt, auf dem alle Schritte eines Screenings durchgeführt werden können. Dafür wurde ein Glasobjektträger mit einem magnetisch leitenden, doppelseitigen Klebeband versehen. Die Partikel der Bibliothek wurden durch ein Sieb aufgetragen. Dies führte zu einer geordneten Immobilisierung der Partikel auf dem Chip. Über 30.000 Partikel konnten so auf einem Chip immobilisiert werden. Für die Identifizierung von selektiven Protein-bindenden Peptiden wird die immobilisierte Peptidbibliothek mit einem Fluorophor-markierten Protein inkubiert, bindende Partikel mittels Fluoreszenzscan identifiziert und die Peptidsequenz direkt auf dem Chip mittels Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-(MALDI)-Flugzeit-(TOF)-Massenspektroskopie (MS) bestimmt. Die Durchführung einer Abbruchsequenz-Methode erlaubt die eindeutige Bestimmung der Peptidsequenzen mit einer nahezu 100 % Genauigkeit. Die entwickelte Technologie wurde in einem FLAG-Peptid-Modell validiert. Bei dem Screening wurden neue anti-FLAG-Antikörper-bindende Peptide identifiziert. Anschließend wurden in einem Screening von ca. 30.000 Partikeln IgG-bindende Peptide mit mittleren mikromolaren Dissoziationskonstanten identifiziert. Für die Identifizierung stärkerer Binder wurde eine magnetische Anreicherung entwickelt, die dem Chip-Screening vorgeschaltet werden kann. Hiermit wurden aus ca. 1 Million gescreenter Partikel, Peptide mit Dissoziationskonstanten im niedrigen mikromolaren Bereich identifiziert. / The screening of one-bead-one-compound (OBOC) libraries is a well-established technique for the identification of protein-binding ligands. The demand for binders with high affinity and specificity towards various targets has surged in the biomedical and pharmaceutical field in recent years. The combinatoric peptide screening traditionally involves tedious steps such as affinity selection, bead picking, sequencing and characterization. In this thesis, a high-throughput “all-on-one chip” system is presented to avoid slow and technically complex bead picking steps. Beads of a combinatorial peptide library are immobilized on a conventional glass slide equipped with an electrically conductive tape. The beads are applied by using a precision sieve, which allows the spatially ordered immobilization of more than 30,000 beads on one slide. For the target screening, the immobilized library is subsequently incubated with a fluorophore-labeled target protein. In a fluorescence scan followed by matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI)-time of flight (TOF) mass spectrometry (MS), high-affinity binders are directly and unambiguously sequenced directly from the bead. The use of an optimized ladder sequencing approach improved the accuracy of the de-novo sequencing step to 100 %. This new technique was validated by employing a FLAG-based model system. In a first step, new peptide binders for the M2 anti-FLAG monoclonal antibody were identified. Finally, this system was utilized to screen for IgG-binding peptides. The screening of about 30.000 peptides on one chip led to the identification of peptide binders in the mid micromolar range. A magnetic enrichment technique was developed to increase the number of screened beads. By combining the magnetic enrichment strategy with the chip system, 1 million beads were screened and IgG-binders in the low micromolar range were identified.

Die COVID-19-Pandemie machte deutlich, wie wichtig die Verfügbarkeit eines Schnelltests für ein funktionierendes Gesundheitssystem ist. Mit dieser einfachen Technologie kann die Unsicherheit in den unterschiedlichen und teils kontroversen statistischen Kennzahlen signifikant verringert werden. Immunoassays wie LFIA, FPIA und ELISA (Lateral Flow Immunoassay, Fluoreszenzpolarisationsimmunoassay und Enzymimmunoassay) werden in der Diagnostik und der Umweltanalyse eingesetzt. Die Verwendung von LFIA für ein Screening vor Ort bietet eine Alternative zu instrumentellen Methoden sowie komplizierteren Immunoassay-Formaten und liefert innerhalb von 10 bis 15 Minuten Ergebnisse. Verfahren mit Membranen als feste Träger erlauben parallele Assays in derselben Probe. In dieser Arbeit wurden Latex-Mikropartikel-basierte und Gold-Nanopartikel-basierte LFIAs zum Nachweis von Bisphenol A (BPA) entwickelt. Ein Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Nitrocellulose-Membranen, Konjugatpads, Membranbehandlungen sowie einer geeigneten LFIA-Vorbehandlung zwecks Optimierung. Die Ergebnisse eines LFIA-Tests können sowohl mit bloßem Auge als auch instrumentell interpretiert werden. Die visuelle Nachweisgrenze (vLOD) wurde bei 10 μg/L gefunden, die berechnete instrumentelle Nachweisgrenze (cLOD) war 0,14 μg/L. Die Synthese der Haptenproteinkonjugate und deren weitere Bewertung in einem ELISA-Aufbau führte zu einem hochempfindlichen Assay mit einer Nachweisgrenze von 0,05 μg/L. Zusätzlich wurde ein Mix-and-Read-FPIA zur Bestimmung von BPA entwickelt. Dafür wurden neue Tracer-Moleküle, welche Fluorophore mit Derivaten des Analyten verbinden, einschließlich eines C6-Spacers (Ahx) synthetisiert. Der Einfluss der Ahx-Tracer-Brückenlänge auf die Assay-Empfindlichkeit wurde abgeschätzt, die Nachweisgrenze lag bei 1,0 μg/L mit einem Arbeitsbereich von 2 bis 155 μg/L. Die Methoden wurden für reale Proben gegen LC-MS/MS als Referenzmethode mit guter Übereinstimmung mit LFIA, FPIA und ELISA validiert. / The COVID-19 pandemic made it obvious how important the availability of a rapid test is for an efficient healthcare system. This simple technology can significantly reduce the uncertainty in the various and sometimes highly controversial statistical figures of a pandemic. Immunoassays, like LFIA, FPIA and ELISA (lateral flow immunoassay, fluorescence polarization immunoassay, enzyme immunoassay) are used in diagnostics and environmental analysis. The use of LFIA for on-site screening is an alternative to instrumental methods and to more sophisticated immunoassay formats. Results from LFIA are obtained within 10 to 15 min. Methods that use membranes as solid supports allow parallel assays to be performed in the same sample. In this work, latex microparticles-based and gold nanoparticles-based LFIAs for a rapid detection of bisphenol A (BPA) were developed. The work focused on the search for suitable nitrocellulose membranes, conjugate pads, membrane treatments, as well as for a proper LFIA pretreatment to optimize the performance. The results of an LFIA test can be interpreted both by naked eye and instrumentally. The visual limit of detection (vLOD) was found to be 10 μg/L, the calculated instrumental limit of detection (cLOD) was 0.14 μg/L. The synthesis of the required hapten-protein conjugates and further evaluation in an ELISA setup resulted in a highly sensitive assay with a limit of detection of 0.05 μg/L. Additionally, a mix-and-read FPIA for determination of BPA was developed. Here, new tracer molecules that link fluorophores to derivatives of the analyte were synthesized, including a C6 spacer (Ahx). The influence of the Ahx tracer bridge length on the assay sensitivity was estimated. The limit of detection was 1.0 μg/L with a working range from 2 to 155 μg/L. The methods were validated for real samples against LC-MS/MS as reference method with good agreement with LFIA, FPIA, and ELISA.

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.

Mit der Entdeckung von Graphen begann ein neuer Zeitabschnitt für die Entwicklung von Elektronik und Sensoren aufgrund der einzigartigen elektronischen Struktur Graphens. Graphen ist breit vertreten, beispielsweise in Anwendungsbereichen von Sensorik, Energiespeicherung und Katalyse. Elektronentransferprozesse sind fundamentale Prozesse für eben solche Anwendungen. Die Eigenschaften des heterogenen Elektronentransfers von Graphen sind sehr umstritten und es gibt immer noch kein einheitliches Bild, um eben jenen zu verstehen, da oft voneinander abweichende Eigenschaften in der Literatur dargestellt werden. Diese Arbeit präsentiert systematische Untersuchungen der Elektronentransfereigenschaften von einlagigen Graphenelektroden. Als weiterer Teil dieser Arbeit werden die Elektronentransfereigenschaften durch den Entwurf einer neuen Graphen-Hybridelektrode gezielt verändert. Der erste Teil ist auf die Verbesserung der Herstellungsschritte und der anschließenden Untersuchung des Einflusses von Kupferrückständen auf die Kinetik des Elektronentransfers von einlagigen Graphenelektroden fokussiert. Die Kupferrückstände kommen von der Herstellung und dem Transfer von Graphen. Die Elektronentransferkinetik von klassischen Redoxmediatoren mit inner-sphere Elektronentransfermechanismus nimmt nach erfolgreichen Entfernen von Kupferrückständen ab. Im Gegensatz dazu bleibt die Kinetik von outer-sphere Redoxmediatoren unberührt. Hier wird gezeigt, dass die Elektronentransferkinetik von solchen Redoxmediatoren vom pH-Wert der Lösung abhängig ist, obwohl bei dem Elektronentransfer Protonen nicht involviert sind. Weiterhin wird hier festgestellt, dass der Elektronentransfer von Kationen an Graphen am schnellsten in neutralem pH stattfindet, während der Elektronentransfer von Anionen am schnellsten in saurem Millieu abläuft. Diese pH-Abhängigkeit wird den elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den dissoziierten Redoxmediatoren und der Ladung der Graphen-Flüssigkeit-Grenzschicht zugeschrieben. Dieses Verhalten wird auch für Graphenelektroden auf anderen isolierenden Substraten und sogar mit einer unter dem Graphen liegenden Schicht von hexagonalem Bornitrid (hBN) gefunden. Basierend darauf ist die Schlussfolgerung, dass diese pH-Abhängigkeit für den Elektronentransfer von geladenen Redoxmediatoren an Graphenelektroden intrinsisch und spezifisch für Graphen ist. Mit Metallsubstraten unter dem Graphen kann dieser pH-Effekt unterdrückt werden, was für einen verstärkten elektrokatalytischen Effekt vom darunterliegenden Metall spricht, welcher dem vorher diskutierten elektrostatischen Effekt, vermutlich durch die Zunahme der gesamten Elektronendichte, überwiegt. Basierend darauf wurde eine neue Art von Graphenelektrode entwickelt: die Graphen-Sandwichelektrode. Diese Elektrode besteht aus zwei aufeinanderliegenden Graphenschichten mit dazwischenliegenden Metallpartikeln. Diese Sandwichelektrode nutzt die elektrochemischen Eigenschaften der in der Mitte liegenden Metallpartikeln aus, obwohl das Metall durch eine Graphenschicht bedeckt ist und nicht in Kontakt mit der Lösung kommt. Bei der Verwendung von Platinpartikeln wird die obere Graphenschicht mit elektrokatalytischen Eigenschaften versehen. Als Ergebnis wird die Bildung von Wasserstoff (HER) und die Reduktion von Sauerstoff (ORR) an dieser Elektrode katalysiert. Des Weiteren wird dieser Effekt hier dafür genutzt um Wasserstoffperoxid zu messen, auch wenn eine solche Reaktion an einer „normalen“ Graphenelektrode nicht beobachtet werden kann. Hierdurch wird eine neue Klasse von optimierten Elektroden mit maßgeschneiderten elektrokatalytischen Eigenschaften realisiert. Diese Ergebnisse heben den Einfluss eines unter Graphen liegenden Metalls auf die Elektrochemie von Graphen hervor. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchungen von Ladungen an der Graphen-Flüssigkeit-Grenzschicht auf einem lokalen und räumlich aufgelösten Niveau mit Hilfe von Rasterionenleitfähigkeitsmikroskopie (Scanning Ion Conductance Microscope - SICM). Dafür sind weiche Trägerflächen benötigt, die die Spitzen von Glaskapillaren nicht beschädigen. Diesbezüglich werden drei Protokolle für den Transfer von Graphen auf ein weiches Polymersubstrat, dem Polydimetyhlsiloxan (PDMS), entwickelt. Die dadurch erhaltenen Graphenproben werden mit Hilfe von optischer und Rasterkraftmikroskopie charakterisiert. Anhand von Annäherungskurven aus der SICM kann die Oberflächenladung qualitativ charakterisiert werden. Die Oberflächenladung einer Graphenoberfläche kann als negativ geladen in einem pH-Wert von 7 entschlüsselt werden. Zusätzlich werden Herausforderungen und Hindernisse beim Arbeiten mit SICM zu Grenzflächenuntersuchungen von einlagigem Graphen diskutiert. Diese Ausarbeitung zeigt die Bedeutung von Grenzflächenladungen und den Einfluss von unter dem Graphen liegenden Metall auf Graphen und graphenverwandte Elektroden auf. Dieses Wissen kann genutzt werden, um neue graphenbasierte Sensoren und auch hybride Elektroden für Elektrokatalyse zu entwickeln. / The discovery of graphene initiated a new era of electronic and sensor development due to graphene's unique electronic structure. Graphene covers a wide range of applications including sensing, energy storage and catalysis. The heterogeneous electron transfer (ET) is the most fundamental and most important process happening at devices in such applications. However, the ET properties of graphene are highly debated and still no coherent picture can be drawn to understand them since differing ET rates are presented in literature. This work presents systematic investigations of the ET characteristics of graphene monolayer electrodes. Furthermore, the ET properties are engineered by the fabrication of a novel graphene-based hybrid electrode. The first part focusses on the improvement of the fabrication steps and subsequent investigation of the influence of Cu trace residues on the ET kinetics of graphene monolayer electrodes. The residual Cu traces come from the fabrication process of graphene as well as from the transfer process of graphene monolayer electrodes. The ET kinetics of a classical inner-sphere redox probe decreases after a successful removal of Cu particles. In contrast to this, the ET kinetics for outer-sphere redox probes stay unaffected. Most importantly, the ET kinetics of both kinds of redox probes are found to be dependent on the solution pH, although these reactions are proton independent. ET at graphene with cations is found to be fastest in neutral pH, while the ET kinetics of anions are fastest in acidic media. This pH dependency is attributed to electrostatic interactions between the dissociated redox probes and the interfacial charge at the graphene-liquid interface (GLI). This behavior is further observed for graphene monolayer electrodes on other insulating substrates. Even with an underlying hexagonal boron nitride (hBN) layer that shields the graphene monolayer from the substrate, the same pH effect can be observed. Based on this, it can be concluded that the pH dependency of ET at graphene for charged redox species is intrinsic to graphene. By using a subsurface metal substrate, the pH effect is suppressed, indicating an enhanced electrocatalytic effect from the metal underneath that dominates the afore discovered electrostatic effect, most likely due to an increase of the overall electron density. By exploiting this effect, a new kind of graphene electrode is designed: the graphene sandwich electrode. This electrode consists of two graphene monolayers, with electrodeposited metal particles between both layers. This sandwich electrode exploits electrochemical properties of the metal in between, even though the metal is covered by a graphene monolayer and hence not exposed to the liquid. By using Pt particles, the upper graphene layer gets rendered with electrocatalytic properties. As a result, the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen reduction reaction (ORR) are found to be clearly catalyzed at this electrode. Furthermore, this effect is exploited for hydrogen peroxide sensing, while this reaction is not observable on pristine graphene. Thus, a new kind of engineered electrode with rendered novel electrocatalytic properties was designed. These findings highlight the influence of a subsurface metal on to the electrochemistry of graphene. The second part of this work focusses on using scanning ion conductance microscopy (SICM) to investigate interfacial charges at the GLI at a local and spatially resolved level. First, for investigations using an SICM, soft samples are needed for avoiding damage of SICM tips. For this, three different protocols are developed and discussed for transferring a graphene monolayer on a soft poly(dimethylsiloxane) (PDMS) substrate. The obtained graphene samples are characterized using optical and atomic force microscopy. By utilizing approach curves in SICM, the surface charge can be characterized qualitatively. At a graphene surface in pH 7, an overall negative surface charge can be deciphered. In addition, challenges and obstacles are discussed when using SICM for interfacial investigations of graphene monolayers. Taken together, this work presents systematic investigations of the ET of graphene monolayer and graphene sandwich electrodes. These findings improve the understanding of graphene electrochemistry and highlights the importance of interfacial charge and the influence of a subsurface metal on graphene and graphene-related electrodes. This knowledge can be used to design new graphene-based sensors and hybrid electrodes for electrocatalysis.

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.

Blütenstaub ist eine der Hauptursachen für allergische Erkrankungen des Menschen. Insbesondere die Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation-Flugzeit Massenspektrometrie stellt eine geeignete Technik dar, um solch komplexe, biologische Proben zu charakterisieren. Bei MALDI-TOF MS-Analysen werden die Bestandteile detektiert, die zuvor durch die Matrixauftragung und/oder während der Laser-Desorption von der Oberfläche des Pollenkorns abgelöst werden. Hier zeigte sich, dass die Verwendung eines leitfähigen Klebebandes zur Probenpräparation sowohl die Fixierung der Pollenkörner als auch die Extraktion der Analyten aus diesen verbessert. Die gezeigten Ergebnisse belegen, dass sich Pollen verschiedener Pflanzenarten über den Vergleich von massenspektrometrischen Peakmustern differenzieren lassen. Zur Beurteilung der spektralen Muster wurden in dieser Arbeit multivariate, statistische Verfahren, speziell die Hauptkomponentenanalyse verwendet. Diese hebt Unterschiede in den Datensätzen hervor und ermöglicht eine varianzgewichtete Darstellung und verbesserte Klassifizierung. Zur effizienten multivarianten Analyse wurde dieses Verfahren in eine graphische Benutzeroberfläche eingebunden. Neben der individuellen Charakterisierung einzelner Pollenproben liegt eine weitere Herausforderung in der massenspektrometrischen Analyse von Pollenkornmischungen, da es durch Vermischungs- und Suppressionseffekte zur Diskriminierung einzelner, möglicherweise charakteristischer MS-Peaks kommen kann. Deshalb wurde in dieser Arbeit die bildgebende MALDI Massenspektrometrie angewendet. So konnten in einem Modellsystem einzelne Pollenkörner unterschiedlicher Arten nachgewiesen und ihren ursprünglichen Positionen in der Probe zugeordnet werden. Der im Rahmen der Arbeit vorgestellte Ansatz stellt eine neue, zuverlässige Methode zur Pollenbestimmung dar, die nicht auf der individuellen, visuellen Beurteilung, sondern auf einer spektrometrisch-analytischen Basis beruht. / Pollen represent one of the major causes for allergies in humans. Matrix-assisted laser desorption/ ionization time-of-flight is a suitable technique to characterize such complex biological samples. In pollen analyses, MALDI-TOF MS detects components that are extracted from the grain surface by the matrix solution and during laser desorption. Like any biological structure, pollen grains contain specific proteins, peptides, lipids and carbohydrates that produce characteristic signal patterns in the mass spectrum. The sample preparation applied in this work showed that the use of a conductive adhesive tape improves both the fixation of the pollen grains and the extraction of the analytes from them. The shown results prove that pollen of different plant species can be differentiated by comparing their respective mass spectral patterns. For the evaluation of such spectral patterns multivariate statistical methods, and in this work especially principal component analysis, are needed. PCA highlights differences in data sets and enables variance-weighting and improved classification. For efficient multivariate analysis, this method was integrated into a graphical user interface. In addition to the individual characterization of pollen samples, the mass spectrometric analysis of pollen grain mixtures posed a further challenge, since mixing and suppression effects can lead to discrimination of individual, possibly characteristic MS-peaks. For this purpose, the MALDI MS Imaging technique was applied. For the evaluation of such imaging data sets, further multivariate methods were applied, investigated, and evaluated. Thereby, in a model system individual pollen grains of different species could be identified and assigned their original position in the sample. The presented approach represents a new, reliable method for pollen determination, based on spectrometric-analytical basis rather than an individual visual assessment.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Im Falle eines akuten myokardialen Infarkts ist eine schnelle und präzise Diagnostik notwendig, um ggf. die entsprechend überlebenswichtigen Maßnahmen in die Wege zu leiten. Einer der wichtigsten Biomarker für die Herzinfarkt-Diagnostik ist das kardiale Troponin I (cTnI), welches durch das Absterben der Myokardzellen (Herzmuskel) in den Blutkreislauf gelangt und sich dessen Konzentration über die Zeit ändert. Diese Konzentrationsänderung ist entscheidend für die Diagnostik und letztendlich für weitere lebensrettende medizinische Schritte. Entsprechend wurden in dieser Arbeit verschiedene Messmethoden entwickelt, um cTnI-Konzentrationen zu bestimmen. Zunächst wurden mehrere Enzyme-linked Immunosorbent Assays (ELISA) im Sandwich-Format entwickelt, um eine höchstmögliche Sensitivität zur Detektion von cTnI zu ermöglichen. Um eine schnelle und kostengünstige Detektion von cTnI zu ermöglichen, wurde außerdem ein Lateral-Flow-Assay (LFA) entwickelt. Dabei wurden Gold-Nanoshells für die optische Auswertung verwendet, welche eine empfindlichere Detektion als übliche Gold-Nanopartikel ermöglichen. Des Weiteren wurden verschiedene Immunisierungen mit unterschiedlichen Strategien durchgeführt, um neue Antikörper gegen humanes cTnI zu entwickeln. Für das Online-Monitoring von cTnI wurde der Prototyp eines Biosensors entwickelt, welcher auf Chemilumineszenz-Detektion basiert. Für cTnI wurde mit dem Biosensor eine Nachweisgrenze von 0,6 μg/L (25 pM) in Puffer, 1,8 μg/L (73 pM) in Serum und 1,5 μg/L (63 pM) erzielt. / Cardiovascular diseases are the most common cause of death worldwide. In the event of an acute myocardial infarction, rapid and precise diagnostics are necessary in order to initiate the appropriate vital measures if necessary. One of the most important biomarkers for heart attack diagnostics is cardiac troponin I (cTnI), which enters the bloodstream when the myocardial cells (heart muscle) undergo necrosis after an infarction and whose concentration changes over time. This change in concentration is crucial for diagnostics and ultimately for further lifesaving medical steps. Accordingly, various measurement methods were developed in this work to determine cTnI concentrations. Initially, several enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) were developed in a sandwich format to enable the highest possible sensitivity for the detection of cTnI. A lateral flow assay (LFA) was also developed to enable rapid and cost-effective detection of cTnI. Gold nanoshells were used for optical evaluation, which enable more sensitive detection than conventional gold nanoparticles. Furthermore, different immunizations with different strategies were performed to develop new antibodies against human cTnI. A prototype biosensor based on chemiluminescence detection was developed for the online monitoring of cTnI. For cTnI, a detection limit of 0.6 μg/L (25 pM) in buffer, 1.8 μg/L (73 pM) in serum and 1.5 μg/L (63 pM) was achieved with the biosensor.