Bis zu 95 % der Wirkstoffe von Arzneimittel der Humanmedizin werden unverändert ausgeschieden oder gelangen über die täglichen Hygiene in den Wasserkreislauf. Die meisten Substanzen werden sehr schnell und vollständig abgebaut oder liegen in Konzentrationen vor, in denen sie keine Gefährdung für die Umwelt und den Menschen darstellen. Im Gegensatz dazu gibt es aber auch Substanzen, die nur sehr schwer abgebaut werden können (persistent sind) und für die bereits negative Langzeiteffekte in umweltrelevanten Konzentrationen für Tiere nachgewiesen wurden. Ein Beispiel dafür ist der schmerzstillende Wirkstoff Diclofenac. Aus diesem Grund und wegen der guten Kenntnislage hinsichtlich Vorkommen, Abbauprodukte und Analytik wurde Diclofenac als Referenzverbindung für die Experimente im Rahmen dieses Projekts verwendet. Aufgrund der geringen Konzentration von Diclofenac in Wasser und der chemischen Stabilität von Diclofenac sowie einiger anderer Spurenstoffe sind herkömmliche Wasserbehandlungsverfahren, wie sie derzeit in Kläranlangen verwendet werden, ineffizient oder zu teuer. Deshalb gibt es zahlreiche Bemühungen, alternative und umweltschonende Behandlungsverfahren zur Entfernung von Arzneimittelrückständen aus Wasser zu entwickeln, die einen vollständigen Abbau der Rückstände ermöglichen. Idealerweise sollten technische Lösungen zur Verfügung stehen, die gegebenenfalls in jedem Land der Erde einsetzbar wären. Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz zur Entwicklung fotokatalytischer Schichten, die idealerweise bereits bei Tageslicht eine ausreichend hohe Aktivität aufweisen, ist besonders interessant, da es nach Optimierung weder des zusätzlichen Einsatzes von Chemikalien noch des Einsatzes von Energie bedarf. So werden durch die Bestrahlung des Katalysators (z.B. ZnO, TiO2) mit künstlichem UV-Licht, perspektifisch aber mit UV-A-Strahlung der Sonne sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zu reaktiven Hydroxylradikalen umgesetzt, die letztendlich die unspezifischen Spaltung organischer Verbindungen im Wasser bewirken. Voraussetzung für die Optimierung hinsichtlich katalytischer Aktivität und Empfindlichkeit gegenüber Tageslicht ist ein Herstellungsverfahren, das die Optimierung der fotokatalytischen Schichten bezüglich verschiedener Parameter (optimale Größe, enge Größenverteilung, Möglichkeit der einfachen Dotierung, Verhinderung der Agglomeration bei gleichzeitiger dauerhafter Immobilisierung) erlaubt. Diesbezüglich besonders aussichtsreich ist die Verwendung von hoch geordneten bakteriellen Hüllproteinen sogenannten „surface-layer“ (S-Layer)-Proteinen, die sowohl eine einfache Herstellung von fotokatalytisch aktiven Nanopartikeln aus verschiedenen Elementen erlauben, als auch zur Beschichtung verschiedener Materialien geeignet sind. Ein Ziel im Projekt ist die Herstellung von reinen und dotierten ZnO und TiO2-Nanopartikeln zur Eliminierung von Diclofenac aus Wasser (siehe Abbildung 1). Dabei dienen S-Layer verschiedener Bakterien und damit Proteinschichten mit unterschiedlichen Symmetrien, Gitterabständen und Porengröße als Template für die Herstellung von Nanopartikeln verschiedener aber definierter Größe. Darüber hinaus werden die S-Layer im Projekt als Trenn- und Immobilisierungsschicht für die erzeugten Nanopartikel genutzt. Letzteres vor allem zur Verhinderung einer Agglomeration und des Austrags der Nanopartikel, was beides einen Verlust der katalytischen Aktivität entsprechender Schichten bedeuten würde. Als Träger werden im Rahmen des Projekts verschiedene in technischen Anwendungen genutzte Materialien dahin gehend überprüft, in wie weit sich S-Layer darauf abscheiden lassen und stabile Schichten ausbilden und darauf aufbauend ein Trägermaterial für die Herstellung fotokatalytisch aktiver Beschichtungen ausgewählt. Gleichzeitig war es Ziel des Projektes, die Biomassegewinnung hinsichtlich eines Upscalings und hinsichtlich der Kosten zu optimieren. Ausgehend von dieser konkreten wissenschaftlichen Fragestellung war es auch Ziel des Projektes, ein verwertungsorientiertes Netzwerk aufzubauen. Dies vor allem zur Sicherung der Fortentwicklung der neuen Materialien und der Weiterführung der begonnenen Arbeiten in dem konkreten Forschungsgebiet mit dem Ziel der Entwicklung eines marktreifen Produktes aber auch zur Etablierung einer dauerhaften Kooperation zwischen den verschiedenen Forschungs- und Industriepartnern. Diese Ziele sollten insbesondere über eine Vernetzung von Instituten innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft, weiteren regionalen und überregionalen Forschungseinrichtungen sowie Industriepartnern erreicht werden. Die sehr gute gerätetechnische Ausstattung, die im vorliegenden Fall über die Projektmittel erreicht wurde, war nicht nur Voraussetzung zur Durchführung der geplanten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und zur Herstellung von Materialien im kleintechnischen Maßstab, sondern erhöhte auch die Attraktivität des Teams als Projektpartner weiter und nachhaltig. Erfahrungen aus dem Projekt und dem Prozess der Netzwerkbildung sollen insbesondere unter Einbeziehung der Geschäftsstelle der Leibniz-Gemeinschaft zur Entwicklung eines Prozessleitfadens für die Bildung von Verwertungs- und Transfernetzwerken innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft genutzt werden.

Natürliche Biofilme von zwei urankontaminierten Standorten, dem ehemaligen Uranbergwerk in Königstein (Sachsen) und dem Gebiet der ehemaligen Aufstandsfläche der Gessenhalde (Thüringen), wurden in dieser Arbeit näher untersucht. An beiden Standorten konnte in den Minenwässern die hochmobile, gelöste Uranspezies Uranylsulfat (UO2SO4) als dominierend nachgewiesen werden. Aufgrund der Instabilität vieler kommerzieller Fluoreszenzfarbstoffe bei niedrigen pH-Werten war eine gezielte Anfärbung der Mikroorganismen in den sauren Biofilmen nicht möglich, ohne den pH-Wert der Biofilmproben anzuheben, was die Probenchemie maßgeblich verändert. In Kooperation mit der Firma DYOMICS (Jena, Deutschland) wurden neue, kommerziell nicht erhältliche, säurestabile Farbstoffe erstmals hinsichtlich ihrer Eignung zur Anfärbung von Mikroorganismen in sauren Biofilmen ohne Veränderung des pH-Wertes sowie der sonstigen Probenchemie getestet. Die neuen Farbstoffe DY-601XL, V07-04118, V07-04146 und DY-613 zeigten eine Eignung für solche Färbungen, da sie eine intensive Anfärbung der Mikroorganismen bei niedrigen pH-Werten unter pH 3 – 4 herbeiführen und außerhalb des Emissionsbereiches von Uran fluoreszieren. In dieser Arbeit wurde die Fähigkeit von Euglena Mutabilis-Zellen zur Bioakkumulation des Urans im pH-Wertbereich 3 – 6 in den Hintergrundmedien Natriumperchlorat (9 g/l) oder Natriumsulfat (3,48 g/l) an lebenden Zellen untersucht. Unabhängig vom Medium konnte bei sauren pH-Werten um pH 3 – 4 über 90 % des vorgelegten Urans aus den Probelösungen abgetrennt werden. Die Speziation des an den Euglena-Zellen akkumulierten Urans, wurde mittels laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIFS) untersucht. Es zeigte sich, dass unabhängig vom Hintergrundmedium, Lebenszustand und pH-Wert eine vergleichbare neue Uranspezies an den Zellen gebildet wird. Durch den Vergleich der Daten aus den LIFS-Messungen mit Referenzwerten, konnte die gebildete Uranspezies auf eine Anbindung durch (organo)phosphatische und/oder carboxylische funktionelle Gruppen eingegrenzt werden. Mit Hilfe der zeitaufgelösten FT-IR-Spektroskopie konnte die carboxylische Anbindung des Urans an toten Zellen nachgewiesen werden. Ein Ausschluss der (organo)phosphatischen Komplexierung konnte jedoch mit dieser Methode nicht geführt werden. Untersuchungen zur Lokalisation des Urans an bzw. in den Zellen, mittels der gekoppelten CLSM/LIFS-Technik zeigten erstmals ein Indiz für die intrazelluläre Akkumulation von Uran in den lebenden Zellen. Ergänzende TEM/EDX-Messungen bestätigten die intrazelluläre Aufnahme und belegen eine Akkumulation in runden bis ovalen Zellorganellen, bei denen es sich vermutlich um Vakuolen oder Vakuolen-ähnliche Vesikel handelt. An den toten Zellen konnte mit diesen Methoden kein Uran detektiert werden. Dies lässt auf eine passive, homogen verteilte Biosorption des Urans an die verfügbaren Bindungsplätze an der Zelloberfläche der toten Biomasse schließen.

In der Arbeit wurde erstmals die Eignung von Silizium-Bauelementen mit monolithisch integrierten Thermosäulen als Wärmeleistungstransducer für thermochemische Sensoren zur Detektion flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) untersucht. Dabei wurden bereits in massensensitiven und kapazitiven Sensoren bewährte Polymerschichten als chemisch sensitive Rezeptoren verwendet. Als Kriterien für die Bewertung des Sensors dienten Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis, Reproduzierbarkeit und Signaldynamik. Weiterhin konnte die für die Anwendung der Silizium-Thermosäulen entwickelte Methodik zur Charakterisierung neuer organischer Clathratbildner als potentielle Rezeptormaterialien genutzt werden. Für die untersuchten Clathratbildner wurden die Empfindlichkeiten und die Signaldynamik gegenüber einer Auswahl typischer organischer Lösungsmittel gemessen. Es konnte festgestellt werden, dass die Empfindlichkeitsrelationen deutlich von den Eigenschaften der Rezeptorschichten bestimmt werden und damit eine Mustererkennung in entsprechend konfigurierten Sensorarrays möglich sein sollte. Entgegen den Erwartungen spielt jedoch für die Selektivität der Rezeptorschichten der stereoselektive Effekt der Clathratbildung keine Rolle, da entsprechende Phasenumwandlungen erst oberhalb sensorrelevanter Partialdrücke auftreten und der Messeffekt lediglich durch Adsorption erzeugt wird.

Unter Nutzung des Sol-Gel-Prozess von Siliciumalkoxiden wurden dünne Schichten präpariert. Um eine Funktionalisierung derartiger SiO2-Schichten zu erhalten, wurden einem auf Tetraethoxysilan basierenden Sol Aldehyde, Hydroxycarbonsäuren bzw. Amino-carbonsäuren zugesetzt. Alternativ zu Additiven wurden Alkyltriethoxysilane eingesetzt. Neue azomethinhaltige Siliciumprecursoren wurden synthetisiert und direkt oder im Gemisch mit Tetraethoxysilan hydrolisiert und auf ihre Eignung hinsichtlich der Schichtpräparation getestet. Der Einfluss der Modellsubstanzen auf die Kinetik des Sol-Gel-Prozesses, die Schichtzusammensetzung und die Schichteigenschaften, wird durch die Kombination spektroskopischer und oberflächen-analytischer Methoden aufgeklärt. Für eine Prüfung der erzielten Funktionalisierung wurden die verschieden modifizierten Solsysteme zur Immobilisierung des Enzyms Glucose-Oxidase eingesetzt und die erzielten Enzymaktivitäten systematisch verglichen.

Gegenstand der Arbeit ist die Ermittlung der energetischen und entropischen Beiträge zur Triebkraft bzw. von Informationen über die Kinetik von Wirt-Gast Reaktionen. Zur Charakterisierung der Wechselwirkungen wurde angestrebt, möglichst komplette Datensätze bestehend aus:deltaH, deltaG, deltaS und K zu ermitteln. Als experimentelle Methode kommt vor allem die isotherme Titrationskalorimetrie zum Einsatz. Auf verschiedenen Synthesekonzepten basierenden Wirte wurden hinsichtlich ihrer möglichen Wirt-Gast Wechselwirkungen thermodynamisch untersucht: potenzielle Koordinato-Clathratbildner, molekular geprägte Polymere und natürliche bzw. chemisch modifizierte Amylosen. Die Untersuchungen tragen zum besseren Verständnis von Wirt-Gast Wechselwirkung und Mechanismus der ausgewählten Systeme in Lösung bei. Es konnte festgestellt werden, dass sich die untersuchten Systemen hinsichtlich der Art und Weise der Wirt-Gast Wechselwirkungen stark unterscheiden.

Gegenstand der Arbeit ist ein neuer Atomemissionsdetektor (AED) für die Gaschromatographie (GC), der µ-ESD. In der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau und das Funktionsprinzip des µ-ESDs vorgestellt. Untersucht wurde die Eignung des Detektors zur elementselektiven Bestimmung von Cl, Br, F, S und C im nahen Infrarot nach Optimierung einiger Betriebsparameter. Weiterhin wurden Möglichkeiten zur Korrektur spektraler und chemischer Interferenzen diskutiert. Die Charakterisierung des Detektors erfolgte anhand wichtiger Detektoreigenschaften wie Selektivität und Empfindlichkeit. Ein abschließender Vergleich des µ-ESDs mit einem kommerziellen AED und einem Elektroneneinfangdetektor anhand von Untersuchungen an einigen Umweltproben ermöglichte eine Einschätzung der Leistungsfähigkeit des neuen Detektors. Im direkten Vergleich zum kommerziellen AED wurden neben analytischen auch wirtschaftliche Aspekte betrachtet.

Gegenstand der Dissertation ist die Synthese neuer Organosilicium-Verbindungen durch gezielten schrittweisen Gerüstaufbau zur Erzeugung von Hohlraumstrukturen mit Fähigkeit zur Kristalleinschlussbildung. In diesem Zusammenhang erwies sich die Kombination von Lithiierung plus Salzeliminierung als effiziente Syntheseroute zur kovalenten Verknüpfung von starren ethinylierten Aryleinheiten verschiedener Größe und Symmetrie mit methyl- und phenylsubstituierten Chloroligosilanen und -siloxanen bzw. partiell aminierten Chloroligosilanen. Die so erhaltenen linearen und trigonalen Siliciumorganyle vom triphenylsilyl-substituierten Typ bilden mit verschiedenen Gastsolvenzien ungewöhnlich stabile Einschlussverbindungen. Die trigonale Zielverbindung 1,3,5-Tris[2-(triphenylsilyl)ethinylbenzen tritt im Kristall, weitgehend unabhängig von Größe und Polarität des Gastsolvenz, zu einem starren Wirtgitter mit nahezu idealen ellipsoiden Cavitäten zusammen. Die U-förmige Molekülkonformation in solvenzfreien Kristallen der beschriebenen Organosiloxane stellt eine strukturelle Neuheit für Verbindungen dieses Typs dar.

Anorganische Salzhydrate sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Schmelzwärmen als Phase-Change-Materials(PCM) für Latentwärmespeicher favorisiert. Die Unterkühlung der Salzhydratschmelzen stellt oftmals ein besonderes Problem bei technischen Anwendungen dar. Erstmalig wurden kombinatorische Methoden zur strukturell unspezifischen Suche nach Keimbildnern genutzt. Das hier entwickelte Verfahren erlaubt es, thermische Kristallisationseffekte zwischen 10°C und 170°C zu untersuchen. Bis zu 2025 Materialkombinationen können sowohl parallel synthetisiert als auch analysiert werden. Die Synthese der Keimbildner erfolgte durch Verhältnisvariation gelöster Salze mittels automatisierter Dosierung auf Trägerplatten und anschließendem Tempern. Die aktiven Kombinationen wurden durch zeitaufgelöste Thermographie identifiziert. Die Schlüssigkeit des gesamten Verfahrens konnte durch das erfolgreiche Screening zweier PCM mit unterschiedlichen Schalttemperaturen (NaCH3COO*3H2O; Fp=58°C und LiNO3*3H2O; Fp=29°C) nachgewiesen werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen anorganischer Salzhydratschmelzen, wie beispielsweise LiClO4•3H2O, ZnCl2+4H2O und NaSCN/KSCN/LiSCN/H2O als Lösemedien für Cellulose und ausgewählte Cellulosederivate sowie zur Charakterisierung der durch den Lösevorgang hervorgerufenen strukturellen Veränderungen von Cellulose. Es konnten Aussagen zu Wechselwirkungen zwischen den Cellulosemolekülketten und den in den Hydratschmelzen auftretenden Spezies getroffen sowie eine Korrelation zwischen den Eigenschaften der Schmelzen und der molekularen und übermolekularen Struktur der aus den Schmelzen regenerierten Cellulosen gefunden werden. Zur Beschreibung der Wechselwirkungen wurden verschiedene NMR-spektroskopische Methoden genutzt. Die Polymerproben wurden mittels WAXS, 13C-CP/MAS-NMR-Spektroskopie, BET-, SEC-Messungen, Solvatochromie- und REM-Untersuchungen charakterisiert. Mittels experimenteller Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass sich bestimmte Salzhydratschmelzen zum Lösen, Quellen bzw. gezielten Abbauen von Cellulose eignen.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf und die Realisierung kristalliner organisch-anorganischer Festkörper mit wohldefinierten Hohlraumstrukturen auf der Grundlage von Metallkoordinationen. Basierend auf generellen Prinzipien des Crystal Engineering wurden anhand von drei Typen oligofunktioneller Liganden und ausgewählter koordinationschemischer Synthesemethoden neue polymere Komplexverbindungen hergestellt, die im Hinblick auf Koordinationsgeometrie und Liganddimensionalität strukturspezifische Unterschiede aufweisen. Diese sind durch Anwendung von strukturanalytischen Methoden belegt. Untersuchungsergebnisse der polymeren Komplexe als Rezeptoren für leichtflüchtige Lösungsmittel lassen erkennen, dass sich die erzeugten Koordinationspolymere potentiell als Beschichtungen in massensensitiven Sensoren eignen. Weiterhin konnte durch strukturgeometrische Untersuchungen an Modellkomplexen eine strukturelle Grundlage für den zukünftigen Entwurf von Koordinationspolymeren geschaffen werden.