Die eingereichte Arbeit ist ein Beitrag, um das Verständnis der Filtration von metallischen Schmelzen für hochwertige Gussprodukte zu erhöhen. Anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen wird besonders die Benetzung zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase als Einflussfaktor auf Tiefenfiltrationsprozesse untersucht. Rasterkraftmikroskopische Messungen verdeutlichen die Bedeutung der Benetzung auf die Adhäsionsenergie zwischen zwei Feststoffoberflächen. Durch ein entwickeltes Modellsystem konnte bewiesen werden, dass mit steigendem Kontaktwinkel zwischen disperser und kontinuierlicher Phase die Filtrationseffizienz signifikant ansteigt. Aufgrund der wirkenden Haftmechanismen im getesteten Benetzungssystem können sich dendritische Abscheidestrukturen ausbilden, die zur Redispergierung neigen. Ergänzt um eine numerische Simulation am Einzelkollektor, konnte ein Abscheidemodell entwickelt werden. Dieses berücksichtigt erstmals reale Haftenergieverteilungen, simulierte Aufprallenergieverteilungen und die hydrodynamische Hemmung als relevante Parameter für die Tiefenfiltration.:Inhaltsverzeichnis III Danksagung VII Eidesstattliche Erklärung IX 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 4 2.1 Metallschmelzefiltration 4 2.2 Benetzbarkeit 18 2.3 Wechselwirkungskräfte zwischen Feststoffen 25 2.4 Tiefenfiltration 34 2.4.1 Transportmechanismen 42 2.4.1.1 Sedimentation 43 2.4.1.2 Trägheit 44 2.4.1.3 Sperreffekt 44 2.4.1.4 Strömungseffekte 45 2.4.2 Haftmechanismen 49 2.5 Einzelkollektormodell 53 3 Materialien und Methoden 57 3.1 Charakterisierung verwendeter Feststoffe 57 3.1.1 Aluminiumoxid 59 3.1.2 Polytetrafluorethylen 62 3.1.3 Beschichtung des Aluminiumoxids 64 3.2 Keramische Filterstrukturen 65 3.2.1 Schaumfilter 65 3.2.2 Einzelkollektoren 72 3.3 Eigenschaften der kontinuierlichen Phase 74 3.4 Versuchsanlagen und Analytik 74 3.4.1 Filtrationsanlagen 75 3.4.2 Einzelkollektorversuchsstand 77 3.4.3 Analytik 80 3.5 Versuchsdurchführung 82 3.5.1 Kleine Filtrationsversuchsanlage 83 3.5.2 Einzelkollektorversuchsstand 86 3.5.3 Statistische Versuchsplanung 88 4 Entwicklung eines Abscheidemodells für Partikel in flüssigen Medien mithilfe numerischer Simulationen 93 4.1 Beschreibung der numerischen Strömungssimulation 94 4.2 Einfluss der hydrodynamischen Hemmung auf den Partikelaufprall 98 4.3 Experimentelle Ermittlung der Haftenergie 105 4.4 Berechnung der Haftwahrscheinlichkeit (Hiller-Zahl) 109 5 Modellhafte Untersuchungen mithilfe des Einzelkollektorkonzeptes 114 5.1 Grundlagenuntersuchungen zum Einzelkollektorkonzept 115 5.2 Parameterstudie zum Abscheideverhalten beim Einzelkollektoraufbau 119 6 Ergebnisse der Filtrationsversuche 128 6.1 Einfluss der Benetzung auf die Filtrationseffizienz 128 6.2 Einfluss der Fluidgeschwindigkeit und des Benetzungszustandes auf die Filtrationseffizienz 134 6.3 Redispergierungseffekte in keramischen Schaumfiltern 139 6.4 Einfluss der relativen Dichte auf die Filtrationseffizienz im komplett hydrophoben System 146 6.5 Vergleich der numerisch modellierten und der experimentell ermittelten Filtrationseffizienz 150 7 Zusammenfassung 155 8 Ausblick 159 9 Symbolverzeichnis 161 Lateinische Symbole 161 Symbol 161 Einheit 161 Bedeutung 161 Griechische Symbole 165 Indizes 166 Abkürzungen 167 10 Literaturverzeichnis 168 11 Anhang 189 11.1 Herstellung Polytetrafluorethylen Pulver 189 11.2 Berechnung der vdW-Kräfte und der Kapillarkräfte basierend auf Kapitel 2.3 190 11.3 Rezeptur zur Herstellung der Dynasylan-Beschichtung 192 11.4 Ergebnistabelle der statistischen Versuchsplanung am Einzelkollektorsystem 193

Systems of interacting colloidal particles are ideal tools for studies of pattern formation and collective non-equilibrium dynamics on the mesoscopic scale. These processes are governed by the interaction between the particles, which can be tuned by sophisticated fabrication. In this thesis, self-assembly of artificially designed magnetic spheres dispersed in water has been studied via video microscopy. The particles are based on silica microspheres with hemispherical ferromagnetic coating of [Co/Pd] multilayers with perpendicular magnetic anisotropy. These particles are exceptional in that they exhibit an off-centered net magnetic moment and yet obey rotational and mirror symmetry. It has been demonstrated how these magnetic properties provide innovative flexibility in pattern formation and collective dynamics based on magnetostatic interactions on the mesoscopic scale. The results are supported by analytical and numerical calculations of interacting spheres with radially shifted point dipoles (sd-particles). In two dimensions, the particles spontaneously self-assemble into branched structures as a result of a bistable assembly behavior where neighboring particles exhibit a non-collinear magnetic orientation. It has been shown that these features, which are atypical for homogeneous systems of magnetic particles, can be reproduced by simulation. It employs a theoretical model of a sphere that contains a distribution of three radially shifted point dipoles in analogy to the magnetization distribution in the coated particles. The stability of the assembly has been examined further by external manipulation using optical tweezers and homogeneous magnetic fields. A rich variety of stable structures with diverse spatial and magnetic ordering has been found. Particularly, the collective alignment of the specially designed particles in external fields opens completely new possibilities for the remote control over reversible pattern formation on the micrometer scale. In time-dependent fields, the collective dynamics of the anisotropic particles has revealed a novel approach for magnetically actuated translation. The variety of stable structures particularly enables control over this motion. / Kolloidale Suspensionen sind geeignete Systeme zur Untersuchung von Strukturbildung und kollektiver Nichtgleichgewichtsdynamik in mesoskopischen Größenskalen. Diese Vorgänge werden durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen bestimmt, welche durch geeignete Partikelherstellung angepasst werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein System von künstlich hergestellten magnetischen Partikelsuspensionen mittels Videomikroskopie untersucht. Quarzglas-Mikrokugeln wurden halbseitig mit einer ferromagnetischen Dünnschicht aus [Co/Pd] Multilagen mit senkrechter Anisotropie beschichtet. Solche Partikel sind ausgezeichnet durch ein resultierendes magnetisches Moment mit Rotations- und Spiegelsymmterie, welches zusätzlich vom Mittelpunkt der Kugel verschoben ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Besonderheit zu einer bisher unbekannten Flexibilität bei der mesoskopischen Strukturbildung und der kollektiven Dynamik auf der Basis magnetostatischer Wechselwirkung führt. Die vorgestellten Ergebnisse werden durch analytische und numerische Berechnungen unterstützt, denen ein Modell einer idealen Kugel mit verschobenem Dipol zugrunde liegt. Die zweidimensionale Selbstanordnung der Partikel zeigt experimentell zwei stabile Formen der Verknüpfung, welche zu verzweigten Strukturen mit unterschiedlich magnetischer Ausrichtung benachbarter Partikel führen. Diese für ein homogenenes System magnetischer Partikel außergewöhnlichen Eigenschaften konnten in Simulationen durch ein Modellsystem aus Kugeln mit drei verschobenen Punktdipolen reproduziert werden. Darüber hinaus wurde die spontante Anordnung unter externer Manipulation mittels optischer Pinzette und magnetischen Feldern untersucht. Es konnte eine Vielfalt an stabilen Strukturen mit verschiedenen magnetischen und strukturellen Anordnungen gefunden werden. Insbesondere die kollektive Ausrichtung dieser Partikel in externen Feldern eröffnet neuartige Möglichkeiten, kontrolliert und reversibel Mikrostrukturen zu erzeugen. In zeitabhängigen Feldern zeigen die anisotropen Partikel zusätzlich eine kollektive Dynamik welche eine neue Möglichkeit zum magnetischen Antrieb von Partikelagglomeraten eröffnet. Die Vielfalt der möglichen stabilen Strukturen erlaubt es in besonderer Weise diese Bewegung zu steuern.

This thesis investigates applicable indoor navigation systems for the next generation of hand-held shopping scanners, on behalf of the company Virtual Stores. The thesis research and review applicable indoor localization methods and ways to combine and evaluate received localization data in order to provide accurate navigation without introducing any other worn equipment for a potential user. Prototype navigation systems was proposed, developed and evaluated using a combination of carefully placed radio transmitters that was used to provide radio based localization methods using Bluetooth or UltraWide Band (UWB) and inertial sensors combined with a particle filter. The Bluetooth solution was deemed incapable of providing any accurate localization method while the prototype using a combination of UWB and inertial sensors proved promising solution with below 1m average error under optimal conditions or 2.0m average localization error in a more realistic environment. However, the system requires the surveyed area to provide 3 or more UWB transmitters in the line of sight of the UWB receiver of the user at every location facing any direction to provide accurate localization. The prototype also requires to be scaled up to provide localization to more than 1 radio transmitters at the time before being introduced to the Fast moving consumer goods market. / Denna avhandling undersöker tillämpliga inomhusnavigationssystem för nästa generations handhållna shopping terminaler, på uppdrag av företaget Virtual Stores. Avhandlingen undersöker och granskar tillämpliga inomhuslokaliseringsmetoder och sätt att kombinera och utvärdera mottagna lokaliseringsdata för att bistå med ackurat navigering utan att introducera någon ytterligare utrustning för en potentiell användare. Prototypnavigationssystem föreslogs, utvecklades och utvärderades användandes en kombination av väl utplacerade radiosändare användandes Bluetooth eller UltraWide Band (UWB) och tröghetssensorer i kombination med ett partikelfilter. Bluetooth-lösningen ansågs oförmögen att tillhandahålla någon exakt lokalisering medan prototypen som använde en kombination av UWB och tröghetssensorer visade sig vara en lovande lösnings med under 1m genomsnittligt fel under optimala förhållanden eller 2,0m genomsnittligt lokaliseringsfel i mer realistisk miljö. Systemet kräver emellertid att det undersökta området tillhandahåller 3 eller fler UWB-sändare inom synfältet för UWB-mottagaren hos användaren vid varje plats och riktning för att tillhandahålla ackurat lokalisering. Prototypen behöver skalas upp för att kunna bistå med lokalisering till mer än 1 radiomottagare innan den introduceras till detaljhandlen.

Mining will remain indispensable for the foreseeable future. For millennia, our society has been exploring and exploiting mineral deposits. Consequently, most of the easily exploitable high-grade deposits, which were of primary interest given their obvious technical and economic advantages, have already been depleted. For the future, the mining sector will have to efficiently produce metals and minerals from low-grade orebodies with complex mineralogical and microstructural properties -- these are generally referred to as complex orebodies. The exploitation of such complex orebodies carries significant technical risks. However, these risks may be reduced by applying modelling tools that are reliable and robust. In a broad sense, modelling techniques are already applied to estimate the resources and reserves contained in a deposit, and to evaluate the potential recovery (i.e., behaviour in comminution and separation processes) of these materials. This thesis focusses on the modelling of recovery processes, more specifically mineral separation processes, suited to complex ores. Despite recent developments in the fields of process mineralogy and geometallurgy, current mineral separation modelling methods do not fully incorporate the available information on ore complexity. While it is well known that the mineralogical and microstructural properties of individual particles control their process behaviour, currently widely applied modelling methods consider only distributions of bulk particle properties, which oftentimes require much simplification of the particle data available. Moreover, many of the methods used in industrial plant design and process modelling are based on the chemical composition of the samples, which is only a proxy for the mineralogical composition of the ores. A modelling method for mineral separation processes suited to complex ores should be particle-based, taking into consideration all quantifiable particle properties, and capable of estimating uncertainties. Moreover, to achieve a method generalizable to diverse mineral separation units (e.g., magnetic separation or flotation) with minimal human bias, strategies to independently weight the importance of different particle properties for the process(es) under investigation should be incorporated. This dissertation introduces a novel particle-based separation modelling method which fulfills these requirements. The core of the method consists of a least absolute shrinkage and selection operator-regularized (multinomial) logistic regression model trained with a balanced particle dataset. The required particle data are collected with scanning electron microscopy-based automated mineralogy systems. Ultimately, the method can quantify the recovery probability of individual particles, with minimal human input, considering the joint influence of particle shape, size, and modal and surface compositions, for any separation process. Three different case studies were modelled successfully using this new method, without the need for case-specific modifications: 1) the industrial recovery of pyrochlore from a carbonatite deposit with three froth flotation and one magnetic separation units, 2) the laboratory-scale magnetic separation of a complex skarn ore, and 3) the laboratory-scale separation of apatite from a sedimentary ore rich in carbonate minerals by flotation. Moreover, the generalization potential of the method was tested by predicting the process outcome of samples which had not been used in the model training phase, but came from the same geometallurgical domain of a specific ore deposit. In each of these cases, the method obtained high predictive accuracy. In addition to its predictive power, the new particle-based separation modelling method provides detailed insights into the influence of specific particle properties on processing behaviour. To name a couple, the influence of size on the recovery of different carbonate minerals by flotation in an industrial operation; and a comparison to traditional methodologies demonstrated the limitation of only considering particle liberation in process mineralogy studies -- the associated minerals should be evaluated, too. Finally, the potential application of the method to minimize the volume of test work required in metallurgical tests was showcased with a complex ore. The approach developed here provides a foundation for future developments, which can be used to optimize mineral separation processes based on particle properties. The opportunity exists to develop a similar approach to model the comminution of single particles and ultimately allow for the full prediction of the recovery potential of complex ores.:1 Introduction 1 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 State-of-the-art in particle-based separation models . . . . . . . . . . . 11 1.4 Moving forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.1 Particle data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.2 Mathematical tools required for the particle-based separation model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.3 Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5 Structure of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2 The method and its application to industrial operations 23 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.1 Assumptions and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.2 Data structure and required pre-treatment . . . . . . . . . . . . 27 2.2.3 Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.1 Artificial test cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.2 Real case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 Discussion and final considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3 The robustness of the method towards compositional variations of new feed samples 45 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2 Generalization potential of current Particle-based Separation Model (PSM) methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3 Case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.2 Dry magnetic separation tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.3 Sample characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.3.4 Particle-based separation models . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4 Flotation kinetics of individual particles 67 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.2.1 Data collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2.2 Cumulative recovery probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.3 Particle-based kinetic flotation model . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3 Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.1 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.3.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4 Discussion and final thoughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5 Conclusions and outlook 85 5.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Bibliography 89

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung von 4 Modellsystemen der Oberflächenforschung. Die verwendeten experimentellen Methoden sind Summenfrequenzerzeugungsspekroskopie (SFG), Thermische Desorptionsspektroskopie (TDS), Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED), Augerelektronenspektroskopie (AES), Infrarotadsorptionsspektrokopie (IRAS) und Rastertunnelmikroskopie (STM). Durch die Verwendung von SFG waren Messungen bis zu 50 mbar möglich. Die untersuchten Systeme sind: CO auf Pt(111), Wasser auf Ag(001) und MgO/Ag(001), CO auf Au/MgO/Ag(001) und CO auf Au-Pd/MgO/Ag(001). Bei den Messungen von CO auf Pt(111) tritt unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen eine bisher nicht näher untersuchte Doppelpeakstruktur auf, die genauer charakterisiert wurde. Die Untersuchungen von Wasser auf MgO/Ag(001) und Ag(001) zeigen, dass sich auf MgO/Ag(001) zuerst eine Monolage Wasser mit einer darauffolgenden Multilage ausbildet, wohingegen es auf Ag(001) von Beginn an in einer Multilagenschicht wächst. Die Monolage kann unter der Multilage gemessen werden und einige Resonanzen identifiziert werden. Für Au/MgO/Ag(001) zeigte sich mittels STM eine Abhängigkeit des Au-Wachstums von der Schichtdicke, die allerdings nicht spektroskopisch in Erscheinung tritt. Bei den Messungen an gemischten Au-Pd-Teilchen auf MgO/Ag(001) zeigen sich Unterschiede im Adsorptionsverhalten zwischen reinen Metallteilchen und gemischten Teilchen, die auf eine Wechselwirkung zwischen den beiden Metallen zurückzuführen ist. Nach Heizschritten auf 600 K reichern sich die Au-Atome im Mantel des Teilchens an, das Pd bildet den Kern. Die Ergebnisse aller Messungen werden unter Berücksichtigung neuer Veröffentlichungen diskutiert. / This thesis focuses on 4 different model systems of surface science. The experimental techniques used for the measurements include sum frequency generation (SFG), thermal desorption spectroscopy (TDS), low energy electron diffraction (LEED), Auger electron spectroscopy (AES), infrared adsorption spectrosocopy (IRAS) and scanning tunneling microscopy (STM). By using SFG, measurements could be performed up to a pressure of 50 mbar. The systems under investigation were: CO on Pt(111), water on Ag(001) and on MgO/Ag(001), CO on Au/MgO/Ag(001), and CO on Au-Pd/MgO/Ag(001). The system of CO on Pt(111) exhibits a two peak-pattern under certain pressure and temperature conditions which has not been studied so far. Various experiments helped to elucidate the origin of this distinct behaviour. The measurements of water on Ag(001) and MgO/Ag(001) show that on MgO, water first adsorbs as a monolayer with a following multilayer, whereas on Ag(001) it adsorbs as a multilayer from the beginning. The monolayer can be studied below the multilayer and some resonances can be identified. For the case of Au/MgO/Ag(001), STM shows that the growth mode of Au depends on the thickness of the supporting MgO film, which can not be seen with spectroscopic methods. For mixed Au-Pd particles on MgO/Ag(001) a clear difference in the adsorption behaviour between pure metal particles and mixed particles can be seen, which is explained by an interaction between these metals. Annealing the mixed particles to 600 K leads to a segregation of the metals, where the Au atoms diffuse to the shell and the Pd atoms make up the core. The results of all these measurements are discussed in the light of recent publications.

Proteinadsorption ist in vielen biotechnologischen Anwendungen ubiquitär und ein zentrales Forschungsfeld in der Physik der weichen Materie. Das Verstehen der treibenden Kräfte hinter der Proteinadsorption würde zu einer besseren Kontrolle des Adsorptionsprozesses führen und die Entwicklung von Biosystemen mit beispielloser Funktionalität ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird die Proteinadsorption an weichen polymerartigen Biomaterialien sowie deren physikalische Wechselwirkungen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen neu entwickelten Ansätzen theoretisch untersucht. Im ersten Teil wird ein neues mehrkomponentiges kooperatives Bindungsmodell entwickelt, um die Gleichgewichts-Adsorption von Proteinen auf Mikrogelen zu beschreiben. Es war somit möglich, die wahre treibende Kraft der Proteinadsorption zu identifizieren, die hauptsächlich elektrostatischen Ursprungs ist. Eine Errungenschaft des kooperativen Bindungsmodells ist die Vorhersage der kompetitiven Proteinadsorption und -desorption auf das Mikrogel, die auf thermodynamischen Parametern der Adsorption von Proteinen einzelner Sorten basiert. Vergleiche zwischen Experimenten mit binären Proteinmischungen und theoretischen Berechnungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen. Der zweite Teil fokussiert auf Protein-Wechselwirkungen mit Polyelektrolyten, um Adsorptionsprozesse auf mikroskopischer Ebene zu erklären. Dafür wurden geladene fleckige Partikel konstruiert und als Proteinmodelle verwendet, während ein einfaches Kugel-Feder-Modell für das Polyelektrolyt und Polyelektrolytbürste benutzt wurde. Ein zentraler Aspekt war die Bestimmung der freien Energie, das Potential der mittleren Kraft (PMF), für die Komplexbildung der beiden Bestandteile mit Vergleichen zur Modellentwicklungen. Die Simulationsergebnisse legen ein komplexes Wechselspiel von elektrostatischen Kräften und Ionenfreisetzungsmechanismen dar, die für die starken attraktiven Wechselwirkungen in den PMFs verantwortlich sind. / Protein adsorption is ubiquitous in many biotechnological applications and has become a central research field in soft matter. Understanding the driving forces behind protein adsorption would allow a better control of the adsorption process and the development of biosystems with unprecedented functionality. In this thesis, protein adsorption onto soft polymeric biomaterials and their physical interactions is studied theoretically by using two different and newly developed approaches. In the first part, a novel multi-component cooperative binding model is developed to describe the equilibrium adsorption of proteins onto microgels. It was thus possible to correctly identify the true driving force behind the protein adsorption which was found to be mainly of electrostatic origin. A key achievement by the cooperative binding model is the prediction of competitive protein adsorption and desorption onto the microgel that is based on thermodynamic parameters related to single-type protein adsorption without any variable parameters. Comparisons between experimental data of binary protein mixtures and theoretical calculations have shown excellent agreements. The second part is focused on protein interactions with polyelectrolyte materials to elucidate adsorption processes on a microscopic level. For this purpose, charged patchy particles are constructed and used as protein models while a simple bead-spring model is employed for the polyelectrolyte and polyelectrolyte brush. A central aspect was the determination of the associated free energy, the potential of mean force (PMF), on the complex formation between the two constituents with comparisons to theoretical model developments. The simulation results evidenced a complex interplay of electrostatic forces and ion release mechanisms to be responsible for the strong attractive interactions observed in the PMFs.

Die Verbindung von hoch entwickelten Nanomaterialien mit fluoreszenzbasierten Technologien hat sich zu einem aufstrebenden Forschungsbereich entwickelt. Nichtsdestotrotz ist bis heute der Schritt von einem organischen Indikatormolekül zum anwendbaren Sensorsystem ein komplexer Prozess. Diese Arbeit zielte darauf ab, sensorische Materialien verschiedener chemischer Natur für diverse Analyten zu entwickeln, zu charakterisieren und zu etablieren. Hierbei wurden zunächst pH sensitive Fluoreszenzfarbstoffe entwickelt und in dünnen Membranen immobilisiert. Der Teststreifen ermöglicht die Beurteilung von pH-Änderungen mit dem Auge. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie diese Farbstoffe auch in eine wasserlösliche Form überführt werden können. Damit konnten lokale pH-Änderungen an der Wachstumsfront von Silikat-Biomorphs detektiert werden. Auch partikuläre Systeme stellten sich als geeignete Materialien heraus. Es konnte gezeigt werden, wie die Silikat-Matrix von Partikeln zu verbesserten Eigenschaften für Farbstoffe führt. Mittels farbstoffbeladener Partikel konnte in einem Lateral-Flow-Assay ein schneller Nachweis von TATP etabliert werden. Ein anderer Ansatz verfolgte das Ziel des sensitiven Nachweises von Quecksilberionen in Wasser. In einem anderen System konnten Silikat-Nanopartikeln so funktionalisiert werden, dass ein sensitiver und selektiver Nachweis von Schwermetallionen und Anionen über ein Quencher-Displacement-Assay gelang. Zusätzlich wurde die einzigartige Oberfläche von Zellulosepartikeln mithilfe eines neu entwickelten Fluoreszenzfarbstoffs untersucht. Die untersuchten Materialien und Strategien zeigen, wie leicht innovative Moleküle für potentielle sensorische Systeme im wässrigen Medium auf Basis von fluoreszierenden Partikeln und dünnen Schichten geschaffen werden können. Das Verhalten der hergestellten Materialien wurde über spektroskopische Methoden evaluiert und dabei, wenn möglich, die Parameter Sensitivität, Selektivität und Ansprechzeit beurteilt. / The combination of fluorescence and nanomaterials has developed into an emerging research area. Nonetheless until now the step from an organic sensory molecule to a final sensor format is a complex endeavor. This thesis aimed at the preparation of particulate and thin-film based platforms for various analytes through combining the features of an appropriate host material with outstanding properties of dyes concomitant with sensitive fluorescence detection techniques. In particular, pH sensitive fluorescent probes were sterically immobilized into a thin membrane. The dip-stick allows the assessment upon change in pH with the eye. Especially a probe working at high basic pH range was converted into a water-soluble analogue and was directly applied at the growth front of silica biomorphs to detect local pH changes. But also particulate structures are suitable host materials. It is shown how the silica matrix of nanoparticles lead to improved optical properties for embedded dyes. The interactions of silica and fluorescent dyes within the pores of mesoporous particles were exploited to develop an actual sensor format based detection of TATP. In another approach it was possible to detect mercury ions in water. Heavy metal ions were also successfully detected in a quencher displacement assay involving receptor-dye functionalized silica nanoparticles. The impact of the unique surface properties of cellulose microparticles was shown by a fluorescent dye which allows an assessment of the surface functional groups and microenvironment through the reactivity and its changes in the optical properties. The performance of the prepared materials were evaluated mostly by spectroscopic methods and if possible assessed in terms of sensitivity, selectivity and response time. The newly developed and investigated materials based on fluorescent particulate and thin-films show the facile application of innovative sensor probes for potentially sensing devices.