Während der letzten vier Jahrzehnte erfuhr die Stoffgruppe der ionischen Flüssigkeiten (ILs) ein fortwährend steigendes Interesse. Es handelt sich dabei um ionische Verbindungen, deren Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C liegt. Eine der zahlreichen Anwendungen ist die Verwendung als Lösemittel für anorganische Synthesen. Methoden wie NMR-, UV-VIS- und Schwingungsspektroskopie sind geeignete Mittel, um einen Einblick in den Synthesemechanismus zu ermöglichen, die Stabilität der IL zu überwachen und die Produktcharakterisierung zu unterstützen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Reaktionen von elementaren Chalkogenen, insbesondere Selen und Tellur, in Imidazolium- und Phosphonium-basierten ILs, die kommerziell erhältlich bzw. durch Anionenmetathese zugänglich sind.

Ziel ist die räumliche Abbildung biologischer Materialien (Knochen, Kollagenfibrillen und Zähne) hinsichtlich deren Struktur auf der Nanometerskala mit Hilfe der Nanotomographie. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. Für die Nanotomographie wurden Ätzprotokolle an Zähnen, Kollagenfibrillen und Knochen entwickelt, die einen gleichmäßigen Abtrag bewirken. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe der manuellen Registrierung korrigiert und zu einem Volumenbild rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis sind dabei erste hochaufgelöste Volumenbilder einzelner Kollagenfibrillen im nativen Knochen. Neben der konventionellen Nanotomographie wird ein Ansatz zur automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens und Zahnes demonstriert. Mit Hilfe von mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Techniken wurden die verschiedenen Strukturebenen des humanen Zahn und Knochens abgebildet und die räumlichen Strukturen der TM-AFM-Bilder auf der Mikro- und Nanometerskala eingeordnet. Darüber hinaus konnte mit Hilfe analytischer Messmethoden die chemische Zusammensetzung des kortikalen nativen Knochens erfasst werden und Änderungen durch das Ätzen detektiert werden.

I present an experimental study on the formation and dissociation characteristics of carbon dioxide (CO2) gas hydrates using Raman spectroscopy. The CO2 hydrates were formed from aqueous salt solutions with salinities ranging from 0-11 wt-%, and the salts used were sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), magnesium chloride (MgCl2) and calcium chloride (CaCl2). The experiments were conducted in a high-pressure vessel, in which the aqueous solution was pressurized with liquid CO2 to 6 MPa. First, I investigated how the addition of salts to a CO2-hydrate forming system inhibits the hydrate formation thermodynamically. For this purpose, the molar enthalpy of reaction between strongly and weakly hydrogen bonded water molecules was determined. I observed a decrease in the molar reaction enthalpy of up to 30 % for the highest salt concentration investigated. In addition, the influence of the salts on the solubility of CO2 in water was studied, which was reduced up to 40 %. The results showed that both properties could be well correlated with the effective mole fraction of salt in solution. Furthermore, the decrease in molar reaction enthalpy could be directly correlated with the equilibrium temperature of gas hydrates. This showed that the shift in equilibrium temperature induced by thermodynamic inhibitors was a direct result from the weakened hydrogen bonded network in the water-rich liquid phase before the onset of gas hydrate formation. Additionally, the growth mechanisms of CO2 hydrates were investigated by determining the amount of solid hydrate formed and the respective reaction constant. The reaction constant was not affected by the addition of salts, whereas the maximum amount of solid hydrate formed also showed a good correlation with the effective mole fraction. This finding leads to the assumption that salt does not affect the intrinsic growth mechanisms of hydrate formation, but that the weakened hydrogen bonded network leads to a decrease in the conversion of liquid water to hydrate and more water molecules stay in a liquid in the form of inclusions between the hydrate cages. Lastly, I analyzed the ratio of CO2 and water and the development of hydrogen bonds after the complete dissociation of hydrate. I observed a supersaturation of CO2 in the water-rich phase and found evidence that the excess CO2 exists as dispersed micro- or nanoscale liquid droplets in the liquid water-rich phase. The development of hydrogen bonds in the liquid water-rich phase was the same as before the hydrate formation. These results could be a possible explanation for the memory effect originating from residual nano- and mircodroplets. With this study, I aim to provide a better understanding of the mode of action of thermodynamic inhibitors and to contribute further insights to the controversially debated phenomenon of the memory effect.

Efficient substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are under constant development, since time-consuming and costly fabrication routines are often an issue for high-throughput spectroscopy applications. In this research, we use a two-step fabrication method to produce self-organized parallel-oriented plasmonic gold nanostructures. The fabrication routine is ready for wafer-scale production involving only low-energy ion beam irradiation and metal deposition. The optical spectroscopy features of the resulting structures show a successful bidirectional plasmonic response. The localized surface plasmon resonances (LSPRs) of each direction are independent from each other and can be tuned by the fabrication parameters. This ability to tune the LSPR characteristics allows the development of optimized plasmonic nanostructures to match different laser excitations and optical transitions for any arbitrary analyte. Moreover, in this study, we probe the polarization and wavelength dependence of such bidirectional plasmonic nanostructures by a complementary spectroscopic ellipsometry and Raman spectroscopy analysis. We observe a significant signal amplification by the SERS substrates and determine enhancement factors of over a thousand times. We also perform finite element method-based calculations of the electromagnetic enhancement for the SERS signal provided by the plasmonic nanostructures. The calculations are based on realistic models constructed using the same particle sizes and shapes experimentally determined by scanning electron microscopy. The spatial distribution of electric field enhancement shows some dispersion in the LSPR, which is a direct consequence of the semi-random distribution of hotspots. The signal enhancement is highly efficient, making our SERS substrates attractive candidates for high-throughput chemical sensing applications in which directionality, chemical stability, and large-scale fabrication are essential requirements.

Die Raman-Spektroskopie ist eine optische Messtechnik, die in der Lage ist, spektroskopische Information zu liefern, welche molekülspezifisch und einzigartig in Bezug auf die Eigenschaften der untersuchten Spezies sind. Sie ist ein unverzichtbares analytisches Instrument, das Anwendung in verschiedenen Bereichen findet, wie etwa der Medizin oder der in situ Beobachtung von chemischen Prozessen. Wegen ihren Eigenschaften, wie der hohen Spezifität und der Möglichkeit von Tracer-freien Messung, hat die Raman-Spektroskopie die Tumordiagnostik stark beeinflusst. Aufgrund einer äußerst starken Beeinflussung der Raman-Spektren durch Hintergrundsignale, ist das Isolieren und Interpretieren von Raman-Spektren eine große Herausforderung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Spektrenbearbeitung entwickelt, die benötigt werden um Raman-Spektren aus verrauschten und stark mit Hintergrundsignalen behafteten Rohspektren zu extrahieren. Diese Ansätze beinhalten im Speziellen eine auf dem Vector-Casting basierende Methode zur Rauschminimierung und eine auf dem deep neural networks basierende Methoden zur Entfernung von Rauschen und Hintergrundsignalen. Verschiedene neuronale Netze wurden mittels simulierter Spektren trainiert und an experimentell gemessenen Spektren evaluiert. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansätze wurden mit alternativen Methoden auf dem aktuellen Stand der Entwicklung unter Zuhilfenahme von verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen, Standardabweichungen und dem Structural Similarity Index verglichen. Die hier entwickelten Ansätze zeigen gute Ergebnisse und sind bisher bekannten Methoden überlegen, vor allem für Raman-Spektren mit einem niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis und extrem starken Fluoreszenz-Hintergrund. Zusätzlich erfordern die auf Deep Neural Networks basierten Methoden keinerlei menschliches Eingreifen. Die Motivation hinter dieser Arbeit ist die Verbesserung der Raman-Spektroskopie, vor allem der Shifted-Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS) hin zu einem noch besseren Instrument in der Prozessanalytik und Tumordiagnostik. Die Integration der oben genannten Ansätze zur Spektrenbearbeitung von SERDS in Kombination mit Methoden des maschinellen Lernens ermöglichen es, physiologische Schleimhaut, nicht-maligne Läsionen und orale Plattenepithelkarzinome mit einer Genauigkeit zu unterscheiden, die bisherigen Methoden überlegen ist. Die spezifischen Merkmale in den bearbeiteten Raman-Spektren können verschiedenen chemischen Zusammensetzungen in den jeweiligen Geweben zugeordnet werden. Die Übertragbarkeit auf einen ähnlichen Ansatz zur Erkennung von Brusttumoren wurde überprüft. Die bereinigten Raman-Spektren von normalem Brustgewebe, Fibroadenoma und invasiven Mammakarzinom konnten mithilfe der spektralen Eigenschaften von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren unterschieden werden. Diese Erkenntnisse lassen das Potential von SERDS in Kombination mit Ansätzen des maschinellen Lernens als universelles Werkzeug zur Tumordiagnose erkennen.:Versicherung Abstract Zusammenfassung der Ergebnisse der Dissertation Table of Contents Abbreviations and symbols 1 Introduction 2 State of the art of the purification of Raman spectra 2.1 Experimental methods for the enhancement of the signal-to-background ratio and the signal-to-noise ratio 2.2 Mathematical methods for the extraction of pure Raman spectra from raw spectra 2.3 Raman based cancer diagnostics 2.4 Neural networks for the evaluation of Raman spectra 2.5 Objective 3 Application relevant fundaments 3.1 Basics of Raman spectroscopy 3.2 Simulation of raw Raman spectra 3.3 Shifted-excitation Raman difference Spectroscopy 3.4 Raman experimental setup 3.5 Mathematical method for Raman spectra refinement 3.6 Deep neural networks 4 Summary of the published results 4.1 A shifted-excitation Raman difference spectroscopy evaluation strategy for the efficient isolation of Raman spectra from extreme fluorescence interference 4.2 Vector casting for noise reduction 4.3 Refinement of spectra using a deep neural network; fully automated removal of noise and background 4.4 Breast Tumor Analysis using Shifted Excitation Raman difference Spectroscopy 4.5 Optical diagnosis of clinically apparent lesions of oral cavity by label free Raman spectroscopy Conclusion / Raman spectroscopy is an optical measurement technique able to provide spectroscopic information that is molecule-specific and unique to the nature of the specimen under investigation. It is an invaluable analytical tool that finds application in several fields such as medicine and in situ chemical processing. Due to its high specificity and label-free features, Raman spectroscopy greatly impacted cancer diagnostics. However, retrieving and interpreting the Raman spectrum that contains the molecular information is challenging because of extreme background interference. I have developed various spectra-processing approaches required to purify Raman spectra from noisy and heavily background interfered raw Raman spectra. In detail, these are a new noise reduction method based on vector casting and new deep neural networks for the efficient removal of noise and background. Several neural network models were trained on simulated spectra and then tested with experimental spectra. The here proposed approaches were compared with the state-of-the-art techniques via different signal-to-noise ratios, standard deviation, and the structural similarity index metric. The methods presented here perform well and are superior in comparison to what has been reported before, especially at small signal-to-noise ratios, and for extreme fluorescence interfered raw Raman spectra. Furthermore, the deep neural network-based methods do not rely on any human intervention. The motivation behind this study is to make Raman spectroscopy, especially the shifted-excitation Raman difference spectroscopy (SERDS), an even better tool for process analytics and cancer diagnostics. The integration of the above-mentioned spectra-processing approaches into SERDS in combination with machine learning tools enabled the differentiation between physiological mucosa, non-malignant lesions, and oral squamous cell carcinomas with high accuracy, above the state of the art. The distinguishable features obtained in the purified Raman spectra are assignable to different chemical compositions of the respective tissues. The feasibility of a similar approach for breast tumors was also investigated. The purified Raman spectra of normal breast tissue, fibroadenoma, and invasive carcinoma were discriminable with respect to the spectral features of proteins, lipids, and nucleic acid. These findings suggest the potential of SERDS combined with machine learning techniques as a universal tool for cancer diagnostics.:Versicherung Abstract Zusammenfassung der Ergebnisse der Dissertation Table of Contents Abbreviations and symbols 1 Introduction 2 State of the art of the purification of Raman spectra 2.1 Experimental methods for the enhancement of the signal-to-background ratio and the signal-to-noise ratio 2.2 Mathematical methods for the extraction of pure Raman spectra from raw spectra 2.3 Raman based cancer diagnostics 2.4 Neural networks for the evaluation of Raman spectra 2.5 Objective 3 Application relevant fundaments 3.1 Basics of Raman spectroscopy 3.2 Simulation of raw Raman spectra 3.3 Shifted-excitation Raman difference Spectroscopy 3.4 Raman experimental setup 3.5 Mathematical method for Raman spectra refinement 3.6 Deep neural networks 4 Summary of the published results 4.1 A shifted-excitation Raman difference spectroscopy evaluation strategy for the efficient isolation of Raman spectra from extreme fluorescence interference 4.2 Vector casting for noise reduction 4.3 Refinement of spectra using a deep neural network; fully automated removal of noise and background 4.4 Breast Tumor Analysis using Shifted Excitation Raman difference Spectroscopy 4.5 Optical diagnosis of clinically apparent lesions of oral cavity by label free Raman spectroscopy Conclusion

The present thesis reports about vibrational and quantum chemical investigations on model systems undergoing photochemical processes and pharmaceutically active compounds, respectively. Infrared (IR) and Raman spectroscopy were applied for the characterization of the ground state molecular structure. Moreover, resonance Raman (RR) spectra contain additional information about the resonantly enhanced excited state molecular structure. A quantitative resonance Raman intensity analysis in conjunction with the simultaneous simulation of the absorption spectra by means of time-dependent propagation methods was accomplished in order to extract valuable information about the excited state molecular structures of the investigated systems. Surface enhanced Raman scattering (SERS) allows one to determine the interaction and adsorption site of active agents on a metal substrate. Furthermore, density functional theory (DFT) and potential energy distribution (PED) calculations were carried out for an exact assignment of the vibrational spectra. Complete active space self consistent field (CASSCF) and configuration interaction (CI) calculations for some model systems were also performed to assess the experimental results on the excited state potential surfaces. The fundamentals of resonance Raman spectroscopy are treated in detail, describing the physical processes and emphasizing the theoretical methodologies which allow one to obtain the information about the resonantly excited state via an RR intensity analysis. The Brownian oscillator model to determine the solvent reorganization energy is briefly presented. Furthermore, the SERS enhancement mechanisms and selection rules to determine the orientation of the molecules adsorbed on the metal substrate are discussed. The Hartree-Fock approach to calculate the ground state geometry is expatiated, and the basic characteristics of the CI and CASSCF calculations are specified. The chapter ends with a short description of the DFT calculations. Chapter 4 deals with the investigation of the excited state intramolecular proton transfer of the model system, 1-hydroxy-2-acetonaphthone (HAN). The vibrations showing the highest displacement parameters correspond to stretching and in-plane deformation modes of the naphthalene ring and the conjugated carbonyl group, while the OH stretching mode exhibits no observable enhancement. The cooperative effect of the skeletal vibrations reduces the distance between the carbonyl and hydroxyl oxygen atoms in accordance with a general electron density redistribution. Hence, the leading force in the proton transfer process is the increase in electron density on the carbonyl group and the decrease of the negative charge on the hydroxyl oxygen. In chapter 5 the structural and vibrational characteristics of the organic mixed valence system N,N,N’,N’-tetraphenylphenylenediamine radical cation (1+) are discussed. The resonance Raman measurements showed that at least eight vibrational modes are strongly coupled to the optical charge transfer process in (1+). These Franck-Condon active modes were assigned to symmetric vibrations. The most enhanced band corresponds to the symmetric stretching mode along the N-phenylene-N unit and exhibits the largest vibrational reorganization energy. Nevertheless, symmetric stretching modes of the phenylene and phenyl units as well as deformation modes are also coupled to the electronic process. The total vibrational reorganization energy of these symmetrical modes is dominant, while the solvent induced broadening and reorganization energy are found to be small. Hence, (1+) adopts a symmetrical delocalized Robin-Day Class III structure in the ground state. Chapter 6 reports about a vibrational spectroscopic investigation of a model organic photorefractive thiophene derivative, 2-(N,N-diethylamino)-5-(2’,2’-dicyanovinyl)-thiophene. The geometry of the first excited state were optimized and the FC parameters were calculated using the configuration interaction with single excitations method. These calculations show that the contribution of the zwitterionic structure to the excited state is significantly higher than in the ground state. The resonance Raman spectra indicate that several stretching modes along the bonds connecting the donor and acceptor moieties as well as the S-C stretching vibrations are enhanced. Chapter 7 presents the vibrational analysis of an aziridinyl tripeptide, a cysteine protease inhibitor active drug. The vibrational analysis reveals stronger H-bonding of the aziridine NH unit in the solid state of the aziridinyl tripeptide than in the liquid electrophilic building block, indicating medium strong intermolecular H-bond interactions in the crystal unit. The amide hydrogen atoms of the aziridinyl tripeptide are involved in weaker H-bonds than in an epoxide analogon. Furthermore, the characteristic vibrational modes of the peptide backbone were discussed. Chapter 8 reports on the adsorption mechanism of two related anti-leukemia active agents, 6-mercaptopurine (6MP) and 6-mercaptopurine-ribose (6MPR) on a silver colloid. Both molecules adsorb through the N1 and possibly S atom on the metal surface under basic conditions. The SERS spectra recorded for acidic pH values showed that the ribose derivative exhibits a different adsorption behavior compared to the free base. 6MP probably adsorbs on the silver sol through the N9 and N3 atoms, while 6MPR interacts with the surface via the N7 and probably S atoms. Around critical biological concentrations and pH values i.e. at low concentrations and almost neutral condition (pH 7-9), 6MPR interacts with the substrate through both N7 and N1 atoms, possibly forming two differently adsorbed species, while for 6MP only the species adsorbed via N1 was evidenced. / In der vorliegenden Arbeit wurden schwingungsspektroskopische und quanten-chemische Untersuchungen an unterschiedlichen Modellsystemen, die an photochemischen Prozessen beteiligt sind, und an verschiedenen Pharmazeutika durchgeführt. Die Methoden der Infrarot- (IR) und Raman-Spektroskopie wurden für die Charakterisierung der Grund-zustandsgeometrie verwendet. Darüber hinaus konnten aus Resonanz-Raman- (RR) Spektren zusätzliche Informationen über den elektronisch angeregten Zustand erhalten werden. Diese aufschlussreichen Aussagen über die elektronisch angeregten Zustände der untersuchten Systeme wurden durch die simultane quantitative Analyse der Resonanz-Raman-Spektren und des Absorptionsspektrums gewonnen. Die Anregungsprofile für die Resonanz-Raman-Streuung und die Absorptionsquerschnitte wurden mittels zeitabhängiger Propagationsmethoden berechnet. Oberflächen-verstärkte Raman-Streu- (SERS) Experimente ermöglichten die Charakterisierung der Wechselwirkungen und Adsorptionsbindungsstellen von Wirkstoffen an Metalloberflächen. Des Weiteren wurden Dichtefunktionaltheorie- (DFT) und PED-Rechnungen durchgeführt, um eine genaue Zuordnung der Schwingungsspektren zu gestatten. CASSCF- und CI-Rechnungen wurden in einzelnen Fällen durchgeführt, um sie mit den experimentellen Ergebnissen für die Potenzialhyperfläche des angeregten Zustands vergleichen zu können. Die Grundlagen der Resonanz-Raman-Spekroskopie wurden ausführlich diskutiert. Dabei wurden die physikalischen Prozesse beschrieben und die mathematischen Techniken, die die Bestimmung der Parameter des angeregten Zustands durch die RR-Intensitätsanalyse ermöglichen, hervorgehoben. Das Modell des Brownian-Oszillators für die Ermittlung der Lösungsmittel-Reorganisations-energie wurde kurz beschrieben. Weiterhin wurden die SERS Verstärkungsmechanismen und Auswahlregeln diskutiert. Der Hartree-Fock-Ansatz zur Berechnung des Grundzustandes sowie die CI- und CASSCF-Methoden wurde erläutert. Das Kapitel endete mit einer kurzen Beschreibung der Grundlagen von DFT-Rechnungen. Im vierten Kapitel wurden die Untersuchungen an einem Modell-Systems (1-hydroxy-2-acetonaphthone HAN), das einen Protonentransferprozess im angeregten Zustand zeigt, dargestellt. Die Streck- und Deformationsmoden des Naphthalinrings und der konjugierten Carbonylgruppe weisen die größten Displacement-Parameter auf, während die O-H-Streckschwingung keine Resonanz-Verstärkung erfährt. Diese Gerüst-schwingungsmoden verringern den Abstand zwischen den Carbonyl- und Hydroxyl-Sauerstoffatomen, was mit einer generellen Umverteilung der Elektronendichte einhergeht. Daher wird der Protonentransferprozess durch die Zunahme der Elektronendichte auf dem Carbonylsauerstoffatom und der gleichzeitigen Abnahme der negativen Ladung auf dem Hydroxylsauerstoffatom gesteuert. Im fünften Kapitel wurden die strukturellen und vibronischen Eigenschaften eines organischen gemischtvalenten Systems, des N,N,N’,N’-tetraphenylphenylenediamine Radikalkations (1+), untersucht. Die Resonanz-Raman-Experimente zeigten, dass mindestens acht Schwingungsmoden stark an den optischen Ladungstransferprozess gekoppelt sind. Diese Franck-Condon aktiven Moden wurden vornehmlich symmetrischen Moden zugeordnet. Die am meisten verstärkte Mode entspricht der symmetrischen Streckschwingung entlang der N-Ar-N-Achse. Jedoch sind auch symmetrische Streckschwingungsmoden der Phenyl- und Phyenylen-Gruppen und Deformationsmoden an dem elektronischen Prozess beteiligt. Der Beitrag dieser symmetrischen Moden zur Reorganisationsenergie dominiert, während die Lösungsmittelreorganisationsenergie nur sehr gering ist. Die erhaltenen Ergebnisse beweisen, dass es sich hier um ein symmetrisches delokalisiertes Robin-Day-Class-III-System handelt. Das sechste Kapitel beschäftigt sich mit einer schwingungsspektroskopischen Analyse eines photorefraktiven Thiophen-Derivat-Modellsystems, 2-(N,N-diethylamino)-5(2’,2’-dicyanovinyl)-thiophen. Die Geometrien des Grund- und ersten angeregten Zustands wurden optimiert und die FC Parameter unter Anwendung der CIS Methode berechnet. Diese Rechnungen ergaben, dass der Anteil der zwitterionischen Struktur im angeregten Zustand dominiert. Die Resonanz-Raman-Spektren zeigten, dass mehrere Streckschwingungsmoden entlang der Bindungen, die die Donor- und Akzeptor-Einheiten verknüpfen, und die S-C Streckschwingungsmoden verstärkt wurden. Das siebte Kapitel behandelt die Analyse eines Aziridinyl-Tripeptids, ein Wirkstoff gegen Cystein-Proteasen. Die Schwingungsanalyse ergab eine stärkere Wasserstoffbrückenbindung der Aziridin NH-Gruppe des Aziridinyl-Tripeptids im festen Zustand als in der flüssigen Baueinheit. Die Wasserstoffatome der Amidgruppen des Tripeptids sind an schwächeren Wasserstoffbrückenbindungen als die des Epoxid-Analogons beteiligt. Darüber hinaus wurden die charakteristischen Gerüstschwingungsmoden des Tripeptids diskutiert. Im vorletzten Kapitel wurde der Adsorptionsmechanismus von zwei Anti-Leukämie-Wirkstoffen, 6-Mercaptopurin (6MP) und 6-Mercaptopurin-ribose (6MPR) diskutiert. Unter basischen Bedingungen adsorbieren beide Moleküle über die N1- und S-Atome an der Metalloberfläche. Für biologisch kritischen Konzentrationen und pH-Werten, d.h. für nahezu neutrale Bedingungen (pH-Wert 7-9) und eine geringe Konzentration, wurde festgestellt, dass das 6MPR-Molekül mit dem Substrat sowohl über das N7- als auch N1-Atom wechselwirkt, wobei wahrscheinlich zwei unterschiedlich adsorbierte Spezies vorhanden sind. Im Gegensatz dazu weist das 6MP-Molekül nur eine über das N1-Atom adsorbierte Spezies auf.

In dieser Arbeit wurden einerseits die elektronischen Eigenschaften von Graphenen und andererseits die Verwendung von Graphenen und Kohlenstoff-basierten Hybridmaterialien als transparente Elektroden untersucht. Entsprechend ist der erste, umfangreichere Teil der Arbeit Grundlagen-orientiert und fokussiert auf die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Graphen und dem Substrat Glimmer. Der zweite, kleinere Teil befasst sich mit der Entwicklung leitfähiger Tinten auf der Basis von Graphenen und anderen Kohlenstoff-basierten Hybridmaterialien für Anwendungen in der druckbaren Elektronik, insbesondere für die Herstellung transparenter Elektroden. Graphen auf Glimmer ist ein sehr wohldefiniertes System, in dem das Graphen über mehrere Quadratmikrometer atomar flach ist. Schichtdickenabhängige Variationen des Oberflächenpotentials von einzel- und mehrlagigen Graphenen auf Glimmer wurden mittels Kelvin Probe Rasterkraftmikroskopie untersucht. Damit konnte die elektrostatische Abschirmlänge von Graphen auf Glimmer bestimmt werden. Lokale Variationen des Oberflächenpotentials innerhalb einer Graphenlage, verursacht durch eingeschlossene Wasserschichten zwischen Graphen und Glimmer, wurden mit Rasterkraftmikroskopie, elektrostatischer Rasterkraftmikroskopie und der Raman-Spektroskopie untersucht. Dies ermöglichte es, die Dotierung von Graphen durch eingeschlossene Wasserschichten zu quantifizieren. Außerdem wurde gezeigt, dass Graphen auf molekular modifiziertem Glimmer lokal auf der Nano-Skala dehnbar ist. Dabei wurde der Glimmer durch das Aufbringen von dendronisierten Polymeren verschiedener Generationen auf Nanometer-Skala modifiziert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, die lokalen elektronischen Eigenschaften von Graphen durch Dehnung zu kontrollieren.Schließlich wurden Kohlenstoff-basierte leitfähige Tinten hergestellt, daraus transparente Elektroden hergestellt, und die Formulierungen der Tinten für das Drucken auf Plastiksubstrate optimiert. / This work focusses on the electronic properties of graphene on the one hand, and on the application of graphenes and other carbon-based hybrid materials for transparent electrodes on the other hand. Accordingly, the first part of the work, which is the larger one, is of fundamental nature and focusses on the electronic interaction between graphene and mica as a substrate. The second, smaller part deals with the design of novel conductive inks based on graphene and other carbon-based hybrid materials for applications in printed electronics, in particular for the production of transparent electrodes. Graphene on mica is a very well defined system, which provides atomically flat graphene extending over several square micrometers. Layer-dependent surface potential variations of single and few layered graphenes on mica were probed with Kelvin Probe Force Microscopy. This allowed to estimate the screening length of graphene on mica. Local variations of the surface electrostatic potential above single layer graphene, originating from confined fluid interfacial monolayers of water between the mica and the graphene, were monitored with Scanning Force Microscopy, Electrostatic Scanning Force Microscopy and Raman spectroscopy. This allowed to quantify the doping of graphene by the confined water layers. Exfoliation of graphene onto adsorbed nanostructures on mica allowed to control the strain of graphene at the nano-scale. Nanostructuring was achieved by first coating mica with submonolayers of dendronized polymers of different generations and subsequently depositing graphene. This approach provides new opportunities for the control of the electronic properties of graphene by strain.Finally, novel conducting carbon-based inks were designed and transparent electrodes were fabricated therefrom. The formulations of the inks were optimized for printing on plastic substrates.

Soot particles are a major absorber of shortwave radiation in the atmosphere. They exert a rather uncertain direct and semi-direct radiative effect, which causes a heating or in some cases a cooling of the atmosphere. The mass absorption coefficient is an essential quantity to describe this light absorption process. This work presents new experimental data on the mass absorption coefficient of soot particles in the troposphere over Central Europe. Mass absorption coefficients were derived as the ratio between the light absorption coefficient determined by multi angle absorption photometry (MAAP), and the soot mass concentration determined by Raman spectroscopy. The Raman method is sensitive to graphitic structures present in the particle samples, and was calibrated in the laboratory using Printex90 model particles. The mass absorption coefficients were determined for a number of seven observation sites, ranging between 3.9 and 7.4 m²/g depending on measurement site and observational period. The highest values were found in an continentally aged air mass in winter, where we presumed soot particles to be present mainly in internal mixture. The regional model WRF-Chem was used in conjunction with a high resolution soot emission inventory to simulate soot mass concentrations and absorption coefficients for the Central European Troposphere. The model was validated using soot mass concentrations from Raman measurements and absorption coefficients. Simulated soot mass concentrations were found to be too low by around 50 %, which could be improved by scaling the emissions by a factor of two. In contrast, the absorption coefficient was positively biased by around 20%. Adjusting the modeled mass absorption coefficient to measurements, the simulation of soot light absorption was improved. Finally, the positive direct radiative forcing at top of the atmosphere was found to be lowered by up to 70% for the model run with adjusted soot absorption behaviour, , indicating a decreased heating effect on the atmosphere.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur Herstellung der Erdalkalimetallchlorate und zu den Lösungsgleichgewichten in den reziproken Salzpaaren MCl2 + 2NaClO3 = M(ClO3)2 + 2NaCl/H2O (M = Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+) bei 25°C, 50°C und 75°C. Neben den Löslichkeiten und Bodenkörperparagenesen sind die Dichten und Viskositäten bestimmt worden. Auf der Basis der erarbeiten Daten erfolgte die Bilanzierung der Herstellungsprozesse der Erdalkalimetallchlorate durch reziproke Umsetzung. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass mit etwa 0,2 bis 0,5 kg wasserfreies Chlorat pro kg Umlauflösung durchaus effektive Prozesse der polythermen reziproken Umsetzung vorliegen. Über die IR- und Raman-Spektroskopie und die Thermoanalyse wurden die Erdalkalimetallchlorate bzw. Erdalkalimetallchlorat-Hydrate näher charakterisiert, u.a. bezüglich ihres Zersetzungsverhaltens bis zum Erdalkalimetallchlorid.

Die Arbeit befaßt sich mit Modellsystemen zur elektrokatalytischen Reduktion von Sauerstoff in wäßriger saurer Elektrolytlösung. Ziel ist es, zum Verständnis des Reduktionsmechanismus an makrozyklischen Elektrokatalysatoren beizutragen, da diese Stoffklasse ein Potential zum Einsatz in PEM-Brennstoffzellen besitzt. Untersucht wurden meso-arylsubstituierte Fe-, Co- und Ni-Metalloporphyrine auf einem graphitischen Träger. Die Moleküle wurden in systematischer Weise modifiziert, um Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen zu finden. Synthese, spektroskopische Charakterisierung (UV-vis, IR, Raman) und Applikation sind beschrieben. Die Reduktion wurde mit klassischer Elektroanalytik (CV, RDE, RRDE, Impedanzmessung) und in situ-Ramanspektroskopie untersucht. Die Aktivität der Modellkatalysatoren ist abhängig vom Zentralion und den Arylsubstituenten und läßt sich teilweise mit den Hammett-Konstanten von Substituenten korrelieren. Aussagen zum Mechanismus lassen sich aus klassischer Elektroanalytik ableiten, es wurde jedoch ausschließlich 2-Elektronen-Reduktion beobachtet. Mit der in situ-Ramanspektroskopie läßt sich unter Ausnutzung des Resonanzeffekts der elektronische Zustand der Komplexe unter elektrochemischen Bedingungen beobachten. Aussagen zum Elektronentransfer und zur Redoxkatalyse werden gewonnen. Weiterhin lassen sich sowohl die geometrische Orientierung und Koordination der Chelate an die Kohlenstoffunterlage als auch die Art der Koordination des Sauerstoffmoleküls an den Katalysator untersuchen. Die untersuchten Moleküle waren parallel zur Kohlenstoffoberfläche orientiert, mit sauerstoffhaltigen Oberflächengruppen als axialem Ligand am Zentralion. Für Fe-Porphyrine wurde eine gewinkelt lineare Koordination des Sauerstoffmoleküls an das Metallzentrum gefunden.