Das Thema der vorliegenden Dissertation ist die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie an aromatischen Aminosäuren. Die Zielsetzung der vorgestellten Experimente ist es, geeignete Methoden zu entwickeln und zu testen, mit denen mittels der Bestimmung der Mikroumgebung die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie bei der Strukturaufklärung von Proteinen und Protein-Komplexen beitragen kann. Die Arbeit beginnt in Kapitel 1 mit einer ausführlichen Einführung in die Thematik. In der Motivation in Kapitel 2 wird erläutert, warum sich die Raman-Spektroskopie im Tief-UV-Bereich an aromatischen Aminosäuren besonders zur Untersuchung der Mikroumgebung in Proteinen eignet. Die theoretischen Grundlagen der Raman-Spektroskopie werden in Kapitel 3 anhand von klassischen und quantenmechanischen Überlegungen vorgestellt. Auf die verwendeten Geräte, die in den Experimenten verwendet wurden, wird in Kapitel 4 detailliert eingegangen. In Kapitel 5 werden die Systeme zur Untersuchung von kleinen Probenvolumina gesondert vorgestellt, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden. In Kapitel 6 wird der Einfluss der Anregungswellenlänge auf die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektren von Tyrosin und Phenylalanin untersucht und dabei die Selektivität dieser Technologie demonstriert. Das Kapitel 7 untersucht den Einfluss der Umgebung auf die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektren von aromatischen Aminosäuren. Beispielhaft werden Histidin und Tyrosin bei verschiedenenen pH-Werten untersucht. Es wird ein selbst entwickelter Algortihmus vorgestellt, mit dessen Hilfe ohne Kenntnis des pKa-Wertes der pH-Wert anhand der Spektren bestimmt werden kann. Kapitel 8 zeigt einen Ausblick auf die zukünftige Anwendung der vorgestellten Geräte und Methoden auf Untersuchung der Struktur und Dynamik von Proteinen und Protein-Komplexen mittels der Bestimmung der Mikroumgebung von aromatischen Aminosäuren.

In der Arbeit werden Moeglichkeiten der Charakterisierung des Beschichtungsprozesses von C-Fasern mit pyro-Kohlenstoff vorgestellt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der ramanspektroskopischen Charakterisierung der Ober- flaechenstruktur von modifizierten Fasern. Die Unter- suchungen zeigen den Einfluss verschiedener Prozessparameter (Reaktortemperatur, Gasphasenkonzentration, Auswahl des jeweiligen Precursors etc.) auf die Oberflaechenstruktur der abgeschiedenen Schichten. Der Nachweis einer Vorzugsorientierung der Graphitmikro- kristallite auf der Faseroberflaeche wird mit verschiedenen Analysenmethoden durchgefuehrt. Dabei werden die ramanspektroskopischen Messergebnisse mit Ergebnissen anderer Methoden (wie Elektronenbeugung und Elektronenmikroskopie) verglichen. Waehrend des Beschichtungsprozesses wird die Gasphasen- zusammensetzung im Reaktor analysiert. Das Zersetzungs- verhalten von unterschiedlichen Precursoren bei verschiedenen Temperaturen wird untersucht. Korrelationen zwischen den einzelnen Precursoren aufgezeigt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Ag/organischen Schichten/GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt, um den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die chemischen und strukturellen Eigenschaften beider Grenzflächen, sowie auf die Morphologie, Struktur und Kristallinität von organischen Schichten zu charakterisieren. Die molekularen Schichten von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) werden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt. Weiterhin wird der Einfluss des Substrats untersucht, indem PTCDA-Wachstum auf H-passiviertem Si(100):1x1 durchgeführt wird. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Ramanspektroskopie eingesetzt. Diese ist eine nicht-destruktive Methode, die auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die komplementäre Infrarotspektroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung (XRD) werden zur Ergänzung des Verständnisses der Heterostruktureigenschaften verwendet. Die Empfindlichkeit von Raman- und Infrarot-Spektroskopien auf die chemisch unterschiedlichen Endgruppen wird durch experimentelle Untersuchungen an PTCDA- und DiMe-PTCDI-Kristallen, beziehungsweise dicken Schichten und mit Hilfe theoretischer Berechnungen nachgewiesen. So wird zum ersten Mal eine vollständige Zuordnung der Schwingunsfrequenzen zu den internen Schwingungsmoden von DiMe-PTCDI vorgeschlagen. Im niedrigen Frequenzbereich der Ramanspektren werden die externen molekularen Schwingungsmoden, oder molekularen „Phononen“, die eine Signatur der Kristallinität darstellen, beobachtet. Die Phononen von DiMe-PTCDI werden in dieser Arbeit zum ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Mittels resonanter Ramanspektroskopie wird die Detektion von C-H-Deformationsmoden und C-C-Streckmoden sogar im Sub-Monolagenbereich molekularer Bedeckung auf Halbleiteroberflächen möglich. Anhand dieser Ramanspektren konnte die Art der Wechselwirkung zwischen Molekülen und passivierten Oberflächen näher charakterisiert werden. Zusätzliche Information bringen die GaAs LO- und Plasmon-gekoppelten LO- Phononen, deren Intensitätsverhältnis im Ramanspektrum die Bandverbiegung im GaAs-Substrat widerspiegelt. Die Kristallinität der hergestellten organischen Schichten mit Dicken größer als 2 nm wird durch Beobachtung der molekularen „Phononen“ nachgewiesen. Als allgemeine Tendenz konnte bewiesen werden, dass mit steigender Substrattemperatur während des Wachstums größere Kristalldomänen entstehen. Weiterhin wird eine Methode vorgeschlagen, um den Anteil von zwei PTCDA- Kristallphasen mit ähnlichen Gitterparametern anhand der Raman- beziehungsweise XRD-Spektren zu bestimmen. Durch ihre sehr gute Ordnung können die DiMe-PTCDI- Schichten als Modellsystem dienen, um eine Methode zu entwickeln, die die Molekülorientierung im Bezug zum Substrat aus polarisationsabhängigen Raman- und Infrarotmessungen bestimmt. Bei der Metall-Bedampfung wird die Empfindlichkeit der Ramanstreuung an internen molekularen Schwingungsmoden von PTCDA und DiMe-PTCDI-Schichten durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erhöht. Anhand der unterschiedlichen Signalverstärkungsmechanismen werden Informationen über die Ag/Molekül- Wechselwirkung und die Morphologie der Ag-Schichten abgeleitet.

Landlebende Pflanzen weisen differenzierte Gewebetypen auf, die neben der Aufrechterhaltung physiologischer Stoffwechselvorgänge äußeren mechanischen Belastungen standhalten müssen. Durch zweckmäßige Verteilung von Festigkeitsgeweben über den Sprossquerschnitt erlangen Pflanzen die notwendigen Versteifungen und Stabilitäten. Zur ortsaufgelösten Darstellung der unterschiedlichen Pflanzengewebe wird auf die Methode der Ramanspektroskopie zurückgegriffen. Dazu werden valide ramanspektroskopische Methoden entwickelt, die die Bestimmung der Cellulosekristallinität sowie die Quantifizierung des Lignins und der Hemicellulosen zum Ziel haben. Am Beispiel eines Pflanzenquerschnittes des Gemeinen Flachs Linum usitassimum werden die spektroskopischen Methoden angewandt und die Verteilung der unterschiedlichen Gewebetypen aufgezeigt und diskutiert.

Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were decorated with metal nanoparticles. Using a complementary analysis with spatially resolved micro-Raman spectroscopy, high resolution transmission electron microscopy, electron diffraction, and tip-enhanced Raman spectroscopy, we show that the SWCNTs form bundles in which smaller diameter SWCNTs are the ones preferentially affected by the presence of Au and Ag nanoparticles. This result is exploited to evaluate the structural organization of SWCNTs with mixed chiralities in bundles, leading us to postulate that smaller diameter SWCNTs surround larger ones. We found that this effect occurs for very distinct scenarios including SWCNTs both in nanometer thin films and in field effect transistor configurations at the wafer-level, suggesting a universal phenomenon for SWCNTs deposited from dispersions. / Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) wurden mit Metallnanopartikeln dekoriert. Nach Anwendung von ortsauflösender Raman-Mikroskopie und -Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronenbeugung und spitzenverstärkter Ramanspektroskopie wird festgestellt, dass sich aus den SWCNTs fasrige Bündel formen, wobei die analytischen Signaturen der SWCNTs mit kleinerem Durchmesser stärker von der Präsenz der Gold- und Silbernanopartikel beeinflusst werden als die der größeren. Dieses Resultat kann damit erklärt werden, dass in der Struktur solcher Bündel SWCNTs mit kleinerem Durchmesser außen und SWCNTs mit größerem Durchmesser innen zu liegen kommen. Wir konnten diesen Effekt für verschiedene Szenarien nachweisen: i) für SWCNTs in nanometerdünnen ungeordneten Filmen und ii) für SWCNTs, ausgerichtet zwischen Elektroden in der Geometrie eines Feldeffekttransistors. Diese Feststellung legt nahe, dass es sich um ein universelles Phänomen für aus flüssigen Dispersionen abgeschiedene SWCNTs handelt. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der ramanspektroskopischen Charakterisierung von Galliumnitrid (GaN). Der Zusammenhang zwischen Waferkrümmung und mechanischer Restspannungen wird diskutiert. Mit Hilfe konfokaler Mikro-Ramanmessungen wurden Dotierprofile nachgewiesen sowie die Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit ermittelt. Sämtliche Ramantensorelemente von wz-GaN wurden erstmals durch die Anwendung verschiedener Streugeometrien bestimmt. Eine neu entwickelte Vorwärtsstreuanordnung ermöglichte die Beobachtung von Phonon-Polaritonen. Es konnte gezeigt werden, dass von der theoretischen und experimentellen Betrachtung der Ramanstreuintensitäten dieser Elementaranregungen eindeutig das Vorzeichen der Faust-Henry-Koeffizienten von wz-GaN abgeleitet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden alle Faust-Henry-Koeffizienten für GaN experimentell bestimmt. / This thesis focuses on special aspects of the Raman spectroscopical characterization of wurtzite gallium nitride (wz-GaN). The correlation between wafer curvature and residual stress is discussed. By means of confocal micro-Raman measurements doping profiles were detected as well as the density and mobility of free charge carriers were deduced. All Raman scattering cross sections of wz-GaN were determined the first time using different scattering configurations. A novel method for near-forward scattering was developed in order to observe phonon polaritons with pure symmetry. It is shown that the theoretical and experimental consideration of the Raman scattering efficiency of these elementary excitations allow for determining the sign of the Faust-Henry coefficients of wz-GaN unambiguously. The Faust-Henry coefficients of GaN were deduced from Raman scattering efficiencies of corresponding TO and LO phonons.

In order to provide an alternative to day-old chick culling in the layer hatcheries, a noninvasive method for egg sexing is required at an early stage of incubation before onset of embryo sensitivity. Fluorescence and Raman spectroscopy of blood offers the potential for precise and contactless in ovo sex determination of the domestic chicken (Gallus gallus f. dom.) eggs already during the fourth incubation day. However, such kind of optical spectroscopy requires a window in the egg shell, is thus invasive to the embryo and leads to decreased hatching rates. Here, we show that near infrared Raman and fluorescence spectroscopy can be performed on perfused extraembryonic vessels while leaving the inner egg shell membrane intact. Sparing the shell membrane makes the measurement minimally invasive, so that the sexing procedure does not affect hatching rates. We analyze the effect of the membrane above the vessels on fluorescence signal intensity and on Raman spectrum of blood, and propose a correction method to compensate for it. After compensation, we attain a correct sexing rate above 90% by applying supervised classification of spectra. Therefore, this approach offers the best premises towards practical deployment in the hatcheries.

We report a Raman technique applicable for the in situ analysis of the development of hydrogen bonds in the liquid water‐rich phase just before the onset of gas hydrate formation. Herewith, the phase transition as well as the working principle of hydrate formation inhibitors and promoters can be analyzed.

How do fuel and air mix, if a liquid fuel is injected into an environment featuring pressure and temperature that exceed the critical pressure and the critical temperature of the fuel? It is subject of current discussion on whether and if so when, the fuel/air-mixture becomes supercritical or not. We here report experimental data comprising three mixture properties that are relevant for the current debate, all spatially and temporally resolved throughout the spray and injection event: The overall composition of the fuel/air-mixture, the liquid fraction of the fuel/air-mixture, and the temperature of the liquid phase. To this end, we applied Raman spectroscopy and gave special attention to the signature of the Raman OH-band of ethanol, which we used as fuel. Its signature is connected to the development of a hydrogen bonded network between the ethanol molecules and thus extremely sensitive to thermodynamic state and temperature. Measurements were carried out in a high-pressure, high-temperature combustion vessel in a pressure range of 3−8 MPa and a temperature range of 573−923 K. For the highest set temperature we found ethanol in liquid-like mixtures that exceeded the mixture critical temperature. This is an indication of the existence of a single-phase mixing path.