Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Eignung bakterieller Hüllproteine als Bindungsmatrix für die Kopplung funktionaler Moleküle mit dem Ziel, sensorische Schichten zu erzeugen. Bakterielle Hüllproteine sind biologische SAMs, anderen Oberfläche sich modifizierbare COOH-, NH2- und OH-Gruppen befinden. Die Ausbildung polymerer Strukturen erfolgt dabei in wässrigen Systemen und auf Oberflächen. Im Zuge der boomenden Entwicklung von Biosensoren werden insbesondere Biotemplate gesucht, die zwischen biologischer Komponente und Sensoroberfläche vermitteln. Bakterielle Hüllproteine stellen eine solche Zwischenschicht dar. Als Anwendungsbeispiel wurden die Proteine daher mit einem FRET-Paar und Thrombin und Kanamycin-Aptameren modifiziert. Hierbei wurden das FRET-Paar H488 und H555 an die bakteriellen Hüllproteine der beiden Haldenisolate A12 und B53 mittels EDC mit einer Modifizierungsrate von 0,54 molFarbstoff/molProtein kovalent gebunden. Bei der vorhandenen p4-Symmetrie bedeutet dies, dass ein FRET-Paar pro Einheitszelle vorhanden war. Der Nachweis eines Energietransfers zwischen den beiden am Protein gebundenen Fluoreszenzfarbstoffen H488 und H555 erfolgte mittels statischer und zeitaufgelöster Fluoreszenzmessung. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Energietransfer nur möglich war, wenn die Proteine in polymerer Form vorlagen, unabhängig davon, ob sich die Proteine immobilisiert an einer Oberfläche oder in wässriger Lösung befanden. Mittels Variieren des Donor-Akzeptor-Verhältnisses konnte ein maximaler Energietransfer von 40 % generiert werden, wenn das Verhältnis der Fluoreszenzfarbstoffe von Donor und Akzeptor 4 betrug. Die Fluoreszenzintensität der Fluorophore wurde durch die Bindung an die Proteine nicht verringert oder gelöscht. Dies legt nahe, dass die Farbstoffe in den hydrophoben Poren immobilisiert wurden und die Poren die Fluoreszenzfarbstoffe schützen. Um weitere Aussagen über die Lage der gebundenen Fluoreszenzfarbstoffe zu erhalten, wurden die bakteriellen Hüllproteine der Stämme A12 und B53 enzymatisch verdaut und die Fragmente mittels SEC und SDS-PAGE untersucht. Dabei zeigten sich je nach Enzym und Protein unterschiedliche Bandenmuster bezüglich modifizierter und nativer Hüllproteine. Dies belegt, dass die Fluoreszenzfarbstoffe an NH2-und COOH-Gruppen der Proteine gebunden wurden und so teilweise den enzymatischen Verdau hinderten. Die SEC deutet an, dass die Fluoreszenzfarbstoffe an verschiedenen Stellen am Protein gebunden wurden. In einem zweiten Beispiel wurde das bakterielle Hüllprotein von A12 mit einem Aptamer modifiziert. Aptamere sind kurze einzelsträngige Oligonukleotide, die u.a. mittels ihrer ausgebildeten 3D-Struktur spezifisch Zielstrukturen reversibel binden können. Die hier verwendeten Aptamere binden spezifisch Thrombin und Kanamycin. Die Aptamere wurden mit Hilfe einer der beiden Vernetzer PMPI oder Sulfo-SMCC an die bakteriellen Hüllproteine kovalent gebunden. Nach dem Modifizieren der Proteine wurden diese auf entsprechenden Sensorchips immobilisiert und die Aktivität des gekoppelten Aptamers mittels Affinitätsmessungen, SPR-Spektroskopie und QCM-D-Messungen analysiert. Die Funktion des gebundenen Thrombinaptamers konnte mittels Affinitätsmessungen und QCM-D nachgewiesen werden und entspricht in beiden Fällen einer Bindung von 2 nmol Thrombin pro Quadratzentimeter. Die Funktionalität des Kanamycinaptamers sollte mittels SPR bestimmt werden, jedoch konnte keine Funktionalität des gekoppelten Kanamycinaptamers nachgewiesen werden. Alle Messungen bestätigten jedoch, dass die Bindungsmatrix aus bakteriellen Hüllproteinen keinerlei oder nur ein sehr geringes Hintergrundsignal liefert. Werden nun beide Komponenten, FRET-Paar und Aptamere, an das Protein gebunden, ist es möglich, eine sensorische Schicht zu erzeugen. Die Zielstruktur, welche detektiert werden soll, wird an das Aptamer gebunden und so in räumliche Nähe zur Sensorfläche gebracht. Stell die Zielstruktur einen Fluoreszenzlöscher dar, so wird der Energietransfer durch die räumliche Nähe des Fluoreszenzlöscher gestört. Die Detektion des Zielmoleküls erfolgt nun über die Änderung von Fluoreszenzintensitäten. Die hier vorgelegte Arbeit soll einen Grundstein legen für die Entwicklung eines solchen Sensors und insbesondere die Detektion eines Energietransfers optimieren und Schwachstellen in der Detektion nachweisen. Die systematische Untersuchung der Fluoreszenzfarbstoffe auf dem Protein ermöglichen es, in zukünftigen Arbeiten einen FRET zweifelsfrei zu detektieren. Die Modifizierung von bakteriellen Hüllproteinen von A12 mit Aptameren und die Detektion der Funktionalität der Aptamere mittels verschiedener Methoden zeigte auf, dass die bakteriellen Hüllproteine als universelle Bindungsmatrix für sensorische Moleküle dienen können, bei denen Affinitätsmessungen, SPR- oder QCM-D-Messungen genutzt werden. Besonders hervorzuheben ist, dass bakterielle Hüllproteine nahezu kein Hintergrundsignal liefern und aufgrund ihrer dünnen Monolage von etwa 6 - 9 nm die Sensitivität der Messungen nur gering beeinträchtigen.

Recent advances in label-free histology promise a new era for real-time diagnosis in neurosurgery. Deep learning using autofluorescence is promising for tumor classification without histochemical staining process. The high image resolution and minimally invasive diagnostics with negligible tissue damage is of great importance. The state of the art is raster scanning endoscopes, but the distal lens optics limits the size. Lensless fiber bundle endoscopy offers both small diameters of a few 100 microns and the suitability as single-use probes, which is beneficial in sterilization. The problem is the inherent honeycomb artifacts of coherent fiber bundles (CFB). For the first time, we demonstrate an end-to-end lensless fiber imaging with exploiting the near-field. The framework includes resolution enhancement and classification networks that use single-shot CFB images to provide both high-resolution imaging and tumor diagnosis. The well-trained resolution enhancement network not only recovers high-resolution features beyond the physical limitations of CFB, but also helps improving tumor recognition rate. Especially for glioblastoma, the resolution enhancement network helps increasing the classification accuracy from 90.8 to 95.6%. The novel technique enables histological real-time imaging with lensless fiber endoscopy and is promising for a quick and minimally invasive intraoperative treatment and cancer diagnosis in neurosurgery.

The generation of tailored complex light fields with multi-core fiber (MCF) lensless microendoscopes is widely used in biomedicine. However, the computer-generated holograms (CGHs) used for such applications are typically generated by iterative algorithms, which demand high computation effort, limiting advanced applications like fiber-optic cell manipulation. The random and discrete distribution of the fiber cores in an MCF induces strong spatial aliasing to the CGHs, hence, an approach that can rapidly generate tailored CGHs for MCFs is highly demanded. We demonstrate a novel deep neural network—CoreNet, providing accurate tailored CGHs generation for MCFs at a near video rate. The CoreNet is trained by unsupervised learning and speeds up the computation time by two magnitudes with high fidelity light field generation compared to the previously reported CGH algorithms for MCFs. Real-time generated tailored CGHs are on-the-fly loaded to the phase-only spatial light modulator (SLM) for near video-rate complex light fields generation through the MCF microendoscope. This paves the avenue for real-time cell rotation and several further applications that require real-time high-fidelity light delivery in biomedicine.

Lumineszenzmessungen und Lumineszenz-Bildgebung spielen in den Biowissenschaften eine wichtige Rolle und ermöglichen den Nachweis und die Detektion von biomolekularen Wechselwirkungen und Analyten, die selbst keine intrinsische Farbe und / oder Lumineszenz aufweisen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von im Nahinfrarot (NIR) anregbaren, mehrfarbig emittierenden Aufkonversions-Nanokristallen (UCNPs) wie mit Yb3+ und Er3+ dotierten NaYF4-Nanopartikeln. Diese Nanopartikel können als Lumineszenzreporter oder Energiedonoren (Nanolampen) für die Anregung von Analyt-sensitiven Sonden benutzt werden. In dieser Arbeit, die den Aufbau eines selbstreferenzierten UCNP-basierten Sensors für die Ermittlung von pH-Werten als Ziel hatte, wurden beide Sensorkomponenten gezielt ausgewählt, synthetisiert und spektroskopisch charakterisiert. Dies beinhaltete i) UCNPs mit unterschiedlichen Größen, Partikelarchitekturen und Oberflächenfunktionalisierungen oder -beschichtungen und ii) Rosamin-Farbstoffe mit Absorptions- und Emissionseigenschaften, die für die gewünschte Kombination mit UCNPs geeignet sind. Des Weiteren wurde eine umfassende Untersuchung der chemischen Stabilität von unterschiedlich oberflächenfunktionalisierten und beschichteten UCNPs in biologisch relevanten Puffern durchgeführt. Für die schnelle Ermittlung der UCNP-Stabilität wurde eine einfache optische Überwachungsmethode zum Nachweis der Partikeldisintegationentwickelt, die die Abhängigkeit der UC-Lumineszenz und ihrer Lebensdauer von der Partikelgröße und Oberfläche ausnutzt. Im letzten Teil der Doktorarbeit wurden pH-Sensorfilme und Nanosensoren durch die Kombination der optimierten Yb3+, Er3+-co-dotierten UCNPs mit den pH-sensitiven Rosaminfarbstoffen als Energie-Akzeptoren unter Verwendung eines einfachen inneren Filters (Reabsorption) oder eines RET – Sensorkonzept konstruiert. / Luminescence sensing and imaging play an important role in the life sciences, enabling the detection and monitoring of biomolecular interactions and molecular targets that have no intrinsic colour and/or luminescence even in complex biological samples. A very promising approach presents the utilization of near-infrared (NIR) excitable multi-colour emissive upconversion nanocrystals (UCNPs) like NaYF4 nanoparticles doped with Yb3+ and Er3+ as luminescent reporters and as energy donors or “nanolamps” for the excitation of analyte-responsive probes. In this work, aiming at the design of self-referenced UCNP-based sensors for pH, both sensor components were rationally designed, synthesized, and spectroscopically characterized. This included i) UCNPs with different sizes, architectures, and surface chemistries or coatings and ii) rosamine dyes with absorption and emission properties adapted to the UC emission of the NaYF4: Yb3+, Er3+-doped UCNPs. Additionally, an extensive study of the chemical stability of differently surface functionalized and coated UCNPs in biologically relevant buffers was performed. To simplify stability monitoring, an optical monitoring method was developed for the detection of particle disintegration utilizing the size and environment dependence of the UC emission intensity and decay kinetics. Finally, pH sensor films and nanosensors were constructed by combining the initially optimized Yb3+, Er3+ co-doped UCNPs with pH-responsive rosamine dyes acting as energy acceptors utilizing a simple inner filter (reabsorption)- and a RET-based sensor concept.

Die vorliegende Forschungsarbeit widmet sich der Entwicklung und Untersuchung neuartiger photonischer Kristallstrukuren für Anwendungen in den Gebieten der Nanophotonik und Optofluidik. Dabei konzentriert sich eine erste Serie von Experimenten auf die Charakterisierung und Optimierung photonischer Kristallresonatoren im sichtbaren Spektralbereich, wobei bisher unerreichte Resonatorgüten von bis zu 3400 gezeigt werden können. Diese Strukturen werden anschließend als Plattformen zur Herstellung von hybriden nanophotonischen Bauelementen verwendet, indem externe Partikel (wie z.B. Diamant-Nanokristalle und Metall-Nanopartikel) in kontrollierter Art und Weise an die Resonatoren gekoppelt werden. Zu diesem Zweck wird eine Nanomanipulationsmethode entwickelt, welche Rastersonden zur gezielten Positionierung und Anordnung von Partikeln auf den photonischen Kristallstrukturen benutzt. Verschiedene Arten solcher Hybridelemente werden realisiert und untersucht, einschließlich diamant-gekoppelter Resonatoren, plasmon-gekoppelter Resonatoren und Metall-Diamant Hybridstrukturen. Außer für Anwendungen auf dem Gebiet der Nanophotonik werden verschiedene photonische Kristallstrukturen auch hinsichtlich ihres Leistungsvermögens als biochemische Sensorelemente erforscht. Zum ersten Mal wird eine umfassende numerische Analyse der optischen Kräfte auf Objekte im Nahfeld photonischer Kristallresonatoren durchgeführt, welche neue Möglichkeiten zum Einfang sowie zur Detektion und Untersuchung biologischer Partikel in integrierten optofluidischen Bauteilen bieten. Weiterhin werden unterschiedliche photonische Kristallfasern bezüglich ihrer Detektionssensitivität in Absorptions- und Fluoreszenzmessungen untersucht, wobei sich eine klare Überlegenheit von selektiv befüllten Hohlkern-Designs im Vergleich zu Festkern-Fasern offenbart. / This thesis deals with the development and investigation of novel photonic crystal structures for applications in nanophotonics and optofluidics. Thereby, a first series of experiments focuses on the characterization and optimization of photonic crystal cavities in the visible wavelength range, demonstrating unprecedented cavity quality factors of up to 3400. These structures are subsequently employed as platforms for the creation of advanced hybrid nanophotonic elements by coupling external particles (such as diamond nanocrystals and metal nanoparticles) to the cavities in a well-controlled manner. For this purpose, a nanomanipulation method is developed, utilizing scanning probes for the deterministic positioning and assembly of particles on the photonic crystal structures. Various types of such hybrid elements are realized and investigated, including diamond-coupled cavities, plasmon-coupled cavities, and metal-diamond hybrid structures. Apart from applications in nanophotonics, different types of photonic crystal structures are also studied with regard to their performance as biochemical sensing elements. For the first time a thorough numerical analysis of the optical forces exerted on objects in the near-field of photonic crystal cavities is conducted, providing novel means to trap, detect, and investigate biological particles in integrated optofluidic devices. Furthermore, various types of photonic crystal fibers are studied with regard to their detection sensitivity in absorption and fluorescence measurements, revealing a clear superiority of selectively infiltrated hollow-core designs in comparison to solid-core fibers.

Die Bedingungen für die Vermarktung von Fischereierzeugnissen sind streng geregelt. Die Deutsche Fisch-Hygiene-Verordnung (VO) schreibt in den §§ 4 (1) und 6 vor, dass alle Fische unverzüglich nach dem Fang und der Tötung ausgenommen werden müssen. In diesem Punkt ist die deutsche VO strenger als das europäische Gemeinschaftsrecht (RL 91/493/EWG). Sowohl durch die in einzelnen Bundesländern unterschiedliche Auslegung des Begriffes "unverzüglich" als auch durch die in anderen EU-Ländern erlassenen Vorschriften ergibt sich eine gewisse Rechtsunsicherheit bei der Vermarktung von Ganzfischen. Im Gegensatz zu Seefischen gibt es bei Süßwasserfischen nur wenige Untersuchungen zum Vergleich der sensorischen und hygienischen Parameter von ausgenommen und unausgenommen gelagerten Fischen. Ziel der Untersuchungen war es daher, an den zwei Modellfischarten Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) und Ostsee-Zander (Sander lucioperca) gesundheitlich-hygienische als auch qualitative Gründe für bzw. gegen das Ausnehmen von Süßwasserfischen zu ermitteln. Zum einen wurde während der Lagerung bis zum Verderb wiederholt der Keimstatus der Fische bestimmt, wobei sowohl die Verderbsorganismen als auch potentiell humanpathogene Keime (Vibrio spp., Aeromonas spp., Clostridium spp., Salmonella spp., Listeria spp.) im Fischgewebe erfasst wurden. Zum anderen wurden fischartspezifische Frischegrad- und Kochprobenschemata entwickelt, die den Verderbsprozessen der beiden Süßwasserfischarten während der Lagerung angepasst sind und für eine Bestimmung der sensorischen Eigenschaften angewendet werden können. Darüber hinaus erfolgte bei den Zandern eine Untersuchung der Muskulatur und der Eingeweide auf einen Befall mit humapathogenen Nematoden und eine Bestimmung von flüchtigen Basenstickstoff (TVB-N) in der Filetmuskulatur. Die vorliegenden Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass unausgenommene Fische, sofern eine optimale Lagerung gewährleistet ist, hygienisch unbedenklich sind und für einen Zeitraum von einigen Tagen qualitativ gleichwertig mit ausgenommenen Fischen bleiben, bevor autolytische Bauchhöhlenprozesse die Qualität des Ganzfisches beeinträchtigen. Dabei hängt der Zeitraum unter anderem von der Fischart und dem Nüchterungsgrad ab. Mikrobiologische Gründe sprechen eher gegen ein frühzeitiges Ausnehmen, da die bakterielle Belastung der Bauchhöhle durch die Schlachtung höher ausfällt als bei unausgenommen gelagerten Fischen. Demnach kann durch ein spätes Ausnehmen zwar ein schnellerer Qualitätsverlust bei Ganzfischen auftreten, aber aus hygienischer Sicht, auch im Zusammenhang mit humanpathogenen Keimen, ist eine erhöhte Gesundheitsgefährdung des Verbrauchers nicht zu erwarten. / Conditions for the marketing of fishery products are strictly regulated. In Germany, the fish hygiene regulations (§§ 4(1) and 6) demand the gutting of all fishes immediately after the catch. This regulation is more restrictive than the corresponding EU-legislation (RL 91/493/EWG). But several German counties interprete the term "immediately" differently, and most other EU-countries have more permitting regulations, thus creating legal ambiguities in the marketing of whole fishes. Unlike the situation in seafish there are only few surveys in fresh water fish comparing possible sensoric and hygienic effects of gutted and ungutted storage. The aim of this study therefore was to examine health and hygiene related as well as qualitative reasons for or against an immediate gutting of freshwater fish, using aquaculture rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and pike-perch (Sander lucioperca) from the Baltic Sea as model fish species. The bacterial load in several tissues of gutted and ungutted fish, spoilage organisms as well as potentially pathogenic bacteria (Vibrio spp., Aeromonas spp., Clostridium spp., Salmonella spp., Listeria spp), were determined repeatedly throughout the storage period and statistically compared. Furthermore, species-specific grading schemes for the whole fish as well as for steamed fillets were developed that allowed the assessment of spoilage and of the sensoric characteristics of gutted and ungutted fishes. In pike-perch, muscle tissue and guts were examined for pathogenic nematode larvae and the fillet content of total volatile basic nitrogen was determined. The results of this study lead to the conclusion that ungutted fish, as long as optimal storage conditions are guaranteed, bear no special hygienic risks and keep a quality comparable to gutted fish for at least some days before autolytic processes in the body cavity compromise the quality of the whole fish. The length of this storage period depends mainly on the fish species and the filling of the digestive tract. From a microbiological point of view early gutting is not advisable because the gutting process itself results in a higher bacterial contamination of the body cavity than that found in fish stored ungutted. Therefore, a later gutting may lead to a faster loss of quality in whole fish but a higher hygienic risk for the consumer, even in connection with bacteria pathogenic for humans, can not be stated.

Diese Dissertation befasste sich mit der Entwicklung von optischen Sensormaterialien für anionische Zielmoleküle durch die Kopplung der herausragenden Erkennungsfähigkeiten von molekular geprägten Polymere (molecularly imprinted polymers, MIPs) mit der Empfindlichkeit fluorometrischer Nachweisverfahren. In dieser Arbeit wurde dabei der direkte Einschritt-Nachweis für das Design der Sensormaterialien adaptiert. Hierbei wird eine Fluoreszenzsonde für die Signalübertragung kovalent in die Hohlräume der MIP-Matrix eingebaut. MIP-Sensormaterialien wurde in monolithischen, Dünnfilm- und Kern/Schale-Partikel-Formaten hergestellt. Die hergestellten Materialien wurden unter Verwendung unterschiedlicher Techniken charakterisiert. Die Performanz der Sensormaterialien wurde auch in Bezug auf die Sensitivität, Selektivität sowie Ansprechzeit bewertet. In dieser Arbeit wurden dabei Systeme untersucht, bei denen die Signalerzeugung sowohl auf dem „Einschalten“ als auch auf dem „Ausschalten“ der Fluoreszenz beruhte. Mit den hergestellten Materialien wurden dabei viele Ziele des Projekts erreicht. Sowohl die synthetisierten dünnen Filme als auch die Kern/Schale-Partikel zeigten eine hohe Selektivität für die geprägten Aminosäuren, auch in Bezug auf die Unterscheidung von Enantiomeren. Diese Sensormaterialien waren ebenfalls durch eine niedrige Nachweisgrenze bis 60 µM und eine schnelle Ansprechzeit von 20 Sekunden gekennzeichnet. Insbesondere die Kern/Schale-Partikel können mit verschiedenen Detektionstechniken gekoppelt werden und sind potentiell für die Entwicklung von miniaturisierten Messinstrumenten für die on-line-Detektion sowie Point-of-Care-Diagnostik (patientennahe Labordiagnostik) einsetzbar. / This dissertation derives from the DFG project aimed on preparing optical sensor material for anionic target through combing the outstanding recognition of Molecularly imprinted polymer (MIPs) and sensitive fluorescence technique. A single step direct sensing strategy is adopted to prepare the sensor material in this thesis. Here, a fluorescence probe is covalently embedded into the MIP cavity for signal transduction. MIP sensor material are prepared in forms of bulk, thin film and particles. The material is characterized using various techniques. The performance of the sensor materials is also assessed in terms of sensibility, selectivity as well response time. Both the switching on and off signaling methods are tested in this thesis. The prepared material achieves the goal of the project. Both the prepared thin film as well as core-shell particle show prominent selectivity even a strong enantioselective discrimination. These sensing materials also have low LOD to 60 µM and fast sensing response of 20 seconds. Especially the core-shell sensing particle can be coupled with various detection techniques and is potentially applicable for developing miniaturized sensing instrument for on-line detection as well as point of care diagnose.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Simulation, Entwicklung und Realisierung organischer Halbleiterbauelemente für Anwendungen im Bereich der Sensorik. Unter dem Gesichtspunkt der Fertigung sollen die organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs) und die organischen Photodioden (OPDs) einfach konzeptioniert sein. Je nach Bauelementetyp stehen für die Herstellung der organischen Schichten die Vakuumtechnologie oder lösungsmittelbasierte Prozesse zur Verfügung. Eine Besonderheit der Arbeit ist die Integration der OLEDs bzw. der OPDs auf Silizium-Substraten. Zudem wird die Integration von optischen Filtern für die OLEDs sowie die Etablierung einer Dünnschichtverkapselung für die OLEDs und OPDs gezeigt. Im ersten Teil der Arbeit wird anhand von Simulationen der Dünnschichtoptik erarbeitet, welche Möglichkeiten vorhanden sind, die Charakteristik der OLEDEmission bzw. die Absorptionseigenschaften der OPDs zu beeinflussen. Die Besonderheit der OLEDs für die Sensorikanwendungen liegt hierbei in der Licht-Emission mit geringen Halbwertsbreiten. Es wird anhand von Fluoreszenzmarkern (Rhodamin 6G und Nah-IR Alzheimer Farbstoff-4) und einem Chromoprotein (PAS-GAF-64) verdeutlicht, welche Möglichkeiten für die Sensorik durch die Anregung mit der OLED bestehen. Für die OPDs hingegen wird gezeigt, welche Möglichkeiten es für das Rodamin 6G gibt, mit dielektrischen Spiegeln die Absorptionseigenschaften so zu beeinflussen, dass die gewünschten spektralen Bereiche des Lichtes absorbiert bzw. reflektiert werden. Der zweite Teil widmet sich der Entwicklung der OLEDs anhand der Integrationsmöglichkeiten der dielektrischen Filter sowie deren Optimierung. Es wird am Beispiel des Rhodamin 6G gezeigt, dass für die OLED-Emission eine Halbwertsbreite von 18 nm beim Maximum von 530 nm hat. Durch die Verwendung von Entlastungsschichten zwischen OLED und dielektrischem Spiegel können die Kennwerte der OLED positiv beeinflusst werden und weiterhin werden das Temperaturverhalten der OLEDs sowie die Verspannungseigenschaften der dielektrischen Schichten betrachtet. Darüber hinaus steht im dritten Teil die Entwicklung der organischen Photodioden im Fokus. Hierbei wurden OPDs auf Glas- und Siliziumsubstraten gefertigt. Inhalt der Entwicklung auf Glassubstraten ist die Variation der absorbierenden Schicht und deren Einfluss auf die elektro-optischen Eigenschaften. Die Entwicklung der OPDs auf Siliziumsubstraten basiert auf der Integration sowie der Optimierung verschiedener Absorbersysteme, einer alternativen Anode und Kathode sowie der Integration einer Dünnschichtverkapselung. Im Ergebnis wurden OPDs entwickelt, die ohne Dünnschichtverkapselung einen Photonen-zu-Elektron-Umwandlungs-wirkungsgrad (IPCE) von ca. 37 % bei 550 nm haben. Der IPCE konnte zudem durch die Modifikation des Kathodenaufbaus um 4 % gesteigert werden. Die OPD-Bauelemente mit integrierter Dünnschichtverkapselung zeigen einen IPCE von ca. 33 % bei 550 nm. Weiterhin wurde die Methode der orthogonalen Photolithographie zur Strukturierung der OPDs verwendet und es erfolgte der Übertrag der OPD-Technologie auf 8-Zoll-Halbleitersubstrate. In diesem Zusammenhang sind zur Bewertung von Einflüssen, wie Wasser oder Sauerstoff, Untersuchungen zur Lebensdauer der OPDs durchgeführt worden. Die Kenntnis über den Einfluss der orthogonalen Photolithographie auf die Kennwerte der OPDs sowie der Einfluss der Dünnschichtverkapselung auf die Eigenschaften der OPDs und OLEDs sind essentiell für weitere Entwicklungen und zur Fertigung von Sensoranwendungen. / This work focuses on the simulation, development and implementation of organic semiconductor devices for applications in the field of sensor technology. From the viewpoint of manufacturing, organic light emitting diodes (OLEDs) as well as organic photodiodes (OPD) should be designed simply. Depending on the type of device vacuum technology or solvent-based processes are available for producing organic layer. A special feature of OLED- and OPD-devices is the integration on silicon substrates. In addition, the integration of optical filters for OLED-devices and the thin-film encapsulation of OLEDs and OPDs is shown. The first part of the work elaborates on simulations of thin film optics, describing options to control the characteristics of the OLED-emission or the absorption properties of the OPD. A special characteristic of OLEDs is the light emission with a small full with half maximum for sensor applications. By using of fluorescent markers Rhodamine 6G and near-IR dye Alzheimer-4 or the Chromoproteins (PAS-GAF-64) clarifies the possibilities for sensors by excitation with the OLED. In contrast, for the OPD is shown which solutions are available, to influence the absorption properties of Rhodamin 6G with dielectric mirrors so that desired spectral ranges of light are absorbed or reflected. The second part is dedicated to the development of OLEDs based on integration of dielectric filters and their optimization. It is shown by the example of Rhodamine 6G that the OLED emission represents a full with at half maximum of 18 nm at 530 nm. Furthermore, the temperature behavior of the OLEDs and the strain properties of the dielectric layers are considered. Organic photodiodes are in the focus of the third part of the development. These OPDs were made on glass and silicon substrates. The main objective of the development on glass substrates is the variation of the absorption layer and its influence to the electro-optical properties to increase the spectral sensitivity of the OPD. The development of OPD on silicon substrates deals with the integration and optimization of different absorber systems, an alternative anode and cathode as well as the integration of a thin-film encapsulation. As a result, the OPDs without a thin-film encapsulation have an incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) of about 37 % at 550 nm. The IPCE was increased to 4 % by modifying the cathode structure. The OPD devices with integrated thin-film encapsulation showed an IPCE of about 33 % at 550 nm. Furthermore, the method of orthogonal photolithography was used to pattern the OPD and an upscaling of the OPD technology to 8-inch semiconductor substrates have been realized. In this context studies have been carried out to evaluate the influence of process and encapsulation to the lifetime of OPDs. The knowledge about the influence of the orthogonal photolithography to the characteristics of OPDs and the influence of the thin-film encapsulation on the properties of OPD and OLEDs is essential for further development and for the manufacturing of sensor applications.

Der menschliche Gang und damit auch das Abrollverhalten und die Belastungssituation des Fußes wird von einer Vielzahl an extrinsischen und intrinsischen Faktoren beeinflusst. In dieser Arbeit soll der Einfluss des Körpergewichtes, im Speziellen der übermäßigen Körpermasse unter der Krankheit Adipositas sowie der Einfluss der plantaren, kutanen Sensorik auf den menschlichen Gang betrachtet werden. Die starken Auswirkungen von Übergewicht und Adipositas auf das muskuloskelettale System lassen sich vor allem an der hohen Prävalenz von Schmerzen an den unteren Extremitäten festmachen. Besonders häufig treten neben Schmerzen an Hüfte und Knie auch Beschwerden im Bereich des Fußes auf. Die Betrachtung kinetischer Auswirkungen von Übergewicht und Adipositas auf den Bewegungsapparat rückt daher zunehmend in den Fokus der bewegungswissenschaftlichen Forschung. Die aktuelle Studienlage lässt derzeit jedoch keine eindeutigen Schlussfolgerungen zu, in welcher Weise sich Adipositas mit steigendem Schweregrad auf das Gangmuster auswirkt. Besonders im Bereich des Fußes fehlen belastungsrelevante Informationen mit denen das Abrollverhalten des Fußes bestimmt und mögliche Fehlbelastungen erkannt werden können. Zur Behandlung von schweren Graden der Adiposits werden adipositaschirurgische Maßnahmen eingesetzt. Dadurch ist es möglich in kürzester Zeit einen starken Gewichtsverlust hervorzurufen. Unklar ist, ob sich das Gangbild nach einem entsprechenden Gewichtsverlust wieder normalisieren kann und Adaptationsvorgänge nach einem längeren Zeitraum nachweisbar sind. In zwei Studien soll daher das plantare Belastungsmuster unter Adipositas evaluiert werden. In Studie I wird dazu eine Kategorisierung nach dem Schweregrad der Adipositas vorgenommen und das plantare Belastungsmuster der jeweiligen Gruppen gegenüber dem einer normalgewichtigen Gruppe gestellt. Ein besonderes Augenmerk soll hier auf Belastungen im Fersen- und im Mittelfußbereich gelegt werden, da hier Schmerzen am häufigsten auftreten. Der Kenntnisgewinn aus dieser Studie soll vor allem zur theoretischen Herleitung der Entstehungsmuster von Schmerzen im Bereich des Fußes dienen, aber auch typische Gangmuster der einzelnen Adipositas Grade festhalten. In Studie II erfolgt die Betrachtung der plantaren Belastung nach einem adipositaschirurgischen Eingriff. Ziel dieser Studie ist es, Anpassungsprozesse nach einem massiven Gewichtsverlust im Gangverhalten zu bewerten und Faktoren, welche wesentlich zur Veränderung des Gangbildes beitragen, auszumachen. Die Ergebnisse können weiterhin Hinweise auf eine mögliche Notwendigkeit einer bewegungstherapeutischen Begleitung nach einem adipositaschirurgischen Eingriff liefern. Studie III beschäftigt sich mit den Auswirkungen einer Desensibilisierung der plantaren kutanen Sensorik auf das plantare Abrollmuster beim Gehen. Die kutanen Mechanorezeptoren sind wesentlich an der posturalen Kontrolle beim Stehen und bei dynamischen Bewegungsvorgängen beteiligt. Beeinträchtigungen in der Funktionsweise der plantaren kutanen Mechanorezeptoren bspw. in Folge einer diabetischen Polyneuropathie können zu Gangpathologien, einer erhöhten Sturzgefahr oder auch der Entstehung von Druckulzerationen führen. Die Stärke der Beteiligung der plantaren Sensorik am plantaren Belastungmuster ist jedoch nicht ausreichend erschlossen und soll daher in Studie III betrachtet werden.

Im vorliegenden Bericht wurde untersucht, wie Spanndrahtbrüche in einem Brückenträger sowohl mittels Schallemissionsanalyse (SEA) als auch mit (eingebetteter) verteilter faseroptischer akustischer Sensorik (DAS) zu erkennen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bruchsignale anhand beider Messverfahren detektiert werden können. Die jeweils detektierten Drahtbrüche werden miteinander verglichen. Durch eine Gegenüberstellung werden SEA und DAS detailliert dargestellt.