Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war die Entwicklung einer Methode zur Quantifizierung saurer Zentren auf Festkörperoberflächen mittels 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie von adsorbierten Pyridinmolekülen. Die 15N-Festkörper-NMR von adsorbiertem Pyridin ermöglicht die Unterscheidung verschiedener Arten von sauren Zentren, wie Lewis- und Brønsted-Zentren. Die Bestimmung der Art und der Konzentration auftretender saurer Zentren ist entscheidend, um die katalytische Aktivität fester Katalysatoren in einer Reaktion zu verstehen. Da 15N-NMR-Messungen zumeist zeitaufwendig sind, wurde in dieser Arbeit eine zeitoptimierte Messroutine entwickelt, die auf der Messung von 15N-Einzelpuls-Spektren mit kurzen Pulswiederholzeiten beruht. Um diese Spektren quantitativ auswerten zu können, müssen die detektierten NMR-Signale bezüglich ihrer T1-Relaxation korrigiert werden. Zudem treten in 15N-Einzelpuls-NMR-Spektren oft starke Störungen der Basislinie auf. Zur Unterdrückung dieser Störsignale wurde die EASY-Methode entwickelt, die auf der Messung von zwei schnell aufeinander folgenden Spektren basiert. Mittels dieser Methode können auftretende Störsignale in quantitativen 15N-NMR-Spektren unterdrückt werden. Die entwickelte zeitoptimierte Quantifizierungsmethode wurde an zwei Probenserien von festen Säuren getestet; zum einen an Aluminiumhydroxidfluoriden, als Vertreter von Verbindungen mit stark sauren Zentren, und zum anderen an hydroxylierten Magnesiumfluoriden, als Vertreter schwach saurer Verbindungen. Der Vergleich mit anderen quantitativen Methoden zeigte, dass die 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie von adsorbiertem Pyridin hervorragend für die Quantifizierung saurer Zentren geeignet ist und Einblicke in die katalytische Aktivität fester Katalysatoren ermöglicht. / The aim of the present dissertation was to develop a method for the quantification of acidic sites on solid surfaces by 15N solid-state NMR with pyridine as probe molecule. 15N NMR of adsorbed pyridine allows to distinguish different types of acidic sites like Lewis and Brønsted sites. The determination of the kind and concentrations of occurring acidic sites is crucial to understand the catalytic activity of a solid catalyst in a reaction.15N NMR measurements are often time-consuming. Hence, a time-optimized NMR quantification procedure was developed which uses 15N single pulse spectra with short pulse repetition delays. For quantitative analysis of these spectra, occurring signals were corrected according to their T1 relaxation. Furthermore, often strong baseline disturbances are observed in single pulse spectra. For the suppression of these disturbances, the EASY method was developed. The EASY method uses two successive scans to obtain quantitative NMR spectra, in which baseline disturbances are suppressed. The developed time-optimized method for the quantification of acidic sites was applied on two series of samples. One series of aluminum hydroxide fluorides as representatives of catalysts with strong acid sites and one series of hydroxylated magnesium fluorides as representatives of weak acidic catalysts. The comparison with other quantitative methods shows that 15N solid-state NMR of adsorbed pyridine is an excellent method for the quantification of acidic sites, because insights in the catalytic activity of a catalyst can be gained.

In der vorliegenden Arbeit wurden Einsatzmöglichkeiten der Headspace-Festpahsenmikroextraktion (HS-SPME) in Kombination mit der GC-MS für forensische und toxikologische Fragestellungen, insbesondere in der Haaranalytik, untersucht. Für basenstabile Drogen- und Medikamentenwirkstoffe wurden Nachweismethoden nach alkalischer Hydrolyse der Haare mit Natriumhydroxid und anschließender HS-SPME entwickelt. Für das Lokalanaesthetikum Lidocain und für das Heroinsubstitutionsmittel Methadon wurden optimierte Verfahren auf Haarproben von Drogentodesfällen angewandt. Um die Einsatzmöglichkeiten der HS-SPME gerade für Wirkstoffmetaboliten zu erweitern, wurden drei Derivatisierungsmöglichkeiten überprüft: (i) Umsetzung von primären und sekundären Aminen im alkalischen Haarhydrolysat mit Alkylchloroformiaten zu Carbamaten ("in sample" Derivatisierung), (ii) "On Fiber" Derivatisierung primärer und sekundärer Amine nach erfolgter HS-SPME mit N-Methyl-bis-trifluoracetamid (MBTFA) sowie (iii) Reaktion von Monofluoressigsäure mit 1-Pyrenyldiazomethan (PDAM) an einer vorher mit dem Derivatisierungsreagenz benetzten SPME-Faser. Fettsäureethylester konnten nach einer Flüssigextraktion der Haare von Alkoholikern mit einem DMSO/n-Hexan-Gemisch extrahiert und nach optimierter HS-SPME nachgewiesen werden. Im Vergleich zu Haarproben von Abstinenzlern und Gelegenheitstrinkern ergaben sich deutliche Unterschiede in den Konzentrationen. Für die schnelle Bestimmung von Valproinsäure und Trichlorethanol wurde eine Quantifizierungsmethode aus Blut- und Urinproben erarbeitet. Die Anwendung der HS-SPME ermöglichte eine schnelle, einfache und lösungsmittelfreie Extraktion bei geringem Probenverbrauch. Sie führte zu sauberen Extrakten und für dieses Verfahren hohen absoluten Extraktionsausbeuten. Bessere Reproduzierbarkeiten, ein hoher Probendurchsatz und eine verlängerte Einsetzbarkeit der SPME-Faser wurden durch die Verwendung eines automatischen Probengebers erreicht. / In the presented thesis possible fields of applications of the headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) in combination with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for forensic and toxicological problems were investigated with special focus on hair analysis. Detection methods after alkaline hydrolysis of hair with sodium hydroxid and following HS-SPME were developed for basic stable drugs. For the local anaesthetic lidocaine and for the heroine substitute methadone optimized methods were applied to hair of drug fatalities. In order to enhance the fields of application of the HS-SPME especially for drug metabolites three derivatization procedures were tested: (i) conversion of primary and secondary amines in the alkaline hair extract with alkylchloroformates to carbamates ("in sample" derivatization), (ii) "on fibre" derivatization of primary and secondary amines after HS-SPME with N-methyl-bis-trifluoroacetamide (MBTFA) and (iii) reaction of monofluoroacetic acid (compound 1080) with 1-pyrenyldiazomethane (PDAM) on a SPME-fibre previously occupied with the derivatization reagent. Fatty acid ethyl ester (FAEE) could detected after liquid extraction from hair of alcoholics with a mixture of DMSO/n-hexane and optimized HS-SPME. In comparison to hair samples of teetotalers and social drinkers significant differences in the concentrations of the FAEE were found. A quantification method were developed for the fast determination of valproic acid and trichloroethanol from blood and urine. The application of HS-SPME allows a fast, simple and solvent free extraction from a small sample amount. HS-SPME lead to clean extracts and high absolute extraction yields for this kind of extraction. Better reproducibilities, a high sample throughput and extended lifetime of the SPME-fibre were obtained using an automatic sampler.

Die Bildungsmechanismen von Metalloxiden, speziell der Eisen- und Aluminiumoxide, im wässrigen Medium sind aufgrund der Vielzahl kurzlebiger Intermediate und komplexen Reaktionspfaden nur wenig verstanden. Ein Verständnis der Reaktionsmechanismen kann jedoch mit Hilfe von zeitaufgelösten Untersuchungen wesentlich vertieft werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Verwendung von zeitaufgelösten Untersuchungen, die größtenteils auf röntgenbasierenden Analyseverfahren beruhen, um die intermediären Phasen direkt unter realistischen Bedingungen zu identifizieren. Im ersten Teil dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung der Reaktionsmechanismen von Eisenoxiden und -oxidhydroxiden direkt in einer stabilisator-unterstützten Synthese. Nach einer Optimierung der instrumentellen Aufbauten, wurden erstmals zeitaufgelöste, simultane Röntgenkleinwinkelstreu- und Röntgenabsorptionsspektroskopie-Experimente an einem Eisenoxid-System durchgeführt, indem ein akustischer Levitator als Probenhalter verwendet wurde. Als Unterstützung wurden weitere analytische Methoden verwendet, um ein Gesamtbild über die intermediären Spezies in den drei vorliegenden Reaktionsmechanismen zu erhalten. Mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie in Kombination mit einem Mikrojet konnten Spezies, wie Eisen-oxo-Oligomere, als Intermediate in den frühen Stadien des Hydrolyseprozesses von Akaganeit-Nanopartikeln detektiert werden. Das erste Photoelektronenspektrum für diese Spezies konnte gezeigt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden zeitaufgelöste Untersuchungen an einem Aluminiumoxo- System durchgeführt. Es gelang erstmals durch die Kombination von Weitwinkelstreuexperimenten mit dem akustischen Levitator, die Kristallisation des Al13-Clusters in einer sulfathaltigen-Lösung als Aluminiumsulfat-Cluster Al13SO4 in situ zu detektieren. / The formation mechanisms of metal oxides, especially iron and aluminium oxides, in aqueous media are poorly understood due to the large number of short-lived intermediates and complex reaction paths. However, an understanding of the reaction mechanisms can be considerably deepened with the help of time-resolved investigations. This work focuses on the use of time-resolved investigations, which rest largely on X-ray based analysis techniques, to identify the intermediate phases directly under realistic conditions. In the first part of this work, the reaction mechanisms of iron oxides and iron oxide hydroxides were investigated directly in a stabilizer-assisted synthesis. Time-resolved, simultaneous small-angle X-ray scattering and X-ray absorption spectroscopy experiments were performed on an iron oxide system for the first time using an acoustic levitator as sample holder after the optimisation of the instrumental set-ups. Further analytical methods were used to obtain detailed insights of the intermediate species in the three reaction mechanisms. Using X-ray photoelectron spectroscopy in combination with a microjet, species such as iron oxo oligomers could be detected as intermediates in the early stages of the hydrolysis process of Akaganeit nanoparticles. The first photoelectron spectrum for this species could be shown. In the last part of this work, time-resolved investigations were carried out on an aluminium oxo system. In situ-investigations were possible by combining wide-angle X-ray scattering experiments with the acoustic levitator. For the first time it was possible to detect the early stage crystallization of the Al13 cluster in a sulfate-containing solution as an aluminum sulfate cluster Al13SO4 directly in solution.

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.

Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Struktur von Materialien und ihrer Entwicklung unter in situ Bedingungen. Dabei werden nanoskopische Strukturmotive in amorphen, ungeordneten und porösen Festkörpern mit Hilfe von Kleinwinkelstreuungstechniken identifiziert und quantifiziert. Es werden drei verschiedene wissenschaftliche Fragestellungen bezüglich drei unterschiedlicher Materialsystemen diskutiert. Erstens wird die Nanostruktur von Dichtefluktuationen in hydriertem amorphen Silizium (a-Si:H) charakterisiert. In den untersuchten a-Si:H Materialien wurden zwei unterschiedliche in die a-Si:H-Matrix eingebettete Phasen identifiziert und anhand ihrer Streuquerschnitte quantifiziert. Diese neuen Ergebnisse beantworten eine seit 20 Jahren ungelöste Fragestellung über das a Si:H Material. Zweitens wird die Adsorption, Kondensation und Desorption von Xenon (Xe) in den Poren einer mesoporösen Silizium (Si) Membran untersucht. Dabei werden Xe-spezifischen Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Die neuen Ergebnisse führen zu einem detaillierten Verständnis der Physisorption von Xe in porösem Silizium und zeigen deutliche Unterschiede zwischen Porenfüllungs- und Porenentleerungsmechanismen auf. Zuletzt wird die natürliche Alterung (NA) einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Modelllegierung diskutiert. Die Streuexperimente weisen auf das Vorhandensein von Segregationszonen hin und unterstützen die Interpretation dieser Zonen als MgSi-Nanophasen in der Al-Matrix. / The investigation of material structures and their evolution under in situ conditions is the main focus of this work. Thereby, nanostructural motives in amorphous, disordered, and porous solids are identified and quantified using small-angle scattering techniques. Three different scientific questions concerning three different material systems are discussed. First, the nanostructure of density fluctuations in hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) is evaluated and quantified. Second, the adsorption, condensation, and desorption of xenon (Xe) confined in the pores of a mesoporous silicon (Si) membrane is studied in situ using Xe-specific characterization methods. Finally, the natural aging (NA) of an aluminum-magnesium-silicon model alloy (Al-0.6Mg-0.8Si) is discussed.

In dieser Dissertation wird die spektrale und örtliche Verteilung der Lumineszenz von Heterostrukturen in selbstorganisierten Nanodrähten (ND) mit Hilfe von Kathodolumineszenz-Spektroskopie (KL) im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Diese Methode wird ergänzt durch Messungen der kontinuierlichen und zeitaufgelösten Mikro-Photolumineszenz. Drei verschiedene Strukturen werden behandelt: (i) GaAs-ND bestehend aus Segmenten der Wurtzit (WZ) bzw. Zinkblende (ZB) Kristallstrukturen, (ii) auf GaN-ND überwachsene GaN-Mikrokristalle und (iii) (In,Ga)N Einschlüsse in GaN-ND. Die gemischte Kristallstruktur der GaAs-ND führt zu komplexen Emissionsspektren. Dabei wird entweder ausschließlich Lumineszenz bei Energien unterhalb der ZB Bandlücke, oder aber zusätzlich bei höheren Energien, gemessen. Diese Differenz wird durch unterschiedliche Dicken der ZB und WZ Segmente erklärt. Messungen bei Raumtemperatur zeigen, dass die Bandlücke von WZ-GaAs mindestens 55 meV größer als die von ZB-GaAs ist. Die Lumineszenz-Spektren der GaN-Mikrokristalle enthalten verschiedene Emissionslinien, die auf Stapelfehler (SF) zurückzuführen sind. SF sind ZB Quantentöpfe verschiedener Dicke in einem WZ-Kristall und es wird gezeigt, dass ihre Emissionsenergie durch die spontane Polarisation bestimmt wird. Aus einer detaillierten statistischen Analyse der Emissionsenergien der verschiedenen SF-Typen werden Emissionsenergien von 3.42, 3.35 und 3.29 eV für die intrinsischen (I1 und I2) sowie für extrinsische SF ermittelt. Aus den entsprechenden Energiedifferenzen wird -0.022C/m² als experimenteller Wert für die spontane Polarisation von GaN bestimmt. Die Bedeutung sowohl der piezoelektrischen Polarisation als auch die der Lokalisierung von Ladungsträgern wird für (In,Ga)N-Einschlüsse in GaN-ND gezeigt. Hierbei spielt nicht nur die Lokalisierung von Exzitonen, sondern auch die individueller Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Potentialminima eine Rolle. / In this thesis, the spectral and spatial luminescence distribution of heterostructures in self-induced nanowires (NWs) is investigated by cathodoluminescence spectroscopy in a scanning electron microscope. This method is complemented by data from both continuous and time-resolved micro-photoluminescence measurements. Three different structures are considered: (i) GaAs NWs containing segments of the wurtzite (WZ) and zincblende (ZB) polytypes, (ii) GaN microcrystals overgrown on GaN NWs, and (iii) (In,Ga)N insertions embedded in GaN NWs. The polytypism of GaAs NWs results in complex emission spectra. The observation of luminescence either exclusively at energies below the ZB band gap or also at higher energies is explained by differences in the distribution of ZB and WZ segment thicknesses. Measurements at room temperature suggest that the band gap of WZ GaAs is at least 55 meV larger than that of the ZB phase. The luminescence spectra of the GaN microcrystals contain distinct emission lines associated with stacking faults (SFs). SFs essentially constitute ZB quantum wells of varying thickness in a WZ matrix and it is shown that their emission energy is dominated by the spontaneous polarization. Through a detailed statistical analysis of the emission energies of the different SF types, emission energies of 3.42, 3.35 and 3.29 eV are determined for the intrinsic (I1 and I2) as well as the extrinsic SFs, respectively. From the corresponding energy differences, an experimental value of -0.022C/m² is derived for the spontaneous polarization of GaN. The importance of both carrier localization and the quantum confined Stark effect induced by the piezoelectric polarization is shown for the luminescence of (In,Ga)N insertions in GaN NWs. Not only localized excitons, but also electrons and holes individually localized at different potential minima contribute to the observed emission.

Die Detektion von Nukleinsäuren ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Erkennung von viralen und bakteriellen Spezies in biologischen Proben. Oligonukleotid-vermittelte Reaktionen (OVR), die die Zielsequenz als Katalysator der chemischen Reaktion zwischen reaktiven Sonden verwenden, bieten gegenüber den enzymatischen Methoden viele Vorteile, wie z.B. Simplizität und Kosteneffizienz. Normalerweise besitzt das Produkt der OVR deutliche fluoreszierende Eigenschaften, die durch Fluoreszenzspektroskopie gemessen werden können. Die Haupteinschränkung solcher Systeme ist die nur moderate Helligkeit von organischen Farbstoffen, die meistens zur Markierung von reaktiven Sonden genutzt werden. Um dieses Problem zu lösen, sind Fluorophore mit höherer Helligkeit erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Methode zur Detektion von RNA durch Templat-vermittelten Transfer des Fluorophors auf den Quantum Dot (QD). Das System besteht aus zwei reaktiven Peptide Nucleic Acid (PNA)-basierten Antisense-Sonden. Die Label Akzeptor PNA (LAPNA) Sonde ist auf dem QD immobilisiert und enthält eine Cysteineinheit am N-terminus. Die Label Donor PNA (LDPNA) Sonde trägt eine Cy5-Einheit, die als Thioester gebunden ist. Durch die benachbarte Hybridisierung der Sonden am RNA-Templat nimmt die effektive Molarität der reaktiven Gruppen zu, und führt somit durch das Prinzip von Native Chemical Ligation zum Transfer des Cy5 auf den QD. Dies resultiert in Förster−Resonanzenergietransfer (FRET) zwischen dem QD und den Cy5-Molekülen, der durch die Löschung der Emission des QDs sowie die Verstärkung der Fluoreszenz des Cy5 beobachtet werden kann. Die Verwendung von sehr hellen QDs als FRET-Donor ermöglicht die Umsetzung von Sonden bei geringen Konzentrationen und ermöglicht die Erkennung von RNA mit Nachweisgrenzen im Bereich von weniger pikomolar. / Detection of nucleic acids is one of the most reliable methods for the identification of bacterial and viral species in biological samples. Oligonucleotide-templated reactions (OTRs) that exploit an RNA or DNA target to catalyze a chemical reaction hold great promise for the development of enzyme-free and low-cost detection schemes. Commonly, these strategies rely on organic dyes and are designed so that the product of OTR exhibits distinct fluorogenic properties. The main constraint of such schemes is the moderate brightness of organic fluorophores, which limits the read-out when the probes are used at low concentrations. To tackle this obstacle, significantly brighter fluorophores are needed. This work describes the development of an RNA detection scheme that relies on target-templated fluorophore transfer onto a semiconductor quantum dot (QD). The approach uses two reactive peptide nucleic acid (PNA) antisense probes. Label acceptor peptide nucleic acid (LAPNA) probe is immobilized on a QD and bears a cysteine at the N-terminus; label donor peptide nucleic acid (LDPNA) probe is equipped with a Cy5 dye, attached as a thioester. The adjacent annealing of these recognition elements following binding to target RNA triggers the transfer of Cy5 onto a QD in a native chemical ligation manner. This leads to a detectable fluorescence signal brought about by FRET from QD to the Cy5. The use of unprecedentedly bright QDs that can act as FRET donors for several Cy5 functionalities allows application of probes at very low concentrations (pM range) and achieves enhanced sensitivity of target-templated RNA detection. The method enabled RNA detection in the low pM range using a conventional microtiter plate reader.

Inositolpyrophosphate (PP-InsPs) sind eine wichtige Gruppe eukaryotischer Botenstoffe, die mit verschiedenen Prozessen wie Apoptose, Phosphathomeostase und Insulinsignalkaskaden verknüpft sind. Trotz ihrer Entdeckung vor mehr als 20 Jahren bleibt es eine Herausforderung, die Signalmechanismen dieser Moleküle zu verstehen. Ursachen dafür sind der limitierte Zugang zu synthetischen PP-InsPs und ein Mangel an allgemein zugänglichen analytischen Methoden. Daher wurden in dieser Arbeit chemische und analytische Verfahren entwickelt, um unser Verständnis von diesen Molekülen sowohl auf ein biochemischer als auch auf zelluläre Ebene zu verbessern. Um der Knappheit an synthetischen PP-InsPs entgegen zu wirken, wurde eine hocheffiziente chemoenzymatische Synthese entwickelt, bei der mehr als 100 mg aller wesentlichen PP-InsPs aus Säugern hergestellt werden konnten. Parallel wurde ein neues analytisches Werkzeug entwickelt, dass Konzentrationen von PP-InsPs in komplexen Proben quantifizieren konnte. Mittels Enzymkatalyse konnten 13C-markiertes myo-inositol und 13C-markierte PP-InsPs hergestellt werden und niedrige Konzentrationen mit nuklearer Magnetresonanzspektroskopie detektiert werden. In vitro waren diese Verbindungen sehr nützlich, um PP-InsP Kinasen von Pflanzen und Säugern zu charakterisieren. Endogene Konzentrationen von PP-InsPs konnten durch metabolisches Markieren mit 13C-markiertem myo-inositol in humanen Zelllinien quantifiziert werden. Letztendlich wurde mittels eines neuen entwickelten proteomischen Ansatzes endogene Proteinpyrophosphorilierung, eine von PP-InsP eingebaute posttranslationale Proteinmodifikation, in menschlichen Zelllinien zum ersten Mal nachgewiesen. Zusammenfassend haben die aufgelisteten chemischen und analytischen Werkzeuge ein hohes Potenzial unser Verständnis der Signalmechanismen hinter den diversen Phänotypen der PP-InsPs zu stärken und Forschungsarbeit in dieser Richtung zu beschleunigen. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are an important group of second messengers that intersect with a wide range of processes in eukaryotic cells including phosphate homeostasis, insulin signaling and apoptosis. Despite their discovery more than two decades ago, elucidating the underlying signaling mechanisms remains a significant challenge. Therefore, a new set of chemical and analytical methods was developed here to improve our understanding of these intriguing molecules on the biochemical and cellular level. To overcome the shortage of synthetic PP-InsPs, a highly efficient and scalable chemoenzymatic approach was designed and the major mammalian PP-InsPs could be obtained in hundreds of milligram quantities and in high purity. In parallel, a new analytical tool was developed to quantify levels of PP-InsPs in complex samples. Chemoenzymatic access to 13C-labeled myo-inositol and 13C-labeled PP-InsPs enabled the detection of low concentrations of PP-InsPs using nuclear magnetic resonance spectroscopy. In vitro, these compounds were of great use for the biochemical characterization of PP-InsPs kinases from mammals and plants. Endogenous pools of PP-InsPs from human cell lines were identified and quantified by metabolic labeling with 13C-labeled myo-inositol. Finally, a new proteomics workflow towards the detection of protein pyrophosphorylation, a posttranslational modification mediated by PP-InsPs, using mass spectrometry was optimized and endogenously modified mammalian proteins could be identified for the first time and with high confidence. Taken together, the chemical and analytical tools presented here have great potential to accelerate the understanding of PP-InsP signaling and metabolism. Access to large amounts of PP-InsPs together with a reliable quantification method and the detection of endogenous protein pyrophosphorylation sites will be essential to unravel the signaling mechanisms underlying the diverse phenotypes associated with these metabolites.

Durch den exzessiven Gebrauch von Antibiotika haben sich in den letzten Jahren zunehmend Resistenzen herausgebildet. Eine potentielle Alternative zu konventionellen Antibiotika sind prädatorische Bakterien. Das Bakterium Bdellovibrio bacteriovorus hat einen zweiphasigen Lebenszyklus bestehend aus einer Angriffsphase, in der es andere gram-negative Bakterien jagt, und einer Wachstumsphase, in der es das Zytoplasma eines Wirtes für die eigene Reproduktion nutzt. Für einen künftigen Einsatz von B. bacteriovorus als Antibiotikum müssen die Prozesse des Lebenszyklus verstanden werden. Das Proteom von B. bacteriovorus wurde bisher jedoch nur sehr wenig untersucht. Daher wurden in dieser Arbeit mithilfe der Massenspektrometrie Proteine von verschiedenen Zeitpunkten des Lebenszyklus von B. bacteriovorus relativ quantifiziert. Es konnten zahlreiche Proteine identifiziert werden, die zu spezifischen Zeitpunkten des Lebenszyklus hoch- oder herabreguliert werden. Die größten Unterschiede im Proteinmuster konnten zwischen der Angriffs- und der Wachstumsphase beobachtet werden. In der Angriffsphase sind einige Proteine herabreguliert, die mit der Proteinexpression im Zusammenhang stehen. Weiterhin wurde bestätigt, dass sich junge und gealterte Zellen der Angriffsphase deutlich voneinander unterscheiden, womit die Angriffsphase eigentlich aus zwei Phasen besteht. Auf Grundlage der Ergebnisse und eines Vergleiches mit Transkriptionsdaten wurde die Vermutung aufgestellt, dass B. bacteriovorus Proteine, welche spezifisch für die Angriffsphase sind, bereits während der Wachstumsphase synthetisiert. Im Zusammenhang mit der Forschung an B. bacteriovorus konnten auch neue Impulse bezüglich der MeCAT-basierten massenspektrometrischen Proteinquantifizierung angestoßen werden. In dieser Arbeit wurde unter anderem ein MeCAT-Reagenz mit Acrylamidfunktionalität entwickelt, welches erfolgreich als interner Standard für die Laserablation-ICP-MS von Polyacrylamidgelen verwendet werden kann. / Due to the excessive use of antibiotics, antibiotic resistance has increased over the last years. A potential alternative to conventional antibiotics are predatory bacteria. The predatory bacterium Bdellovibrio bacteriovorus has a biphasic life cycle consisting of an attack phase in which it hunts other gram-negative bacteria, and a growth phase in which it uses the cytoplasm of a prey cell as a substrate for its own reproduction. For future application of B. bacteriovorus as an antibiotic, it is necessary to understand the processes that occur during the life cycle. However, almost no information has been obtained regarding the proteome of B. bacteriovorus yet. Using mass spectrometry and an isotopic labelling strategy, proteins from different time points in the life cycle of B. bacteriovorus were quantified relatively to each other in this work. Numerous proteins were identified that are up- or down-regulated at specific time points in the life cycle. The largest differences in protein pattern existed between the attack phase and the growth phase, whereas only minor differences occurred within the growth phase. For instance, several proteins that appear to be down-regulated during the attack phase are related to protein expression. Furthermore, it was confirmed that there is a significant difference between young and aged cells of the attack phase. Therefore, the attack phase actually consists of two phases. Based on the results and on a comparison with transcription data, it was suggested that attack phase specific proteins of B. bacteriovorus are already synthesized during the growth phase. In connection with the research on B. bacteriovorus, new impulses regarding the MeCAT based protein quantification with mass spectrometry could be initiated. In this work, a MeCAT reagent with acrylamide functionality was developed, which can be used successfully as an internal standard for laser ablation ICP-MS of polyacrylamide gels.

Ziel dieser Doktorarbeit war es, den Einfluss von verschiedenen Parametern auf die spektroskopischen Eigenschaften von Lanthanid-basierten Aufkonversions-Materialien zu erforschen. Ein besonderer Fokus lag dabei auf hexagonalen Natrium-Yttrium-Tetrafluorid Kristallen, die mit dreifachgeladenen Yb und Er oder Tm Ionen kodotiert wurden. Eine wesentliche Voraussetzung für mögliche Anwendungen dieser Kristalle ist ein Verständnis aller ihrer wichtigen photophysikalischen Besonderheiten. Die erste Studie dieser Doktorarbeit untersuchte daher, wieso Nanokristalle viel weniger absorbierte in ausgesendete Photonen umwandeln als mikrokristalline Teilchen. Die Ergebnisse zeigten, dass man ungeschalte Kristalle aufgrund von Oberflächen-Lösch-Effekten in zwei Teile unterteilen kann, einen strahlenden Kern und eine Schale aus stark oder vollständig gelöschten oberflächennahen Lanthanid-Ionen, welche für Kristalle abnehmender Größe einen immer größeren Volumenanteil einnimmt. Die zweite Studie untersuchte exemplarisch, ob eine kompliziertere Partikelarchitektur, bestehend aus einem einfach-dotierten Er Kern und Yb als Schalenmaterial, diesen Effizienzverlust der Lumineszenz reduzieren kann. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Eine weitere Studie untersuchte den Einfluss der Konzentration der Tm Ionen in Yb, Tm kodotierten Nanokristallen auf die spektroskopischen Eigenschaften dieser Materialien und zeigte, dass für eine maximale Emission im Lichtwellenbereich über 700 nm andere Tm Konzentrationen benötigt werden als für maximale Lichtemissionen in den unteren Lichtwellenbereichen. Die letzte Studie untersuchte den Einfluss eines zuvor berichteten Zersetzungsprozesses von exemplarisch ausgewählten Yb, Tm kodotierte Nanokristallen in wässrigen Dispersionen auf deren spektroskopische Eigenschaften. Mithilfe dieser Ergebnisse war es möglich, mehrere Emissionsbanden als Parameter für das Langzeit-Stabilitäts-Monitoring dieser Materialien zu identifizieren. / This PhD thesis investigated the influence of various parameters on the spectroscopic properties of so-called upconversion nanoparticles (UCNPs). A special emphasis was dedicated to hexagonal-phase sodium yttrium tetrafluoride crystals that were codoped with trivalent Yb and either Er or Tm ions. Such UCNPs can, however, experience no breakthrough in the field of UC nanotechnology before all of their important photophysical features are understood. The first study of this PhD thesis therefore investigated, why nanocrystalline upconverters with different surface chemistries convert less absorbed to emitted photons than their microcrystalline counterparts. The results revealed that upconverting crystals apparently have to be subdivided into two parts, with one being the luminescent core and the other being a completely dark shell that is quenched by surface effects and assumes an ever increasing volumetric content for small UCNPs. The second study exemplarily investigated, if a more complex particle nanostructure that consisted of a Er doped core, surrounded by a Yb doped shell, could overcome these efficiency losses, however, it concluded that it does not. Another study explored the influence of Tm doping concentrations of Yb, Tm codoped nanocrystals on their spectroscopic properties and concluded that different Tm doping concentrations are required for a maximum upconversion luminescence in the wavelength regions above 700 nm, than for the wavelength regions below that. The last study of this PhD thesis investigated the influence of a previously reported dissolution process of UCNPs in aqueous solutions on the spectroscopic properties of exemplarily chosen Yb, Tm codoped nanocrystals. These results were then utilized to identify several upconversion emission bands that can be used as a screening parameter for the long-term stability monitoring of UCNPs.