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Progklui committed Jan 8, 2018
1 parent ccdcbeb commit 4367455
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6 changes: 3 additions & 3 deletions Vorwort.aux
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\chapter*{Vorwort und Danksagung}
\label{cha:Vorwort}

\glqq Als ich vierzehn war, war mein Vater so unwissend. Ich konnte den alten Mann kaum in meiner Nähe ertragen. Aber mit einundzwanzig war ich verblüfft, wieviel er in sieben Jahren dazugelernt hatte.\grqq - Mark Twain

Im Rückblick auf meine VWA bin ich froh, dieses Forschungsthema gewählt zu haben. Der Wissensgewinn, den ich dabei erleben konnte ist ungefähr so groß, wie der im Zitat beschriebene\footnote{ich bin zwar nicht einundzwanzig, aber trotzdem}. Zugegeben, die Beschäftigung mit diesem Thema war nicht immer leicht, es war teils harte Arbeit. Über ein Thema zu schreiben, von dem man im Grunde null Ahnung zu Beginn hat, bringt seine Herausforderungen und teils auch Verwirrung mit sich.

Die eingehendere Beschäftigung mit diesem Thema ermöglichte ein Praktikum im Rahmen des \textit{Sparkling Science} Projektes am Institut für Organische Chemie Innsbruck, das ich im August 2017 absolvieren durfte. Betreut wurde ich dabei von Herrn Dr. Thomas Müller, dem ich an dieser Stelle einen großen Dank für seine Geduld und die vielen Ratschläge aussprechen möchte. Er führte mich in die praktischen Arbeiten ein und zeigte mir, wie ein Massenspektrometer bedient wird. In der zweiten Woche konnte ich bereits fast selbständig operieren und die Experimente (fast) ganz nach meinen Wünschen durchführen. Die Besprechung und Diskussion der Ergebnisse war selbstverständlich ebenso ein Teil der alltäglichen Praxis. Ich denke, ich werde mich an diese Zeit noch lange erinnern können, da ich dabei viel in puncto Zeitmanagement und dem Forschungsalltag an sich erfahren konnte. Mein Wunsch, eines Tages nach einem erfolgreich absolviertem Studium der Naturwissenschaften in der Forschung tätig zu sein, wurde bestärkt.

Mein weiterer Dank ist an meinen Betreuungslehrer Mag. Mathias Scherl gerichtet. Er ist unter Umständen hauptverantwortlich für mein Interesse an der Chemie, das seit der 5ten Klasse ohne Abbruch anhält. Durch ihn wurde ich erst auf die Möglichkeit des Praktikums hingewiesen und mein Interesse an der Erforschung des Abbauprozesses von Chlorophyll geweckt. Auch steht er immer für chemiespezifische Fragen bereit, was ich sehr schätze und wodurch ich viel gelernt habe.

Ansonsten möchte ich mich bei allen weiteren beteiligten Personen bedanken, die in irgendeinster Weise bei der Verfassung dieser Arbeit von Hilfe waren\footnote{eine Auflistung aller Personen, die ich bisher getroffen habe, wäre sinnlos, weswegen ich mich hierbei auf die wesentlichen beziehe - Familie und Co.} .

Zu guter Letzt möchte ich bei den Brokkoliblättern aus dem Garten meiner Oma bedanken. Ohne dieses wahrhaftig erstklassige Forschungsobjekt wäre ich unter Umständen zu gar keinem Ergebnis gekommen. Ihr wart ein wahrer Glücksgriff - DANKE!


This is a placeholder for the abstract. It summarizes the whole thesis
to give a very short overview. Usually, this the abstract is written
when the whole thesis text is finished.
12 changes: 9 additions & 3 deletions abstract.tex
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\chapter*{Abstract}
\label{cha:abstract}

This is a placeholder for the abstract. It summarizes the whole thesis
to give a very short overview. Usually, this the abstract is written
when the whole thesis text is finished.
Chlorophyllkataboliten sind die Endprodukte des Abbauprozesses von Chlorophyll. In dieser Arbeit wurden die Chl-Kataboliten frischer Brokkoliblätter einer direkten Analyse mit MS Leafspray unterzogen.

MS Leafspray stellt dabei eine neue Methode der Massenspektrometrie dar, die es ermöglicht, Probenmaterial in natürlicher Umgebung zu analysieren. Nach einer Erstidentifikation über MS Leafspray wurde das Ergebnis mit LC-MS verifiziert. Die mit beiden Methoden gefundenen Chl-Kataboliten lauten wie folgt: Bo-NCC-1, Bo-NCC-3, Bo-DNCC, Bo-DNCC-2, Bo-DYCC und Bo-YCC. Im Vergleich zum Brokkoliblatt konnten 4 weitere Chl-Kataboliten gefunden werden, was neue Fragen in Bezug auf das Verständnis des Abbauprozesses aufwirft. Für jeden der genannten Chl-Kataboliten konnten Strukturvorschläge gemacht werden, die noch mit \textsuperscript{1}H-NMR überprüft werden müssten.

Außerdem wurde eine Reaktion am Blatt der Chl-Kataboliten mit Essigsäureanhydrid durchgeführt. Die Reaktionsprodukte (Anhydride) konnten mit MS Leafspray durch die Beobachtung einer Massenzunahme nachgewiesen werden. Auf Basis diverser Fragmentierungen wird vorgeschlagen, dass die Reaktion nur an einer der beiden freien Carbonsäuren der Chl-Kataboliten erfolgt.

Im Rahmen der massenspektrometrischen Analysen wurden Fragmentierungsdiagramme erstellt, von denen angesichts der Ergebnisse vermutet wird, dass sie charakteristisch für bestimmte Chl-Kataboliten sind. Eine Interpretationsmöglichkeit der Diagramme konnte vorgeschlagen werden.

Es wurde somit ein wesentlicher Beitrag zur Weiterentwicklung der direkten Analyse mit MS Leafspray geleistet. Zudem wurde ein Grundstein für die weitere Erforschung von Fragmentierungsdiagrammen und ihrer Aussagekraft gelegt. Zu guter Letzt konnte einiges zum Verständnis der Durchführung einer Reaktion mit Essigsäureanhydrid beigetragen werden.



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105 changes: 99 additions & 6 deletions content/Ergebnisse/Ergebnisse_und_Diskussion.tex
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@@ -1,9 +1,10 @@
\chapter{Ergebnisse}

Da die Ergebnisse bereits im experimentellen Teil ausführlich beschrieben worden sind, folgt hier nur eine Übersicht über die identifizierten Chl-Kataboliten.

\section{Liste aller identifizierten Chl-Kataboliten und deren Reaktionsprodukten}

In Tabelle \ref{tab:LCMSKatabolitenRPListe} werden alle Verbindungen aufgelistet, die ich im Rahmen meiner Arbeit in den diversen Experimenten identifizieren konnte. Es folgt ein Index zur Tabelle:
In Tabelle \ref{tab:LCMSKatabolitenRPListe} werden alle Verbindungen aufgelistet, die ich im Rahmen meiner Arbeit in den diversen Experimenten identifizieren konnte. Index zur Tabelle:

\begin{description}[align=right,labelwidth=3cm]
\item [Chl-Katabolit] . . . vorgeschlagene Bezeichnung für mit großer Sicherheit identifizierte Chl-Kataboliten
Expand All @@ -15,9 +16,8 @@ \section{Liste aller identifizierten Chl-Kataboliten und deren Reaktionsprodukte
\item [Typ] . . . gibt die Art des Chl-Kataboliten an, sofern dies klar ist - bei mit * gekennzeichneten handelt es sich um Anhydride
\item [HPLC] . . . gibt an, ob Chl-Katabolit mithilfe von UV/Vis Spektren in der HPLC identifiziert werden konnte
\item [H.] . . . (Herkunft) gibt an, ob es sich bei der Verbindung um ein Reaktionsprodukt handelt und wenn ja, welcher Chl-Katabolit das Edukt war
\end{description}
\end{description}

In dieser Tabelle werden somit die Ergebnisse in übersichtlicher Form festgehalten.

\begin{sidewaystable*}[!htbp]\centering
\ra{1.3}
Expand All @@ -44,12 +44,105 @@ \section{Liste aller identifizierten Chl-Kataboliten und deren Reaktionsprodukte
\rowcolor{black!20} - & \ch{C41H51O13N4} & 807.3491 & \checkmark & x & x & NCC & 40.03 & Bo-NCC-1\\
- & \ch{C41H53O13N4} & 809.3649 & x & x & x & - & - & 795\\
\rowcolor{black!20} - & \ch{C42H53O13N4} & 821.3652 & x & x & x & NCC & 47.28 & Bo-NCC-1\\
- & \ch{C33H40N4O9}* & x & x & 699 & \checkmark & DNCC* & - & Bo-DNCC \\
\rowcolor{black!20} - & \ch{C36H40N4O1}* & x & x & 727 & \checkmark & NCC* & & Bo-NCC-3\\
- & \ch{C35H41N4O9}* & x & x & 699 & \checkmark & DNCC* & - & Bo-DNCC \\
\rowcolor{black!20} - & \ch{C36H40N4O10}* & x & x & 727 & \checkmark & NCC* & & Bo-NCC-3\\
- & \ch{C42H50N4O14}* & x & x & 873 & \checkmark & NCC* & - & Bo-NCC-1 \\
\bottomrule
\end{tabular}

\caption[Übersicht über die Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes unter Verwendung aller Methoden, Quelle: Autor]{Übersicht über die gefundenen Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes und ihren Reaktionsprodukten}
\caption[Übersicht über die Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes unter Berücksichtigun der Erkenntnisse aller Methoden, Quelle: Autor]{Übersicht über die gefundenen Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes und ihren Reaktionsprodukten}
\label{tab:LCMSKatabolitenRPListe}
\end{sidewaystable*}

\chapter{Diskussion}

Im Folgenden werden die im Experimentellen Teil beschriebenen Ergebnisse in Hinblick auf die in Kapitel \ref{sec:Themenstellung} gestellten Fragen analysiert. Es werden dabei nur die wichtigsten, sogenannte Highlights herausgenommen, da eine genauere Ausführung den Rahmen sprengen würde.

\section{zur direkten Analyse, MS Leafspray und der Reaktion mit Essigsäureanhydrid}

Wie in Kapitel \ref{sec:MSLeafspray} ersichtlich, konnten die \gls{Chl-K}en erfolgreich in einer direkten Analyse mithilfe von MS Leafspray identifiziert werden.

Zu Beginn waren die Experimente jedoch von deutlichen Misserfolgen geprägt. Es scheiterte z.B. bereits daran, ein schönes, konstantes Signal im Massenspektrometer zu bekommen. Auch ein Optimieren des Signals durch Kalibrierung und andere Methoden brachte keine Besserung. Erst die Entwicklung der in Kapitel \ref{sec:MSLeafspray} beschriebenen Blattvorbereitungstechnik(en) konnte zusammen mit der Erkenntnis, dass man gelegentlich vom positiven in den negativen Ionenmodus schalten muss zu schönen und vor allem verwertbaren Massenspektren und Fragmentierungsdiagrammen führen\footnote{diese Erkenntnis ist einem Zufall zu verdanken: während dem Messen verschwand das Signal plötzlich und ich befürchtete schon, das Massenspektrometer verstopft zu haben (eine Katastrophe) - nach einem mehr oder weniger zufälligem Umschalten in den negativen Ionenmodus und dem sofortigen Zurückschalten in den positiven war das Signal wieder in vollster Intensität vorhanden}.

Nachdem die \gls{Chl-K}en des Brokkoliblattes erfolgreich identifiziert wurden, konnten mit der gleichen Methode auch die Reaktionsprodukte der \gls{Chl-K}en mit Essigsäureanhydrid gemessen werden. Unter Verwendung von Essigsäureanhydrid als LM konnten dabei sogar die Anhydride als Reaktionsprodukte identifiziert werden.

Zur Reaktivität der Carbonsäuren wurde beobachtet, dass die freie Carbonsäure an Position 8\textsuperscript{2} deutlich reaktiver ist wie jene an Position 12\textsuperscript{2}. Vermutlich ist dies durch die bevorzugte sterische Umgebung begründet, wobei dies bisher reine Spekulation ist.

\section{zu den Fragmentierungsdiagrammen und Strukturaufklärung}

Es konnten für alle mit MS Leafspray gemessenen Verbindungen Fragmentierungsdiagramme erfolgreich aufgenommen werden. In der Arbeit wurde vorgeschlagen, dass eine Analyse dieser über den Vergleich von Minima und Maxima möglich ist. Auf diese Weise kann ein Einblick auf massenspektrometrische Eigenschaften der Verbindungen gewonnen werden.

Es wird vermutet, dass die Fragmentierungsdiagramme charakteristisch für einen Chl-Kataboliten sind, weil diesselben Diagramme bei zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführten Experimenten erstellt wurden. Es handelt sich dabei jedoch nur um eine Theorie, die noch in weiterer, gezielter experimenteller Arbeit verifiziert werden müsste.

Um einen Blick in die Zukunft zu wagen, könnte man diese Fragmentierungsdiagramme verwenden, um eine Schnellidentifikation von Chl-Kataboliten durchzuführen. Ein Anwendungsgebiet wäre hier beispielsweise die Landwirtschaft, wo ein Bauer mithilfe von MS Leafspray \textit{am Feld} Chl-Kataboliten identifizieren könnte. Um diese Schnellidentifikation zu programmieren, könnte man auf die Methode des Deep-Learnings zurückgreifen, die ein Analysieren der Diagramme erleichtern und vor allem automatisieren könnte.

Unter Verwendung eines solchen DeepLearning Netwerkes ist es außerdem denkbar, dass man aus den Fragmentierungsdiagramm weitere Strukturmerkmale \textit{herauskitzeln} kann, was einen Fortschritt in Bezug auf Strukturaufklärung mit dem Massenspektrometer bedeuten würde.

Außerdem ist denkbar, dass über eine intensivere Erforschung der Fragmentierungsdiagramme ein tieferer Einblick in die Eigenschaften der chemischen Bindung in komplexen Molekülen gewonnen werden kann. Auch hier ist eine Anwendung von DeepLearning denkbar.

\section{zum Vergleich direkte Analyse - klassischer Ansatz}

In Tabelle \ref{tab:ComparisonDirectClassic} werden die wesentlichen Unterschiede der beiden Analysemethoden, die ich während meiner Arbeit beobachten konnte, aufgelistet. Die Liste stellt nicht den Anspruch, vollständig zu sein.

Man kann sagen, dass beide Methoden ihre Vorzüge haben und auch dementsprechend eingesetzt werden sollten.

\newcolumntype{C}[1]{>{\centering\arraybackslash}p{#1}}

\begin{table*}[!htbp]\centering
\ra{1.3}

\begin{tabular}{C{1cm}C{6cm}C{1cm}C{6cm}}\toprule
+/- & direkte Analyse & +/- & klassischer Ansatz \\
\midrule
\rowcolor{black!20} + & kurze Blattvorbereitungszeit für die Analyse & - & lange Blattvorbereitungszeit für die Analyse (Aufreibung, Abzentrifugieren, ...) \\
+ & lange Analysezeiten, die z.B. für die Erstellung von Fragmentierungsdiagrammen verwendet werden kann & - & 75min. Zeit vergeht, bis analysiert werden kann - erzeugen von Fragmentierungsdiagrammen nur über Sammeln in EPPIs möglich \\
\rowcolor{black!20} + & erlaubt einfache Isolierung von Anhydriden durch Verwendung von Acetonitril als LM & - & Isolierung von Anhydriden als Reaktionsprodukt schwer möglich, da bevorzugtes LM MeOH \\
+ & erlaubt Analyse von vielen Blättern in kurzer Zeit (ca. 30min. pro Blatt, wenn man viele Chl-Kataboliten analysiert) & - & (fast) vollständige Analyse eines Blattes dauert bis zu 100min., sofern sehr effizient gearbeitet wird \\
\rowcolor{black!20} - & man bekommt kein Chromatogramm, über das man alle Chl-Kataboliten potentiell herausfinden kann - es besteht die Gefahr, dass einige Chl-Kataboliten nicht analysiert werden & + & weniger Chl-Kataboliten gehen verloren \\
- & nur [M+K]\textsuperscript{+} Ionen & - & [M+K]\textsuperscript{+} Ionen \\
\rowcolor{black!20} - & Molekülmasse nur auf 1 signifikante Kommastelle messbar - Summenformel kann nicht berechnet werden & + & Molekülmasse auf 3 signifikante Kommastellen messbar - Möglichkeit, Summenformel zu berechnen \\
+ & theoretisch relativ einfach automatisierbar & - & aufwändig zum automatisieren \\
\rowcolor{black!20} - & Massenspektrometer kann mit der Zeit verschmutzen & + & Massenspektrometer nicht so anfällig für ein Verschmutzen \\
\bottomrule
\end{tabular}

\caption[Vergleich beider Methoden, Quelle: Autor]{Vergleich von direkter Analyse mit einer klassischen Analyse}
\label{tab:ComparisonDirectClassic}
\end{table*}

\pagebreak
\section{zum Vergleich Brokkoliblatt - Brokkolifrucht}

In meiner Arbeit wurden die Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes untersucht. Im Vergleich zu einer kürzlich veröffentlichten Publikation \cite{ChlorophyllCatabolitesBroccoli}, in der die Brokkolifrucht analysiert wurde, konnte ich etwas mehr davon finden. Tabelle \ref{tab:ComparisonChlKatabolites} listet die jeweiligen Chl-Kataboliten auf:

\begin{table*}[!htbp]\centering
\ra{1.3}

\begin{tabular}{ccccccccc}\toprule
Brokkoliblatt & Brokkolifrucht \\
\midrule
\rowcolor{black!20} Bo-NCC-1 & \checkmark \\
x & Bo-NCC-2 \\
\rowcolor{black!20} Bo-NCC-3 & x \\
Bo-DNCC & \checkmark \\
\rowcolor{black!20} Bo-DYCC & x \\
Bo-YCC & x \\
\rowcolor{black!20} Bo-DNCC-2 & x \\
\bottomrule
\end{tabular}

\caption[Vergleich der Chl-Kataboliten - Brokkoliblatt und Brokkolifrucht, Quelle: Autor]{Vergleich der Chl-Kataboliten im Brokkoliblatt und der Brokkolifrucht}
\label{tab:ComparisonChlKatabolites}
\end{table*}

\section{Rück- und Ausblick}

Ich denke, mir ist es gelungen, die in der Themenstellung gestellten Fragen weitestgehend zu beantworten. Was mich besonders freut, ist, dass ich mit MS Leafspray eine Methode verwenden sowie weiterentwickeln konnte, die meines Erachtens zusammen mit den Fragmentierungsdiagrammen ein enormes Zukunftspotential hat. Natürlich sind meine Erkenntnisse auf dem Gebiet der Fragmentierungsdiagramme noch nicht gefestigt, doch denke ich, dass ich mit dieser Arbeit einen wesentlichen Grundstein für weitere Forschung in diesem Gebiet legen konnte.

Durch die parallele Analyse mit LC-MS konnte ein erfolgreicher Vergleich der beiden Methoden gemacht werden, was aufgrund der Bewährtheit von LC-MS ein gutes Licht auf MS Leafspray wirft.

Außerdem konnten andere Chl-Kataboliten im Brokkoliblatt nachgewiesen werden wie in der Frucht an sich, was neue Fragen zum Verständnis des Chl-Abbauprozesses aufwirft.

Demnach leiste ich mit dieser Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Methodenverbesserung, Analyseerweiterung und dem Verständnis des Abbauweges des Chlorophylls im Allgemeinen. Für mich selbst gilt, dass ich durch die Arbeit an dieser Arbeit meine Persönlichkeit wesentlich entwickeln konnte, insbesondere was eigenständiges Arbeiten in jeglicher Hinsicht und Sammeln von Erfahrung anbelangt.

%Ich möchte betonen, dass die Erstellung dieser VWA einiges an Arbeit und vor allem Zeit beanspruchte. Zum Einen war es während meinem einmonatigem Praktikum schwer, sich auf einige wenige Sachen zu konzentrieren, um sinnvoll verwertbare Ergebnisse zu bekommen. Außerdem war das Planen der täglichen Experimente eine Herausforderung für sich. Doch mit der Zeit konnte ich mich in meiner Arbeitsweise zunehmend verbessern und erreichte somit eine große Effizienz\footnote{zu Bestzeiten gelangen mir 4 HPLC Läufe an einem Arbeitstag - das entsprich 5h}. In dem mir zur Verfügung stehendem, kurzem Zeitraum von 1 Monat war es nicht immer leicht, einen Mittelweg zwischen Analyse der Ergebnisse und Durchführen von Experimenten zu finden. Das Resultat war, dass der Großteil der Datenauswertung nach meinem Praktikum erfolgte.
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Expand Up @@ -62,7 +62,7 @@ \section{Identifikation der Reaktionsprodukte}
\rowcolor{black!20} - & \ch{C42H53O13N4} & 821.3652 & NCC & 47.28 & Bo-NCC-1 \\
\bottomrule
\end{tabular}
\caption[Übersicht über die Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes, Quelle: Autor]{Übersicht über die gefundenen Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes und ihren Methylestern, die sich aus der Reaktion der freien Carbonsäure mit Essigsäureanhydrid und der anschließenden Aufarbeitung mit \gls{meoh} ergeben. Durch die Aktivierung der Reaktion durch Essigsäureanhydrid sind mehr Produkte zu sehen und diese sind in größeren Intensitäten vorhanden. (die Summenformeln und die exakten Molekülmassen beziehen sich auf die [M+H]\textsuperscript{+} Ionen)}
\caption[Übersicht über die Reaktionsprodukte der Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes, Quelle: Autor]{Übersicht über die gefundenen Chl-Kataboliten des Brokkoliblattes und ihren Methylestern, die sich aus der Reaktion der freien Carbonsäure mit Essigsäureanhydrid und der anschließenden Aufarbeitung mit \gls{meoh} ergeben. Durch die Aktivierung der Reaktion durch Essigsäureanhydrid sind mehr Produkte zu sehen und diese sind in größeren Intensitäten vorhanden. (die Summenformeln und die exakten Molekülmassen beziehen sich auf die [M+H]\textsuperscript{+} Ionen)}
\label{tab:LCMSKatabolitenRP}
\end{table*}

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2 changes: 1 addition & 1 deletion content/praktischerTeil/Reaktionsprodukte_MS_Leafspray.tex
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Expand Up @@ -9,7 +9,7 @@ \subsection{Reaktionsprodukt von Bo-DNCC}
\begin{figure}[!htbp]
\centering
\includegraphics[scale=0.6]{figures/Kapitel4/Kataboliten/fragmentation_structures/VWA_Katabolit_699.png}
\caption[Strukturvorschlag des Reaktionsproduktes von Bo-DNCC, Quelle: Autor]{Strukturvorschlag des Reaktionsproduktes mit Summenformel \ch{C33H40N4O9}}
\caption[Strukturvorschlag des Reaktionsproduktes von Bo-DNCC, Quelle: Autor]{Strukturvorschlag des Reaktionsproduktes mit Summenformel \ch{C35H41N4O9}}
\label{fig:699MKstructure}
\end{figure}

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