Die Wechselwirkung (Sorption) von hydrophoben organischen Verbindungen (HOC) und kohlenstoffbasierenden Nanomaterialien (CNM) wurde bereits in gewissem Umfang untersucht. Ein grundlegendes und systematisches Verständnis der relevanten Sorptionsmechanismen fehlt aber bisher. Zudem wird als Folge ihrer zunehmenden Anwendung ein Eintrag von CNM in die Umwelt unweigerlich wahrscheinlicher. Folglich ist die Wechselwirkung von HOC und CNM auch unter umweltrelevanten Aspekten von großer Bedeutung: zum Beispiel zur Risikoabschätzung, ob CNM in der Umwelt den Verbleib und Transport von HOC beeinflussen. Ein qualitatives und quantitatives Verständnis der Wechselwirkungen zwischen HOC und CNM ist dafür von entscheidender Bedeutung. Zu diesem Zweck war das Ziel dieser Arbeit eine umfassende und systematische Untersuchung der Sorption von ausgewählten Sorbaten als molekulare Sonden an verschiedenen CNM. Der Einfluss umweltrelevanter Parameter, wie Redox-Bedingungen, die Bestrahlung mit Licht und das Vorhandensein von natürlichem organischem Material (NOM), auf die Sorption an CNM wurde untersucht. Durch Anwesenheit von Sauerstoff und Bestrahlung änderten sich die Oberflächeneigenschaften von wässrig dispergiertem Fulleren (nC60) erheblich. Folglich reduzierte sich die Sorptionsaffinität und –kapazität polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe an nC60. Zudem führte die Anwesenheit von NOM zu einer Reduzierung der Sorptionsaffinität und –nichtlinearität an mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs). Hingegen zeigte die Verwendung von n- und Cycloalkanen als molekulare Sonden keine Änderung des Sorptionsmodus von Adsorption an die Oberfläche von MWCNTs zu Absorption in NOM-beschichtete MWCNTs. Insgesamt lassen die Ergebnisse der untersuchten Parameter auf eine verringerte Sorption an in die Umwelt eingetragenen CNM schließen. Sorptionsisothermen wurden für eine Vielzahl diverser Molekularsonden unterschiedlicher Polarität experimentell bestimmt, um die Sorption an MWCNTs mittels poly-parameter linearer freie-Energie Beziehungen zu beschreiben. Dieser Ansatz gab nützliche Einblicke in die relevanten Wechselwirkungen und deren Beitrag zur Gesamtsorption. Die Entwicklung einer ppLFER erlaubte eine deutlich verbesserte Vorhersage der Verteilungskoeffizienten im Vergleich zu gängigen Vorhersagemodellen mittels einer Korrelation der Sorption an MWCNTs und Hydrophobizitätsparametern, wie der Oktanol-Wasser Verteilungskonstanten. Schließlich wurden MWCNTs hinsichtlich einer möglichen Anwendung als gepackte Phasen in der lösemittelfreien In-tube Mikroextraktion zur Anreicherung von BTEX aus wässrigen Proben untersucht. Zur Methodenentwicklung wurde eine statistische Versuchsplanung verwendet, die eine systematische Untersuchung der relevanten Extraktionsparameter und deren potentieller Wechselwirkung erlaubte. Die Ergebnisse der Methodenvalidierung betonten die starke Wechselwirkung von MWCNTs und BTEX und damit das vielversprechende Potential von CNM als Sorbentmaterial in der analytischen Chemie im Vergleich zu derzeit verfügbaren Extraktionsphasen. Zudem wurde das Verfahren erfolgreich an verschiedenen Realproben angewandt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass systematische Verfahren in Kombination mit ausgewählten Sorbatsonden, wertvolle Einblicke in die molekularen Wechselwirkungen von CNM mit nicht-ionischen organischen Verbindungen bieten.