In an effort to provide wastewater treatment operators with the capability to be proactive in assessing and solving deflocculation events, this study has tested the components of a biosensor to predict deflocculation and investigated the mechanistic cause of deflocculation relating to chlorination of activated sludge cultures. In order to effectively manage upset events, it is necessary to know the source of an upset and the causative mechanism that the source initiates. The Glutathione-gated potassium efflux (GGKE)induced activated sludge deflocculation biosensor incorporates novel microtechnology with a whole cell biological element to predict deflocculation from electrophilic sources. This sensor utilizes microfluidic channels to conduct influent wastewater across a biofilm of Eschericia coli K 12 and monitors the bacterial response to the influent. The bacterial response, which is efflux of K+ ion from the cytoplasm, is monitored with a fluorescence-based sensor called an optode. The components of the system satisfy the project requirements, which include minimal expense (both operation and manufacture), on-line capability and minimal maintenance. The research conducted to date demonstrates the ability of the components of the biosensor to fulfill the design requirements. The optode K+ detector successfully measured an increase in soluble K+ following the exposure of E. coli K-12 to the electrophile N ethyl malemide. The manufacture of the microfluidic device has been completed and the device has demonstrated the ability to conduct influent under negative pressure across an established biofilm with the optode in place. The establishment of a biofilm under expected hydrodynamic conditions has also been completed. Future research efforts will include integrating the components of the biosensor into a working prototype that will be capable monitoring the reaction of bacteria to the presence of electrophilic compounds in wastewater. Sensors of this nature will provide operators with the early warning necessary to be proactive against toxic upsets rather than reactive. The knowledge needed to create a biosensor resides in the identification of bacterial response mechanisms that cause upset events in wastewater treatment facilities. The biosensor that has been developed relies on the discovery of the link between electrophile-induced GGKE and activated sludge deflocculation. Research has been concluded, which expands the role of GGKE and activated sludge deflocculation to include chlorine-induced GGKE. Through a series of laboratory-scale reactors, a relationship has been established between chlorine addition to control filamentous bulking, increased soluble K+ levels and an increase in effluent suspended solids . The results demonstrate that the addition of chlorine to control filamentous bulking may elicit the GGKE mechanism, initiating activated sludge deflocculation, similar to observations of chlorination at full-scale activated sludge wastewater treatment facilities. Establishing a mechanistic cause of deflocculation related to chlorination will permit operators to apply chlorine in a manner that may avoid deflocculation, rather than reacting to deflocculation after it has occurred. / Master of Science

This research presents a novel biosensor which utilizes the refractive index sensitivity of a fiber optic long-period grating. The long period grating couples light from the forward propagating guided core mode of a single-mode fiber into discrete circularly symmetric cladding modes. Due to imperfections in the cladding surface, loss bands are seen in the transmission spectrum corresponding to the coupled wavelengths. Based on the phase-matching condition between the coupling and coupled modes, the loss bands shift with changes in the refractive index of the surrounding medium. The grating surface is chemically treated to covalently bond antibody to the cladding of the sensor. Treatment with the proper antigen increases the effective index seen by the cladding modes and affects the placement of the loss bands. This sensor demonstrates specific antigen binding capacity with loss band shifts of 10 nm or more. The device offers several advantages over the widely used Enzyme-Linked Immuno-Sorbent Assays. Diagnostic applications can be expanded beyond the tests presented here. / Master of Science

No / A PDMS stamp is used to transfer a synthetic peptide in a given pattern to any suitable surface. Using this method two-dimensional neuronal model networks could be formed on glass substrates as well as on electronic devices and adjusted to the given microelectronic structure. The present work focuses on the mechanism of neurite guidance under simplified in vitro conditions, using in vitro guidance cues and outline the incorporation of these interfacial methods into microelectronic sensor devices.

Whole-cell sensors represent an emerging branch in biosensor development since they obviate the need for enzyme/antibody purification and provide the unique opportunity to assess global parameters such as genotoxicity and bioavailability. Yeast species such as Saccharomyces cerevisiae are ideal hosts for whole-cell sensor applications. However, current approaches almost exclusively rely on analyte-induced expression of fluorescent proteins or luciferases that imply issues with light scattering and/or require the supply of additional substrates. In this study, the yeast α-factor mating pheromone, a peptide pheromone involved in cell-cell communication in Saccharomyces cerevisiae, was utilized to create the whole-cell sensor read-out signal, in particular by employing engineered sensor cells that couple the response to a user-defined environmental signal to α-factor secretion. Two novel immunoassays - relying on hydrophobin-based surface engineering - were developed to quantify the α-factor. Hydrophobins are amphiphilic fungal proteins that self-assemble into robust monolayers at hydrophobic surfaces. Two recombinant hydrophobins, either lacking (EAS) or exposing the α-factor pheromone (EAS-α) upon self-assembly, were used to functionalize polystyrene supports. In a first approach (competitive immunoassay), pheromone-specific antibodies initially bound to the functionalized surface (due to the α-factor exposed by the hydrophobin layer) were competitively detached by soluble α-factor. In a second approach, the antibodies were first premixed with pheromone-containing samples and subsequently applied to functionalized surfaces, allowing for the attachment of antibodies that still carried available binding sites (inverse immunoassay). Both immunoassays enabled quantitative assessment of the yeast pheromone in a unique but partially overlapping dynamic range and allowed for facile tuning of the assay sensitivity by adjustment of the EAS-α content of the hydrophobin layer. With a limit of detection of 0.1 nM α-factor, the inverse immunoassay proved to be the most sensitive pheromone quantification assay currently available. Due to the high stability of hydrophobin monolayers, functionalized surfaces could be reused for multiple consecutive measurements. Favorably, both immunoassays proved to be largely robust against the changes in the sample matrix composition, allowing for pheromone quantification in complex sample matrices such as yeast culture supernatants. Hence, these immunoassays could also be applied to study the pheromone secretion of wild-type and engineered Saccharomyces cerevisiae strains. Additionally, a proof-of-concept whole-cell sensor for thiamine was developed by combining the hydrophobin-based immunoassays with engineered sensor cells of Schizosaccharomyces pombe modulating the secretion of the α-factor pheromone in response to thiamine. Since this read-out strategy encompasses intrinsic signal amplification and enables flexible choice of the transducer element, it could contribute to the development of miniaturized, portable whole-cell sensors for on-site application.

In this thesis, different aspects within the research field of protein spectro- and electro-chemistry on nanostructured materials are addressed. On the one hand, this work is related to the investigation of nanostructured transparent and conductive metal oxides as platform for the immobilization of electroactive enzymes. On the other hand the second part of this work is related to the immobilization of sulfite oxidase on gold nanoparticles modified electrode. Finally direct and mediated spectroelectrochemistry protein with high structure complexity such as the xanthine dehydrogenase from Rhodobacter capsulatus and its high homologues the mouse aldehyde oxidase homolog 1. Stable immobilization and reversible electrochemistry of cytochrome c in a transparent and conductive tin-doped and tin-rich indium oxide film with a well-defined mesoporosity is reported. The transparency and good conductivity, in combination with the large surface area of these materials, allow the incorporation of a high amount of electroactive biomolecules (between 250 and 2500 pmol cm-2) and their electrochemical and spectroscopic investigation. Both, the electrochemical behavior and the immobilization of proteins are influenced by the geometric parameters of the porous material, such as the structure and pore shape, the surface chemistry, as well as the protein size and charge. UV-Vis and resonance Raman spectroscopy, in combination with direct protein voltammetry, are employed for the characterization of cytochrome c immobilized in the mesoporous indium tin oxide and reveal no perturbation of the structural integrity of the redox protein. A long term protein immobilization is reached using these unmodified mesoporous indium oxide based materials, i.e. more than two weeks even at high ionic strength. The potential of this modified material as an amperometric biosensor for the detection of superoxide anions is demonstrated. A sensitivity of about 100 A M-1 m-2, in a linear measuring range of the superoxide concentration between 0.13 and 0.67 μM, is estimated. In addition an electrochemical switchable protein-based optical device is designed with the core part composed of cytochrome c immobilized on a mesoporous indium tin oxide film. A color developing redox sensitive dye is used as switchable component of the system. The cytochrome c-catalyzed oxidation of the dye by hydrogen peroxide is spectroscopically investigated. When the dye is co-immobilized with the protein, its redox state is easily controlled by application of an electrical potential at the supporting material. This enables to electrochemical reset the system to the initial state and repetitive signal generation. The case of negative charged proteins, which does not have a good interaction with the negative charged indium oxide based films, is also explored. The modification of an indium tin oxide film with a positive charged polymer and the employment of a antimony doped tin oxide film were investigated in this work in order to overcome the repulsion induced by similar charges of the protein and electrode. Human sulfite oxidase and its separated heme-containing domain are able to direct exchange electrons with the supporting material. A study of a new approach for sulfite biosensing, based on enhanced direct electron transfer of a human sulfite oxidase immobilized on a gold nanoparticles modified electrode is reported. The spherical gold nanoparticles were prepared via a novel method by reduction of HAuCl4 with branched poly(ethyleneimine) in an ionic liquid resulting in particles of about 10 nm in hydrodynamic diameter. These nanoparticles were covalently attached to a mercaptoundecanoic acid modified Au-electrode and act as platform where human sulfite oxidase is adsorbed. An enhanced interfacial electron transfer and electrocatalysis is therefore achieved. UV-Vis and resonance Raman spectroscopy, in combination with direct protein voltammetry, were employed for the characterization of the system and reveal no perturbation of the structural integrity of the redox protein. The proposed biosensor exhibited a quick steady-state current response, within 2 s and a linear detection range between 0.5 and 5.4 μM with high sensitivity (1.85 nA μM-1). The investigated system provides remarkable advantages, since it works at low applied potential and at very high ionic strength. Therefore these properties could make the proposed system useful in the development of bioelectronic devices and its application in real samples. Finally protein with high structure complexity such as the xanthine dehydrogenase from Rhodobacter capsulatus and the mouse aldehyde oxidase homolog 1 were spectroelectrochemically studied. It could be demonstrated that different cofactors present in the protein structure, like the FAD and the molybdenum cofactor, are able to directly exchange electrons with an electrode and are displayed as a single peak in a square wave voltammogram. Protein mutants bearing a serine substituted to the cysteines, bounding to the most exposed iron sulfur cluster additionally showed direct electron transfer which can be attributable to this cluster. On the other hand a mediated spectroelectrochemical titration of the protein bound FAD cofactor was performed in presence of transparent iron and cobalt complex mediators. The results showed the formation of the stable semiquinone and the fully reduced flavin. Two formal potentials for each single electron exchange step were then determined. / In dieser Arbeit werden verschiedenen Aspekte im Forschungsfeld der Protein-Spekro- und Elektro-Chemie an nanostrukturierte Materialien behandelt. Zum einen werden in dieser Arbeit nanostrukturierte, transparente und leitfähige Metalloxide als Basis für die Immobilisierung von elektroaktiven Enzym untersucht. Des Weiteren behandelt diese Arbeit die Immobilisierung von humaner Sulfitoxidase auf einer Gold-Nanopartikel-modifizierten Elektrode. Schließlich wird die direkte und die vermittelte Elektrochemie von Xanthindehydrogenase aus Rhodobacter capsulatus und Aldehydoxidase Homolog 1, aus Mause, vorgestellt. Im ersten Teil der Arbeit wird über die stabile Immobilisierung und reversible Elektrochemie von Cytochrom c in einem transparenten und leitfähigen Zinn-dotierten und Zinn-reichen Indiumoxid Film mit einer gut definierten Mesoporosität berichtet. Die Transparenz und gute Leitfähigkeit in Kombination mit der großen Oberfläche dieser Materialien erlauben die Inkorporation einer große Menge elektroaktiver Biomoleküle (zwischen 250 und 2500 pmol cm-2) und deren elektrochemische und spektroskopische Untersuchung. Das elektrochemische Verhalten und die Proteinimmobilisierung sind durch die geometrischen Parameter des porösen Materials, wie die Struktur und Porenform, die Oberflächenchemie, sowie die Größe und Ladung des Proteins beeinflusst. UV-Vis und Resonanz-Raman-Spektroskopie in Kombination mit direkter Protein-Voltammetrie werden für die Charakterisierung von Cytochrom c eingesetzt und zeigen keine Störung der strukturellen Integrität des Redox-Proteins durch die Immobilisierung. Eine langfristige Immobilisierung des Proteins von mehr als zwei Wochen auch bei hoher Ionenstärke wurde unter Verwendung dieser unmodifizierten mesoporösen Indiumoxid-basierten Materialien erreicht. Das Potential dieses modifizierten Materials für die Verwendung in einem amperometrischen Biosensor zum Nachweis von Superoxid-Anionen wurde aufgezeigt. Es wurde eine Empfindlichkeit von etwa 100 A M-1 m-2, in einem linearen Messbereich der Superoxidkonzentration zwischen 0,13 und 0,67 µM, erreicht. Außerdem wurde ein elektrochemisch umschaltbares Protein-basiertes optisches Gerät konzipiert mit Cytochrom c und der mesoporösen Indiumzinnoxidschicht. Ein redox-sensitiver Farbstoff wurde als schaltbare Komponente des Systems verwendet. Die Cytochrom c Oxidation des Farbstoffs durch Wasserstoffperoxid wurde spektroskopisch untersucht. Der Redox-Zustand des Farbstoffs, co-immobilisiert mit dem Protein, ist leicht durch das Anlegen eines elektrischen Potentials an das Trägermaterial kontrollierbar. Dadurch wird die elektrochemische Zurücksetzung des Systems auf den Anfangszustand und eine repetitive Signalerzeugung ermöglicht. Für negativ geladene Proteine, die keine gute Interaktion mit dem negativ geladenen Indiumoxid-basierten Film zeigen wurden die Modifikation der Indiumzinnoxidschicht mit einem positiv geladenen Polymer sowie die Verwendung eines Antimon-dotierten Zinnoxid Films vorgeschlagen. Dadurch konnte die Abstoßung induziert durch die ähnliche Ladung des Proteins und der Elektrode überwunden werden. Es gelang für die humane Sulfit-Oxidase und die separate Häm-haltige Domäne der Austausch von Elektronen mit dem Trägermaterial. Im zweiten Teil der Arbeit wird über eine neue Methode für die Biosensorik von Sulfit berichtet, bei der direkte Elektronentransfer von humaner Sulfitoxidase immobilisierten auf einer mit Gold-Nanopartikeln modifizierten Elektrode verstärkt wurde. Die sphärischen Gold-Nanopartikeln, von etwa 10 nm im Durchmesser, wurden über eine neue Methode durch Reduktion von HAuCl4 mit verzweigtem Polyethylenimin in einer ionischen Flüssigkeit synthetisiert. Diese Nanopartikel wurden kovalent an eine mit Mercaptoundecansäure modifizierten Gold-Elektrode immobilisiert und dienen als Basis für die Adsorption von Sulfitoxidase adsorbiert wurde. Dadurch wurde ein schneller heterogener Elektronen-Transfer und verbesserte Elektrokatalyse erreicht. Für die Charakterisierung des verwendeten Systems eingesetzt wurden UV-Vis und Resonanz-Raman-Spektroskopie in Kombination mit direkter Protein-Voltammetrie. Es wurde keine Störung der strukturellen Integrität des Redox-Proteins beobachtet. Der vorgeschlagene Biosensor zeigte eine schnelle steady-state Stromantwort innerhalb von 2 s, eine lineare Detektion im Bereich zwischen 0,5 und 5,4 µM Sulfit mit einer hohen Empfindlichkeit (1,85 nA µM-1). Das untersuchte System bietet bemerkenswerte Vorteile da es ermöglicht bei niedriger angelegter Spannung und bei sehr hoher Ionenstärke zu arbeiten. Aufgrund dieser Eigenschaften hat das vorgeschlagene System großes Potential für die Entwicklung von bioelektronischen Geräten und der Anwendung in realen Proben. Schließlich werden im letzten Teil der Arbeit die komplexeren Enzymen Xanthindehydrogenase aus Rhodobacter capsulatus und Maus Aldehydoxidase Homolog 1 spektro- und elektrochemisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass verschiedene Kofaktoren in der Proteinstruktur, wie FAD und der Molybdän Kofaktor direkt Elektronen mit einer Elektrode austauschen können, was durch einzelne Peaks im Square Wave Voltammogramm angezeigt wird. Es konnte eine zusätzliche redoxaktive Gruppe mit direktem Elektronen-Transfer nach Austausch eines Cysteins durch Serin am exponierten Eisen-Schwefel-Cluster gezeigt werden. Außerdem wurde eine vermittelte spektroelektrochemische Titration des FAD-Kofaktors in Anwesenheit von Mediatoren der Klasse der Eisen und Kobalt-Komplexe durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass FAD in R. capsulatus XDH zu einem stabilen Semichinone reduziert werden kann. Es gelang die formalen Potentiale für die zwei einzigen Elektrontransferprozesse zu bestimmen.

The aim of this work was to functionalize silicon dioxide surfaces with biochemical molecules in such a way that biorecognition of target molecules in solution will be possible. By introducing a tool set of different molecules and characterization methods, a more universal approach towards various biosensor setups is presented. This includes on the one hand preparation of the biosensor surfaces to allow further molecule attachment via their reactive functional groups. Secondly, the selection of chemical molecules providing suitable counterparts for abundant functional groups of potential receptors is discussed. Two detection schemes are introduced – based on an antibody to detect the antibiotic amoxicillin and aptamers to detect thrombin. The antibody was implemented in an inverse competition assay to probe such small target molecules. Antibiotic residues are often present in wastewater. Aptamers, so-called artificial antibodies, were selected as they provide many advantages over antibodies. As a model system, two different thrombin binding aptamers were chosen which allowed to perform sandwich assays as well. The protein thrombin plays an important role in the blood coagulation cascade. To probe the individual modification steps, different techniques for analysis were applied. Surface micropatterning was introduced to improve recognition of modified areas and fluorescence-to-background ratios resulting in a thrombin detection limit down to 20 pM. One important goal was the integration in ion-sensitive field-effect transistor devices. Aptamers are small in size which might enable a higher sensitivity of these devices compared to the use of antibodies because of the Debye layer thickness. As a final step, first measurements towards silicon nanowire based field-effect transistor biosensors were carried out on devices with bottom-up and top-down fabricated nanowires using both proposed receptor-analyte combinations. The potential of these devices as portable sensors for real-time and label-free biosensing is demonstrated. / Ziel dieser Arbeit war es Siliziumdioxidoberflächen so mit biochemischen Molekülen zu funktional- isieren, dass die biologisch spezifische Erkennung von Zielmolekülen in Lösung möglich wird. Hier wird eine Auswahl an geeigneten Molekülen und Charakterisierungsmethoden für einen vielseitigen Ansatz gezeigt, der auf verschiedene Biosensorsysteme anwendbar ist. Das beinhaltet zum Einen die Präparation der Biosensoroberflächen, so dass die Moleküle über reaktive funktionelle Gruppen angebunden werden können. Als zweites ist die Auswahl der chemischen Moleküle wichtig, da diese die passenden Gegenstücke zu potentiellen funktionellen Gruppen der Rezeptoren darstellen. Zwei verschiedene Detektionsvarianten werden eingeführt – Antikörper gegen das Antibiotikum Amoxicillin und Aptamere gegen Thrombin. Der Antikörper wurde in einen inversen Wettbewerbsassay integriert um einen solch kleinen Ana- lyten detektieren zu können. Rückstände von Antibiotika sind häufig in Abwässern zu finden. Ap- tamere, sogenannte künstliche Antikörper, weisen gegenüber Antikörpern viele Vorteile auf. Als ein Modellsystem wurden zwei unterschiedliche Thrombin bindende Aptamere verwendet, was auch die Durchführung von Sandwich Assays ermöglichte. Das Protein Thrombin spielt eine wichtige Rolle bei der Blutgerinnung. Um die einzelnen Modifikationsschritte zu untersuchen, wurden verschiedene Charakterisierungsmethoden angewendet. Die Mikrostrukturierung der Funktionalisierung erleichterte die Erkennung der modifizierten Flächen und verbesserte das Fluoreszenz-zu-Hintergrund Verhältnis. Das führte zu einer Detektionsgrenze von 20 pM für Thrombin. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit war die Integration der Funktionalisierung in einen ionen-sensitiven Feldeffekttransistor. Die kleinen Aptamere könnten dabei aufgrund der geringen Debye-Schichtdicke bei diesen Sensoren eine höhere Sensitivität als mit Antikörpern ermöglichen. Zuletzt wurden erste Messungen hin zu Silizium Nanodraht basierten Feldeffekttransistor Biosen- soren mit beiden untersuchten Rezeptor-Analyt-Kombinationen durchgeführt. Sowohl die Chips mit bottom-up als auch mit top-down gewachsenen Nanodrähten zeigen dabei ihr Potential als handliche Sensoren zur markerfreien Detektion in Echtzeit.

The term "Lab-on-a-Chip" (LoC) describes highly miniaturized systems in which the functionalities of entire laboratories are scaled down to the size of transportable microchips. Particularly in the field of chemical and bio-analysis, such platforms are desired for a fast and highly sensitive sample analysis at the point of care. This work focuses on silicon nanowire (SiNW) based sensors. Innovative device fabrication concepts are developed from various directions, for a facile and reliable assembly of LoC analysis systems. Firstly, a multifunctional microfluidic set-up is developed which allows for a facile reversible sealing of channel structures on virtually any kind of substrate while maintaining the possibility of a rapid prototyping of versatile channel designs and the applicability of high working pressures of up to 600 kPa. Secondly, a 3-(triethoxysilyl)propylsuccinic anhydride (TESPSA) based surface modification strategy for the attachment of specific receptor molecules without additional binding site passivation is explored. Thirdly, bottom-up grown SiNWs are utilized for producing parallel arrays of Schottky barrier field-effect transistors (FETs) via contact printing. Using the initially developed microfluidic set-up, the concept of the TESPSA-based receptor immobilization is proved via fluorescence microscopy and by applying the SiNW FETs as biosensors. Using a receptor-analyte system based on a set of antibodies and a peptide from human influenza hemagglutinin, it is shown that antibodies immobilized with the developed method maintain the specificity for their antigens. The fourth major research field in this work is the microfluidics-based alignment of one-dimensional nanostructures and their deposition at predetermined trapping sites for reliably fabricating single NW-based FETs. Such devices are expected to provide superior sensitivity over sensors based on parallel arrays of FETs. Consequently, within this work, innovative LoC devices fabrication approaches over a broad range of length scales, from micrometer scale down to the molecular level, are investigated. The presented methods are considered a highly versatile and beneficial tool set not only for SiNW-based biosensors, but also for any other LoC application. / Unter dem Begriff „Lab-on-a-Chip“ (LoC) fasst man stark miniaturisierte Systeme zusammen, die die Fähigkeiten eines ganzen Labors auf einen transportablem Mikrochip übertragen. Insbesondere im Bereich der Analyse chemischer und biologischer Proben werden solche Plattformen bevorzugt eingesetzt, da sie direkt am Ort der Probenentnahme schnelle, hoch sensible Messungen ermöglichen. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit stehen Sensoren auf Basis von Siliziumnanodrähten (SiNWs). Auf verschiedenen Gebieten werden innovative Konzepte zur einfachen und zuverlässigen Herstellung von LoC Systemen entwickelt. Zu Beginn wird ein multifunktionaler Mikrofluidik-Aufbau vorgestellt, der ein einfaches reversibles Verschließen von Mikrofluidik-Kanälen auf nahezu allen möglichen Substraten erlaubt. Der Aufbau ermöglicht das schnelle Anfertigen und Testen verschiedener Kanalstrukturen sowie das Betreiben von Fluidik-Experimenten mit hohen Arbeitsdrücken von bis zu 600 kPa. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Funktionalisierung von Sensor-Oberflächen mittels 3-(Triethoxysilyl) Propyl Bernsteinsäure Anhydrid (TESPSA) für die Immobilisierung spezifischer Rezeptormoleküle. Bei dieser Methode entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Passivierung ungenutzter Anbindungsstellen. Des Weiteren erfolgt die Herstellung von Parallelschaltungen von Schottky-Barrieren-Feld-Effekt-Transistoren (SB-FETs) aus „bottom-up“ gewachsenen SiNWs durch mechanisches Abreiben der SiNWs vom Wachstumssubstrat auf ein Empfängersubstrat. Unter Verwendung des eingangs entwickelten Mikrofluidik-Aufbaus wird die prinzipielle Anwendbarkeit der TESPSA-basierten Rezeptor-Immobilisierung nachgewiesen, sowohl anhand von Fluoreszenzmikroskopie-Untersuchungen als auch mit Hilfe der SiNW FETs als Biosensoren. Mittels eines Rezeptor-Analyt-Systems, bestehend aus verschiedenen Antikörpern und einem Peptid des Influenzavirus A, wird gezeigt, dass Antikörper, die über TESPSA an Oberflächen gebunden werden, ihre Spezifizität für ihre Antigene beibehalten. Der vierte große Forschungsabschnitt dieser Arbeit widmet sich der mikrofluidischen Ausrichtung eindimensionaler Nanomaterialien und deren Ablage an vorgegebenen Fangstellen, wodurch eine zuverlässige Herstellung von FETs aus Einzelnanodrähten erreicht wird. Es wird davon ausgegangen, dass Einzelnanodraht-FETs gegenüber Parallelschaltungen von Nanodraht-FETs verbesserte Sensoreigenschaften aufweisen. Folglich beinhaltet diese Arbeit viele zukunftsweisende Ansätze für die Herstellung von LoC Systemen. Untersuchungen über eine Bandbreite von Längenskalen, von Mikrometer großen Strukturen bis hinab zur molekularen Ebene, werden präsentiert. Es wird davon ausgegangen, dass die vorgestellten Methoden als eine vielfältige Sammlung von Werkzeugen nicht nur bei der Herstellung von Biosensoren auf SiNW-Basis Einsatz finden, sondern ganz allgemein den Aufbau verschiedenster LoC Systeme vorantreiben.

Title: Study of cerium oxide thin films for biosensing applications Author: Yuliia Kosto Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: Prof. RNDr. Vladimír Matolín, DrSc. Abstract: The presented scientific work was conducted in two main directions. The first one is an investigation of the simple biomolecules (glycine and sarcosine) bonding to cerium oxide model films by surface science techniques: photoelectron and near-edge X-ray absorption spectroscopies. Adsorption chemistry and thermal stability of the molecules on the oxides were studied in relation to the oxidation state of ceria cations, film morphology, and molecular deposition method. The oxygen vacancies in the oxide were shown to affect the adsorption geometry of glycine and stimulate molecular decomposition. The polycrystalline oxide morphology provided stabilizing effect on the glycine adlayer. Sarcosine deposited in vacuum formed densely packed adlayer with the molecules directed outwards. Interestingly, the results revealed that molecular film deposited from the aqueous solution, in contrast to deposition in vacuum, induces continuous reduction of the cerium oxide during thermal annealing. The second part is a study of polycrystalline cerium oxide thin films as an electrode for electrochemical and electrochemiluminescent...

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung elektrochemischer Biosensoren zur Erweiterung oder zum Ersatz herkömmlicher Diagnostikverfahren. Als Basis für die Biosensoren wurden Elektrodenarraychips entworfen und im Reinraum gefertigt. Die als 9WPtE bezeichneten Elektrodenarrays waren aus 3 x 3 Elektrodenpaaren im 96-well-Maßstab (ANSI-Standard) aufgebaut. Jedes Elektrodenpaar bestand aus einer kreisrunden Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 1,9 mm und einer Gegenelektrode als offenem Kreisring um die Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 7 mm. Außerhalb des Reinraums wurden separate Messkammern und Ag/AgCl-Referenzelektroden integriert. Sowohl das Referenzsystem als auch die Signalqualität der 9WPtE-Elektrodenarraychips wurden mittels Zyklovoltammetrie, Impedanzspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie analysiert und anhand dieser Untersuchungen optimiert. Das Augenmerk lag hierbei auf den Produktionsprozessen zur Herstellung der Elektrodenarraychips, auf den Elektrolytbedingungen für die elektrochemischen Messungen und auf der Recyclebarkeit der Chips. Die Funktionalisierung der Arbeitselektroden der 9WPtE-Chips erfolgte mit sich selbst-organisierenden Schichten aus Thiolen. An die Thiole wurden mittels Chemoligation die biologischen Erkennungskomponenten kovalent gekoppelt. Mit dem 9WPtE-Elektrodenarray wurde auf diese Weise ein funktionsfähiger kompetitiver Immunosensoren gegen den Tumormarker Tenascin C entwickelt. Außerdem wurden der 9WPtE-Chip und ein zusätzlich entwickelter Durchflusssensor, basierend auf dem Prinzip des 9WPtE, genutzt, um die Möglichkeit der Detektion ganzer eukaryotischer Zellen zu untersuchen.

In this report, a novel smart nanocantilever with self-deflection sensor using embedded piezo-resistor and self-actuation using integrated piezo-electric actuator is proposed, designed and simulated to enable highly sensitive label free biosensor and ultra-short cantilever probe for AFM applications. The smart nanocantilever comprises of a triangular Si3N4 nanocantilever (10µm long, 400nm width and 100nm thickness) connected to a multi-layer support structure (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) having n-type silicon piezo resistor (7µm long ,2µm width and 20nm thickness) embedded in the Si3N4 layer in both the support structure and nanocantilever. The nanocantilever is designed to maximize the resonance frequency and lower spring constant whereas piezoelectric actuator and piezo resistor is designed to maximize excitation and maximize change in resistance of nanocantilever respectively. The results show that the nanocantilever enhances sensitivity in static mode by factor of 36.5 while in dynamic mode by a factor of 658 for AFM application. For biosensor application, the nanocantilever enhanced the sensitivity in static and dynamic mode by factors of 5.6 and 13.8, respectively. / I denna rapport presenteras en ny, smart nano-kantilever med självdetektion via sensorer som använder inbäddade piezoresistorer, och självpådrivning via integrerade piezoelektriska pådrivare. Dessa är designade och simulerade för att möjliggöra högsensitiva titelfria biosensorer och ultrakorta kantilever-prober för AFM-applikation. Den smarta nano-kantilevern består av en triangulär Si3N4 nano-kantilever (10µm lång, 400nm bred and 100nm djup) kopplad till en stödstruktur med flera lager (Si3N4 (100nm)/PZT (100nm)) och med en n-typ silikon piezoresistor (7µm lång ,2µm bred and 20nm djup) inbäddad i Si3N4 – lagret i både stödstrukturen och i nano-kantilevern. Denna är designad för att maximera resonansfrekvens och sänka fjädringskonstanten, medan den piezo-elektriska pådrivaren och piezo-resistorn är designade för att maximera excitering samt resistansändring för nano-kantilevern. Resultatet i denna rapport visar att nano-kantilevern förstärker känslighet i statiskt läge med en faktor på 36,5, med motsvarande faktor på 658 i dynamiskt läge för AMF- applikation. För biosenor-applikation förstärkte nano-kantilevern känsligheten i statiskt och dynamiskt läge med 5,6 och 13,8 respektive.