In zahlreichen lebenswichtigen Bereichen haben sich Biosensoren als unverzichtbare Messgeräte erwiesen. Der Nachweis von spezifischen Molekülen im Körper für eine frühzeitige Krankheitserkennung erfordert empfindliche und zugleich zuverlässige Messmethoden. Ein rasantes Fortschreiten im Bereich der Nanotechnologie führt dabei zur Entwicklung von Materialien mit neuen Eigenschaften, und damit verbunden, auch zu innovativen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Biosensorik. Das Zusammenspiel von Nanotechnologie und Sensortechnik gewährleistet die Konstruktion von Sensoren mit empfindlicheren Nachweisgrenzen und kürzeren Reaktionszeiten. Die Option zur Integration und Miniaturisierung stellen daher einen erfolgreichen Einsatz in direkter Patientennähe in Aussicht, sodass Nanobiosensoren die Brücke zwischen Laborddiagnostik und Standardanwendungen schließen können. Die folgende Arbeit widmet sich der Anwendung von nanostrukturierten Biosensoren für einen empfindlichen und markierungsfreien Nachweis von Zielmolekülen. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf der kontinuierlichen Messung von Biomarkern mit kompakten Auslesesystemen, die eine direkte Signalmeldung und somit eine Detektion in Echtzeit ermöglichen. Dies erfordert zunächst die sorgfältige Funktionalisierung von Sensoroberflächen mit geeigneten DNA-basierten Rezeptoren. Infolgedessen werden beispielhaft verschiedene Sensorsysteme, Analyten und Charakterisierungsmethoden vorgestellt sowie universelle Strategien für die erfolgreiche Konfiguration von Nanobiosensorplattformen präsentiert. Das erste Anwendungsbeispiel widmet sich einem plasmonischen Biosensor, bei dem vertikal ausgerichtete Gold-Nanoantennen Signale mittels sog. lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) erzeugen. Mit dem Sensor konnte erfolgreich die Immobilisierung, das nachträgliche Blocken sowie die anschließende Hybridisierung von DNA nachgewiesen werden. Mithilfe des LSPR-Sensors wurden gleichzeitig grundlegende Hybridisierungsmechanismen auf nanostrukturierten und planaren Oberflächen verglichen und damit verbunden die einzigartigen optischen Eigenschaften metallischer Nanostrukturen betont. In einem zweiten Anwendungsbeispiel misst ein elektrischer Biosensor kontinuierlich die Konzentration des Stressmarkers Cortisol im menschlichen Speichel. Der direkte, markierungsfreie Nachweis von Cortisol mit Silizium-Nanodraht basierten Feldeffekttransistoren (SiNW FET) wurde anhand zugrunde liegender Ladungsverteilungen innerhalb des entstandenen Rezeptor-Analyte-Komplexes bewertet, sodass ein Nachweis des Analyten innerhalb der sog. Debye-Länge ermöglicht wird. Die erfolgreiche Strategie zur Oberflächenfunktionalisierung im Zusammenspiel mit dem Einsatz von SiNW FETs auf einem tragbaren Messgerät wurde anhand des Cortisolnachweises im Speichel belegt. Ein übereinstimmender Vergleich der gemessenen Corisolkonzentrationen mit Werten, die mit einer kommerziellen Alternative ermittelt wurden, verdeutlichen das Potential der entwickelten Plattform. Zusammenfassend veranschaulichen beide vorgestellten Nanobiosensor-Plattformen die vielseitige und vorteilhafte Leistungsfähigkeit der Systeme für einen kontinuierlichen Nachweis von Biomarkern in Echtzeit und vorzugsweise in Patientennähe.:Kurzfassung I Abstract III Abbreviations and symbols V Content VII 1 Introduction 1 1.1 Scope of the thesis 4 1.2 References 6 2 Fundamentals 9 2.1 Biosensors 9 2.2 Influence of nanotechnology on sensor development 10 2.3 Biorecognition elements 12 2.3.1 Biorecognition element: DNA 13 2.3.2 Aptamers 14 2.3.3 Immobilization of receptors 15 2.4 Transducer systems 17 2.4.1 Optical biosensors - surface plasmon resonance 17 2.4.2 Electric Biosensors – Field-effect transistors (FETs) 21 2.5 Metal oxide semiconductor field-effect transistor - MOSFET 21 2.6 Summary 26 2.7 References 27 3 Materials and methods 33 3.1 Plasmonic biosensors based on vertically aligned gold nanoantennas 33 3.1.1 Materials 33 3.1.2 Manufacturing of nanoantenna arrays 34 3.1.3 Surface modification and characterization 35 3.1.4 Measurement setup for detection of analytes 38 3.2 SiNW FET-based real-time monitoring of cortisol 40 3.2.1 Materials 40 3.2.2 Manufacturing of silicon nanowire field effect transistors (SiNW FETs) 42 3.2.3 Integration of SiNW FETs into a portable platform 42 3.2.4 Biomodification and characterization of electronic biosensors SiNW FETs 42 3.2.5 Electric characterization of FETs 47 3.3 References 50 4 Plasmonic DNA biosensor based on vertical arrays of gold nanoantennas 51 4.1 Introduction - Optical biosensors operating by means of LSPR 53 4.2 Biosensing with vertically aligned gold nanoantennas 56 4.2.1 Sensor fabrication, characterization, and integration 56 4.2.2 Integration of microfluidics 58 4.2.3 Immobilization of probe DNA and backfilling 58 4.2.4 Hybridization of complementary DNA strands 62 4.2.5 Surface coverage and hybridization efficiency of DNA 69 4.2.6 Refractive index sensing 72 4.2.7 Backfilling and blocking 73 4.3 Summary 75 4.4 References 77 5 Label-free detection of salivary cortisol with SiNW FETs 83 5.1 Introduction 85 5.2 Design, integration, and performance of SiNW FETs into a portable platform 89 5.2.1 Structure and electrical characteristics of honeycomb SiNW FETs 89 5.2.2 Integration of SiNW FET into a portable measuring unit 91 5.2.3 Performance of SiNW FET arrays 93 5.3 Detection of biomolecules with SiNW FETs 102 5.3.1 General considerations for biodetection with FETs 102 5.3.2 Sensing aptamers with FETs 103 5.3.3 Biodetection of the analyte cortisol with SiNW FETs 104 5.3.4 Detection of cortisol with SiNW FETs 112 5.4 Summary 119 5.5 References 121 6 Summary and outlook 131 6.1 Summary 131 6.2 Perspectives – toward multiplexed biosensing applications 134 6.3 References 137 Appendix i A.1 Protocols i A.1.1 Functionalization of gold antennas with thiolated DNA i A.1.2 Functionalization of SiO2 with TESPSA and amino-modified receptors i A.1.3 Functionalization with APTES and carboxyl-modified receptors ii A.1.4 Preparation of microfluidic channels via soft lithography ii A.2 Predicted secondary structures iv A.2.1 Secondary structures of 100base pair target without probe-strands iv A.2.2 Secondary structures of 100base pair target with 25 base pair probe-strand x Versicherung xvii Acknowledgments xix List of publications xxi Peer-reviewed publications xxi Publications in preparation xxi Selected international conferences xxii Curriculum Vitae xxiii / Biosensors have proven to be indispensable in numerous vital areas. For example, detecting the presence and concentration of specific biomarkers requires sensitive and reliable measurement methods. Rapid developments in the field of nanotechnology lead to nanomaterials with new properties and associated innovative applications. Thus, nanotechnology has a far-reaching impact on biosensors' development, e.g., delivery of biosensing devices with greater sensitivity, shorter response times, and precise but cost-effective sensor platforms. In addition, nanobiosensors hold high potential for integration and miniaturization and can operate directly at the point of care - serving as a bridge between diagnostics and routine tests. This work focuses on applying nanostructured biosensors for the sensitive and label-free detection of analytes. A distinct aim is the continuous monitoring of biomarkers with compact read-out systems to provide direct, valuable feedback in real-time. The first step in achieving this goal is the adequate functionalization of nanostructured sensor surfaces with suitable receptors to detect analytes of interest. Due to their thermal and chemical stability with the possibility for customizable functionalization, DNA-based receptors are selected. Thereupon, universal strategies for confining nanobiosensor platforms are presented using different sensor systems, analytes, and characterization methods. As a first application, a plasmonic biosensor based on vertically aligned gold nanoantennas tracked the immobilization, blocking, and subsequent hybridization of DNA by means of localized surface plasmon resonance (LSPR). At the same time, the LSPR sensor was used to evaluate fundamental hybridization mechanisms on nanostructured and planar surfaces, emphasizing the unique optical properties of metallic nanostructures. In a second application, an electric sensor based on silicon nanowire field-effect transistors (SiNW FET) monitored the level of the stress marker cortisol in human saliva. Based on evaluating the underlying charge distributions within the resulting receptor-analyte complex of molecules, the detection of cortisol within the Debye length is facilitated. Thus, direct, label-free detection of cortisol in human saliva using SiNW FET was successfully applied to the developed platform and compared to cortisol levels obtained using a commercial alternative. In summary, both presented platforms indicate a highly versatile and beneficial performance of nanobiosensors for continuous detection of biomarkers in real-time and preferably point-of-care (POC).:Kurzfassung I Abstract III Abbreviations and symbols V Content VII 1 Introduction 1 1.1 Scope of the thesis 4 1.2 References 6 2 Fundamentals 9 2.1 Biosensors 9 2.2 Influence of nanotechnology on sensor development 10 2.3 Biorecognition elements 12 2.3.1 Biorecognition element: DNA 13 2.3.2 Aptamers 14 2.3.3 Immobilization of receptors 15 2.4 Transducer systems 17 2.4.1 Optical biosensors - surface plasmon resonance 17 2.4.2 Electric Biosensors – Field-effect transistors (FETs) 21 2.5 Metal oxide semiconductor field-effect transistor - MOSFET 21 2.6 Summary 26 2.7 References 27 3 Materials and methods 33 3.1 Plasmonic biosensors based on vertically aligned gold nanoantennas 33 3.1.1 Materials 33 3.1.2 Manufacturing of nanoantenna arrays 34 3.1.3 Surface modification and characterization 35 3.1.4 Measurement setup for detection of analytes 38 3.2 SiNW FET-based real-time monitoring of cortisol 40 3.2.1 Materials 40 3.2.2 Manufacturing of silicon nanowire field effect transistors (SiNW FETs) 42 3.2.3 Integration of SiNW FETs into a portable platform 42 3.2.4 Biomodification and characterization of electronic biosensors SiNW FETs 42 3.2.5 Electric characterization of FETs 47 3.3 References 50 4 Plasmonic DNA biosensor based on vertical arrays of gold nanoantennas 51 4.1 Introduction - Optical biosensors operating by means of LSPR 53 4.2 Biosensing with vertically aligned gold nanoantennas 56 4.2.1 Sensor fabrication, characterization, and integration 56 4.2.2 Integration of microfluidics 58 4.2.3 Immobilization of probe DNA and backfilling 58 4.2.4 Hybridization of complementary DNA strands 62 4.2.5 Surface coverage and hybridization efficiency of DNA 69 4.2.6 Refractive index sensing 72 4.2.7 Backfilling and blocking 73 4.3 Summary 75 4.4 References 77 5 Label-free detection of salivary cortisol with SiNW FETs 83 5.1 Introduction 85 5.2 Design, integration, and performance of SiNW FETs into a portable platform 89 5.2.1 Structure and electrical characteristics of honeycomb SiNW FETs 89 5.2.2 Integration of SiNW FET into a portable measuring unit 91 5.2.3 Performance of SiNW FET arrays 93 5.3 Detection of biomolecules with SiNW FETs 102 5.3.1 General considerations for biodetection with FETs 102 5.3.2 Sensing aptamers with FETs 103 5.3.3 Biodetection of the analyte cortisol with SiNW FETs 104 5.3.4 Detection of cortisol with SiNW FETs 112 5.4 Summary 119 5.5 References 121 6 Summary and outlook 131 6.1 Summary 131 6.2 Perspectives – toward multiplexed biosensing applications 134 6.3 References 137 Appendix i A.1 Protocols i A.1.1 Functionalization of gold antennas with thiolated DNA i A.1.2 Functionalization of SiO2 with TESPSA and amino-modified receptors i A.1.3 Functionalization with APTES and carboxyl-modified receptors ii A.1.4 Preparation of microfluidic channels via soft lithography ii A.2 Predicted secondary structures iv A.2.1 Secondary structures of 100base pair target without probe-strands iv A.2.2 Secondary structures of 100base pair target with 25 base pair probe-strand x Versicherung xvii Acknowledgments xix List of publications xxi Peer-reviewed publications xxi Publications in preparation xxi Selected international conferences xxii Curriculum Vitae xxiii