This dissertation presents the development of an alternative aptamer screening process, Competition-Induced Selection of Ligands (CISL), and its use in screening for ssDNA aptamers for gold substrates. Gold substrates are presented as the nonnucleotide target for implementing CISL as a novel aptamer screening approach. Chapter 1 provides an overview of the in vitro selection of oligonucleotide aptamers, the polymerase chain reaction that is a key step in the aptamer screening process, the synthesis and properties of gold nanoparticles and the biomolecule-mediated formation of inorganic nanoparticles. Chapter 2 presents the goals and objectives of this thesis along with an organizational overview of the dissertation. Chapter 3 describes the experimental techniques and optimizations pertinent to the development of the CISL aptamer screening process. Chapter 4 investigates the effects of various nucleic acid additions during the seed-mediated growth of gold nanoparticles. Chapter 5 discusses the use of CISL in screening for ssDNA aptamer candidates for spherical gold nanoparticles (AuNPs) and the primary and secondary structure analysis of identified sequences. Chapter 6 presents the use of CISL in screening for ssDNA aptamer candidates for planar gold substrates (PlanarAu) and also includes primary and secondary structure analysis of identified sequences accompanied with an incubation study to provide a “frequency” ranking of aptamers as adsorbate species on PlanarAu. Chapter 7 offers concluding remarks and ideas for future expansion and applications of this work.

This work refers to the area of bio-nanotechnology and concerns the selective immobilization of DNA or other bio-template on microstructured gold contacts and which then permit a coordinated cooperation of several of these nanotemplate, e.g., within a microreactor. The immobilization of such nano-objects should be realized through functional thin polymer films which provide binding groups. Thus, the main aim of this work was the development of polymeric materials for thin functional films which permit to deposit on different substrates a wide variation of functional elements or metal structures and to achieve a pattern formation using optical grid methods. In order to realize this concept it was necessary to design and develop a polymer system based on suitable photolabile units and in addition having anchoring groups which attach on specific substrates like gold. In this terpolymer concept was aimed for which consists of three components with particular functions in suitable molar ratios, which allow the tune the properties of the materials, and provide: amino photolabile protected groups for the photolithographic creation of patterned areas with free amino groups, which are available for further modifications like attachment of colloids, metallization or attachment of DNA strands; disulfide derivative anchor groups providing anchoring capacity for gold surface and spacer groups for adjusting the film quality. These multifunctional terpolymers should be synthesised by free radical polymerisation of suitable monomers. Although these techniques are successful, they are limited by their complexity, rigorous synthetic demands, as well as incompatibility with many functional termolabile and highly reactive functionalities. To overcome these difficulties a polymerisation technique based on “living” free radical polymerisation has been used in this work. A highly efficient polymer-analogous modification allows to introduce the functionalities after the polymer construction reaction. The production of suitable prepolymers [poly(styrene-r-4-propargyl-oxystyrene)] was carried out with the help of a controlled synthesis methodology “nitroxide mediate radical polymerization" followed by polymer analogous reaction using one of the most efficient click reactions, the Cu(I) catalyzed Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition between terminal acetylenes and azides to attach further functionalities through the formation of a stable 1,4-disubstituted 1,2,3-triazol ring . The combination of nitroxide mediated radical polymerization (NMRP) and click chemistry was used to produce well-defined random copolymer. It could already be shown that also block copolymers can be prepared which give the chance to combine nanostructure formation in block copolymers with special functionality. Thus, the special properties of these functional polymers like the capability for photopatterning and anchoring onto gold substrates make them very interesting for nanotechnology applications. / Diese Arbeit bezieht sich auf das Gebiet der Bionanotechnologie und betrifft ein neuartiges Verfahren zur selektiven Immobilisierung der DNA oder anderer Biomoleküle auf mikrostrukturierten Goldkontakten, welche dann ein koordiniertes Zusammenwirken von einzelnen Nanomolekülen ermöglichen, z.B. in einem Mikroreaktor. Die Immobilisierung solcher Nanoobjekte soll durch dünne Funktionsschichten realisiert werden, die die Anbindungsgruppen liefern. Folglich war das Hauptziel dieser Arbeit die Entwicklung von Polymermaterialien für dünne Funktionsschichten, die die Aufbringung einer großen Vielzahl von Funktionselementen oder metallischen Strukturen auf verschiedenen Substraten gestatten und die Strukturierung durch den Einsatz von lithographischen Methoden ermöglichen. Um dieses Konzept zu realisieren, war es notwendig, ein Polymersystem zu gestalten und zu entwickeln, welches auf geeignete photolabile Einheiten basiert und zusätzlich Ankergruppen hat, die mit spezifischen Substraten wie Gold verbunden ist. Dieses Terpolymerkonzept wurde gezielt aus drei Komponenten mit speziellen Funktionen in entsprechenden molaren Verhältnissen gebildet, die eine Abstimmung der Materialeigenschaften ermöglicht und folgendes bereitstellt: photolabile geschützte Aminogruppen für die photolitographische Strukturerzeugung mit freien Aminogruppen, welche für weitere Modifikationen verfügbar sind wie das Anhängen von Kolloiden, die Metallisierung oder Anfügung von DNA-Strängen; disulfide Derivate für die kovalente Anbindung auf der Goldoberfläche und Spacer-Gruppe für Verbesserung der Schichtenbildung. Diese multifunktionalen Terpolymere sollen durch eine freie radikalische Polymerisation von entsprechenden Monomeren synthetisiert werden. Obwohl diese Techniken erfolgreich sind, sind sie eingeschränkt durch ihre Komplexität, den strengen synthetischen Anforderungen, sowie der Inkompatibilität mit vielen funktionalen thermolabilen und hochreaktiven Funktionalitäten. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden wurde eine Polymerisationstechnik für diese Arbeit genutzt, die auf der „lebenden“ freien radikalischen Polymerisation basiert. Eine hoch effiziente polymeranaloge Modifizierung erlaubt die Einführung von Funktionalitäten nach der Polymeraufbaureaktion. Die Herstellung von entsprechenden Präpolymeren Poly(Styrol-r-4-Propargyl-oxystyrol) wurde mittels einer kontrollierten Synthesemethodik „Nitroxid-mediated controled radical polymerisation“ (NMRP) durchgeführt, gefolgt von der Polymeranalogreaktion, die eine der effizientesten Click-Reaktion - die Cu(I) katalysierte 1,3-dipolar Cycloaddition von terminalen Alkinen an Aziden nach Huisgen nutzt, um weiter Funktionalitäten durch die Bildung eines stabilen 1,4-disubstituierten-[1,2,3]-Triazolringes anzufügen. Die Kombination von NMRP und Click-Chemie wurde zur Herstellung eines exakt definierten Random Copolymers genutzt. Es konnte bereits gezeigt werden, dass auch Blockcopolymere geschaffen werden können, die eine Möglichkeit zur Kombination von Nanostrukturformationen in Blockcopolymeren mit speziellen Funktionaltäten bieten. Folglich sind die speziellen Eigenschaften dieser Funktionalpolymere wie die Fähigkeit zur Photostrukturierung und Verankerung auf Goldsubstraten für nanotechnologische Anwendungen sehr interessant.

This work refers to the area of bio-nanotechnology and concerns the selective immobilization of DNA or other bio-template on microstructured gold contacts and which then permit a coordinated cooperation of several of these nanotemplate, e.g., within a microreactor. The immobilization of such nano-objects should be realized through functional thin polymer films which provide binding groups. Thus, the main aim of this work was the development of polymeric materials for thin functional films which permit to deposit on different substrates a wide variation of functional elements or metal structures and to achieve a pattern formation using optical grid methods. In order to realize this concept it was necessary to design and develop a polymer system based on suitable photolabile units and in addition having anchoring groups which attach on specific substrates like gold. In this terpolymer concept was aimed for which consists of three components with particular functions in suitable molar ratios, which allow the tune the properties of the materials, and provide: amino photolabile protected groups for the photolithographic creation of patterned areas with free amino groups, which are available for further modifications like attachment of colloids, metallization or attachment of DNA strands; disulfide derivative anchor groups providing anchoring capacity for gold surface and spacer groups for adjusting the film quality. These multifunctional terpolymers should be synthesised by free radical polymerisation of suitable monomers. Although these techniques are successful, they are limited by their complexity, rigorous synthetic demands, as well as incompatibility with many functional termolabile and highly reactive functionalities. To overcome these difficulties a polymerisation technique based on “living” free radical polymerisation has been used in this work. A highly efficient polymer-analogous modification allows to introduce the functionalities after the polymer construction reaction. The production of suitable prepolymers [poly(styrene-r-4-propargyl-oxystyrene)] was carried out with the help of a controlled synthesis methodology “nitroxide mediate radical polymerization" followed by polymer analogous reaction using one of the most efficient click reactions, the Cu(I) catalyzed Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition between terminal acetylenes and azides to attach further functionalities through the formation of a stable 1,4-disubstituted 1,2,3-triazol ring . The combination of nitroxide mediated radical polymerization (NMRP) and click chemistry was used to produce well-defined random copolymer. It could already be shown that also block copolymers can be prepared which give the chance to combine nanostructure formation in block copolymers with special functionality. Thus, the special properties of these functional polymers like the capability for photopatterning and anchoring onto gold substrates make them very interesting for nanotechnology applications. / Diese Arbeit bezieht sich auf das Gebiet der Bionanotechnologie und betrifft ein neuartiges Verfahren zur selektiven Immobilisierung der DNA oder anderer Biomoleküle auf mikrostrukturierten Goldkontakten, welche dann ein koordiniertes Zusammenwirken von einzelnen Nanomolekülen ermöglichen, z.B. in einem Mikroreaktor. Die Immobilisierung solcher Nanoobjekte soll durch dünne Funktionsschichten realisiert werden, die die Anbindungsgruppen liefern. Folglich war das Hauptziel dieser Arbeit die Entwicklung von Polymermaterialien für dünne Funktionsschichten, die die Aufbringung einer großen Vielzahl von Funktionselementen oder metallischen Strukturen auf verschiedenen Substraten gestatten und die Strukturierung durch den Einsatz von lithographischen Methoden ermöglichen. Um dieses Konzept zu realisieren, war es notwendig, ein Polymersystem zu gestalten und zu entwickeln, welches auf geeignete photolabile Einheiten basiert und zusätzlich Ankergruppen hat, die mit spezifischen Substraten wie Gold verbunden ist. Dieses Terpolymerkonzept wurde gezielt aus drei Komponenten mit speziellen Funktionen in entsprechenden molaren Verhältnissen gebildet, die eine Abstimmung der Materialeigenschaften ermöglicht und folgendes bereitstellt: photolabile geschützte Aminogruppen für die photolitographische Strukturerzeugung mit freien Aminogruppen, welche für weitere Modifikationen verfügbar sind wie das Anhängen von Kolloiden, die Metallisierung oder Anfügung von DNA-Strängen; disulfide Derivate für die kovalente Anbindung auf der Goldoberfläche und Spacer-Gruppe für Verbesserung der Schichtenbildung. Diese multifunktionalen Terpolymere sollen durch eine freie radikalische Polymerisation von entsprechenden Monomeren synthetisiert werden. Obwohl diese Techniken erfolgreich sind, sind sie eingeschränkt durch ihre Komplexität, den strengen synthetischen Anforderungen, sowie der Inkompatibilität mit vielen funktionalen thermolabilen und hochreaktiven Funktionalitäten. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden wurde eine Polymerisationstechnik für diese Arbeit genutzt, die auf der „lebenden“ freien radikalischen Polymerisation basiert. Eine hoch effiziente polymeranaloge Modifizierung erlaubt die Einführung von Funktionalitäten nach der Polymeraufbaureaktion. Die Herstellung von entsprechenden Präpolymeren Poly(Styrol-r-4-Propargyl-oxystyrol) wurde mittels einer kontrollierten Synthesemethodik „Nitroxid-mediated controled radical polymerisation“ (NMRP) durchgeführt, gefolgt von der Polymeranalogreaktion, die eine der effizientesten Click-Reaktion - die Cu(I) katalysierte 1,3-dipolar Cycloaddition von terminalen Alkinen an Aziden nach Huisgen nutzt, um weiter Funktionalitäten durch die Bildung eines stabilen 1,4-disubstituierten-[1,2,3]-Triazolringes anzufügen. Die Kombination von NMRP und Click-Chemie wurde zur Herstellung eines exakt definierten Random Copolymers genutzt. Es konnte bereits gezeigt werden, dass auch Blockcopolymere geschaffen werden können, die eine Möglichkeit zur Kombination von Nanostrukturformationen in Blockcopolymeren mit speziellen Funktionaltäten bieten. Folglich sind die speziellen Eigenschaften dieser Funktionalpolymere wie die Fähigkeit zur Photostrukturierung und Verankerung auf Goldsubstraten für nanotechnologische Anwendungen sehr interessant.