In dieser Arbeit werden Ergebnisse elektrischer wie auch optischer Messungen an einzelnen Molekülen mit Hilfe von Festkörper-Nanoporen vorgestellt. Silizium- und Siliziumnitrid-Nanoporen wurden mit unterschiedlichsten Nanostrukturierungs-techniken hergestellt (Elektronen- und Ionenstrahllithography; Transmissionselektronenstrahl-Bohren; …), wobei jede dieser Techniken hinsichtlich der kleinstmöglichen realisierbaren Porengröße und der späteren Anwendbarkeit getestet wurde. Darüber hinaus wird der in dieser Arbeit verwendete Versuchsaufbau beschrieben, der zeitaufgelöste Messung von Ionenströmen bei geringem Rauschlevel durch die Nanopore und damit die elektrische Detektion einzelner, unmarkierter Moleküle, wie auch die optische Detektion einzelner, fluoreszenzmarkierter Moleküle erlaubt. Die elektrische Charakterisierung der Nanoporenchips erfolgte durch Elektrochemische Impedanz Spektroskopie sowie spektraler Rauschanalyse. Durch diese Messungen konnten elektrische Ersatzschaltbilder entworfen werden, mit deren Hilfe die Messkammer sowie der Nanoporenchip hinsichtlich des Rauschverhaltens optimiert werden konnten. Ergebnis dieser Optimierungen war ein Rauschlevel, dass es ermöglichte, Stromblockaden einzelner Proteine in der Nanopore zu messen und auszuwerten. Translokationen einzelner, unmarkierter DNA Moleküle durch eine Nanopore werden gezeigt, wobei unterschiedliche Faltungs-/ Konformationszustände der DNA identifiziert werden konnten. Darüber hinaus konnten kleine Moleküle, wie Proteine, die die Nanopore sehr schnell passieren, detektiert und deren Größe bestimmt werden. Eine Grundvoraussetzung hierzu ist eine zuverlässige Datenanalyse, die in Matlab implementiert wurde und die nachweislich sinnvolle Analyseresultate über die Grenzen der verwendeten Filterelektronik hinaus liefert. Bezüglich der Bestimmung von Proteingrößen zeigen einfache geometrische Modelle gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Zum ersten Mal konnte Elektroosmose als treibende Kraft bei der Translokation von Proteinen durch Festkörper Nanoporen experimentell nachgewiesen werden, die den elektrophoretischen Transport verstärken, abschwächen oder sogar überkompensieren kann. Ein neuartige Nanoporenstruktur wird vorgestellt, das nicht nur aus einer einzelnen Nanopore besteht, sondern aus zwei übereinanderliegenden Nanoporen die den Ein- und Ausgang zu einer Kavität mit Femtoliter-Volumen bilden. Diese besondere Architektur ermöglicht die Messung der Mobilität und des Zetapotentials einzelner DNA Moleküle und deren synchrone optische und elektrische Detektion. Diese Messungen beweisen zum ersten Mal direkt die Translokation einzelner Moleküle durch eine Nanopore. Darüber hinaus konnten Nano-Teilchen in der Kavität eingefangen und optisch, mittels Fluoreszenzmikroskopie, beobachtet werden. Dadurch konnte Diffusion unter starker räumlicher Beschränkung studiert werden und analytische Beschreibungen zum Austritt Brownscher Teilchen aus einem Volumen durch eine kleine Öffnung zum ersten Mal experimentell getestet werden. Sowohl der Einfluss der räumlichen Beschränkung auf die Diffusion wie auch die Austrittskinetik wurden simuliert. Die experimentellen Ergebnisse stimmen hervorragend mit dem analytischen Modell und der Simulation überein. Diese und zukünftige Experimente haben das Potential wichtige Eigenschaften biochemischer Reaktionen studieren zu können, da praktisch alle biologischen Prozesse innerhalb zellulärer Domänen ablaufen und entscheidend durch Kompartimentierung beeinflusst werden. Durch diese räumliche Beschränkung wird Diffusion innerhalb der Kompartimente und über deren Grenzen (durch kleine Kanäle und Poren) zu einer entscheidenden Größe.      «

In dieser Arbeit werden Ergebnisse elektrischer wie auch optischer Messungen an einzelnen Molekülen mit Hilfe von Festkörper-Nanoporen vorgestellt. Silizium- und Siliziumnitrid-Nanoporen wurden mit unterschiedlichsten Nanostrukturierungs-techniken hergestellt (Elektronen- und Ionenstrahllithography; Transmissionselektronenstrahl-Bohren; …), wobei jede dieser Techniken hinsichtlich der kleinstmöglichen realisierbaren Porengröße und der späteren Anwendbarkeit getestet wurde. Darüber hinaus wird...     »

This thesis reports on single molecule studies with solid-state nanopores and femto-liter compartments, probed by electrical and optical means. Silicon and silicon nitride nanopores were fabricated by various nanopatterning techniques (Electron beam lithography; Transmission electron microscopy drilling; Focused ion beam drilling; …) and the possibilities and limitations of each technique are evaluated. A measurement setup is presented which allows for low noise current recordings – and thus enables the electrical detection of single, unlabeled molecules – as well as fluorescence measurements on labeled single molecules. The nanopore devices were characterized by electrochemical impedance spectroscopy and spectral noise analysis and equivalent circuit models were developed to identify different noise sources. An optimization of measurement cell and nanopore chip, based on the equivalent circuit models, helped to reduce the overall system noise so that current blockade events of single molecules could be resolved. The translocation of single, unlabeled DNA molecules through a nanopore is demonstrated and different folding/conformational states are identified. Moreover, it is shown that even small molecules like proteins – which rapidly pass the nanopore – can be detected and sized. This was accomplished by an automated Matlab routine that allows for a reliable data analysis of rapid translocation events beyond the electronic filter constraints. Straightforward geometrical models show reasonable agreement between theory and experiment with respect to protein size. For the first time, electroosmosis is experimentally identified to strongly influence the translocation process of proteins through solid-state nanopores, i.e. enhancing, counteracting or even dominating electrophoretic transport. A novel concept for a nanopore structure is presented, which does not only consist of a single nanopore but comprises two stacked nanopores which form the opposing in- and out-lets to a cavity with a femto-liter volume. As a unique feature, this device architecture allows for mobility and zeta-potential studies and the synchronous optical and electrical detection of single DNA molecules. Besides, these measurements provide for the first time a direct electrical proof for the translocation of DNA molecules through nanopores. Finally, single nano-scale objects were trapped in the cavity of this device and observed via fluorescence microscopy. In this way diffusion of single nano-objects under strong confinement conditions was studied and analytical solutions on the escape kinetics of a Brownian particle through a small opening were experimentally tested for the first time. Both, the influence of confinement on diffusion and the escape kinetics were simulated. The experimental results show good agreement with analytical models and simulations. These and future experiments might have the potential to study important characteristics of biochemical reactions, since virtually all biological processes occur within cellular domains, and are influenced decisively by compartmentalization. Due to this spatial restriction, diffusion within and across compartment boundaries (through small channels and pores) becomes a dominant factor.      «

This thesis reports on single molecule studies with solid-state nanopores and femto-liter compartments, probed by electrical and optical means. Silicon and silicon nitride nanopores were fabricated by various nanopatterning techniques (Electron beam lithography; Transmission electron microscopy drilling; Focused ion beam drilling; …) and the possibilities and limitations of each technique are evaluated. A measurement setup is presented which allows for low noise current recordings – and thu...     »