Particles in the nanometer size range are attracting increasing attention with the growth of interest in nanotechnological disciplines. Nanoparticles display fascinating electronic and optical properties as a consequence of their dimensions and they may be easily synthesized from a wide range of materials. The dimensions of these particles makes them ideal candidates for the nanoengineering of surfaces and the fabrication of functional nanostructures. In the last five years, much effort has been expended on their organization on surfaces for the construction of functional interfaces. In this review, we address the research that has led to numerous sensing, electronic, optoelectronic, and photoelectronic interfaces, and also take time to cover the synthesis and characterization of nanoparticles and nanoparticle arrays.

Abstract Impedance spectroscopy is a rapidly developing electrochemical technique for the characterization of biomaterial‐functionalized electrodes and biocatalytic transformations at electrode surfaces, and specifically for the transduction of biosensing events at electrodes or field‐effect transistor devices. The immobilization of biomaterials, e.g., enzymes, antigens/antibodies or DNA on electrodes or semiconductor surfaces alters the capacitance and interfacial electron transfer resistance of the conductive or semiconductive electrodes. Impedance spectroscopy allows analysis of interfacial changes originating from biorecognition events at electrode surfaces. Kinetics and mechanisms of electron transfer processes corresponding to biocatalytic reactions occurring at modified electrodes can be also derived from Faradaic impedance spectroscopy. Different immunosensors that use impedance measurements for the transduction of antigen‐antibody complex formation on electronic transducers were developed. Similarly, DNA biosensors using impedance measurements as readout signals were developed. Amplified detection of the analyte DNA using Faradaic impedance spectroscopy was accomplished by the coupling of functionalized liposomes or by the association of biocatalytic conjugates to the sensing interface providing biocatalyzed precipitation of an insoluble product on the electrodes. The amplified detections of viral DNA and single‐base mismatches in DNA were accomplished by similar methods. The changes of interfacial features of gate surfaces of field‐effect transistors (FET) upon the formation of antigen‐antibody complexes or assembly of protein arrays were probed by impedance measurements and specifically by transconductance measurements. Impedance spectroscopy was also applied to characterize enzyme‐based biosensors. The reconstitution of apo‐enzymes on cofactor‐functionalized electrodes and the formation of cofactor‐enzyme affinity complexes on electrodes were probed by Faradaic impedance spectroscopy. Also biocatalyzed reactions occurring on electrode surfaces were analyzed by impedance spectroscopy. The theoretical background of the different methods and their practical applications in analytical procedures were outlined in this article.

The reconstitution of an apo-flavoenzyme, apo–glucose oxidase, on a 1.4-nanometer gold nanocrystal functionalized with the cofactor flavin adenine dinucleotide and integrated into a conductive film yields a bioelectrocatalytic system with exceptional electrical contact with the electrode support. The electron transfer turnover rate of the reconstituted bioelectrocatalyst is ∼5000 per second, compared with the rate at which molecular oxygen, the natural cosubstrate of the enzyme, accepts electrons (∼700 per second). The gold nanoparticle acts as an electron relay or “electrical nanoplug” for the alignment of the enzyme on the conductive support and for the electrical wiring of its redox-active center.

Abstract The selection of aptamers—nucleic acids that specifically bind low‐molecular‐weight substrates or proteins—by the SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) procedure has attracted recent efforts directed to the development of new specific recognition units. In particular, extensive activities have been directed to the application of aptamers as versatile materials for the design of biosensors. The Minireview summarizes the recent accomplishments in developing electronic aptamer‐based sensors (aptasensors), which include electrochemical, field‐effect transistor, and microgravimetric quartz crystal microbalance sensors, and describes methods to develop amplified aptasensor devices and label‐free aptasensors.

Abstract Metal, semiconductor and magnetic particles act as functional units for electroanalytical applications. Metal nanoparticles provide three important functions for electroanalysis. These include the roughening of the conductive sensing interface, the catalytic properties of the nanoparticles permiting their enlargement with metals and the amplified electrochemical detection of the metal deposits and the conductivity properties of nanoparticles at nanoscale dimensions that allow the electrical contact of redox‐centers in proteins with electrode surfaces. Also, metal and semiconductor nanoparticles provide versatile labels for amplified electroanalysis. Dissolution of the nanoparticle labels and the electrochemical collection of the dissolved ions on the electrode followed by the stripping‐off of the deposited metals represents a general electroanalytical procedure. These unique functions of nanoparticles were employed for developing electrochemical gas sensors, electrochemical sensors based on molecular‐ or polymer‐functionalized nanoparticle sensing interfaces, and for the construction of different biosensors including enzyme‐based electrodes, immunosensors and DNA sensors. Semiconductor nanoparticles enable the photoelectrochemical detection of analytes. Several studies have revealed the photocurrent generation by enzyme‐mediated processes and as a result of DNA hybridization. Magnetic particles act as functional components for the separation of biorecognition complexes and for the amplified electrochemical sensing of DNA or antigen/antibody complexes. Also, electrocatalytic and bioelectrocatalytic processes at electrode surfaces are switched by means of functionalized magnetic particles and in the presence of an external magnet.

The catalytic enlargement of aptamer-functionalized Au nanoparticles amplifies the optical detection of aptamer-thrombin complexes in solution and on surfaces.

Strand and deliver: Two different optical methods to analyze Hg2+ ions based on the formation of thymine–Hg2+ complexes are developed. These methods include the analysis of Hg2+ ions by using aggregated gold nanoparticles and by using a DNA-based machine (see scheme). Supporting information for this article is available on the WWW under http://www.wiley-vch.de/contents/jc_2002/2008/z705991_s.pdf or from the author. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

The reconstitution of glucose oxidase on a flavin-adenine-dinucleotide (FAD)-functionalized single-walled carbon nanotube (SWCNT) associated with an Au electrode yields an electrically contacted biocatalyst (see picture). The efficiency of the electrical contact is controlled by the length of the SWCNT.

Nucleic acid subunits consisting of fragments of the horseradish peroxidase (HRP)-mimicking DNAzyme and aptamer domains against ATP or sequences recognizing Hg(2+) ions self-assemble, in the presence of ATP or Hg(2+), into the active hemin-G-quadruplex DNAzyme structure. The DNAzyme-generated chemiluminescence provides the optical readout for the sensing events. In addition, the DNAzyme-stimulated chemiluminescence resonance energy transfer (CRET) to CdSe/ZnS quantum dots (QDs) is implemented to develop aptamer or DNA sensing platforms. The self-assembly of the ATP-aptamer subunits/hemin-G-quadruplex DNAzyme, where one of the aptamer subunits is functionalized with CdSe/ZnS QDs, leads to the CRET signal. Also, the functionalization of QDs with a hairpin nucleic acid that includes the G-quadruplex sequence in a ''caged'' configuration is used to analyze DNA. The opening of the hairpin structure by the target DNA assembles the hemin-G-quadruplex DNAzyme that stimulates the CRET signal. By the application of three different sized QDs functionalized with different hairpins, the multiplexed analysis of three different DNA targets is demonstrated by the generation of three different CRET luminescence signals.