Nanomaterial Based Photoelectrochemical Sensor for Multiplex Detections and the Further Study of Photocurrent Enhancement

Abstract

In der Forschung nach Sensoren hat das Multiplex-Übertragungssystem immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da es mehr Informationen des zu überprüfen Objekts gleichzeitig erfassen kann, wodurch die Überprüfungsseffizienz erheblich verbessert wird. In dieser Arbeit verwirklichte eine auf einer selbstgebauten (homebuilt) photoelektrochemischen (PEC) basierenden Sensorelektrode unter der Lichtadressierungsoperation gleichzeitige Überprüfung von zwei Enzymsubstraten. Mit Hilfe einer isolierenden selbstorganisierten Schicht (trans-4,4'-Stilbenedithiol) werden CdSe/ZnS-Kern/Schale-Quantenpunkte (QDs) auf der Goldelektrodenoberfläche selbstorganisiert, um eine Sensorelektrode (QD-Elektrode) aufzubauen. Nur wenn Licht an die Elektrode angelegt wird, wird ein Fotostrom (photocurrent) erzeugt, wenn kein Licht vorhanden ist, wird kein Fotostromsignal erfasst. Glucoseoxidase (glucose oxidase) oder Sarsosin-Osidase (sarsosine osidase) ist an der QD-Elektrode selbstorganisiert, was den Überprüfung von Glucose bzw. Sarcosin ermöglicht. Auf dieser Basis werden Glucoseoxidase und Sarcosinoxidase gleichzeitig auf derselben Elektrode selbstorganisiert und bilden unterschiedliche unabhängige Sensorarrays kleiner Größe, wodurch der gleichzeitige Überprüfung von zwei Analyten mit einer Elektrode erreicht wird . Der Überprüfungsvorgang der parallele Überprüfung der beiden Analyten, wird durch den sich auf der Elektrodenoberfläche bewegenden Laserspot (Durchmesser 0,3 mm) gesteuert und der Nachweis erfolgt in drei Lösungen (Mischlösung aus Glucose, Sarcosin, Glucose und Sarcosin) kann die Enzymreaktion nur dort nachgewiesen werden, wo der Lichtfleck scheint.Wenn am Ende zwei Arten von Testobjekten gleichzeitig existieren, können sie die gegenseitige Interferenz überwinden und gleichzeitig von einem Sensorchip erfasst werden. Zusätzlich verwendeten wir die Photocurrent-Imaging-Technologie, um die Größe eines einzelnen Enzymarrays in x- und y-Achsenrichtung zu charakterisieren und die Größe ist 1,9 mm * 1,3 mm. Darüber hinaus wurde durch kontinuierliche Überwachung des Photostroms die Verteilung der Enzymaktivität auf einem einzelnen Enzymarray erfolgreich charakterisiert. Andereerseits versuchen diese Arbeit die Photoelektrochemie (Nanoenzym) durch Forschung nach Nanoenzymen (Nanoenzym), ob die Nanoenzyme im System (PEC) natürliche Enzyme und Quantenpunkte (QD) ersetzen können, um die Mängel natürlicher Enzyme wie die einfache Deaktivierung und den hohen Preis zu beheben und die durch diese Mängel verursachte Instabilität des Photostroms zu vermeiden. CeO2-Nanozyme haben nicht nur katalytische Eigenschaften für H2O2, sondern auch photoelektrische Eigenschaften als Halbleitermaterialien. Daher können CeO2-Nanopartikel etwas Wasserstoffperoxidreduktase (H2O2-Reduktionsenzym) ersetzen und können sich auf der Elektrode assemblieren, um einen Photostrom zu erzeugen. Auf dieser Basis haben wir in diesem Artikel die Forschung nach heterogener (hybrider) Au/ CeO2-Schale/Kern-Nanomaterialien eingeführt, um die Photostrom- Verstärkungstechnologie weiter zu untersuchen. Im Vergleich zum Photostrom gewöhnlicher CeO2-Nanomaterialien ist der Photostrom heterogener Au/CeO2-Nanomaterialien in PBS und H2O2 erhöht, was zeigt, dass die heterogenen Nanomaterialien bessere katalytische und photoelektrische Eigenschaften aufweisen. Die Photostromergebnisse unter verschiedenen Wellenlängen von monochromatischem Licht (Wellenlängenabhängigkeit) beweisen, dass der Au-Kern eine wichtige Rolle bei der Verbesserung des Photostroms heterogener Nanomaterialien spielt. Durch die Einführung einer Mischung aus Goldnanopartikeln (AuNP) und CeO2 NP und den Vergleich ihres Photostroms mit dem Photostromverstärkungseffekt heterogener Nanomaterialien (Au/CeO2) spielt die Goldhalbkontaktschnittstelle (Halbleiter-Metall) eine Rolle im Photostrom Der Verbesserungseffekt wurde ebenfalls verifiziert. Schließlich wird die Schicht-für-Schicht-Technologie (LBL) eingesetzt, um die katalytischen und photoelektrischen Eigenschaften von CeO2-Nanomaterialien und Au / CeO2-Nanomaterialien weiter zu verbessern. Dies liegt daran, dass LBL die Bedeckung des Nanomaterials auf der Elektrodenoberfläche verbessern kann, so dass schließlich eine gute H2O2-Nachweisgrenze (3 uM) erreicht wird und der lineare Nachweisbereich 2-1000 uM beträgt.

In the effort to improve sensors, the development of multiplex sensing systems is an important trend because this type of system significantly improves the sensors’ efficiency by obtaining more information at one time. In this cumulative dissertation, light-directed multiplex detections of different substrates were realized based on a homebuilt photoelectrochemical (PEC) electrode. To fabricate the electrode, CdSe/ZnS core/shell quantum dots (QDs) were immobilised on a gold (Au) electrode using an insulating self-assembly-monolayer (SAM) of trans-4,4′-stilbenedithiol, resulting in a light-triggered photocurrent when light is applied and no photocurrent when the light is turned off. Afterwards, enzymes of glucose oxidase (GOx) or sarcosine oxidase (SOx) were immobilised on the surface of the QD-electrode to detect glucose and sarcosine, respectively. Based on those results, the GOx and SOx enzymes were immobilised on a single chip together as discrete and small-sized sensing arrays to selectively detect glucose and sarcosine at the same time. The parallel detections were triggered and controlled by moving a localised laser pointer (0.3 mm) over the sensing arrays in different analytes (glucose, sarcosine, the mixture of glucose and sarcosine). Eventually, two substrates can be detected with single chip simultaneously, overcoming the interference from each other. Moreover, a photocurrent imaging technique was used to characterise the spatial size of a single enzyme array in both the x- and y-direction as 1.9 mm × 1.3 mm. It was also possible to visualise the enzymatic activity distribution of the single enzyme array using continuous photocurrent measurement. Furthermore, to overcome the disadvantages of a natural enzyme, such as easy inactivation and high cost, also to improve the photocurrent stability brought by the disadvantages, another study was conducted for this dissertation, attempting to study if a nanozyme can replace the natural enzyme and QDs. CeO2 nanozyme nanoparticles (NPs) have both mimicking catalytic activity towards H2O2 reduction and photoelectrical properties as semiconductor, so CeO2 can replace the H2O2 reduction enzymes and single-layer CeO2 NPs can be immobilised to generate the basic photocurrent on the PEC electrode. Based on that, technique of photocurrent enhancement was studied by introducing hybrid Au/CeO2 core/shell NPs in this dissertation. The photocurrent of Au/CeO2 was significantly enhanced in both phosphate buffer solution (PBS) and H2O2, indicating that the hybrid NPs have better catalytic and photoelectrical properties than the pure CeO2 NPs. Wavelength dependent measurements were used to verify that the Au core plays an important role in the photocurrent enhancement of hybrid NPs. By introducing a mixture of CeO2 NPs and Au NPs and comparing with hybrid Au/CeO2 NPs, the effect of semiconductor-metal interface on the photocurrent enhancement was also verified. Furthermore, a layer-by-layer (LbL) technique was applied to both the CeO2 NPs and the hybrid Au/CeO2 NPs to further enhance the catalytic and photoelectrical properties by creating more NP coverage, resulting in good H2O2 detection limit of 3 μM with a linear detection range of 2–1000 μM.