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Titel: Light addressable gold electrodes
Autor: Khalid, Waqas
Weitere Beteiligte: Parak, Wolfgang J. (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0496
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0496
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-04965
DDC: 500 Naturwissenschaften
Titel(trans.): Licht adressierbare Gold-Elektroden

Dokument

Schlagwörter:
Licht adressierbare, Elektrochemische Sensoren, Alkalische Phosphatase und Wasserstoffperoxid, Light addressable, Electrochemical sensors, Alkaline Phosphatase and Hydrogen peroxide

Summary:
The main objective carried out in this dissertation was to fabricate Light Amplified Potentiometric sensors (LAPS) based upon the semiconductor nanoparticles (quantum dots) instead of its bulk form. Quantum dots (QDs) were opted for this device fabrication because of their superior fluorescent, electric and catalytic properties. Also in comparison to their bulk counterparts they will make device small, light weighted and power consumption is much lower. QDs were immobilized on a Au substrate via 1,4 benzene dithiol (BDT) molecule. Initially a self-assembled monolayer (SAM) of BDT was established on Au substrate. Because of SAM, the conductivity of Au substrate decreased dramatically. Furthermore QDs were anchored with the help of BDT molecule on Au substrate. When QDs immobilized on Au substrate (QD/Au) via BDT molecule were irradiated with UV-visible light, electron-hole pairs were generated in QDs. The surface defect states in QDs trapped the excited electrons and long lived electron-hole pairs were formed. By the application of an appropriate bias potential on Au substrate the electrons could be supplied or extracted from the QDs via tunneling through BDT. Thus a cathodic or anodic current could be observed depending upon bias potential under illumination. However without light illumination the QD/Au electrode remained an insulator. To improve the device different modifications were made, including different substrates (Au evaporated on glass, Au evaporated on mica sheets and Au sputtered on SiO2/Si) and different dithiol molecules (capped and uncapped biphenyl 4,4 dithiol and capped and uncapped 4,4 dimercaptostilbenes) were tried. Also different QD immobilization techniques (normal incubation, spin coating, layer by layer assembly (LbL) of polyelectrolytes and heat immobilization) were employed. This device was able to detect electrochemically different analytes depending upon the QDs incorporated. For example CdS QDs were able to detect 4-Aminophenol, a product of an enzymatic reaction of Alkaline Phosphatase with p-Aminophenyl Phosphate. Subsequently this reaction was observed at CdS/Au electrode, by enzyme-substrate reaction within the electrolyte solution, and also by immobilizing the enzyme on top of QDs via LbL assembly of polyelectrolytes. With another kind of CdS-FePt dimer QDs, detection of hydrogen peroxide (H2O2) was demonstrated. Only at CdS/Au electrode there was no impact made by H2O2 but with the presence of Pt within QDs H2O2 was detected via reduction even at a bias potential of -100mV.

Zusammenfassung:
Ziel dieser Dissertation war die Herstellung von Licht unterstützten potentiometrischen Sensoren (engl. Light Amplified Potentiometric sensors, LAPS) mit Halbleiter Nanopartikeln (Quantenpunkte) anstelle einer kontinuierlichen Halbleiterschicht. Quantenpunkte (engl. Quantum Dots, QDs) eignen sich hierfür besonders aufgrund ihrer überragenden fluoreszierenden, elektrischen und katalytischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu Sensoren mit einer kontinuierlichen Halbleiterschicht sind diese Sensoren klein, leicht und zudem ist der Stromverbrauch sehr viel geringer. Hierzu wurden die QDs auf einem Gold-Substrat (Au-Substrat) mit Hilfe von Benzo-1,4-dithiol (BDT) immobilisiert. Zunächst wurde eine selbstorganisierte Monolage (engl. self-assembled monolayer, SAM) von BDT auf dem Au-Substrat gebildet. Die Leitfähigkeit des Au-Substrates verringert sich dramatisch aufgrund des gebildeten SAM. Über die BDT-Moleküle wurden die QDs auf dem Au-Substrat verankert. Bei der Anregung der auf der Au-Oberfläche immobilisierten QDs (QD/Au) durch UV Licht werden Elektron-Loch-Paare in den QDs generiert. Oberflächendefekte der QDs führen zu langlebigen Elektron-Loch-Paaren. Bei Anlegen eines gewissen Spannung an die Au-Oberfläche können Elektronen durch die BDT Schicht tunneln und von den QDs abgegeben oder aufgenommen werden. Daher kann ein Kathoden- oder Anodenstrom, abhängig vom Richtpotential, bei gleichzeitiger Beleuchtung beobachtet werden. Ohne die Beleuchtung wirkt die QD/Au Elektrode als Isolator. Zur Verbesserung des Aufbaus wurden verschiedene Modifikationen, wie verschiedene Substrate (Au aus Lösung abgeschieden auf Glas oder Glimmer Platten und aufgedampft auf SiO2/Si Oberflächen) und verschiedene Dithiol-Moleküle (geschütztes und ungeschütztes Biphenyl-4,4-dithiol und geschütztes und ungeschütztes 4,4-Dimercaptostilbene) vorgenommen und untersucht. Auch wurden verschiedene QD Immobilisierungstechniken (normale Inkubation, Drehbeschichtung, Schichtweise Adsorption von Polyelektrolyten (engl. layer by layer assembly, LbL) und Hitzeimmobilisierung) eingesetzt. Mit diesem Aufbau können elektrochemisch verschiedene Analyten detektiert werden, je nach eingearbeiteten QDs. Cadmiumsulfid (CdS) QDs können beispielsweise 4- Aminophenol, ein Produkt der enzymatischen Reaktion von alkaliner Phosphatase mit p-Aminophenylphosphat, nachweisen. Anschließend wurde diese Reaktion mit einer CdS/Au Elektrode untersucht wobei einerseits die Enzym-Substrat Reaktion in der Elektrolytlösung stattfand und andererseits das Enzym mittels LbL auf der Oberfläche der QDs fixiert wurde. Mit einer anderen Art von CdS-FePt Dimer QDs wurde der Nachweis von Wasserstoffperoxid (H2O2) erbracht. Bei der normalen CdS/Au Elektrode wurde kein Einfluss durch H2O2 festgestellt, lediglich bei Anwesenheit von Pt innerhalb der QDs wurde H2O2 über die Redox Reaktion selbst bei einer Spannung von -100mV detektiert.


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