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Titel:Quantum Dots: Synthesis, Characterization and electrochemical sensing for life sciences
Autor:Sabir, Nadeem
Weitere Beteiligte: Parak, Wolfgang (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2016
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0103
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0103
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-01032
DDC: Physik
Titel(trans.):Quantenpunkte : Synthese, Charakterisierung und elektrochemische Biosensoren für Biologie- und Lebenswissenschaften

Dokument

Schlagwörter:
GMP, Elektrochemischer Sensor, Quantenpunkt, Biowissenschaften, Photoelectrochemical sensor, GMPK, Quantum Dots, GMP

Summary:
Subjects of the present dissertation are the synthesis, and the characterization of colloidal Quantum dots and their application in electrochemical biosensors for biological and life sciences. This study splits into two parts. The first part consists on the synthesis and the characterization of various types of quantum dots (QDs), i.e., doped (CdS:Mn and CdS/Mn:ZnS/ZnS core/shell) and undoped (CdS, CdS/ZnS core/shell, CdSe and CdSe/ZnS core/shell QDs) QDs. The second part concerns the fabrication of a bioelectrochemical sensor based on CdS/ZnS QDs. Mn-doped CdS and CdS/ZnS QDs were synthesized in organic solvent; Mn ions were incorporated into CdS QDs (CdS:Mn) and in the case of the CdS/ZnS QDs, Mn ions were incorporated into a thin (2 atomic monolayers) ZnS shell, which after Mn doping was further grown (2 atomic monolayers). In order to study the optical properties of Mn doped CdS/ZnS core shell QDs, a fluorescence resonance energy transfer (FRET) system was performed, in which the Mn2+ ions and organic dyes(ATTO633) as acceptors were incorporated into the ZnS shell and polymer shell, respectively. The polymer shell was used to provide colloidal stability for the CdS/ZnS QDs. In this study, we propose that the double energy transfer process take place among the three fluorescence sources, first within the Mn-doped CdS/ZnS QDs, i.e., from the CdS/ZnS QDs to the Mn ions and then, from the excited Mn ions to the organic dye, the organic fluorophore ATTO633 incorporated within the polymer coating of Mn-doped CdS/ZnS QDs. A bioelectrochemical sensor for specific detection of guanosine monophosphate (GMP) is demonstrated based on the combination of three enzymatic reactions. We have combined all three enzymatic reactions with the detection at the QD electrode. In both cases, all three enzymes (i.e., Guanylate monophosphate kinase (GMPK), pyruvate kinase (PK) and lactate dehydrogenase (LDH)) were immobilized together, on top of the QD electrodes, or added directly to the electrolyte solution. Photocurrent measurements were performed with varying concentrations of GMP, but with fixed concentration of the three enzymes and other enzymes /coenzymes like adenosine triphosphate (ATP), phosphoenolpyruvat (PEP), and nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen NADH. Clearly the photocurrent response was found to be dependent on the GMP concentration added to the solution. This verifies that a signal cascade from the first GMPK reaction through the PK and LDH reaction, and finally to the NADH to NAD+ oxidation at the QD electrode could be measured. In the first reaction, the enzymatic conversion of GMP by GMPK produces adenosine diphosphate(ADP). In the second reaction, ADP and phosphoenolpyruvate (PEP) are converted into Adenosine triphosphate (ATP) and pyruvate. In the third reaction pyruvate (Py) and nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen (NADH) are converted to lactate and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+). Finally Py was converted by LDH under consumption of NADH, which was electrochemically determined. The photocurrent response to GMP for the combined reaction demonstrates that GMP could be detected electrochemically.

Zusammenfassung:
Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Synthese und Charakterisierung kolloidaler Quantenpunkte und ihre Anwendung in elektrochemischen Biosensoren für Biologie- und Lebenswissenschaften. Diese Studie teilt sich in zwei Teile. Der erste Teil setzt sich aus der Synthese und Charakterisierung verschiedener Arten von Quantenpunkten (QPs) zusammen wie dotierte (CdS:Mn und CdS/Mn:ZnS/ZnS Kern/Hülle) sowie undotierte (CdS, CdS/ZnS Kern/Hülle, CdSe und CdSe/ZnS Kern/Hülle) QPs. Der zweite Teil bezieht sich auf die Herstellung eines bio-elektrochemischen Sensors auf Basis von CdS/ZnS QPs. Mn-dotierte CdS und CdS/ZnS-QPs wurden in organischen Lösungsmittel synthetisiert wobei Mn-Ionen zunächst in CdS-QPs (CdS:Mn) eingebracht wurden. Im Falle der CdS/ZnS-QPs wurden Mn-Ionen in eine dünne Schicht aus ZnS (bestehend aus 2 molekularen Einzelschichten) eingebracht, welche nach Mn-dotierung mit zwei weiteren ZnS Einzelschichten versiegelt wurde. Um die optischen Eigenschaften Mn-dotierter CdS/ZnSQPs zu untersuchen, wurde ein System basierend auf strahlungsfreiem Fluoreszenz- Resonanzenergietransfer erarbeitet, wobei zusätzlich Farbstoffmoleküle (ATTO633) als Akzeptor in die Polymerhülle eingebracht wurden. Die Polymerhülle wurde verwendet, um die kolloidale Stabilität der CdS/ZnS-QPs zu gewehrleisten. Es ist anzunehmen dass der Energieübertragungsprozess zwischen den drei Fluoreszenzquellen in bestimmter Reihenfolge stattfindet. Zunächst innerhalb der QPs, d.h. zwischen CdS/ZnS-QPs und Mn2+-Ionen und dann von den angeregten Mn2+-Ionen zu den Farbstoffmolekülen innerhalb Polymerhülle. Ein bio-elektrochemischer Sensor für den spezifischen Nachweis von Guanosinmonophosphat (GMP) wird vorgestellt, basierend auf der Kombination dreier enzymatischer Reaktionen. Alle drei enzymatische Reaktionen wurden mit der Detektion an der QP-Elektrode kombiniert. In beiden Fällen wurden alle drei Enzyme (Guanylat-Monophosphatkinase (GMPK), Pyruvatkinase (PK) und Lactatdehydrogenase (LDH)) auf der Oberseite der QP-Elektrode immobilisiert oder direkt zu der Elektrolytlösung gegeben. Photostrommessungen wurden mit variierenden Konzentrationen von GMP durchgeführt aber mit festen Konzentration der drei Enzyme sowie weiterer Enzyme bzw. Coenzyme wie Adenosintriphosphat (ATP), Phosphoenolpyruvat (PEP) und Nicotinamidadenindinukleotid Wasserstoff (NADH). Die Resonanz des Photoelektronenstroms war proportional zur GMPKonzentration in Lösung. Dies lässt auf eine Signalkaskade schließen, anfangend mit der ersten GMPK-Reaktion, weiter zur PK- und LDH-Reaktion und schließlich auf die Oxidationsreaktion von NADH zu NAD+, welche an der QP-Elektrode gemessen werden konnte. In der ersten Reaktion erzeugt die enzymatische Umwandlung von GMP durch GMPK, Adenosindiphosphat (ADP). In der zweiten Reaktion werden ADP und Phosphoenolpyruvat (PEP) in Adenosintriphosphat (ATP) und Pyruvat umgewandelt. In der dritten Reaktion werden Pyruvat (Py) und Nicotinamidadenindinukleotid Wasserstoff(NADH) zu Lactat und Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) umgewandelt. Schließlich wurde Py von LDH unter Verbrauch von NADH umgewandelt was elektrochemisch bestimmt wurde. Die Resonanz des Photoelektronenstroms zu GMP der kombinierten Reaktion beweist den elektrochemischen Nachweis von GMP.


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