title: Quantenpunkte : Synthese, Charakterisierung und elektrochemische Biosensoren für Biologie- und Lebenswissenschaften
title: Quantum Dots: Synthesis, Characterization and electrochemical sensing for life sciences
Creators: name: Sabir, Nadeem
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: GMP
Physics
Physik
Biowissenschaften
Quantum Dots, Photoelectrochemical sensor
GMPK
Elektrochemischer Sensor , Quantenpunkt

description: 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.
description: 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.