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Differential Photoelectrochemical Biosensing Using DNA Nanospacers to Modulate Electron Transfer between Metal and Semiconductor Nanoparticles

生物传感器 材料科学 纳米技术 纳米材料 电子转移 光电子学 光化学 化学
作者
Sudip Saha,Amanda Victorious,Richa Pandey,Amanda Clifford,Igor Zhitomirsky,Leyla Soleymani
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (33): 36895-36905 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acsami.0c09443
摘要

As dynamic biorecognition agents such as functional nucleic acids become widely used in biosensing, there is a need for ultrasensitive signal transduction strategies, beyond fluorescence, that are robust and stable for operation in heterogeneous biological samples. Photoelectrochemical readout offers a pathway toward this goal as it offers the simplicity and scalability of electrochemical readout, in addition to compatibility with a broad range of nanomaterials used as labels for signal transduction. Here, a differential photoelectrochemical biosensing approach is reported, in which DNA nanospacers are used to program the response of two sensing channels. The differences in the motional dynamics of DNA probes immobilized on different channels are used to control the interaction between Au and TiO2 nanoparticles positioned at the two ends of the DNA nanospacer to achieve differential signal generation. Depending on the composition of the DNA constructs (fraction of the DNA sequence i.e., double-stranded), the channels can be programmed to produce a signal-on or a signal-off response. Incident photon-to-current conversion efficiency, UV–vis spectroscopy, and flat-band potential measurement indicate that direct transfer of electrons between metallic and semiconductive nanoparticles is responsible for the signal-on response, and incident light absorption and steric hindrance are responsible for the signal-off response. The differential photoelectrochemical signal readout developed here increases the device sensitivity by up to three times compared to a single channel design and demonstrates a limit of detection of 800 aM.

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