Plasmon-Enhanced Photoelectrochemistry of Photosystem II on a Hierarchical Tin Oxide Electrode for Ultrasensitive Detection of 17β-Estradiol

化学 光电化学 氧化锡 光电流 等离子体子 光系统II 电极 光电子学 纳米技术 生物传感器 氧化物 光化学 电化学 光合作用 物理化学 生物化学 有机化学 物理 材料科学
作者
Jingjing Yao,Xiaonan Feng,Shangqing Wang,Yuemei Liang,Bintian Zhang
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:96 (45): 18029-18036 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.4c03429
摘要

Despite its excellent efficiency in natural photosynthesis, the utilization of photosystem II (PSII)-based artificial photoelectrochemical (PEC) systems for analytical purposes is hindered due to the low enzyme loading density and ineffective electron transfer (ET) processes. Here, we present a straightforward and effective approach to prepare a PSII-based biohybrid photoanode with remarkable photoresponse, enabled by the use of a hierarchically structured inverse-opal tin oxide (IO-SnO2) electrode combined with gold nanoparticles (Au NPs). The porous, carbon-containing IO-SnO2 structure allows for a high density and photoactivity loading of PSII complexes, while also providing strong electrical coupling between the protein film and the electrode. A new electron transfer pathway mediated by Au NPs was identified at the protein-electrode interface, which efficiently shuttles the photogenerated electrons from the enzyme to the IO-SnO2 electrode. Furthermore, the PEC response of the electrode was significantly enhanced by the surface plasmon resonance (SPR) effect of Au NPs. Upon light irradiation, this PSII-based photoanode exhibited an impressively high and stable photocurrent output, which was utilized to fabricate an aptasensor for 17β-Estradiol (E2) detection. Under optimal conditions, a detection limit of 0.33 pM was obtained, along with a broad detection range from 15 pM to 30 nM. The applicability of the aptasensor was assessed by measuring E2 in water and urine samples, demonstrating its feasibility in environmental monitoring and clinical tests.
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