TY - THES A1 - Laroussi, Arwa T1 - Self-assembled monolayer based on 1,3-dimercaptopropan-2-ol : preparation, characterization and applications in electrochemical chemosensors T1 - Selbstorganisierende Monoschicht auf Basis von 1,3-Dimercaptopropan-2-ol : Herstellung, Charakterisierung und Anwendungen in elektrochemischen Chemosensoren N2 - Die vorliegende Arbeit hatte die Entwicklung eines neuen biochemischen Sensors basierend auf einer Goldoberfläche mit genau definierten strukturellen Nano-Motiven zum Ziel. Dafür wurde das neue Ankermolekül 1,3-Dimercaptopropan-2-ol synthetisiert. Aufgrund seiner symmetrischen Struktur mit 2 Thiol-Gruppen bildet es auf der Goldoberfläche eine sehr stabile selbstanordnende Monoschicht (self-assembled monolayer SAM) aus. Die Monoschichten aus 1,3-Dimercaptopropan-2-ol wurden mit zyklischer Voltammetrie, Impedanzspektrometrie, Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS), Kinetik der Kapazität und Kontaktwinkelmessungen untersucht. Die Struktur der SAM wird von den Adsorptionsbedingungen bestimmt. Die vergleichende Untersuchung der Desorption der SAM zeigt, dass sich die Stabilität der SAM erhöht, wenn die Moleküle zum größten Teil über beide Thiol-Gruppen gebunden sind. Auf dieser Monoschicht wurde elektrochemisch aktives p-Benzochinon immobilisiert. Das 1,3- Dimercaptopropan-2-ol diente als Ankermolekül, 3-Mercaptopropionsäure fungierte als Abstandshalter (spacer) und 1,4-Benzochinon als Kopfgruppe. Die Oberflächenkonzentration des p-Benzochinons betrug 2.5 ± 0.2×10-10 mol•cm⁻². Das entspricht einer Funktionalisierung von 65 ± 5% SAM-Molekülen. Die aufgebaute Schicht kann für die elektrisch adressierbare Immobilisierung von Biomolekülen oder die Entwicklung elektrokatalytischer Sensoren eingesetzt werden. Die SAM mit endständigem Benzochinon wurde als Sensor zur quantitativen Detektion von Wasserstoffperoxid eingesetzt. Die Sensorcharakterisierung erfolgte mit zyklischer Voltammetrie im Potenzial-Bereich von –0.6 V bis +0.9 V als auch jeweils nur im anodischen oder kathodischen Bereich. Die Ergebnisse weisen auf eine oxidative elektrochemische Zersetzung des Wasserstoffperoxids bei einem Potenzial von ca. +0.4 V mit Sauerstoffbildung hin, während bei kathodischen Potenzialen eine Reduktion des gebildeten Sauerstoffs als auch des Wasserstoffperoxids stattfindet. Die Verminderung des Oxidationspotenzials für Wasserstoffperoxid an der Benzochinon-beschichteten Goldelektrode im Vergleich mit dem identischen Schichtaufbau ohne Benzochinon deutet auf einen elektrokatalytischen Effekt dieses Moleküls bei der oxidativen Zersetzung von Wasserstoffperoxid. Die analytische Bewertung der Sensor-Leistungsfähigkeit erfolgte im voltammetrischen als auch im amperometrischen Modus. Im Konzentrationsbereich von 0.1 mM bis 2.5 mM Wasserstoffperoxid verläuft die Sensor-Antwort linear, die untere Nachweisgrenze liegt bei ca. 4 µM Wasserstoffperoxid. Der amperometrische Chemosensor zeigt in Gegenwart typischer Stör-Substanzen wie Ascorbinsäure, Harnsäure oder Glukose eine gute Selektivität. Die hohe Empfindlichkeit legt nahe, dieses System nicht nur als Wasserstoffperoxid-Sensor einzusetzen, sondern auch als Transduktor für Biosensoren mit immobilisierten Oxidoreduktasen, wie z.B. als Glukose-Biosensor mit Glukoseoxidase. N2 - The present work aimed to develop a new biochemical sensor based on a gold surface with well-defined structural nano-motifs. The new anchor molecule 1,3-dimercaptopropan-2-ol was synthesized for this purpose. Due to its symmetrical structure with two thiol groups, it forms a very stable self-assembled monolayer (SAM) on the gold surface. The monolayers of 1,3-dimercaptopropan-2-ol were studied by cyclic voltammetry, impedance spectrometry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), kinetics of capacitance and contact angle measurements. The structure of the SAM is determined by the adsorption conditions. The comparative study of the desorption of SAM shows that the stability of SAM increases when the molecules are mostly bound through both thiol groups. The electrochemically active p-benzoquinone was immobilized on this monolayer. The 1,3- dimercaptopropan-2-ol served as an anchor molecule, 3-mercaptopropionic acid acted as a spacer, and 1,4-benzoquinone as a head group. The surface concentration of p-benzoquinone was 2.5 ± 0.2×10-10 mol•cm⁻². This corresponds to a functionalization of 65 ± 5% SAM molecules. The assembled layer can be used for electrically addressable immobilization of biomolecules or development of electrocatalytic sensors. The SAM with terminal benzoquinone was used as a sensor for the quantitative detection of hydrogen peroxide. The sensor characterization was performed with cyclic voltammetry in the potential range from -0.6 V to +0.9 V as well as in the anodic or cathodic range only. The results indicate an oxidative electrochemical decomposition of the hydrogen peroxide at a potential of about +0.4 V with oxygen formation, while at cathodic potentials a reduction of the formed oxygen as well as of the hydrogen peroxide takes place. The reduction of the oxidation potential for hydrogen peroxide at the benzoquinone-coated gold electrode compared with the identical layer structure without benzoquinone indicates an electrocatalytic effect of this molecule in the oxidative decomposition of hydrogen peroxide. The analytical evaluation of the sensor performance was performed in voltammetric as well as in amperometric mode. In the concentration range from 0.1 to 2.5 mM of hydrogen peroxide, the sensor response is linear, with a lower limit of detection of approximately 4 µM. The amperometric chemosensor shows good selectivity in the presence of typical interfering substances such as ascorbic acid, uric acid or glucose. The high sensitivity suggests that this system should not only be used as a hydrogen peroxide sensor, but also as a transducer for biosensors with immobilized oxidoreductases, such as a glucose biosensor with glucose oxidase. KW - Benzochinon KW - Elektrochemisch aktive Schicht KW - Elektrokatalytische Oxidation KW - Wasserstoffperoxid KW - Benzoquinone KW - Electrochemically active layer KW - Electrocatalytic oxidation KW - Hydrogen peroxide KW - Biosensor KW - Chinone KW - Dithiolverbindungen KW - Bioelektrochemie KW - Elektrochemische Oxidation KW - Selbst organisierendes System Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-60041 ER -