Photoelectrochemical biosensors for nucleic acid detection

Journal of Nanoscience and Nanotechnology

Volumn 15, Issue 5, 2015, Pages 3320-3332

  Voccia, Diego ^a   Palchetti, Ilaria ^a  

^a UNIVERSITY OF FLORENCE   (Italy)

Author keywords

Genosensor; Nanomaterials; Nucleic acid; Photoelectrochemistry; Semiconductors

Indexed keywords

BIOMOLECULES; DNA SEQUENCES; ELECTROCHEMISTRY; NANOSTRUCTURED MATERIALS; NUCLEIC ACIDS; OLIGONUCLEOTIDES; SEMICONDUCTOR MATERIALS;

DETECTION SCHEME; DEVELOPMENT AND APPLICATIONS; GENOSENSORS; HYBRIDIZATION REACTIONS; NUCLEIC ACID DETECTION; PHOTO-ELECTROCHEMISTRY; PHOTOELECTROCHEMICALS; SENSING ELEMENTS;

BIOSENSORS;

NUCLEIC ACID;

ELECTROCHEMICAL ANALYSIS; GENETIC PROCEDURES; PHOTOCHEMISTRY; SEMICONDUCTOR;

BIOSENSING TECHNIQUES; ELECTROCHEMICAL TECHNIQUES; NUCLEIC ACIDS; PHOTOCHEMISTRY; SEMICONDUCTORS;

EID: 84920684735     PISSN: 15334880     EISSN: 15334899     Source Type: Journal    
DOI: 10.1166/jnn.2015.10039     Document Type: Review

References (135)

1. A. Ziegler, A. Koch, K. Krockenberger, and A. Großhennig, Hum. Genet. 131, 1627 (2012).
2. I. Palchetti and M. Mascini, Nucleic Acid Biosensors For Environmental Pollution Monitoring, Analyst 133, 846 (2008).
3. M. A. Jobling and P. Gill, Nat. Rev. Genet. 5, 739 (2004).
4. R. K. Saiki, S. Scharf, F. Faloona, K. Mullis, G. Horn, H. Erlich, and N. Arnheim, Science 230, 1350 (1985).
5. D. Zhu, Y. Tang, D. Xing, and W. R. Chen, Anal. Chem. 80, 3566 (2008).
6. L. O'Connor and B. Glynn, Expert Rev. Med. Devices 7, 529 (2010).
7. H. T. Ngo, H.-N. Wang, A. M. Fales, and T. Vo-Dinh, Anal. Chem. 85, 6378 (2013).
8. J. Labuda, A. M. O. Brett, G. Evtugyn, M. Fojta, M. Mascini, M. Ozsoz, I. Palchetti, E. Palecek, and J. Wang, IUPAC Commission From Pure and Applied Chemistry 82, 1161 (2010).
9. S. Laschi, I. Palchetti, G. Marrazza, and M. Mascini, Bioelectrochem. 76, 214 (2009).
10. D. K. Park, H. J. Park, C. Y. Lee, D. Hong, Y. Lee, I. S. Choi, and W. S. Yun, J. Nanosci. Nanotechnol. 12, 5155 (2012).
11. W. J. Zhou, A. R. Halpern, T. H. Seefeld, and R. M. Corn, Anal. Chem. 84, 440 (2012).
12. E. Sendroiu, L. K. Gifford, A. Luptàk, and R. M. Corn, J. Am. Chem. Soc. 133, 4271 (2011).
13. Y. Wang and S. R. Nugen, Biomed. Microdevices 15, 751 (2013).
14. Z. Lin, G. Zhang, W. Yang, B. Qiua, and G. Chen, Chem. Commun. 48, 9918 (2012).
15. Z. H. Mo, Y. L. Liang, H. L. Wang, F. W. Liu, and Y. X. Xue, Anal. Bioanal. Chem. 382, 996 (2005).
16. Y. Zhang, F. Lin, Y. Zhang, H. Li, Y. Zeng, H. Tang, and S. Yao, Anal. Sci. 27, 1229 (2011).
17. F. Lucarelli, G. Marrazza, and M. Mascini, Langmuir 22, 4305 (2006).
18. M. T. Castaneda, A. Merkoci, M. Pumera, and S. Alegret, Biosens. Bioelectron. 22, 1961 (2007).
19. D. Voccia, F. Bettazzi, and I. Palchetti, J. Nanosci. Nanotechnol. Submitted (2014).
20. F. Bettazzi, E. Hamid-Asl, C. L. Esposito, C. Quintavalle, N. Formisano, S. Laschi, S. Catuogno, M. Iaboni, G. Marrazza, M. Mascini, L. Cerchia, V. De Franciscis, G. Condorelli, and I. Palchetti, Anal. Bioanal. Chem. 405, 1025 (2013).
21. F. Berti, S. Laschi, I. Palchetti, J. S. Rossier, F. Reymond, M. Mascini, and G. Marrazza, Talanta 77, 971 (2009).
22. F. Bettazzi, F. Lucarelli, I. Palchetti, F. Berti, G. Marrazza, and M. Mascini, Anal. Chim. Acta 614, 93 (2008).
23. M. Bhuvana, J. S. Narayanan, V. Dharuman, W. Teng, J. H. Hahn, and K. Jayakumar, Biosens. Bioelectron. 41, 802 (2013).
24. H. Wang, D. Wang, Z. Peng, W. Tang, N. Li, and F. Liu, Chem. Commun. 49, 5568 (2013).
25. M. S. Cha, J. K. Lee, S. H. Cho, J. G. Park, H. Y. Lee, S. H. Lim, and Y. R. Yoon, J. Nanosci. Nanotechnol. 13, 5245 (2013).
26. A. J. Bard, M. Stratmann, and S. Licht, Encyclopedia of Electrochemistry edited Wiley-VCH, Weinheim (2002), Vol. 6.
27. N. Sato, Electrochemistry at Metal and Semiconductor Electrodes, Elsevier Ltd., New York (1998).
28. X. Zhang, Y. Guo, M. Liu, and S. Zhang, RSC Adv. 3, 2846 (2013).
29. A. Mettenborger, T. Singh, A. P. Singh, T. T. Jarvi, M. Moseler, M. Valldor, and S. Mathur, Int. J. Hydrogen Energy 39, 4828 (2014).
30. H. Y. Chuang, S. L. C. Hsu, P. I. Lee, J. F. Lee, S. Y. Huang, S. W. Lin, and P. Y. Lin, Polym. Bull. 71, 1117 (2014).
31. C. Derry, Y. Wu, S. Zhu, and J. Deen, J. Electron. Mater. 42, 3481 (2013).
32. M. Oseki, K. Okubo, A. Kobayashi, J. Ohta, and H. Fujioka, Nature Scientific Reports 4, 3951 (2014).
33. Y. Zhang, L. Ge, M. Li, M. Yan, S. Ge, J. Yu, X. Song, and B. Cao, Chem. Commun. 50, 1417 (2014).
34. W. Wang, L. Bao, J. Lei, W. Tu, and H. Ju, Anal. Chim. Acta 744, 33 (2012).
35. Q. Liu, J. Cai, J. Huan, X. Dong, C. Wang, B. Qiub, and K. Wang, Analyst 139, 1121 (2014).
36. W. Yao, A. Le Goff, N. Spinelli, M. Holzinger, G.-W. Diao, D. Shan, E. Defrancq, and S. Cosnier, Biosens. Bioelectron. 42, 556 (2013).
37. nd edn., J. Wiley and Sons, Inc., NY, USA (2001).
38. H. Q. Finkea, J. Chem. Educ. 60, 325 (1983).
39. W. H. Strehlow and E. L. Cook, J. Phys. Chem Ref. Data 2, 163 (1973).
40. S. O. Kasap and P. Capper (eds.), Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials, Springer (2006), p. 54.
41. K. Rajeshwar, Fundamentals of Semiconductor Electrochemistry and Photoelectrochemistry, Encyclopedia of Electrochemistry, Wiley-VCH, Weinheim (2002), Vol. 6.
42. B. O'Regan and M. Grätzel, Nature (London) 353, 737 (1991).
43. M. Agarwal, D. M. Balachandran, S. Shrestha, and K. Varahramyan, J. Nanomaterials 2012, ID145406 (2012).
44. G. Shang, J. Wu, M. Huang, J. Lin, Z. Lan, Y. Huang, and L. Fan, J. Phys. Chem. C 116, 20140 (2012).
45. A. Kuoni, R. Holzherr, M. Boillat, and N. F. de Rooij, J. Micromech. Microeng. 13, S103 (2003).
46. J. X. Wang, X. W. Sun, Y. Yang, H. Huang, Y. C. Lee, O. K. Tan, and L. Vayssieres, Nanotechnology 17, 4995 (2006).
47. Ü. Özgür, D. Hofstetter, and H. Morkoç, Proceedings of the IEEE 98, 1255 (2010).
48. Ü. Özgür, Y. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Dogan, V. Avrutin, S. J. Cho, and H. Morkoç, J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005).
49. A. B. Djuriši ć and Y. H. Leung, Small 2, 944 (2006).
50. Z. L. Wang, Mater. Sci. Eng. R 64, 33 (2009).
51. A. B. Djuriší, A. M. C. Ng, and X. Y. Chen, Prog. Quant. Electron. 34, 191 (2010).
52. P. E. de Jongh, D. Vamaekelbergh, and J. Kelly, J. Chem. Commun. 12, 1069 (1999).
53. K. Tennakone, A. R. Kumarsinghe, and P. M. Sirimanne, J. Photochem. Photobiol. A 88, 39 (1995).
54. L. Xiong, S. Huang, X. Yang, M. Qiuc, Z. Chena, Y. Yua, T. J. Richardson, J. L. Slack, and M. D. Rubin, Electrochim. Acta 56, 2735 (2011).
55. M. T. S. Nair, L. Guerrero, O. L. Arenas, and P. K. Nair, Appl. Surf. Sci. 150, 143 (1999).
56. G. L. Wang, J. J. Xu, and H. Y. Chen, Sci. China Ser. B-Chem. 52, 1789 (2009).
57. A. Okamoto, T. Kamei, K. Tanaka, and I. Saito, J. Am. Chem. Soc. 126, 14732 (2004).
58. H. Hakola, A. P. Perros, P. Myllyperkio, K. Kurotobi, and H. Lipsanen, Chem. Phys. Lett. 592, 47 (2014).
59. T. Ikeuchi, H. Nomoto, N. Masaki, M. J. Griffith, S. Mori, and M. Kimura, Chem. Comm. 50, 1941 (2014).
60. F. T. Buoninsegni, L. Becucci, M. R. Moncelli, R. Guidelli, A. Agostiano, and P. Cosma, J. Electroanal. Chem. 550-551, 229 (2003).
61. S. Balasubramanian, P. Wang, R. D. Schaller, T. Rajh, and E. A. Rozhkova, Nano Lett. 13, 3365 (2013).
62. P. C. Pandeyt and H. H. Weetall, Anal. Chem. 66, 1236 (1994).
63. P. Tissot and A. Huissoud, Electrochim. Acta 41, 2451 (1996).
64. T. Ossowski, P. Pipka, A. Liwo, and D. Jeriorek, Electrochim. Acta 45, 3581 (2000).
65. B. Armitage, C. Yu, C. Devadoss, and G. B. Schuster, J. Am. Chem. Soc. 116, 9847 (1994).
66. B. Armitage, Chem. Rev. 98, 1171 (1998).
67. G. B. Schuster, Acc. Chem. Res. 33, 253 (2000).
68. A. Okamoto, T. Kamei, and I. Saito, J. Am. Chem. Soc. 128, 658 (2006).
69. L. zur Borg, A. L. Domanski, R. Berger, and R. Zentel, Macromol. Chem. Phys. 214, 975 (2013).
70. M. Hanif, L. Zuo, Q. Yan, X. Hu, M. Shi, and H. Chen, J. Appl. Polym. Sci. 127, 161 (2013).
71. C. Zhao, H. Wang, and Z. Jiang, Appl. Surf. Sci. 207, 6 (2003).
72. H. Kim and W. Chang, Synth. Met. 101, 150 (1999).
73. F. L. C. Miquelino, M. A. De Paoli, and E. M. Genies, Synth. Met. 68, 91 (1994).
74. P. A. Kilmartin and G. A. Wright, Electrochim. Acta 46, 2787 (2001).
75. D. J. Maia, S. Das Neves, O. L. Alves, and M. A. De Paoli, Proceedings-Electrochemical Society 97-20, 398 (1997).
76. M. Liang, S. Liu, M. Wei, and L. H. Guo, Anal. Chem. 78, 621 (2006).
77. M. Liang and L. Guo, Environ. Sci. Technol. 41, 658 (2007).
78. M. Liang, S. Jia, A. Zhu, and L. Guo, Environ. Sci. Technol. 42, 635 (2008).
79. B. Zhang, L. H. Guo, and M. M. Greenberg, Anal. Chem. 84, 6048 (2012).
80. I. Willner, F. Patolsky, and J. Wasserman, Angew. Chem. Int. Ed. 40, 1861 (2001).
81. R. Gill, M. Zayats, and I. Willner, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 7602 (2008).
82. X. R. Zhang, S. G. Li, X. Jin, and X. M. Li, Biosens. Bioelectr. 26, 3674 (2011).
83. R. Freeman, J. Girsh, and I. Willner, ACS Appl. Mater. Inter. 5, 2815 (2013).
84. M. Grätzel, Nature 414, 338 (2001).
85. A. N. Shipway, E. Katz, and I. Willner, ChemPhysChem. 1, 18 (2000).
86. A. N. Shipway and I. Willner, Chem. Comm. 20, 2035 (2001).
87. M. C. Daniel and D. Astruc, Chem. Rev. 104, 293 (2004).
88. G. Maino, D. Meroni, V. Pifferi, L. Falciola, G. Soliveri, G. Cappelletti, and S. Ardizzone, J. Nanopart. Res. 15, 2087 (2013).
89. F. Spadavecchia, G. Cappelletti, S. Ardizzone, M. Ceotto, M. S. Azzola, L. Lo Presti, G. Cerrato, and L. Falciola, J. Phys. Chem. C 116, 23083 (2012).
90. A. Gasparotto, D. Barreca, D. Bekermann, A. Devi, R. A. Fischer, C. Maccato, and E. Tondello, J. Nanosci. Nanotechnol. 11, 8206 (2011).
91. A. Petrella, P. Cosma, M. L. Curri, S. Rochira, and A. Agostiano, J. Nanopart. Res. 13, 6467 (2011).
92. E. Binetti, C. Ingrosso, M. Striccoli, P. Cosma, A. Agostiano, K. Pataky, J. Brugger, and M. L. Curri, Nanotechnology 23, 075701 (2012).
93. A. Petrella, P. D. Cozzoli, M. L. Curri, M. Striccoli, P. Cosma, and A. Agostiano, Bioelectrochem. 63, 99 (2004).
94. S. Guo and E. Wang, Electrochim. Acta 29, 181 (2007).
95. M. Lahav, V. Heleg-Shabtai, J. Wasserman, E. Katz, I. Willner, H. Duerr, Y. Z. Hu, and S. H. Bossmann, J. Am. Chem. Soc. 122, 11480 (2000).
96. C. Nasr, P. V. Kamat, and S. Hotchandani, J. Electroanal. Chem. 420, 201 (1997).
97. M. Hojeij, B. Su, S. X. Tan, G. Meriguet, and H. H. Girault, ACS Nano 2, 984 (2008).
98. D. Bas and I. H. Boyaci, Electroanalysis 21, 1829 (2009).
99. R. Vogel, P. Hoyer, and H. Weller, J. Phys. Chem. 98, 3183 (1994).
100. G. L. Wang, J. J. Xu, H. Y. Chen, and S. Z. Fu, Biosens. Bioelectron. 25, 791 (2009).
101. L. Sheeney-Haj-Ichia, S. Pogorelova, Y. Gofer, and I. Willner, Adv. Funct. Mater. 14, 416 (2004).
102. N. Chandrasekharan and P. V. Kamat, J. Phys. Chem. B 104, 10851 (2000).
103. W. Zhu, Y. R. An, X. M. Luo, F. Wang, J. H. Zheng, L. L. Tang, Q. J. Wang, Z. H. Zhang, W. Zhang, and L. T. Jin, Chem. Commun. 19, 2682 (2009).
104. A. Kongkanand, R. M. Dominiguez, and P. V. Kamat, Nano Lett. 7, 676 (2007).
105. L. Sheeney-Haj-Ichia, B. Basnar, and I. Willner, Angew. Chem. Int. Ed. 44, 78 (2005).
106. P. V. Kamat, M. Gevaert, and K. Vinodgopal, J. Phys. Chem. B 101, 4422 (1997).
107. Z. Liu, Q. Liu, Y. Huang, Y. Ma, S. Yin, X. Zhang, W. Sun, and Y. Chen, Adv. Mater. 20, 3924 (2008).
108. C. X. Guo, H. B. Yang, Z. M. Sheng, Z. S. Lu, Q. L. Song, and C. M. Li, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 3014 (2010).
109. X. R. Zhang, S. G. Li, X. Jin, and S. S. Zhang, Chem. Comm. 47, 4929 (2011).
110. C. Ercole, M. Del Gallo, L. Mosiello, S. Baccella, and A. Lepidi, Sens. Actuators B 91, 163 (2003).
111. J. Feng, Y. X. Ci, C. Y. Zhang, A. L. Ottova, and H. T. Tien, Electrochem. Commun. 1, 145 (1999).
112. A. Abi and E. E. Ferapontova, J. Am. Chem. Soc. 134, 14499 (2012).
113. D. B. Hall, R. E. Holmin, and J. K. Barton, Nature 382, 731 (1996).
114. H. W. Fink and C. Schönenberger, Nature 398, 407 (1999).
115. F. C. Grozema, Y. A. Berlin, and L. D. A. Siebbeles, J. Am. Chem. Soc. 122, 10903 (2000).
116. C. Y. Zhang, J. Feng, Y. X. Ci, A. D. Lang, and C. H. Huang, Bioelectroch. Bioener. 46, 145 (1998).
117. K. Dill, S. D. H. Chan, and T. W. Gibbs, J. Biochem. Biophys. Methods 35, 197 (1997).
118. L. Qingwen, L. Guoan, F. Jun, C. Dawenb, and O. Qib, Analyst 125, 1908 (2000).
119. W. Lu, G. Wang, Y. Jin, X. Yao, J. Hu, and J. Li, Appl. Phys. Lett. 89, 263902 (2006).
120. W. Lu, Y. Jin, G. Wang, D. Chen, and J. Li, Biosens. Bioelectron. 23, 1534 (2008).
121. S. Liu, C. Li, J. Cheng, and Y. Zhou, Anal. Chem. 78, 4722 (2006).
122. Z. Gao and N. C. Tansil, Nucleic Acids Res. 33, e123 (2005).
123. H. Tokudome, Y. Yamada, S. Sonezaki, H. Ishikawa, M. Bekki, K. Kanehira, and M. Miyauchi, Appl. Phys. Lett. 87, 213901 (2005).
124. Y. Guo, Y. Sun, and S. Zhang, Chem. Commun. 47, 1595 (2011).
125. R. Tel-Vered, O. Yehezkeli, H. B. Yildiz, O. I. Wilner, and I. Willner, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 8272 (2008).
126. W. W. Zhao, J. Wang, J. J. Xu, and H. Y. Chen, Chem. Commun. 47, 10990 (2011).
127. W. W. Zhao, P. P. Yu, Y. Shan, J. Wang, J. J. Xu, and H. Y. Chen, Anal. Chem. 84, 5892 (2012).
128. M. Wang, H. Yin, N. Shen, Z. Xu, B. Sun, and S. Ai, Biosens. Bioelectron. 53, 232 (2014).
129. H. Yin, M. Wang, Y. Zhou, X. Zhang, B. Sun, G. Wang, and S. Ai, Biosens. Bioelectron. 53, 175 (2014).
130. A. Okamoto, T. Kamei, and I. Saito, J. Am. Chem. Soc. 128, 658 (2006).
131. X. L. Zong, C. S. Wu, X. L. Wu, Y. F. Lu, and P. Wang, J. Zhejiang Univ. Sci. B 10, 860 (2009).
132. Y. Jia, X.-B. Yin, J. Zhang, S. Zhou, M. Song, and K. L. Xingc, Analyst 137, 5866 (2012).
133. C. Wu, T. Bronder, A. Poghossian, C. F. Werner, M. Bäcker, and M. J. Schöning, Phys. Status Solidi A 211, 1423 (2014).
134. E. Golub A. Niazov, R. Freeman, M. Zatsepin, and I. Wilner, J. Phys. Chem. C 116, 13827 (2012).
135. N. Lassalle, E. Vieil, J. P. Correia, and L. M. Abrantes, Biosens. Bioelectron. 16, 295 (2001).