Hot electron-induced electrochemiluminescence studies with different cathode materials and electrode geometries

Abstract

In this research, different cathode materials and electrode geometries were tested for hot electron induced electrochemiluminescence (HECL). The cathode has to be a conductor and it has to be covered by a thin insulator layer. During the pulse polarisation, electrons can be tunnel emitted through the thin insulator film. The tunnel emitted electrons having high energy are called hot electrons. If the energy of these electrons is above the conduction band edge of water, they may enter the conduction band of water and are likely to become hydrated electrons. Hot and hydrated electrons can induce redox reactions that are not achieved at active metal electrodes in aqueous solution using traditional electrochemistry.

The research revealed that the substrate material of the electrode can be quite freely chosen. The substrate material does not necessarily have to be a conductor, if a thin conductive layer is deposited on it. According to the tests, Al2O3, SiO2 and Si3N4 made by different deposition methods are suitable insulating layers. From the tested electrodes, the highest HECL-intensities were measured by thermally oxidised Si, Al/Al2O3 and Si/Al2O3 made by atomic layer deposition (ALD), and Si/SiO2 and Al/SiO2 made by plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD).

An important difference between the research in this thesis and the earlier HECL research is the usage of integrated electrodes. In these devices, both anode and cathode are integrated on the same microfabricated silicon or glass chip. Also the sample confinement can be integrated on the same chip. In case of integrated sample confinement, the sample area is either defined by a hydrophobic ring or it is a PDMS chamber. The integrated sample confinement with a hydrophobic ring can be filled by dispensing straight to the electrode surface and the PDMS chamber by dipping the chip’s edge in sample solution. Because the chips are disposable, the usage of integrated sample confinements prevents cross-contamination between samples.

The applicability of the chip containing the hydrophobically defined sample confinement in the immunoassay of C-reactive protein (CRP) was also tested. The immunoassay of CRP with the chips was compared to another immunoassay method exploiting HECL. Both methods are suitable for determination of low CRP concentration and they are potential point-of-care measurement methods. However, the usage of the chips quickens the analysis, makes it easier to the user, and decreases the volume of the reagents needed.

Tutkimuksessa testattiin erilaisten katodimateriaalien ja eristekerrosten käyttöä kuumien elektronien aikaansaamassa elektrokemiluminesenssissa (HECL). Johtavaa materiaalia olevan katodin päällä on oltava ohut eristekerros, jonka läpi elektronit voivat tunneloitua pulssipolarisaation vaikutuksesta. Tunneloituneita elektroneja, joilla on korkea energia, kutsutaan kuumiksi elektroneiksi. Jos elektronin energia on korkeampi kuin veden johtavuusvyön reunaenergia, voi kuuma elektroni siirtyä veden johtavuusvyölle ja muuttua hydratoituneeksi elektroniksi. Kuumat ja hydratoituneet elektronit voivat aikaansaada sellaisia hapetus–pelkistys-reaktioita, jotka eivät normaalisti toteudu aktiivisten metallien pinnalla vesiliuoksissa.

Tutkimuksessa havaittiin, että elektrodin substraattimateriaali on melko vapaasti valittavissa, eikä sen tarvitse välttämättä olla johde, jos sen päälle kasvatetaan ohut johtava kerros. Eristemateriaaliksi todettiin soveltuvan eri tekniikoilla tehdyt Al2O3, SiO2 ja Si3N4. Testatuista elektrodeista suurimman HECL-intensiteetin tuottivat termisesti oksidoitu Si, atomikerroskasvatuksella (ALD) valmistetut Al/Al2O3 ja Si/Al2O3 sekä plasma-avusteisella kemiallisella kaasufaasikasvatuksella (PECVD) valmistetut Si/SiO2 ja Al/SiO2.

Merkittävin ero aikaisempiin HECL-tutkimuksiin on pii- tai lasisirulla olevien integroitujen elektrodien käyttö. Joissain siruissa oli myös hydrofobisen renkaan tai PDMS-kammion määrittämä näytealue, jolloin erillistä näytekennoa ei tarvittu. Hydrofobista rengasta käytettäessä näyte voitiin pipetoida suoraan sirulle, ja PDMS-kammiota käytettäessä näyte voitiin imeä näytekammioon pienestä näytepisarasta kapillaarivoimien avulla. Koska sirut ovat kertakäyttöisiä, estää integroitujen näytekammioiden käyttö kontaminaatiota näytteiden välillä.

Tutkimuksessa testattiin myös hydrofobisen renkaan sisältävän sirun soveltuvuutta C-reaktiivisen proteiinin (CRP) alhaisten pitoisuuksien määrittämiseen. CRP-immunomääristystä integroiduilla elektrodeilla verrattiin toiseen HECL:ää hyödyntävään määritysmenetelmään. Molemmat menetelmät soveltuvat alhaisten CRP-pitoisuuksien määrittämiseen, ja ne ovat potentiaalisia point-of-care -määritysmenetelmiä. Sirujen käyttö kuitenkin nopeuttaa ja helpottaa analyysiä sekä vähentää reagenssien kulutusta.