Three-phase Enzymatic Reaction Interface Based on 3D Branched TiO2 Nanoarrays for High Performance Photoelectrochemical Sensing

doi:10.7503/cjcu20250330

Abstract

Abstract:

This study addressed the critical challenge of the limited dissolved oxygen in traditional photoelectrochemical enzyme biosensors by proposing a construction strategy for a “solid-liquid-gas three-phase enzymatic reaction interface”， utilizing a three-dimensional（^{3D） dendritic nanostructure. The methodology involved the preparation of titanium dioxide（TiO₂） nanowire arrays featuring a 3D dendritic structure on fluorine-doped tin oxide conductive glass through a two-step hydrothermal process. Following selective hydrophobic and hydrophilic treatments， along with enzyme modification， a stable three-phase interface was successfully established. This innovative design facilitates the direct transport of oxygen to the catalytic sites via the gas phase， effectively addressing the limitations associated with insufficient oxygen supply at the conventional solid-liquid two-phase interface. Experimental results demonstrate that the linear detection range of this sensor has been enhanced by a factor of 20 compared to traditional structures， while exhibiting excellent stability（relative standard deviation<2%）. This research introduces a novel construction strategy for the development of highly sensitive and stable photoelectrochemical sensors， which may significantly contribute to the early diagnosis of chronic diseases.}

Key words: Photoelectrochemical biosensor, 3D branched TiO₂ nanoarrays, Three-phase interface, Oxidase

CLC Number:

O643

TrendMD:

WANG Dandan, CHEN Liping, FENG Xinjian. Three-phase Enzymatic Reaction Interface Based on 3D Branched TiO₂ Nanoarrays for High Performance Photoelectrochemical Sensing[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250330.

Figures/Tables 7

References 40

[1]	Jia Y.， Chen S.， Wang Q.， Li J.， Nanoscale， 2024， 16（6）， 2834—2846
[2]	Xu X.， Zhang H.， Li C. H.， Guo X. M.， Microchem. J.， 2022， 175， 107198
[3]	Mruga D.， Berketa K.， Dzyadevych S.， Soldatkin O.， Trac⁃trend. Anal. Chem.， 2025， 193， 118471
[4]	Ding Z.， Wang D.， Chen L.， Yu H.， Zhou H.， Zhou Y.， Feng X.， Jiang L.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 33（4）， 2210674
[5]	Zhou K. T. Y.， James S.， Gaca M.， Lecamwasam A.， Dervisevic M.， O'Neal D.， Voelcker N. H.， Ekinci E. I.， Diabetes Technol. Ther.， 2024， 26（12）， 885—896
[6]	Liu H.， Sun X.， Dai Y.， Zhang X.， Xia F.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（2）， 326—332
[7]	Arora P.， Zheng H. Y.， Munusamy S.， Jahani R.， Guan X. Y.， Electrophoresis， 2024， 45（21/22）， 2034—2044
[8]	Shrikrishna N. S.， Gandhi S.， J. Nanobiotechnology， 2025， 23（1）， 663
[9]	Zheng D. L.， Zhang R. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（8）， 20240183
	郑德论，张锐龙.高等学校化学学报， 2024， 45（8）， 20240183
[10]	Li Z.， Meng X.， Fang C.， Yi Z.， Wu Y.， Liu X.， Zhong W.， Zhang L.， Xie Z.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（5）， 874—880
[11]	Wang L. Y.， Wei Y. P.， Chen J. S.， Zhu H.， Liu X. P.， Mao C. J.， Jin B. K.， Sens. Actuators B： Chem.， 2026， 447， 138810
[12]	Dashtian K.， Zahedpour F.， Foroozandeh A.， Abdouss M.， Hajati S.， Golzani M.， Trac⁃trend. Anal. Chem.， 2025， 193， 118471
[13]	Deng H. M.， Yang N.， Xu J.， Geng X. C.， Yuan Y. L.， Yuan R.， Chai Y. Q.， Chem. Eng. J.， 2025， 522（15）， 167103
[14]	Li Q.， Fu S.， Wang X.， Wang L.， Liu X.， Gao Y.， Li Q.， Wang W.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14（51）， 57471—57480
[15]	Zhao W. W.， Xu J. J.， Chen H. Y.， Biosens. Bioelectron.， 2017， 92， 294—304
[16]	Tang J.， Wang Y.， Li J.， Da P.， Geng J.， Zheng G.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（17）， 6153—6157
[17]	Zhang L.， Ruan Y. F.， Liang Y. Y.， Zhao W. W.， Yu X. D.， Xu J. J.， Chen H. Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（4）， 3372—3379
[18]	Si Z. Z.， Shao R.， Li T.， Yang M. H.， Microchim. Acta， 2025， 192（9）， 568
[19]	Wilson G. S.， Hu Y.， Chem. Rev.， 2000， 100（7）， 2693—2704
[20]	Rahman M. M.， Ahammad A. J. S.， Jin J. H.， Ahn S. J.， Lee J. J.， Sensors， 2010， 10（5）， 4855—4886
[21]	Cussler E.， Diffusion： Mass Transfer in Fluid Systems， 2nd Ed.， Cambridge University Press， Cambridge， UK， 1997
[22]	Nie C.， Ma T.， Chen T.， Chu X.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（2）， 333—342
[23]	He L.， Luo Y.， Zhang Y.， Yan T.， Liu J.， Chem. Res. Chinese Universities， 2025， 41（1）， 95—100
[24]	Wen Z. X.， Xin W. W.， Xu Q.， Chen W. P.， Zhou T.， Fang R. C.， Kong X. Y.， Jiang L.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（10）， 20230116
	闻治瑄，辛伟闻，徐倩，陈伟鹏，周腾，房若辰，孔祥玉，江雷. 高等学校化学学报， 2023， 44（10）， 20230116
[25]	Feng L.， Li S.， Li Y.， Li H.， Zhang L.， Zhai J.， Song Y.， Liu B.， Jiang L.， Zhu D.， Adv. Mater.， 2002， 14（24）， 1857—1860
[26]	Guittard F.， Amigoni S.， Darmanin T.， ACS Nano， 2025， 19（41）， 36005—36026
[27]	Shome A.， Das A.， Borbora A.， Dhar M.， Manna U.， Chem. Soc. Rev.， 2022， 51（13）， 5452—5497
[28]	Zhou Y. F.， Ding Z. Y.， Sun Q. H.， Chen L. P.， Wang D. D.， Bao X. G.， Feng X. J.， J. Am. Chem. Soc.， 2024， 146（24）， 16581—16589
[29]	Huang L.， Zeng M.， Li Y.， Liu Z.， Zhang J.， Feng X.， ACS Sens.， 2025， 10（5）， 3433—3440
[30]	Zhou H.， Sheng X.， Ding Z.， Chen X.， Zhang X.， Feng X.， Jiang L.， ACS Catal.， 2022， 12， 13690—13696
[31]	Wang D.， Ding Z.， Zhou H.， Chen L.， Feng X.， ACS Appl. Nano Mater.， 2021， 4（9）， 9401—9408
[32]	Wang Z.， Chen L.， Wang D.， Ding Z.， Zhang X.， Feng X.， Jiang L.， CCS Chem.， 2022， 4（3）， 1044—1053
[33]	Wang D.， Chen L.， Ding Z.， Feng X.， Sol. RRL， 2020， 4（8）， 1900185
[34]	Wang D.， Ding Z.， Cheng H.， Chen L.， Feng X.， Sens. Actuators B， 2023， 392， 134125
[35]	Wang D.， Chen L.， Feng X.， Droplet， 2023， 2， e51
[36]	Mao D.， Wang C.， Li W.， Zhou L.， Liu J.， Zheng Z.， Zhao Y.， Cao A. M.， Wang S.， Huang J.， Huo F.， Chen H.， Mai L.， Yu R.， Wang L.， Lu Y.， Yu C.， Yang Q.， Yang Z.， Zeng H. C.， Zhao H.， Tang Z.， Zhao D.， Wang D.， Chem. Res. Chinese Universities， 2024， 40（3）， 346—393
[37]	Sheng X.， He D.， Yang J.， Zhu K.， Feng X.， Nano Lett.， 2014， 14（4）， 1848—1852
[38]	Liu J.， Sheng X.， Guan F.， Li K.， Wang D.， Chen L.， Feng X.， Chem. Sci.， 2018， 9（37）， 7400—7404
[39]	He L.， Liu Q.， Zhang S.， Zhang X.， Gong C.， Shu H.， Wang G.， Liu H.， Wen S.， Zhang B.， Electrochem. Commun.， 2018， 94， 18—22
[40]	Zhang J. Y.， Ding Z. Y.， Wang D. D.， Chen L. P.， Feng X. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（10）， 3167—3174
	张嘉懿，丁臻尧，王丹丹，陈礼平，封心建. 高等学校化学学报， 2021， 42（10）， 3167—3174

Related Articles 15

[1]	WANG Meiyiming, LI Xiang, SHI Haotian, LUO Yuchao, XU Bin, TIAN Wenjing. Glucose Oxidase and Tirapazamine Nanocapsules for Tumor Hypoxia Therapy [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(1): 20240239.
[2]	JIANG Jiaqi, YANG Hongxia, YAN Mengfei, SHI Xinyao, LI Jiaqi, JIANG Yucheng. Construction of Efficient Bienzyme Cascade Catalytic System by “Yolk-shell” Structure [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(10): 20240272.
[3]	HUANG Yuqing, LIU Yan, ZHANG Hongli, LIN Sen, SUN Shiyong, GOLUBEV Evgeny, LYU Rui, KOTOVA Olga, KOTOVA Elena. Construction of GOx@Fe₃O₄-HNTs Microcapsule Reactor and Its Multi-enzyme Cascade Catalytic Performance [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230403.
[4]	ZHU Haotian, JIN Meixiu, TANG Wensi, SU Fang, LI Yangguang. Properties of Transition Metal-biimidazole-Dawson-type Tungstophosphate Hybrid Compounds as Supports for Enzyme Immobilization [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220328.
[5]	QI Renrui, LI Minghao, CHANG Hao, FU Xueqi, GAO Bo, HAN Weiwei, HAN Lu, LI Wannan. Theoretical Study on the Unbinding Pathway of Xanthine Oxidase Inhibitors Based on Steered Molecular Dynamics Simulation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 758.
[6]	LI Liu, SUN Shiyong, LYU Rui, GOLUBEV Yevgeny Aleksandrovich, WANG Ke, DONG Faqin, DUAN Tao, KOTOVA Olga Borisovna, KOTOVA Elena Leonidovna. Construction of Fe-aminoclay-glucose Oxidase Nanocomposite Catalyst and Its Multi-enzyme Cascade Analysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 803.
[7]	WANG Huan, SUO Jinquan, WANG Chunyan, WANG Runwei. Glucose Oxidase Immobilization with Amino Dendritic Mesoporous Silica Nanoparticles and Its Application in Glucose Detection [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(8): 1731.
[8]	GAO Xia,PAN Huibin,QIAO Chengfang,CHEN Fengying,ZHOU Yuan,YANG Wenhua. Construction of HRP Immobilized Enzyme Reactor Based on Hierarchically Porous Metal-organic Framework and Its Dye Degradation Application^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(7): 1591.
[9]	WANG Ruixue, YIN Dongmei, SONG Yongxin, SHAN Guiye. Preparation of CuS/Ag₂S Nanocomposite and the Peroxidase-like Properties ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(6): 1218.
[10]	WANG Qishun, ZHANG Zeshu, WANG Huan, LIU Yu, SONG Shuyan, ZHANG Hongjie. Synthesis and Enzymatic Activity of Ni, Ru Co-doped CePO₄ Nanomaterials ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 947.
[11]	TENG Yu,YANG Shaoming,BAI Chaopeng,ZHANG Jian. Preparation of HRP Molecularly Imprinted Electrochemical Sensor with Multi-walled Carbon Nanotubes as Sensitizing Materials and the Detection of H₂O₂ ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(1): 78.
[12]	SONG Yichao, HU Mancheng, LI Shuni, ZHAI Quanguo, JIANG Yucheng. Construction of CPO Immobilized Enzyme Reactor Based on Center-radial Dendritic Mesoporous Silica and Its Application ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(9): 1805.
[13]	CHEN Yan,DONG Xuejiao,SHAN Guiye. Preparation of Liposome@Ag/Au Nanocomposites and Their Interaction with H₂ $O 2 †$ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(4): 639.
[14]	LIU Ye, YAO Shunyu, FANG Chao, ZHAO Waiou, WANG Jingyuan, LI Yapeng. Synthesis and Characteristic of Double Model Molecule Probe Targeting Myeloperoxidase [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(7): 1573.
[15]	GAO Fengqin,WANG Shan,WANG Yunfang,ZHAO Danlei,CUI Ru,JIANG Yucheng. Immobilization of Chloroperoxidase with Magnetic Graphene Oxide and Its Application of Decolorization of Acid Blue 45^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(5): 904.

Three-phase Enzymatic Reaction Interface Based on 3D Branched TiO₂ Nanoarrays for High Performance Photoelectrochemical Sensing

RichHTML

PDF (PC)

Supplement

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 7

References 40

Related Articles 15

Recommended Articles

Metrics

Comments