KR100360991B1 - 전기전도성 다이아몬드 코팅 전극을 이용한 전기화학적분석 방법, 및 그에 기초한 전기화학적 분석 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제 1 국면에 있어서 고체 금속들의 정량에 적합한 전기전도성 다이아몬드 코팅 전극을 이용한 전기화학적 분석 방법에 관한 것으로서 시험 금속이 마찰에 의해서 상기 전극으로 전달되며, 제 2 국면에 있어서 이온화하는 금속들의 정량에 적합한 동일한 분석 방법에 관한 것으로서 시험 금속이 전기도금에 의해서 상기 전극으로 전달되고, 제 3 국면에 있어서 유기 시료 용액들의 연속적인 정량에 적합한 전기전도성 다이아몬드 코팅 전극 또는 양극 산화된 다이아몬드 코팅 전극을 이용한 플로우 주입 전기화학적 분석 시스템에 관한 것이며, 제 4 국면에 있어서 같은 생물학적 시험 물질에 종종 공존하는 아스코르브산으로부터 독립적으로 요산을 선택적으로 정량하는데 적합한 요산 분석 방법 및 그에 기초한 요산 분석 시스템에 관한 것이다.

Description

전기전도성 다이아몬드 코팅 전극을 이용한 전기화학적 분석 방법, 및 그에 기초한 전기화학적 분석 시스템{Electrochemical assay using an electroconductive diamond-coated electrode, and electrochemical assay system based thereon}
본 발명은 제 1 국면에 있어서, 고체 금속들의 정량(quantification)에 적합한 전기전도성 다이아몬드 코팅 전극을 이용한 전기화학적 분석 방법에 관한 것으로서 시험 금속이 마찰에 의해서 상기 전극으로 전달되며, 제 2 국면에 있어서, 이온화하는 금속들(inonizing metals)의 정량에 적합한 동일한 분석 방법에 관한 것으로서 시험 금속이 전기도금에 의해서 상기 전극으로 전달되고, 제 3 국면에 있어서, 유기 시료 용액들의 연속적인 정량에 적합한 전기전도성 다이아몬드 코팅 전극 또는 양극 산화된 다이아몬드 코팅 전극을 이용한 플로우 주입 전기화학적 분석 시스템에 관한 것이며, 제 4 국면에 있어서, 같은 생물학적 시험 물질에 종종 공존하는 아스코르브산(ascorbic acid)으로부터 독립적으로 요산(uric acid)을 선택적으로 정량하는데 적합한 요산 분석 방법 및 그에 기초한 요산 분석 시스템에 관한 것이다.
최근에, 다이아몬드가 우수한 전기화학적 성질(특히 안정성에서)을 가지고 있다고 알려지고 있으며, 다이아몬드가 전기화학 분석에서 종래의 탄소 전극을 대치할 것이라고 기대되고 있다. 다이아몬드 자체는 높은 전기 저항을 가지고 있고 우수한 절연체로서 존재한다. 그러나, 불순물로서 붕소로 도핑(doping)되면, 다이아몬드는 그 저항을 낮춘다. 따라서, 다이아몬드에 가해지는 붕소의 양을 조절함으로써 다이아몬드의 저항을 고전도성 금속과 반도체 사이의 어떤 원하는 위치에 놓는 것이 가능하다.
붕소 도핑된 다이아몬드는 많은 부가적인 장점들을 가진다: 그것은 넓은 전위 윈도우(potential window)를 가지며, 종래의 전극들에 비해서 전극으로 사용될 때 낮은 백그라운드 전류를 준다. 따라서, 화학 분석에 다이아몬드 전극을 도입하는 것의 전망은 일반적인 주의를 끌어왔다. 실로, 붕소 도핑된 다이아몬드 전극은 그것이 넓은 전위 윈도우를 가지기 때문에, 고전위 레벨에서 일어나는 전기화학적 산화의 검출을 가능하게 한다.
전기화학적 분석은 금속 산업, 환경 과학, 에너지 화학, 이미징 엔지니어링(imaging engineering), 전자공학, 생물학, 의학 등을 포함하는 다양한 분야에서 넓게 사용된다.
종래에는, 그러한 전기화학적 분석을 위하여, 도 1에 도시된 바와 같은 시스템이 사용되었다. 그 시스템은 예를 들면, 용액에서 시험 대상물(예를 들어, 금속)의 분석을 위해서 사용되었다. 이 그림에서 1은 분석을 위한 용기를 나타낸다. 그것은 분석될 시험 대상물(예를 들어, 금속 이온)을 포함하는 전해질 용액(1a)을 포함한다. 그 용기는 마개(1b)로 닫혀진다. 활성 전극(2)과 반대 전극(3)이 서로간에 특정 거리를 두고 분석 용기(1) 내에서 전해질 용액(1a)에 담겨진다. 활성 전극(2)은 예를 들어, 그라파이트(graphite) 전극, 유리질(glassy) 탄소 전극, 수은 전극(예를 들어, 수은 코팅 전극 또는 수은 방울(drop)) 등을 포함한다. 반대 전극(3)은 예를 들어, 백금 또는 탄소로 만들어진 전극을 포함한다.
포텐시오스탯(potentiostat, 별명: 정전위 전해 장치)(4)에 활성 전극(2)과 반대 전극(3)이 각각 와이어(wire)(2a, 3a)를 통하여 연결된다. 포텐시오스탯(4)에 전위 스위퍼(potential sweeper)(4a)와 레코더(recorder)(4b)가 더 연결된다. 보조 전극(reference electrode)(또는 기본 전극(base electrode) )(5)이 모세관(capillary)(5a)을 통하여 활성 전극(2)에, 그리고 와이어(5b)를 통하여 포텐시오스탯(4)에 전기적으로 연결된다. 보조 전극(5)은 포화된 염화 제 1 수은(calomel) 전극을 포함한다.
공급관(feeder tube)(6)은 반대 전극(3) 근처로 질소 기체(N2)를 공급하는 것이다. 교반기(stirrer)(7)가 분석 용기(1) 바닥에서 디스크(7a)를 회전시켜 분석 용기(1) 내에서 전해질 용액(1a)을 교반한다.
다음으로, 도 1의 시스템이 금속들을 분석하는 방법이 기술될 것이다. 먼저, 포텐시오스탯(4)이 활성 전극(2)의 전위를 자연 레벨(natural level)로부터 음의 방향으로 스위핑(sweeping)하여, 활성 전극(2)의 표면에 전기도금하는 것에 의해서 전해질 용액에 있는 금속 이온들을 하나씩 침적시킨다(환원 응축(reduction condensation)).
다음에, 포텐시오스탯(4)이 활성 전극(2)의 전위를 양의 방향으로 스위핑하여, 양극 스티리핑(anode stripping)에 의해서 활성 전극에 침적된 금속들을 전해질 용액에 녹인다. 각각의 침적된 금속은 특유의 산화 전위 레벨에서 녹는다. 따라서, 금속이 전해질 용액(1a)에 녹을 때, 활성 전극(2)의 전위 변화에 대한 응답으로서 전류의 변화를 원하는 스위핑 속도에서 검출하여 금속을 분석하는 것이 가능하다.
도 1에 도시된 시스템이 전해질 용액에서 금속 이온들의 전기화학적 분석을 가능하게 하는 것이 사실이다. 그러나, 시험 물질이 고체라면, 그것이 분석을 위하여 활성 전극에 침적되기 전에 전해질 용액에서 용해되어야만 한다. 이것은 시간을 요하고, 조작 동안에 시험 물질에 손상을 줄 것이다. 따라서, 그러한 시스템은 제한된 범위의 물질들에만 적용 가능하다.
도 1에 도시된 종래의 시스템은 비록 시험 대상물이 금속 이온으로서 존재한다 할지라도 다른 문제를 제기한다. 예를 들어, 수은 방울 전극 또는 수은 코팅 전극(이하에서, '수은 전극'이라 한다)을 이용한 종래의 전기화학 분석을 살펴보자. 이 방법은 수은 전극 표면에서 용액 중의 금속 이온을 환원시켜 금속을 수은 전극의 표면에 동화시키거나 그것을 수은 전극에 아말감화(amalgamating)하는 단계, 아말감화된 전극의 전위를 스위핑하여 그 전극을 양극 스트리핑(anode stripping)하는 단계, 및 전위 변화에 대한 응답으로서 전류를 측정하는 단계를 포함한다.
탄소 전극이나 수은 전극을 포함하는 종래의 시스템은 1.0×10-6M Pb(NO3),1.0×10-6M ZnSO4, 1.0×10-6M Cu(NO3)2, 0.10M KCl 및 H2O (pH 3.3)를 포함하는 전해질 용액의 분석에 사용되었다.
분석은 활성 전극의 전위를 -1200mV에서 90초 동안 유지시켜 활성 전극 표면에 금속 이온을 침적시키는 단계, 활성 전극의 전위를 양의 방향으로 스위핑하는 단계, 및 50mV/s의 스위핑 속도로 전위 변화에 대한 응답으로서 전류 변화를 측정하는 단계를 포함하였다.
그 결과들은 도 2의 궤적(trace) g(탄소 전극에 기초한 분석) 및 h(수은 전극에 기초한 분석)에 의해서 주어진다. 궤적들에서 보는 바와 같이, 침적된 금속들이 전해질에 녹는 전위 변화들에 대한 응답으로서 전류 변화들이 기록된다. 전류 피크들(이 경우에 골짜기들(troughs))이 발생하는 전위들을 읽어서 Zn, Pb 및 Cu를 분석하는 것이 가능하다.
그러나, 이 시스템에서, 탄소 전극이 사용되었을 때, Cu 및 Zn에 해당하는 피크들이 뚜렷하지 않게 되었다. 반면에, 수은 전극이 사용되었을 때, Hg 이온에 해당하는 피크가 Cu 이온에 해당하는 전류 피크를 일으키는 전위보다 높은 전위에서 관찰된다. 의도적으로 용액에 주어지지 않은 Hg 이온이 검출된 이유는 전극에 코팅된 Hg가 용액에 녹는 것에 의해서 설명될 수 있다. 따라서, 수은 전극에 기초한 이 시스템으로는 Hg 이온보다 높은 산화 전위를 가지는 Pt 같은 금속 이온들을 검출하는 것이 불가능하다.
또한, 도 1에 도시된 종래의 시스템으로는 침적된 금속들을 완전히 산화하는 것이 불가능한데, 이것은 금속들이 아말감화에 의해서 전극에 불순물로서 잔존하기 때문이다. 이것은 각 분석 후에 수은 전극의 신뢰도를 점점 떨어뜨린다.
따라서, 분석을 위해서 같은 전극이 반복적으로 사용된다면, 불순물들은 각 분석 후에 제거되어야 한다. 이것은 시간을 요한다. 수은 전극이 분석이 필요할 때마다 새 전극으로 대치된다면 분석에 관련된 비용이 증가할 것이다.
또한, 수은은 해롭고, 부주의하게 폐기된다면 환경 오염 물질이 될 것이다. 따라서, 반복 사용 후에 불필요하게 된 수은 전극들로부터의 수은의 폐기는 또 다른 문제를 야기시킨다.
용액에서 유기 물질들의 전기화학적 분석은 용액에서 금속들의 분석만큼 중요하다. 이것은 생물학적인 시료들에 포함된 유기 물질들에 대해서 특히 사실이다.
예를 들어 히스타민(histamine)의 분석을 보자. 히스타민은 생물학적인 활성의 유지에 불가결한 아민이다. 실로, 자연에서 소량의 히스타민이 다양한 종료의 야채 및 과일에 존재하며, 그것이 소량으로 존재하는 한 해롭지 않다. 그러나, 맥주, 보존을 위해서 오일이 발라진 생선, 포도주 등과 같은 발효 음식 및 음료가 충분히 위생적으로 처리되지 않는다면, 그들의 히스타민 함량은 증가할 것이고, 우연히 사람이 그러한 음식을 먹는다면 소화계, 심장혈관계 또는 신경계에 이상이 생길 수 있다. 히스타민은 비만과 다양한 알러지(allergy) 반응들과 관련된 혈관 수축을 유발하는 화학 전달자(chemical transmitter)이다. 따라서, 시험 시료에서 히스타민을 검출하는 것은 매우 중요하다.
히스타민의 분석을 위해서 플로우 셀(flow-cell)을 포함하는 전기화학적 분석 시스템이 널리 사용되어 왔는데, 이는 그것이 액체 크로마토그래피와 결합될 때 연속적인 분석을 가능하게 하기 때문이다.
폴로우 셀을 포함하는 전기화학적 분석 시스템으로 하는 분석은 버퍼 (buffer)에 용해된 시험 대상물을 함유하는 각 시료 용액을 펌프를 통하여 플로우 셀로 안내하는 단계, 플로우 셀에서 활성 전극과 반대 전극 사이에 전압을 인가하여 활성 및 반대 전극들 사이에 반응을 일으켜서 신호를 발생시키는 단계, 및 포텐시오갈바노스탯(potentiogalvanostat) 및 분석기(퍼스널 컴퓨터 등)를 포함하며 신호가 분석을 위해 통제되고 분석되는 분석 유닛에 신호를 보내는 단계를 포함한다. 이 시스템에서 버퍼는 전기화학적 분석을 용이하게 하기 위하여 시험 물질에 가해지는 용액이거나, 예를 들어, 시료 용액의 pH를 조절하기 위해서 가해지는 용액이다.
그러한 전기화학적 분석 시스템에서 종래에, 유리질 탄소 전극이 플로우 셀에 위치한 활성 전극으로서 사용되어 왔다.
유리질 탄소 전극이 활성 전극으로서 사용되는 이유는 열분해 그라파이트 (pyrolytic graphite)와 같은 유리질 탄소가 고전도성이며, 화학 작용들에대하여 안정하고, 기체에 불투과성이며, 또한, 값싸고, 수소 또는 산소의 존재 하에서 비교적 높은 과전위(overpotential)를 가지기 때문이다.
그러나, 히스타민의 분석을 위해서, 유리질 탄소 전극을 사용하는 종래의 시스템은 어려움이 있을 것인데, 그것은 히스타민의 전기화학적 산화가 고전위에서 일어나기 때문이다.
또한, 시료 유리질 탄소 전극이 오랫동안 반복적으로 사용될 때, 분석의 정확도가 점점 떨어지며, 따라서 같은 전극을 사용하여 오랫동안 정확한 분석 결과를 반복적으로 얻기는 불가능하다.
도 3은 유리질 탄소 전극을 활성 전극으로 사용한 전기화학적 분석 시스템으로 수득된, pH 7의 0.1M 버퍼에서의 50μM 디하이드로니코틴아마이드 아데닌 디뉴클레오타이드(NADH)의 분석 결과를 보여준다. 도면에 도시된 바와 같이, 신선한 유리질 탄소 전극으로 분석의 초기 단계에서 수득된 특성 차트(characteristics chart)와 그 분석 한 시간 후에 같은 전극으로 수득된 그것은 서로 크게 다르다.
같은 생물학적 시료에서 종종 공존하는 아스코르브산으로부터 요산을 구별하는 경우에서는 같은 문제가 더 심각하다.
요산은 체내의 퓨린 대사(metabolism of purines)의 최종 생성물이다: 그것은 음식에 포함된 퓨린으로부터 외부적으로 유입되며, 내부적으로는 조직 핵산들의 분해 산물이거나 핵산들로부터가 아니고 직접 합성되는 생성물이다. 혈청에서 요산의 일부는 알부민과 결합하고 나머지는 그대로 있다.그것은 레드 셀(red cell)에서 혈청 농도의 반의 농도로 존재한다. 성인에 존재하는 요산의 총량은 1 ~ 2g이며, 그것의 대부분은 심장혈관계 밖에 존재한다. 성인의 경우 요산의 하루 소변 배설량은 0.4 ~ 0.8g이며, 그것의 양은 체내에서의 퓨린의 대사를 반영한다.
요산은 신장의 사구체에 의해서 걸려지나 그렇게 걸러진 요산의 대부분은 세뇨관(renal tubules)에 의해 재흡수된다. 따라서, 소변에 포함된 요산은 대부분 세뇨관에서 분비된다. 고요산증(hyperuricemia)은 체내에서 퓨린의 증가된 생성(예를 들어, 통풍(gout)에서)에 의해서 부분적으로 야기되고, 신장으로부터 요산의 비정상적으로 증가된 분비에 의해서 부분적으로 야기된다. 그러나, 고요산증은 고혈압과 비만에서도 관찰된다. 따라서, 고요산증은 비정상 대사를 나타내는 병으로서 주의를 끌어왔다.
요산의 분석을 위해서, 환원 방법과 유리카제(uricase)(효소) 방법이 채용되어 왔다.
(a) 환원 방법
환원 방법은 요산이 알칼리 용액에서 인텅스텐산염(phosphotungstate)과 접촉할 때 그것을 텅스텐 블루(tungsten blue)를 주는 화합물로 환원시키는 반응에 기초하고 있다. 다양한 알칼리화제들이 반응의 민감성을 증가시키거나 반응 용액의 혼탁을 방지하거나 채색을 안정화시키기 위해서 개발되어 왔다. 그들 중, 탄산나트륨을 이용한 카라웨이(Caraway)의 방법과 그 변형이 널리 사용된다. 요산과는 다른, 혈청 중의 활성 물질들은 아스코르브산, SH 화합물, 및 페놀을 포함한다. 아스코르브산으로부터의 기여는, 시료 또는 단백질에서 유도된 시료에 알칼리 물질을 가하고 다음에 결과되는 시료를 방치하여 제거될 수 있다. 다음에, 인텅스텐산염 환원 방법이 기술될 것이다.
먼저, 그것의 원리가 소개될 것이다. 텅스텐산염(tungstate)의 부가를 통하여 단백질이 제거된 혈청 여과액에 탄산나트륩이 가해져, 요산과 무관한 색원체(chromogen)를 분해한다. 다음에, 인텅스텐산염 시약이 가해지고 발현된 텅스텐 블루가 색도계(colorimetry)에 적용된다. 요소는 또한, 반응 용액에 혼탁이 발생하는 것을 막기 위해서 가해진다.
사용되는 시약들은 단백질 제거 텅스텐산염 시약, 원래의 인텅스텐산염 용액, 사용에 적합하게 조절된 인텅스텐산염 용액, 및 100㎎/㎖의 요산 농도를 가지는 요산 표준 용액을 포함한다. 표준 곡선을 얻기 위해서, 분석 전에 100㎎/㎖ 요산 표준 용액이 차례차례 물로 묽혀진다. 묽혀진 용액의 농도들은 혈청에서 요산의 그것에 대응한다. 표준 곡선이 선형이면, 단지 물(blank)과 0.5㎎/㎗ 요산 표준 용액의 반응 강도(reaction intensity)를 결정하는 것에 의해서 주어진 시험에 대한 표준 곡선이 구해질 수 있다.
테스트 런(test run)이 다음과 같이 진행된다. 먼저, 1.0㎖의 혈청, 8.0㎖의 물 및 0.5㎖의 2/3 N 황산을 혼합을 위해서 플라스크에 넣고, 거기에 0.5㎖의 10% 텅스텐산나트륨을 가하며, 그것들을 교반하여 혼합하고20분간 방치한다. 그 내용물을 중간 크기의 시험관에 옮기고, 3000rpm에서 10분간 원심분리된다. 다음에, 세 개의 중간 크기 시험관 A, S 및 B를 취한다: 시험관 A는 3.0㎖의 부유물을 받고; 시험관 S는 3.0㎖의 표준 용액을 받으며; 시험관 B는 블랭크(blank)로서 3.0㎖의 물을 받는다. 1㎖의 탄산나트륨과 1㎖의 요소 용액이 혼합을 위해서 각 시험관에 가해지며, 혼합물들이 20분간 방치된다. 0.5㎖의 적절히 조절된 인텅스텐산염이 철저한 교반을 위해서 각 시험관에 가해지며, 혼합물들이 완전한 착색을 위해서 15분간 방치된다. 그 후 30분 이내에, 컨트롤(control)로서 작용하는 시험관 B의 흡수와 함께 시험관 A와 S의 광흡수가 710㎚(또는 660㎚가 사용될 수 있다)에서 결정된다. 그렇게 결정된 시험관 A와 S의 상대 흡수 측정들이 EA및 ES로 표시되고, 요산의 혈청 농도는 다음 식으로부터 구해진다:
요산의 혈청 농도=(EA/ES)×5㎎/㎗
(b) 유리카제 방법
유리카제는 요산을 알란토인(allantoin)과 H2O2로 산화시키는 효소이고, 요산에 상당히 선택적이며, 생물학적 시료에서 요산 함량을 결정하는데 널리 사용되어 왔다.
상기 방법은 많은 종류들을 포함한다: (1) 요산이 293㎚에서 최대 흡수를 가진다는 사실을 활용하는 방법은 시료가 유리카제와 반응하기 전후에 293㎚에서 시료의 광흡수를 측정하며, 반응 후에 광흡수에서의 감소를 측정하여 시료에서 요산의 함량을 결정한다; (2) 다른 방법은 유리카제가 퍼록시다제(peroxydase)와 공유결합하게 하여 요산의 존재 하에서 H2O2를 생성하며, 요산은 다음에 4-아미노안티피린-페놀 시스템(또는 아닐린 시스템) 또는 MBTH-DMA 시스템을 산화시켜 색상을 발현한다; (3) 또 다른 방법은 유리카제가 카탈라제(catalase)와 공유결합하게 하여 요산의 존재 하에서 H2O2를 생성하며, 요산은 다음에 메탄올을 포름알데하이드로 산화시키고, 포름알데하이드는 다음에 아세틸아세톤 방법으로 색상을 발현하게 된다; (4) 또 다른 방법은 H2O2에 대해 선택적 투과성을 가지는 막에 유리카제를 고정시키고 H2O2전극을 상기 막으로 감싸서 수득되는 효소 고정 막 전극에 기초하고 있다. 다음에, 유리카제-카탈라제 및 유리카제-퍼록시다제 방법이 기술될 것이다. 유리카제-카탈라제 방법이 먼저 주어진다.
그것의 원리가 소개될 것이다. 이 방법에 따라서, 유리카제는 요산과 반응하게 되어 H2O2를 생성하며; H2O2는 카탈라제 존재 하에서 메탄올을 산화시켜 포름알데하이드를 생성하고; 포름알데하이드는 아세틸아세톤과 암모늄염의 영향하에서 노랑색을 발현하며; 상기 색이 410㎚에서 색도계에 적용된다. 이 방법은 선택성과 정확성에 있어서 우수하며, 다양한 공존하는 물질들의 방해 효과에 영향을 받지 않는다. 그러나, 이 방법은 다소 짧은파장의 광선을 사용하기 때문에 블랭크를 요한다. 블랭크는 두 방식으로 준비된다: 하나는 단백질이 제거되고 다른 하나는 그 용매 자체이다. 일반적으로, 후자가 사용된다.
필요한 시약들은 메탄올/아세톤 용액, 카탈라제/암모늄염 용액, 유리카제/카탈라제/암모늄염 용액, 100㎎/㎗의 요산 저장 용액, 10㎎/㎗의 요산 표준 용액 등을 포함한다. 보통, 100㎎/㎗의 요산 표준 저장 용액은 2, 4, 6, 8 및 10㎎/㎗의 용액으로 순차적으로 묽혀진다; 각 용액의 요산 함량은 시험에 대해서 사용된 것과 같은 방법으로 결정되어 표준 곡선을 만들게 된다; 그리고 곡선이 필수적으로 선형이면, 주어진 시료가 요산 함량을 결정하는 것이 요구될 때마다, 10㎎/㎗로 요산을 포함하는 표준 용액에 대응하는 전류 강도를 결정하는 것이 단지 필요하다.
테스트 런이 다음과 같이 진행된다. 먼저, 네 개의 시험관 A, B, S 및 SB를 취한다: 시험관 A와 B의 각각은 2.0㎖의 시료를 받는다(시료가 소변이면, 물로 10배 묽힌다); 그리고 시험관 S와 SB는 요산을 10㎎/㎗로 함유하는 0.2㎖의 표준 용액을 받는다. 1㎖의 메탄올/아세톤 용액이 혼합을 위해서 각 시험관에 가해진다. 다음에, 블랭크로 작용하는 시험관 B와 SB가 2.0㎖의 블랭크 시약을 받는 동안, 분석을 위한 시험관 A와 S는 혼합을 위해서 2.0㎖의 반응 시약을 받는다. 시험관들은 37℃에서 70분 동안 데워진다. 반응이 끝날 때, 시험관들은 물로 냉각되고, 블랭크로 작용하는 물과 함께 710㎚에서 색도계에 적용되어 시험관들의 광흡수 즉EA,ES,EB및 ESB를 결정한다. 시험 시료에서 요산의 혈청 농도는 다음 식으로 구해진다:
요산의 혈청 농도(㎎/㎗)=10×(EA-EB)/(ES-ESB)
시료가 소변이라면, 상기의 결과는 10배로 곱해져야 한다.
다음에, 유리카제/퍼록시다제 방법이 기술될 것이다.
그 원리가 먼저 기술될 것이다. 상기 방법에 따라서, 유리카제는 요산을 산화시켜, 4-아미노안티피린(4-amninoantipyrine)과 커플링 시약(coupling reagent)이 POD의 존재 하에서 산화를 통하여 응축하는 것을 돕는 H2O2를 생성하고, 색도계에 의해서 다음에 측정되는 퀴놀린 색소를 생성한다. 혈장의 요산의 몰 농도가 낮기 때문에, 아닐린이나 m-톨루이딘 화합물의 커플링 시약이 사용되는데 그것은 550 ~ 600㎚ 또는 다소 긴 파장 범위에서 최대 흡수를 가지는 퀴논 색소를 생성한다. 이것은 측정의 감도를 높이는 것이고, 같은 시료에 포함된 헤모글로빈과 빌리루빈이 색소의 착색에 영향을 주는 것을 방지하는 것이다. 여기에서 N-에틸 N-(3-메틸페닐)-N'-아세틸에틸렌디아민(EMAE) 또는 m-톨루이딘 화합물을 커플링 시약으로 포함하는 방법이 기술될 것이다.
사용되는 시약들은 버퍼로서 pH 6.0의 0.1M 인산염 버퍼, 1.2mM의 원 EMAE 용액을 포함하는 착색 시약, 및 10㎎/㎗의 요산 표준 용액을 포함한다. 측정을 위해서, 세 개의 시험관 A, S 및 B를 취하고, 50㎕의 시료, 표준 용액 및 순수가 각각 시험관 A, S 및 B에 넣어진다. 다음에, 3.0㎖의 착색제가 각 시험관에 넣어지고, 혼합물이 37℃에서 5분 동안 데워진다. 나중에, 블랭크로 작용하는 시험관 B와 함께 시험관 A 및 S의 광흡수가 결정되어 EA및 ES를 준다. 요산 농도는 다음 식으로부터 구해진다:
요산 농도=10×EA/ES㎎/㎗
그러나, 전술한 종래의 요산 분석은 기술과 시간을 요한다. 최근 몇년 동안, 기술이 있는 사람이건 없는 사람이건, 그 자리에서 시료의 요산 농도를 쉽게 결정할 수 있는 방법을 개발하려는 시도들이 있어 왔다. 그러한 방법들 중의 하나는 효소 센서를 사용하는 것을 포함한다. 최근, 다이아몬드 코팅 전극이 개발되고, 다이아몬드 코팅 전극을 요산 분석에 적용하려는 시도가 진행되고 있다.
그러나, 다이아몬드 코팅 전극이 시료에서 직접 요산을 검출하는 것이 가능하지 않다. 보통, 생물학적 유체는 요산과 함께 아스코르브산을 포함한다. 예를 들어, 소변과 혈청(혈액)에서의 요산 농도는 각각 약 2 ~ 2.5mmol/ℓ와 50 ~ 60㎕/ℓ이다. 그러나, 아스코르브산의 공존 농도는 혈액에 있는 요산의 그것의 약 20 ~ 30배이다. 소변에서, 아스코르브산은 같은 농도로 존재한다. 이 상황을 맞추기 위해서, 요산 분석에 사용되는 시료는 분석 전에 약 100 ~ 5000배로 묽혀져야 하는데, 이것은 그러한희석이 시료의 매트릭스(matrix) 효과(예를 들어, 어떤 단백질이나 다른 전기화학적으로 활성인 생물학적 물질들에 의해서 발휘되는 효과)를 감소시키도록 작용할 것이기 때문이다.
전술한 바와 같이, 요산이 아스코르브산과 함께 공존하기 때문에, 같은 전위에서 전류 신호를 발생하므로 다이아몬드 코팅 전극을 포함하는 요산 센서가 아스코르브산으로부터 요산을 구별하는 것이 어렵다.
전술한 문제들의 관점에서 본 발명은 제안되었고, 제 1 국면에 있어서, 특히 고체 금속들의 정량에 적합한 전도성 다이아몬드 코팅 전극을 이용한 민감하고, 정확하며, 신속한 전기화학적 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 제 2 국면에 있어서, 특히 이온화하는 금속들의 정량에 적합한 전기화학적 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 제 3 국면에 있어서, 특히 유기 물질들의 정량에 적합하며, 복수의 시험 물질들이 안정하게 연속적으로 분석되고, 전도성 다이아몬드 코팅 전극이나 양극 산화된 다이아몬드 코팅 전극을 이용하는 플로우 주입형(flow injection type) 전기화학적 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 제 4 국면에 있어서, 특히 같은 생물학적 시료에 종종 공존하는 아스코르브산으로부터 별개로 요산의 선택적 정량에 적합하며, 양극산화 다이아몬드 코팅 전극을 이용하는 전기화학적 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 금속들의 분석에 사용되는 일반적으로 알려진 시스템의 개략도
도 2는 다양한 금속 이온들을 포함하는 전해질 용액에서 수행된 도 1에 도시된 분석 시스템에 의한 분석 결과를 나타내는 전위 함수로서의 전류 특성 차트들
도 3은 pH 7의 0.1M 버퍼에서 50μM NADH에 수행된, 유리질 탄소 전극을 사용하는 전기화학적 분석 시스템에 의한 분석 결과를 나타내는 전류 특성 차트들
도 4는 납을 포함하는 시료 S1이 분석된 실시예 1에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 5는 철을 포함하는 시료 S2가 분석된 실시예 1에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 6은 금을 포함하는 시료 S3이 분석된 실시예 1에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 7은 구리를 포함하는 시료 S4가 분석된 실시예 2에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 8은 합금 즉 황동을 포함하는 시료 S5가 분석된 실시예 1에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 9는 많은 금속 원소들로 구성된 시료 S6이 분석된 실시예 4에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 10은 시료 S7 즉 일본의 ￥100 동전이 분석된 실시예 5에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 11은 시료 S8 즉 일본의 ￥500 동전이 분석된 실시예 5에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 12는 시료 S9 즉 미국의 25센트 동전(quarter)이 분석된 실시예 5에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 13은 시료 S10 즉 일본의 ￥100 동전이 분석된 실시예 6에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 14는 시료 S11 즉 미국의 1센트 동전(dime)이 분석된 실시예 6에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 15는 1×10-6M Pb(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S12가 분석된 실시예 7에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 16은 다른 양의 Pb(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S13 내지 S17이 분석된 실시예 8에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 17은 백그라운드 전류로부터의 기여(contribution)가 보정된 후에 도 16에서 S13 내지 S17의 피크 전류에 기초한 표준 도스(dose)-응답 그래프
도 18은 1×10-6M Cd(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S18이 분석된 실시예 9에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 19는 다른 양의 Cd(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S19 내지 S23이 분석된 실시예 10에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 20은 백그라운드 전류로부터의 기여가 보정된 후에 도 19에서 S19 내지 S23의 피크 전류에 기초한 표준 도스-응답 그래프
도 21은 1×10-6M Zn(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S24가 분석된 실시예 11에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 22는 1×10-6M HAuCl4를 포함하는 시료 용액 S25가 분석된 실시예 12에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 23은 1×10-6M Pb(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S26이 분석된 실시예 13에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 24는 5×10-7M Cd 및 Pb 이온을 포함하는 시료 용액 S27이 분석된 실시예 14에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 25는 1×10-6M Cu(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S28이 분석된 실시예 15에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 26은 다른 양의 Cu(NO3)2를 포함하는 시료 용액 S29 내지 S33이 분석된 실시예 16에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 27은 백그라운드 전류로부터의 기여가 보정된 후에 도 26에서 S29 내지 S33의 피크 전류에 기초한 표준 도스-응답 그래프
도 28은 다른 금속 이온들을 포함하는 시료 용액 S34가 분석된 실시예 17에서 수득된 전위의 함수로서의 전류 특성 차트
도 29는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 전도성 다이아몬드 전극을 포함하는 전기화학적 분석 시스템(플로우 주입 분석 시스템(flow injection analysis system))의 개략도
도 30은 100μM NADH 20㎕가 0.1M 인산염 버퍼와 함께 주입 밸브를 통하여 시스템으로 1분 간격으로 반복적으로 주입될 때, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 전기화학적 분석 시스템으로 수득된 전류 특성 차트
도 31A, 31B 및 31C는 1μM, 100㎚ 또는 50㎚ NADH 20㎕가 0.1M 인산염 버퍼와 함께 주입 밸브를 통하여 시스템으로 1분 간격으로 반복적으로 주입될 때, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 전기화학적 분석 시스템으로 수득된 전류 특성 차트들
도 32는 0.1M 인산염 버퍼에서 100μM NADH 20㎕가 0.5㎖/min로 시스템으로 주입될 때 수득된, 전위를 전류와 관계시키는 특성 차트들
도 33은 pH7의 0.1M 버퍼에서 10μM 히스타민에 대하여 수행되고, 하나는 전도성 다이아몬드 전극을 사용하여 전기화학적 분석 시스템으로부터, 다른 하나는 전도성 유리질 탄소 전극을 사용하여 동일 분석 시스템으로부터 수득된 전압-전류 특성 차트들
도 34는 100μM 히스타민이 주입 밸브를 통하여 시스템으로 1분 간격으로 반복적으로 주입될 때, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 전기화학적 분석 시스템으로 수득된 전류 특성 차트
도 35A는 50μM, 20μM, 10μM 및 1μM 히스타민이 주입 밸브를 통하여 시스템으로 1분 간격으로 반복적으로 주입될 때, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 전기화학적 분석 시스템으로 수득된 전류 특성 차트
도 35B는 히스타민의 농도를 피크 전류와 관계시키는 그래프
도 36은 0.5M 황산 수용액에서 전도성 다이아몬드 전극, 유리질 탄소 전극, 백금 전극 및 금 전극으로부터 수득된 전위 윈도우들(potential windows)의 비교
도 37은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 요산 센서의 개략도
도 38은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 요산 센서의 개략도
도 39는 본 발명의 분석에 의해서 수득된 요산 및 아스코르브산을 포함하는 시료의 분석 결과
도 40은 전위 펄스들이 DPV에서 주어지는 모드(mode) 및 결과되는 전류들이 샘플링되는 모드를 설명하는 다이아그램
도 41은 미분 펄스 볼탐그램(differential pulse voltamgram)
도 42는 매우 작은 양의 시료 대상물을 포함하는 시료들이 전위 스텝 크노암페로메트리(potential step chronoamperometry)에 의해서 분석될 때 응답 특성 차트들
도 43은 전위 스텝 크로노암페로메트리에 의해서 수득되는 백그라운드 전류의 특성 차트들
도 44는 요산에 대한 표준 도스-응답 그래프
도 45는 요산과 아스코르브산을 포함하는 시료에 대해서, 하나는 양극 산화를 거치지 않는 다이아몬드 전극으로, 다른 하나는 양극 산화된 다이아몬드 전극으로 수득된 전류 특성 차트들
도 46A 및 46B는 전도성 다이아몬드 전극이 양극 산화를 받기 전의(도 46A), 그리고 그것이 양극 산화를 받은 후의(도 46B) 요산의 분석에서 전류 특성 차트들
도 47A 및 47B는 전도성 다이아몬드 전극이 양극 산화를 받기 전의(도 46A), 그리고 그것이 양극 산화를 받은 후의(도 46B) 아스코르브산의 분석에서 전류 특성 차트들
도 48은 pH의 견지에서 전류 피크들을 주는 Ep들 또는 전위들을 도시하는 그래프들
도 49는 플로우 주입(flow injection)에 기초한 분석 결과를 나타내는 전류 특성 차트
본 발명의 제 1국면에 있어서, 상기 방법은 고농도의 붕소로 도핑된 다결정 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 단계, 전도성 다이아몬드 전극을 시험 대상물, 예를 들어 금과 같은 고체 금속에 문질러서 금속의 일부가 마찰에 의해서 전도성 전극의 표면에 전달되도록 하는 단계, 금속을 지니는 전도성 전극을 전해질 용액에 담그는 단계, 미분 펄스 볼타메트리 (differential pulse voltametry)로 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 단계적으로 음의 레벨에서 양의 방향으로 바꾸어 전극에 붙어 있는 금속을 전해질 용액에 녹이는 단계, 및 전위의 단계적 변화에 대한 응답으로서 전류 변화를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 2국면에 있어서, 상기 방법은 활성 전극으로서 고농도의 붕소로 도핑된 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 단계, 시험 대상물, 예를 들어 Pb, Cd 등과 같은 이온화하는 금속을 포함하는 용액에 보조 전극과 함께 상기 전극을 담그는 단계, 및 보조 전극에 대하여 음의 방향으로 전위를 스위핑하여 전도성 다이아몬드 전극의 표면에 금속을 침적시키는 단계를 포함한다. 다음에, 전도성 다이아몬드 전극의 전위가 단계적으로 양의 방향으로 스위핑되어 거기에 침적된 금속을 녹이고, 전위 스텝(potential step)에 대한 응답인 전류 변화를 측정하여 전위의 함수로서전류 특성을 얻는다. 전류 특성에서 피크들을 찾는 것이 어떤 전위에서 그러한 피크들이 생기는지를 결정하는 것은 상기 용액에 포함된 시험 금속의 분석을 가능하게 한다.
본 발명의 제 3국면에 있어서, 상기 방법은 활성 전극으로서 붕소로 도핑된 전도성 다이아몬드 전극 또는 대안으로서 붕소 도핑된 다이아몬드 전극을 산성이나 알칼리 용액에 담그어 수득된 양극 산화된 붕소 도핑된 다이아몬드 전극을 사용하는 단계, 다이아몬드 전극에 산화 반응을 일으키기에 충분할 정도로 강한 전류를 흐르게 하여 양극 산화를 다이아몬드 전극에 적용하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 보조 및 반대 전극들과 함께, 그러한 붕소 도핑된 다이아몬드 전극이나 양극 산화된 붕소 도핑 다이아몬드 전극을 포함하는 플로우 셀에 기초하고 있다. 따라서, 상기 방법은 시험 대상물, 예를 들어 히스타민과 같은 유기 물질을 포함하는 시료 용액을 도입하는 단계, 전기화학적 분석을 위해서 활성 및 반대 전극 사이에 전압을 인가하는 단계, 분석 후 용액을 버리는 단계, 및 다른 시험 분석을 위해서 일련의 모든 시료들이 완전히 분석될 때까지 같은 공정을 반복하는 단계를 포함한다. 이 플로우 셀에 기초한 전기화학적 분석 시스템은 오랫동안 작동해도 아주 안정해서 고산화 전위를 가지는 히스타민과 같은 것들을 포함하는 널리 다양한 화학 화합물을 포함하는 시료들의 연속적인 분석에 유용하다.
본 발명의 제 4국면에 있어서, 상기 방법은 보조 및 반대 전극들과 함께, 양극 산화된 붕소 도핑 다이아몬드 전극, 및 요산 센서에 연결된 전기화학적 분석 시스템을 포함하는 요산 센서에 기초한다. 따라서, 상기 방법은 시험 대상물, 예를 들어 아스코르브산을 또한 함유하는 생물학적인 시료에 있는 요산을 포함하는 시료 용액을 센서로 도입하는 단계, 활성 및 반대 전극 사이에 전압을 인가하는 단계, 전위 스텝에 대한 응답인 전류 변화를 측정하여 전위의 함수로서 전류 특성을 수득하는 단계(여기서, 활성 전극의 양극 산화 때문에 요산에 해당하는 피크는 아스코르브산에 해당하는 피크와 충분히 분리된다), 및 아스코르브산으로부터의 방해 효과 없는 시료에서 요산의 농도를 선택적으로 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 요산 센서를 플로우 셀로 변경하는 단계, 플로우 주입 유닛을 포함하는 전기화학적 분석 시스템에 플로우 셀을 연결하는 단계, 및 복수의 시료들에서, 결과되는 플로우 셀에 기초한 전기화학적 분석 시스템을 요산의 연속적이고 선택적인 분석을 위해 사용하는 단계를 더 포함한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 구체예들을 설명한다.
붕소 도핑된 다이아몬드 코팅 전극의 제조
붕소 도핑된 다결정 다이아몬드 막이 고압 하에서(플라즈마-어시스티드 CVD (plasma assisted CVD)에 채용된 압력이 133.322Pa에서 발생하는 보통 CVD에서 채용된 그것보다 몇 배 높게 유지된다) 2.45GHz의 주파수를 가지는 마이크로파를 사용하여 플라즈마-어시스티드 CVD에 의해서 다음과 같이 제조되었다. ASTeX에 의해서 제공된 마이크로파 CVD 막 제조 장치가 사용되었다.
실리콘 기판{Si(100)}이 사용되었다. 그 기판이 조직 처리(texture treatment)(예를 들어, 크기가 0.5㎛인 다이아몬드 분말로 연마)되었고, 기판 홀더(holder)에 위치되었다. 막 형성을 위한 물질은 아세톤과 메탄올(부피비 9 : 1)의 혼합물을 포함했고, 그것에 산화붕소(B2O5)가 가해져 104ppm의 붕소/탄소 비(B/C 비)를 가지는 혼합물이 생성되었다.
담체 기체로 작용하는 순수한 H2기체가 막 형성을 위한 물질을 통과하여 챔버(chamber)로 도입되는데, 거기에 수소가 또한 다른 라인을 통하여 도입되어(예를 들어 532cc/min의 유량(flow rate)으로) 특정 압력(예를 들어, 115×133.322Pa)을 가지는 기체를 생성하였다. 다음에, 2.45GHz의 주파수를 가지는 마이크로파가 방전을 위해서 적용되고, 전력은 5㎾로 조절되었다. 안정화 후에, 담체 기체로 작용하는 H2기체가 막 형성을 위한 물질(액체)을 통하여 흘려졌다. 막 형성은 1 ~ 4㎛/h로 진행된다. 막 형성 지속 시간은 두께 약 30㎛의 막을 형성하도록 조절되었다. 이 장치로, 기판은 의도적으로 가열되지 않았으나, 보통의 작동에서 기판이 약 850 ~ 950℃까지 가열된다.
그리하여, 붕소(B3+)로 도핑된 다결정 다이아몬드 막(이후에, '전도성 다이아몬드 전극'이라 한다)이 제조되었다. 그것의 라만 스펙트럼(raman spectrum)은 1333㎝-1에서 단일 피크를 주고, 1400 ~ 1600㎝-1에서 비결정질 탄소의 존재를 암시하는 어떤 피크도 없다. 그것의 전기 전도도는 약 10-3U.㎝이고, 0.5M H2SO4에서 수득된 사이클릭 볼타모그램(cyclic voltamogram)은 그것이 -1.25 ~ +2.3V(SHE에 대하여)의 넓은 전위 윈도우(potential window)를 가진다는 것을 나타내었다.
붕소 도핑된 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템을 이용한 고체 금속들의 분석
종래의 활성 전극이 본 발명의 전도성 다이아몬드 전극으로 대치된, 도 1에서 보는 바와 같은 분석 시스템이 사용되었다. 전해질 용액은 pH가 HCl(시약 등급)의 부가로 pH 1로 조절된 0.1M KCl(시약 등급)로 구성되었다. 포텐시오스탯(호쿠토 전기사(Hokuto Electric Co.)에서 제공한 Model HZ 3000)이 사용되었다. 전도성 다이아몬드 전극을 분석 시스템에 삽입하고 용액에 잠긴 그 끝의 표면적이 0.4㎝2가 되도록 하였다. 분석은 다르게 언급되지 않는 한, 실온에서 행하여졌다.
실시예 1
고체 납(순도 99%)으로 이루어지는 시료 S1이 분석에 사용되었다. 먼저, 전도성 다이아몬드 전극을 단순히 손으로 시료에 두세 번 문질러, 시료의일부가 전극의 표면으로 전달되도록 하였다. 전도성 다이아몬드 전극 표면에의 시료의 부착은 SEM으로 검사된다: 시료는 전극 표면의 미세한 결정들 사이에 있는 공간들에 침투하였으나, 그 부착된 양은 매우 작다(어림잡은 계산에 의하면 수 나노그램). 다음에, 전도성 다이아몬드 전극이 분석 시스템에 위치되었다.
보조 전극에 대한 전도성 다이아몬드 전극의 전위는 미분 양극 스트리핑 볼타메트리(differential anode stripping voltametry)에 대해서 20㎷/s의 스위핑 속도로 단계적으로 음측에서 양측으로 이동되었다. 말하자면, 이 과정을 통하여, 전도성 다이아몬드 전극 표면에 부착된 시료가 전해질 용액에 용해되었고, 전위 스텝(potential step)에 대한 응답으로 전류 변화가 측정되어 (보조 전극에 대한) 전위의 함수로서 전류 특성 차트(미분 펄스 볼탐그램(differential pulse voltamgram))가 수득되었다. 시험 대상물에 대한 피크 전류가 전류 특성 차트로부터 읽어졌고, 전류 피크가 발생했던 전위가 시료 S1의 분석을 위해서 결정되었다.
다른 런(run)에서, 고체 철(순도 99%)로 이루어진 시료가 위와 같은 조건에서 분석되었다. 말하자면, 시료 S2의 일부가 마찰에 의해서 전도성 다이아몬드 전극 표면으로 전달되었고, 분석을 위해서 용액에 용해되었다.
또 다른 런에서, 고체 금(순도 99.95%)으로 이루어진 시료 S3이 같은 조건에서 분석되었다. 말하자면, 시료 S3의 일부(매우 소량)가 마찰에 의해서 전도성 다이아몬드 전극 표면으로 전달되었고, 분석을 위해서 용액에용해되었다.
시료 S1, S2 및 S3의 분석 결과들이 각각 도 4, 5 및 6의 전류 특성 차트들에 도시되어 있다. 도 4에서 보는 바와 같이, 전위가, 시료 S1이 납으로 구성되어 있다는 것을 나타내는 -0.48V일 때, 구별되는 피크가 수득된다. 도 5를 참조하면, 전위가, 시료 S2가 철로 구성되어 있다는 것을 나타내는 0.8V일 때, 구별되는 피크가 수득된다. 다음에, 도 6을 참조하면, 전위가, 시료 S3이 금으로 구성되어 있다는 것을 나타내는 0.95V일 때, 구별되는 피크가 수득된다.
도 4에 도시된 시료 S1의 피크 전류는 도 5에 도시된 시료 S2의 피크 전류보다 작은 폭(0.1V 또는 그 이하인 반 피크 폭(half peak width))을 가진다. 전류 폭에서의 그러한 차이는 시료 S2에 비교해서 시료 S1이 용액에 빨리 용해되는 것으로 설명될 수 있다.
이 실시예에서, 본 발명의 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 분석 시스템은 고체 대상물들, 특히 납, 철, 금 등과 같은 고체 금속들을 분석할 수 있다는 것이 확인되었다. 또한, 이 시스템은 비교적 높은 산화 전위를 가지는 금과 같은 금속들의 분석에조차 적용 가능하다.
실시예 2
모든 금속들 중에서, 예를 들어, 구리가 산화를 통하여 고농도의 염화물(예를 들어, KCl)을 가지는 용액에 용해된다면, Cu+는 염화물로 바뀌어 점점 안정화된다. 따라서, Cu는 다음과 같은 반응식 (1) 내지 (3)에 의해서 표현되는 바와 같이 복잡한 방식(구리는 3단계로 산화된다)으로 산화된다.
Cu0Cu+(1)
Cu+Cu2+(2)
Cu0Cu2+(3)
비교로서, 구리가 산화를 통하여 염화물 없는 전해질 용액(또는 매우 작은 농도의 염화물을 가지는 전해질 용액)에 용해된다면, 산화는 상기의 반응식 (3)(1단계 산화)에 따라 진행될 것이다.
이 실시예에서, 고체 구리로 이루어진 시료 S4가 사용되었다. 시료 S4의 일부(매우 작은 양)가 전도성 다이아몬드 전극 표면에 부착되도록 하고, 분석을 위해서 (고농도의 염화물을 가지는) 전해질 용액에 용해되었다. 시료 S4의 분석 결과들이 도 7의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 7에서 보는 바와 같이, 3개의 전류 피크가, 시료 S4가 구리로 이루어져 있다는 것을 나타내는 다른 전위들에서 관찰된다.
이 실시예에서, 본 발명의 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 분석 시스템은 산화에 많은 단계들을 거치는 고체 대상물들, 특히 구리와 같은 고체 금속들을 분석할 수 있다는 것이 확인되었다.
실시예 3
이 실시예에서, 합금, 즉, 황동(brass)(65% 구리와 35% 아연으로 제조된; 닐라코(Nilaco))으로 이루어진 시료 S5가 사용되었다. 시료 S5의 일부(매우 작은 양)가 전도성 다이아몬드 전극 표면에 부착되도록 하고, 분석을 위해서 전해질 용액에 용해되었다. 시료 S5의 분석 결과들이 도 8의 전류 특성 차트에 도시되어 있다.
도 8에서 보는 바와 같이, 3개의 전류 피크가 -0.85, -0.02 및 0.42V의 전위에서 존재한다. -0.85V에서 존재하는 전류 피크는 산화(Zn/Zn+)를 통하여 용액에 용해된 부착물에 포함된 아연에 의한 것이다. -0.02와 0.42V에서 존재하는 전류 피크들은 서로 가까운데, 그것들은 산화를 거쳤던 부착물에 포함에 구리에 의해서 발생된 것이다. 이것은 시료 S5가 구리와 아연으로 구성되어 있다는 것을 나타낸다. 전술한 바와 같이 구리가 2개의 전류 피크를 내는 이유는 Cu+가 염화물로 바뀌어 안정화되기 때문이다: 부착물에 포함된 구리는 2단계(Cu0Cu+및 Cu+Cu2+)로 산화된다.
이 실시예에서, 본 발명의 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 분석 시스템은 고체 대상물들, 특히 황동과 같은 다양한 금속들을 포함하는 합금들을 분석할 수 있고, 많은 금속들을 포함하는 합금에 대해서, 그러한 금속 성분들의 각각의 기여들(contributions)과 그들의 반응들을 분석할 수 있다는 것이 확인되었다. 본 발명의 분석 시스템이, 많은 단계를 통하여 산화되는 구리와 같은 금속을 그 성분으로서 포함하는 합금의 분석에 또한유용하다는 것이 또한 발견되었다.
실시예 4
이 실시예에서, 아연, 카드뮴, 납, 알루미늄, 코발트, 니켈, 구리 및 크롬으로 구성되는 금속 화합물로 이루어진 S6이 사용되었다. 시료 S6의 일부(매우 작은 양)가 전도성 다이아몬드 전극 표면에 부착되도록 하고, 분석을 위해서 전해질 용액에 용해되었다. 시료 S6의 분석 결과들이 도 9의 전류 특성 차트에 도시되어 있다.
도 9에서 보는 바와 같이, 몇 개의 전류 피크들이 다른 전위들에서 존재한다. 전류 피크들을 주는 전위들에 기초하여, 시료 S6이 아연, 카드뮴, 납, 알루미늄, 코발트, 니켈, 구리, 및 크롬을 포함한다는 것이 확인되었다.
이로부터, 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 시스템이 많은 금속 원소들로 구성된 금속 화합물을 분석할 수 있다는 것이 확인되었다.
실시예 5
이 실시예에서, 시료들 S7, S8 및 S9가 사용되었다: 시료 S7과 S8은, 외관상 은색이나, 큐프로니켈(75%의 구리와 25%의 니켈)로 제조된 일본 동전들(각각 ￥100 동전과 ￥500 동전)로 이루어졌다; 그리고 시료 S9는 중량으로 8.33%의 니켈을 포함하는 큐프로니켈로 제조된 미국 25센트 동전(쿼터)으로 이루어졌다. 시료들 S7 내지 S9의 일부(매우 작은 양)가 전도성 다이아몬드 전극 표면에 부착되도록 하고, 분석을 위해서 전해질 용액에 용해되었다. 시료들 S7 내지 S9의 분석 결과들이 도 10 내지 12의 전류 특성 차트들에 도시되어 있다.
도 10 및 11에서, 전류 피크들이 같은 전위들에서 나타난다. 이로부터, 시료들 S7과 S8은 같은 조성을 가진다는 것이 확인되었다. 대조적으로, 도 12는 도 7 및 8의 그것과 다른 전류 피크들을 준다. 그 이유는 ￥100 동전(또는 ￥500 동전)이 쿼터의 그것과 다른 조성을 가진다는 사실에 의해서, 그리고 아마 두 종류의 동전의 제조에 대해서 채택된 다른 공정들에 의해서 설명된다.
실시예 6
이 실시예에서, 시료들 S10 및 S11이 사용되었다: 시료 S10은, 외관상 갈색이나, 청동(95%의 구리, 3 ~ 4%의 아연 및 1 ~ 2%의 주석)로 제조된 일본 동전(￥10 동전)으로 이루어졌다; 그리고 시료 S11은 아연 본체에 도금된 구리로 제조된 미국 1센트 동전(다임)으로 이루어졌다. 시료들 S10과 S11의 일부(매우 작은 양)가 전도성 다이아몬드 전극 표면에 부착되도록 하고, 분석을 위해서 전해질 용액에 용해되었다. 시료들 S10과 S11의 분석 결과들이 도 13과 14의 전류 특성 차트들에 도시되어 있다.
도 13과 14에서, 전류 피크들이 다른 전위들에서 나타난다. 그 이유는 ￥10 동전이 다임의 그것과 다른 조성을 가진다는 사실에 의해서, 그리고 아마 두 종류의 동전의 제조에 대해서 채택된 다른 공정들에 의해서 설명된다.
위로부터, 실시예 5에서 기술된 바와 같이, 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 시스템이 어떤 동전들의 분석에 적용될 수 있으며, 예를 들어 진짜 동전과 가짜 동전을 구별하는데 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 국면을 나타내는, 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 전기화학적 분석은 특히 불활성 금속들 및 합금들로 만들어진 시험 대상물에 대한 고도로 정확하고 민감한 분석을 가능하게 한다. 또한, 시스템이 분석을 위해서 시험 대상물의 단지 매우 작은 양(나노그램 수준)을 요하기 때문에, 원래 시험 대상물을 사실상 원상 그대로 유지할 수 있다(비파괴적 분석).
본 발명의 분석 시스템에서 사용되는 전도성 다이아몬드 전극은 어떤 특별한 형상에 제한되지 않으며, 마찰에 의해서 시험 대상물의 일부를 취하기에 적합한 한 요구되는 어떠한 형상도 취할 수 있다.
붕소 도핑된 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템을 이용한 이온화하는 금속들의 분석
종래의 활성 전극이 본 발명의 붕소 도핑된 다이아몬드 전극으로 대치된, 도 1에서 보는 바와 같은 분석 시스템이 사용되었다. 이 시스템은 용액에서 전기화학적으로 활성인 시험 대상물의 분석에 적합하다. 분석은 전도성 다이아몬드 전극을 활성 전극으로 사용하는 단계, 활성 전극 및 반대 전극을 시험 대상물을 포함하는 용액에 위치시키는 단계, 및 활성 전극의 전위를 자연 전극 레벨로부터 음의 방향으로 스위핑하여 전기화학적으로활성인 시험 대상물을 활성 전극의 표면에 전기 도금하는 단계로 이루어진다. 다음에, 활성 전극의 전위를 단계적으로 양으로 스위핑하여 전기도금된 시험 대상물이 용액에 용해되며, 동시에 전기화학적으로 활성인 대상물의 분석을 위해서 전위 스텝에 대한 응답인 전류 변화가 검출된다.
실시예 7
이 실시예에서, 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에서 1×10-6M Pb(NO3)2로 이루어지는 시료 S12가 사용되었다. 분석은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 보조 전극에 대해서 음의 방향으로 스위핑하는 단계, 및 전위를 2분 동안 -1.0V로 유지하여 시료 용액 S12에 있는 Pb 이온(Pb2+)을 전도성 다이아몬드 전극의 표면상에 전기도금하여 거기에 Pb 침적물을 생성하는 단계로 이루어진다.
다음에, 100㎷/s의 스위핑 속도로 일련의 펄스들(높이 100㎷, 지속 시간 50㎳, 주기 100㎳)을 통과시키는 것은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 단계적으로 양의 방향으로 이동시켜 다이아몬드 전극에 침적된 시험 대상물을 용액에 용해시켰고, 동시에 전위 스텝에 대한 응답으로서 전류 변화가 검출되었다.
분석 결과가 도 15의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 15에서 보는 바와 같이, 하나의 뚜렷한 전류 피크가 얻어지며, 전류 피크가 얻어지는 전위를 읽으면 시료 전해질 용액 S12가 Pb 이온을 포함하는 것을 알 수있다.
실시예 8
이 실시예에서, 다른 양의 Pb(NO3)2를 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에 녹여서 시료 S13 내지 S17이 제조되었다: 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에, S13은 2.0×10-6M, S14는 1.6×10-6M, S15는 1.2×10-6M, S16은 0.8×10-6M, 그리고 S17은 0.4×10-6M의 Pb(NO3)2를 포함하였다.
분석은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 보조 전극에 대해서 음의 방향으로 스위핑하는 단계, 및 전위를 5분 동안 -1.0V로 유지하여 시료 용액에 있는 Pb 이온을 전도성 다이아몬드 전극의 표면상에 전기도금하여 거기에 Pb 침적물을 생성하는 단계로 이루어진다.
다음에, 100㎷/s의 스위핑 속도로 일련의 펄스들(높이 100㎷, 지속 시간 50㎳, 주기 100㎳)을 통과시키는 것은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 단계적으로 양의 방향으로 이동시켜 다이아몬드 전극에 침적된 시험 대상물을 용액에 용해시켰고, 동시에 전위 스텝에 대한 응답으로서 전류 변화가 검출되었다.
분석 결과가 도 16의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 16에서 보는 바와 같이, 시료 전해질 용액들 S13 내지 S17에서 Pb 이온을 나타내는 구별되는 전류 피크들이 얻어진다.
도 17은 개개의 피크 전류들(S13 내지 S17)에서 관찰된 백그라운드 전류들에 대해서 행하여졌던 보정 후의 표준 도스(dose)-응답 곡선을 나타낸다. 도 17의 도스-응답 곡선으로부터 피크 전류들(S13 내지 S17)의 높이가 시료 용액의 Pb(NO3)2농도에 비례하여 증가한다는 것이 확인되었다.
실시예 9
이 실시예에서, 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에서 1×10-6M Cd(NO3)2로 이루어지는 시료 S18이 사용되었다. 분석은 위의 실시예 7과 동일한 방식으로 시행되었다. 분석 결과가 도 18의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 18에서 보는 바와 같이, 하나의 뚜렷한 피크가 얻어지며, 전류 피크가 얻어지는 전위를 읽으면 시료 전해질 용액 S18이 Cd 이온(Cd2+)을 포함하는 것을 알 수 있다.
실시예 10
이 실시예에서, 다른 양의 Cd(NO3)2를 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에 녹여서 시료 S19 내지 S23이 제조되었다: 0.2M 아세트산염 버퍼에, S19는 2.0×10-6M, S20은 1.6×10-6M, S21은 1.2×10-6M, S22는 0.8×10-6M, 그리고 S23은 0.4×10-6M의 Cd(NO3)2를 포함하였다.
분석은 위의 실시예 8과 동일한 방식으로 시행되었다. 분석 결과가 도 19의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 19에서 보는 바와 같이, 시료 전해질 용액들 S19 내지 S23에서 Cd 이온을 나타내는 구별되는 전류 피크들이 얻어진다.
도 20은 개개의 피크 전류들(S19 내지 S23)에서 관찰된 백그라운드 전류들에 대해서 행하여졌던 보정 후의 표준 도스(dose)-응답 곡선을 나타낸다. 도 20의 도스-응답 곡선으로부터 피크 전류들(S19 내지 S23)의 높이가 시료 용액의 Cd(NO3)2농도에 비례하여 증가한다는 것이 확인되었다.
실시예 11
이 실시예에서, 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에서 1×10-6M Zn(NO3)2로 이루어지는 시료 S24가 사용되었다. 분석은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 보조 전극에 대해서 음의 방향으로 스위핑하는 단계, 및 전위를 10분 동안 -1.3V로 유지하여 시료 용액에 있는 Zn 이온을 전도성 다이아몬드 전극의 표면상에 전기도금하여 거기에 Zn 침적물을 생성하는 단계로 이루어진다.
다음에, 100㎷/s의 스위핑 속도로 일련의 펄스들(높이 100㎷, 지속 시간 50㎳, 주기 100㎳)을 통과시키는 것은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 단계적으로 양의 방향으로 이동시켜 다이아몬드 전극에 침적된 시험 대상물을 용액에 용해시켰고, 동시에 전위 스텝에 대한 응답으로서 전류 변화가 검출되었다.
분석 결과가 도 21의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 21에서 보는 바와 같이, 시료 전해질 용액 S24의 Zn 이온을 나타내는 하나의 뚜렷한 전류 피크가 얻어진다.
실시예 12
이 실시예에서, 0.1M HCl과 0.3M HNO3을 포함하는 아쿠아 레지아(aqua regia)에서 1×10-6M HAuCl4로 이루어지는 시료 S25가 사용되었다. 분석은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 보조 전극에 대해서 음의 방향으로 스위핑하는 단계, 및 전위를 600초 동안 -1.0V로 유지하여 시료 용액에 있는 Au 이온을 전도성 다이아몬드 전극의 표면상에 전기도금하여 거기에 Au 침적물을 생성하는 단계로 이루어진다.
다음에, 100㎷/s의 스위핑 속도로 일련의 펄스들(높이 50㎷, 지속 시간 50㎳, 주기 100㎳)을 통과시키는 것은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 단계적으로 양의 방향으로 이동시켜 다이아몬드 전극에 침적된 시험 대상물을 용액에 용해시켰고, 동시에 전위 스텝에 대한 응답으로서 전류 변화가 검출되었다.
분석 결과가 도 22의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 22에서 보는 바와 같이, 하나의 뚜렷한 피크가 얻어지며, 전류 피크가 얻어지는 전위를 읽으면 시료 전해질 용액 S25가 Au 이온을 포함하는 것을 알 수 있다.
실시예 13
현재, 대도시 물 분배 사무국(Metropolitan Water Distribution Bureau)은 수도물에 포함된 Pb 이온의 농도를 2.4×10-7M (50㎍/ℓ) 이하로 규제하고 있으며, 미국 웨스트 버지니아의 물 분배 사무국(water distribution bureau of West Virginia)은 그것을 1.8×10-7M (37.9㎍/ℓ) 이하로 규정하고 있다. 일반적으로, 수도물에서 10-7M 오더(order)의 Pb 이온 농도는 ICP 또는 원자 흡수 분광법(atomic absorption spectroscopy)에 의해서 결정되었다. 그러나, 이 방법은 높은 비용과 시간을 요한다.
본 발명의 시스템이 매우 작은 농도에서 Pb 이온의 분석에 적용될 수 있는지를 검토하기 위해서, 이 실시예에서, 0.1M KCl (pH 1)에서 1×10-9M Pb(NO3)2로 이루어지는 시료 S26이 사용되었다. 분석은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 보조 전극에 대해서 음의 방향으로 스위핑하는 단계, 및 전위를 15분 동안 -1.0V로 유지하여 시료 용액에 있는 Pb 이온을 전도성 다이아몬드 전극의 표면상에 전기도금하여 거기에 Au 침적물을 생성하는 단계로 이루어진다.
다음에, 200㎷/s의 스위핑 속도로 일련의 펄스들(높이 100㎷, 지속 시간 50㎳, 주기 100㎳)을 통과시키는 것은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 단계적으로 양의 방향으로 이동시켜 다이아몬드 전극에 침적된 시험 대상물을 용액에 용해시켰고, 동시에 전위 스텝에 대한 응답으로서 전류 변화가 검출되었다.
분석 결과가 도 23의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 23에서 보는 바와 같이, 용액에서 Pb 이온을 나타내는 하나의 뚜렷한 전류 피크가 얻어진다. 이로부터 본 발명의 시스템은 Pb 이온이 전해질 용액에서(또는, 예를 들어 수도물에서) 매우 작은 농도로 존재한다 할지라도 적은 비용으로 Pb 이온을 분석할 수 있다는 것이 확인되었다.
실시예 14
이 실시예에서, HCl을 가하여 pH가 1로 조절된 0.1M KCl에서 5×10-7M의 Cd 및 Pb 이온으로 이루어지는 시료 S27이 사용되었다. 분석은 위의 실시예 8과 동일한 방식으로 시행되었다. 분석 결과가 도 24의 전류 특성 차트에 도시되어 있다.
도 24에서 보는 바와 같이, 두 개의 뚜렷한 피크가 다른 전위들에서 관찰되며, 전류 피크가 얻어지는 전위를 읽으면 시료 전해질 용액 S27이 Cd 및 Pb 이온을 포함하는 것을 알 수 있다. 이로부터 시료 용액이 복수의 금속 이온들을 포함한다 할 지라도 본 발명의 시스템이 그러한 금속 이온들을 서로로부터 독립적으로 분석할 수 있다는 것이 확인되었다.
실시예 15
이 실시예에서, 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에서 1×10-6M Cu(NO3)2로 이루어지는 시료 S28이 사용되었다. 분석은 위의 실시예 7과 동일한 방식으로 시행되었다. 분석 결과가 도 25의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 25에서 보는 바와 같이, 하나의 뚜렷한 피크가 얻어지며, 전류 피크가 얻어지는 전위를 읽으면 시료 전해질 용액 S28이 Cu 이온을 포함하는 것을 알 수 있다.
실시예 16
이 실시예에서, 다른 양의 Cu(NO3)2를 0.2M 아세트산염 버퍼(pH 5)에 녹여서 시료 S29 내지 S33이 제조되었다: 상기 버퍼에, S29는 2.0×10-6M, S30은 1.6×10-6M, S31은 1.2×10-6M, S32는 0.8×10-6M, 그리고 S33은 0.4×10-6M의 Cu(NO3)2를 포함하였다. 분석은 위의 실시예 8과 동일한 방식으로 시행되었다. 분석 결과가 도 26의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 26에서 보는 바와 같이, 시료 전해질 용액들 S29 내지 S33에서 Cu 이온을 나타내는 구별되는 전류 피크들이 얻어진다.
도 27은 개개의 피크 전류들(S29 내지 S33)에서 관찰된 백그라운드 전류들에 대해서 행하여졌던 보정 후의 표준 도스(dose)-응답 곡선을 나타낸다. 도 27의 도스-응답 곡선으로부터 피크 전류들(S29 내지 S33)의 높이가 시료 용액의 Cu(NO3)2농도에 비례하여 증가한다는 것이 확인되었다.
도 25 및 26에서 보여지는 분석 결과들에서, 용액의 Cu 이온에 대해서단 하나의 피크 전류가 얻어졌다. 그러나, 시료 용액이, 고농도의 염화물 (고농도의 염소 이온)을 가지는 전해질 용액에 용해된 구리로 이루어진다면, Cu+는 염화물로 바뀌어 점점 안정화된다. 따라서, Cu는 다음과 같은 반응식 (1) 내지 (3)에 의해서 표현되는 바와 같이 복잡한 방식으로 산화되고, 세 개의 다른 피크 전류들을 발생시킬 것이다.
Cu0Cu+(1)
Cu+Cu2+(2)
Cu0Cu2+(3)
위로부터, 전해질 용액의 성질에 적당한 주의를 기울임으로써, 본 발명의 시스템이 전해질 용액에서 산화에 복잡한 단계들을 가지는 Cu 이온과 같은 금속 이온을 분석할 수 있다는 것이 확인되었다.
실시예 17
이 실시예에서, HNO3를 가하여 pH가 1로 조절된 0.1M KCl에서 2×10-7M의 Zn, Cd, Pb 및 Cu 이온으로 이루어지는 시료 S34가 사용되었다. 분석은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 보조 전극에 대해서 음의 방향으로 스위핑하는 단계, 및 전위를 300초 동안 -1.2V로 유지하여 시료 용액에 있는 Zn, Cd, Pb 및 Cu 이온을 전도성 다이아몬드 전극의 표면상에 전기도금하여 거기에 Zn, Cd, Pb 및 Cu 침적물을 생성하는 단계로 이루어진다.
다음에, 200㎷/s의 스위핑 속도로 일련의 펄스들(높이 100㎷, 지속 시간 50㎳, 주기 100㎳)을 통과시키는 것은 전도성 다이아몬드 전극의 전위를 단계적으로 양의 방향으로 이동시켜 다이아몬드 전극에 침적된 시험 대상물을 용액에 용해시켰고, 동시에 전위 스텝에 대한 응답으로서 전류 변화가 검출되었다.
분석 결과가 도 28의 전류 특성 차트에 도시되어 있다. 도 28에서 보는 바와 같이, 수 개의 피크들이 다른 전위들에서 관찰되며, 전류 피크들이 얻어지는 전위들을 읽으면 시료 전해질 용액 S34가 Zn, Cd, Pb 및 Cu 이온을 포함하는 것을 알 수 있다.
다이아몬드 전극의 전위가 음의 방향으로 스위핑될 때, 어떤 범위 내에서 전위 이동(shift)을 제한하여, 용액에서 다이아몬드 전극에 침적되는 화학 종(chemical species)을 단지 금속 이온들에만 한정하는 것에 의해서, 단지 금속 이온들만을 분석하는 것이 또한 가능하다는 것이 더 확인되었다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제 2 국면을 나타내는, 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 전기화학적 분석은 상대적으로 넓은 범위의 산화 전위를 가지는 전기화학적으로 활성인 시험 대상물들의 분석에 적용 가능하다. 이 분석은, 하수나 마시는 물과 같은 용액에 포함된 전기화학적으로 활성인 물질들의 고도로 정확하고 민감한 분석(예를 들어, 온라인 모니터링(online monitoring))을 가능하게 한다.
이 구체예의 분석은, 활성 전극으로서 탄소 센서를 사용하는 종래의 분석과 비교하여 훨씬 저농도에서 전해질 용액의 전기화학적 활성 물질의 분석을 가능하게 한다.
이 구체예의 분석은 또한, 분석 조건을 적절히 조절함으로써, 실시예 16에 기술된 Cu 이온과 같이, 단순 분석에 거의 접근할 수 없는 전기화학적 활성 물질의 분석에도 적용 가능하다. 또한, 분석을, 용액에서 관심사인 전기화학적 활성 물질들로 제한하는 것도 가능하다.
이 구체예의 분석은 또한, 상대적으로 높은 산화 전위를 가지는 금속 이온(예를 들어, Au 이온)의 분석에 적용 가능하다.
전술한 구체예들에서 단지 용액 중의 금속 또는 금속들이 분석에 사용되었다. 그러나, 명백히 본 발명의 분석은 또한, 용액에 포함된 농약, 환경 호르몬 등과 같은 다양한 전기화학적 활성 물질들의 분석에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 분석 시스템에서 사용되는 전도성 다이아몬드 전극은 어떤 특별한 형상에 제한되지 않으며, 적합한 것으로서 어떠한 형상도 취할 수 있다.
다이아몬드 전극의 양극 산화
전도성 다이아몬드 코팅 전극의 양극 산화는 0.1M KOH 용액에 상기 다이아몬드 전극을 위치시키는 단계, 및 (SCE에 대하여) 2.4V의 전압을 75분 동안 인가하는 단계로 이루어진다. 이 작동 동안, 필요하다면, (SCE에 대하여) +4 내지 -4V의 전압이 0.1M KOH 용액을 통하여 0.1V/sec의 속도로세 번 스위핑되며, 다음에 전압이 1분 동안 4V로 유지된다.
위 구체예에서, 0.1M KOH가 사용된다. 그러나, 그것은 0.1M H2SO4용액 또는 HClO4, 또는 다이아몬드의 표면에 양극 산화를 적용할 수 있는 다른 어떤 용액(예를 들어, HNO3, HCl 또는 NaOH와 같은 알칼리 용액)으로 대치될 수 있다.
붕소 도핑 다이아몬드 전극을 사용하는, 플로우 셀에 기초한 분석 시스템을 이용한 유기 물질들의 분석
도 29는 본 발명의 일 구체예를 나타내는, 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 플로우 셀을 포함하는 전기화학적 분석 시스템의 개략을 보여준다. 도 29에서, 11은 버퍼를 저장하는 버퍼 탱크를 나타낸다; 12는 액체 크로마토그래피를 위한 펌프; 그리고 버퍼 탱크(11)와 펌프(12)는 버퍼 안내 수단을 구성한다. 주입 밸브(13)는 시료들을, 반대, 활성 및 보조 전극들(15, 16 및 17)을 포함하는 플로우 셀(14)로 주입하는 것이다. 포텐시오갈바노스탯(18)은 전극들에 의해서 전달된 신호들을 통제/검출하는 것이며, 분석 유닛(19)(퍼스널 컴퓨터 등)은 상기 신호들에 기초한 다양한 종류의 분석을 수행한다. 두 유닛(18 및 19)이 분석 유닛(20)을 구성한다.
전술한 구성을 가지는 분석 시스템을 이용하여, 버퍼가 펌프(12)에 의해서 버퍼 탱크(11)에서 플로우 셀(14)로 전달되고, 동시에 시험 대상물이밸브(13)를 통하여 플로우 셀(14)로 주입된다. 그리하여, 시험 대상물과 버퍼를 포함하는 시료 용액이 플로우 셀(14)로 안내된다. 시료 성분들의 분석은 플로우 셀(14)에서 활성 전극(16)과 반대 전극(15) 사이에 전압을 인가하는 단계, 및 그에 의해서 발생된 신호들을 분석 유닛(20)을 통하여 프로세싱(processing)하는 단계로 이루어진다. 시험 대상물의 분석이 완료되었을 때, 시료 용액은 폐기되며; 전 시스템이 깨끗이 세정되고; 다음 시료 대상물이 새로운 분석을 위해서 시스템으로 도입되며; 일련의 모든 시료 대상물들이 완전히 분석될 때까지 분석이 반복된다.
실시예 18
0.1M 인산염 버퍼의 디하이드로니코틴아마이드 아데닌 디뉴클레오타이드 (NADH)가 주입 밸브(13)를 통하여 1분 간격으로 플로우 셀(14)로 전달되었으며; 각 주입마다 전류 변화가 측정되었다. 다음에, 도 30에서 보는 바와 같이, 시료가 플로우 셀에 들어갈 때의 피크 전류, 및 시료가 제거될 때의 이어지는 하강을 포함하는 동일한 전류 특성이 각 주입에 대해서 얻어진다.
이로부터, 주입 밸브를 가지는 이 전기화학적 분석 시스템이 밸브(13)에 의해서 반복적으로 주입된 시료들을 정밀하게 분석한다는 것이 확인되었다.
이 분석에서, 전위 스텝을 (Ag/AgCl에 대하여) 600mV에 맞추었고, 플로우 속도(flow speed)는 1㎖/min에 맞추었다.
실시예 19
같은 분석 시스템에 더 낮은 농도의 NADH를 적용하여, 유사한 분석이 시행되었다.
0.1M 인산염 버퍼에서 1μM, 100nM 또는 50nM NADH 20㎕를 포함하는 각각의 시료들이 주입 밸브(13)를 통하여 1분 간격으로 플로우 셀(14)로 전달되었으며; 각 주입마다 전류 변화가 측정되었다. 다음에, 도 31(a), 31(b) 및 31(c)에서 보는 바와 같이, 시료가 플로우 셀에 들어갈 때, 사용된 모든 농도들에 대해서 피크 전류가 얻어진다.
이 분석에서 이전 것에서처럼, 전위 스텝을 (Ag/AgCl에 대하여) 600mV에 맞추었고, 플로우 속도(flow speed)는 1㎖/min에 맞추었다.
이로부터, 이 시스템이 매우 작은 양의 시험 대상물을 포함한다할 지라도 시료를 정확하게 분석한다는 것이 확인되었다.
또한, 도 30 및 31로부터, 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 플로우 셀에 기초하는 이 시스템을 이용함으로써, 이전 시료들로부터의 교차-오염 (cross-contamination)이 없었고, 동일 시료들의 반복 분석에서 동일 결과들이 나왔다는 것이 명백하다. 이것은 아마, 전도성 다이아몬드 전극 표면이 아주 안정하게 남아 있어 거기에 시험 대상물이 부착하는 것을 방지하기 때문일 것이다. 즉, 각 측정 후에, 시험 대상물이 전극 표면에 부착되지 않고 플로우 셀로부터 완전히 제거되는데, 이것은 전도성 다이아몬드 전극이 연속 분석에 대해서 플로우 셀에 기초한 본 시스템에 특히 적합하다는 것을 나타낸다.
실시예 20
pH 7.2의 0.1M 인산염 버퍼에서 100μM NADH 20㎕가 펌프(12)의 통제하에서 본 분석 시스템으로 주입되었고, 전류와 전압 사이의 관계(볼탐그램 (voltamgram))가 얻어졌다.
이 분석에서 플로우 속도는 1㎖/min로 맞추었다.
결과로서, 도 32에 도시된 그래프 A가 얻어졌다. 그래프 A로부터, (Ag/AgCl에 대하여) 600mV에서 전류가 실제로 포화된다는 것이 확인되었다.
같은 도의 그래프 B는 단지 인산염 버퍼만이 분석 시스템으로 흘려졌을 때 얻어진 볼탐그램을 나타낸다.
도 32의 결과들로부터 시스템이 NADH를 분석한다는 것과, 인산염 버퍼만이 시스템으로 흘려졌던 실험으로부터 전도성 다이아몬드 전극이 매우 낮은 백그라운드 전류를 준다는 것이 확인되었다.
일반적으로, 플로우 셀에 기초한 분석 시스템에서, 맥동(pulsation)이 분석 결과에 중요한 효과를 준다. 그러나, 도 32의 결과들로부터, 전도성 다이아몬드 전극이 매우 낮은 백그라운드 전류를 준다는 것과, 그러한 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 본 시스템은 맥동에 의해서 영향을 거의 받지 않기 때문에 종래의 플로우 셀에 기초한 시스템보다 더 정확한 분석을 가능하게 한다는 것이 확인되었다.
실시예 21
활성 전극으로서 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 본 분석 시스템과,활성 전극으로서 유리질 탄소 전극을 사용한다는 것 외에는 본 시스템과 동일한 종래의 시스템을 비교하였다.
pH 7의 0.1M 인산염 버퍼에서 100μM 히스타민으로 이루어지는 시료가 사용되었다.
도 33은 두 종류의 분석의 선형 스윕 볼탐그램(linear sweep voltamgram) (전류와 전위 사이의 관계)을 보여준다. 이로부터, 유리질 탄소 전극을 사용하는 종래의 시스템과 비교하여 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 본 시스템에서, 백그라운드 전류가 더 높은 전위 레벨까지 효과적으로 억제되었다: 예를 들어, (SCE에 대하여) 1300㎷에서 백그라운드 전류가 더 낮고, 전위 윈도우(potential window)가 더 넓다.
다른 런(run)에서, 500μM의 히스타민이 사용되었고, 전도성 다이아몬드 전극으로 얻어진 신호/노이즈(signal/noise)(S/N) 비가, 전극이 (후술할) 양극 산화를 거치지 않을 때 조차, 종래의 유리질 탄소 전극으로 얻어진 것보다 10배 높다.
실시예 22
히스타민의 연속적인 분석이 전도성 다이아몬드 전극에 기초한 본 플로우 셀 시스템을 사용하여 수행되었다. 인산염 버퍼에서 100μM 히스타민 20㎕를 각각 포함하는 시료들이 플로우 셀(14)로 1분 간격으로 전달되었고; 전압이 (Ag/AgCl에 대하여) 1.3V로 맞춰졌으며; 플로우 속도가 0.5㎖/min로 맞춰졌다. 그 결과를 도 34에 나타내었다.
도 34의 결과로부터, 히스타민의 주입이 다시 시작될 때마다 피크 전류가 나타나는데, 이것은 히스타민의 분석이 안전하게 진행된다는 것을 암시한다는 것이 확인되었다.
즉, 그 결과로부터 본 분석 시스템에 포함된 전도성 다이아몬드 전극이 히스타민이 연속적인 분석에 매우 효과적이라는 것이 확인되었다.
실시예 23
본 분석 시스템에 더 낮은 농도의 히스타민을 적용하여 유사한 분석이 수행되었다.
0.1M 인산염 버퍼에서 10, 20 및 50μM 히스타민 20㎕를 각각 포함하는 시료들이 순서대로 주입 밸브(13)을 통하여 1분 간격으로 플로우 셀(14)로 전달되었으며; 각 주입에 대해서 전류 변화가 측정되었다. 다음에, 도 35(a)에 도시된 바와 같이, 시료가 플로우 셀로 들어올 때, 사용된 모든 농도들에 대해서 피크 전류가 얻어졌다.
이 분석에서, 전위 스텝이 (Ag/AgCl에 대하여) 1275mV로 맞춰졌으며; 플로우 속도가 1㎖/min로 맞춰졌다.
다른 런(run)에서, 위와 동일 조건에서 100μM의 히스타민이 분석되었고, 히스타민에 대한 피크 전류가 437.096㎁라는 것이 발견되었다.
도 35(b)는 이 런(run)의 결과들로부터 뿐 아니라 도 35(a)에서 보여진 제 1 런(run)의 결과들로부터 얻어진 히스타민의 농도와 피크 전류의 관계를 보여준다. 이로부터, 피크 전류가 히스타민의 농도에 비례하고, 시스템이 히스타민의 매우 적은 농도에서 높은 농도까지 정확히 분석한다는 것이 확인되었다.
실시예 24
0.5M 황산 수용액에서, 전도성 다이아몬드 전극, 유리질 탄소 전극, 백금 전극 및 금 전극을 이용하여 얻어진 전위 윈도우들(potential windows)이 비교를 위해서 측정되었고, 그 결과들이 도 36에 도시되었다. 이로부터, 전도성 다이아몬드 전극으로 얻어진 전위 윈도우가 유리질 탄소, 백금 또는 금 전극 각각으로 얻어진 것보다 휠씬 더 넓다는 것이 확인되었다.
전위 윈도우 영역(potential window area)에서 잔류 전류(residual current)(더블 레이어(double layer)를 충전시키기 위해서 사용되는 전류)의 밀도가 시험 전극들의 각각에 대해서 측정되었다. 다이아몬드 전극으로 얻어진 잔류 전류 밀도는 수십 내지 수백㎁/㎠인 반면, 다른 전극들의 대응하는 밀도는 약 수㎂/㎠이다: 전자는 후자보다 훨씬 낮다.
또한, 전도성 다이아몬드 전극은 산화제 또는 환원제에 잘 대응하며, 산화나 환원의 결과로서 발생하는 전류 밀도는 금속 전극의 그것만큼 높다.
실시예 25
전도성 다이아몬드 전극이 양극 산화되었고, 이 전극이 본 분석 시스템의 플로우 셀에 설치되었다. 이 시스템은 위와 같은 분석에 대해서 사용되었고, 그 결과들로부터, 이 시스템이 전술한 시스템만큼 효과적이거나, 어떤 종류의 분석에 있어서는 그보다 더 효과적이었다는 것이 확인되었다.
또한, 양극 산화된 다이아몬드 전극을 이용한 분석 시스템이 액체 크로마토그래피 유닛과 결합된다면, 다른 점에서는 유사한 단순한 전도성 다이아몬드 전극을 이용한 분석 시스템보다 더 좋은 결과들을 준다는 것이 확인되었다.
위로부터, 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템에 기초한 플로우 셀이, 연속적인 분석에 사용될 때조차 시료들 사이에서 교차 오염 (cross-contamination)을 막고, 매우 낮은 백그라운드 전류를 주며, 실질적으로 맥동(pulsation)으로부터의 효과에 영향을 받지 않는다는 것이 확인되었다. 이것은 센서 전극으로서 통상 사용되는 물질들과 비교할 때 다이아몬드 전극이 넓은 전위 윈도우를 가지기 때문이다.
특히, 양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템에 기초한 플로우 셀은 액체 크로마토그래피 유닛과 결합될 때, 다양한 화학종 (chemical species)의 연속적인 분석에 효과적이다.
양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템을 이용한 요산 분석
전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 전술한 분석 시스템은 요산의 분석에는 효과적이지 않다. 이것은 요산이 보통 생물학적 시료에서 아스코르브산에 의해서 수반되기 때문이다. 예를 들어, 소변과 혈청(혈액)에서 요산 농도는 각각 약 2 ~ 2.5mmol/ℓ와 50 ~ 60μmol/ℓ이다. 그러나, 공존하는 아스코르브산의 농도는 요산의 그것보다 약 20 내지 30배 더 높다.이 상황에 대응하기 위해서, 요산 분석에 사용되는 시료는 사전에 약 100 ~ 5000배 묽혀져야 하는데, 이것은 그러한 희석이 시료의 매트릭스 효과(matrix effect)(예를 들어, 어떤 단백질들이나 다른 전기적으로 활성인 생물학적 물질들에 의해서 발휘되는 효과)를 감소시키기 때문이다.
전술한 바와 같이 요산이 아스코르브산과 공존하기 때문에, 전도성 다이아몬드 전극을 포함하는 요산 센서도 같은 시료 중의 아스코르브산과 독립적으로 요산을 믿을 만하게 분석하는 것은 어렵다.
이 발명의 제 4 국면은 수 년간의 사용에도 안정하고 아스크르브산으로부터 요산을 명확히 구별할 수 있는 양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하는 요산 분석 방법을 제공하는 것이다.
상기 분석 방법은 요산을 포함하는 용액을 시료로서 취하는 단계; 양극 산화를 거쳤던 다이아몬드 코팅 전극을 반대 전극과 함께 상기 용액에 담그는 단계; 일정한 스위핑 속도로 전압을 인가하는 단계; 및 상기 양극 산화된 다이아몬드 전극에 의해서 제공되는 전기 신호 변화들을 나타내는 곡선으로부터, 요산으로부터의 기여(contribution)를 선택적으로 검출하는 단계로 이루어진다.
요산을 포함하는 용액은 바람직하게는 pH < 2.70이거나 더 바람직하게는 pH = 1인 산성일 것이다. 상기 용액의 pH는 분석을 위해서 사용된 장치들에 손상을 주지 않도록 적절하게 결정된 하한을 가진다. 대안으로서, 요산을 포함하는 이 용액은 알칼리 시약으로서 KOH나 NaOH를 사용하는 알칼리성일 것이다.
요산 센서
도 37은 요산 센서의 개략을 보여준다. 상기 센서는 시료 용액(32)을 받는 셀 몸체(30)의 공동(31)을 포함하고, 활성 전극(33)(이것의 구성은 후술할 것이다), 및 공동(31) 내에서 시료 용액(32)에 잠겨진 보조 및 반대 전극(34 및 35)을 가진다. 활성 전극(33)은 다음과 같이 제조된다: 양극 산화된 다이아몬드 전극(33b)이 실리콘 기판(33a) 표면에 형성되며; 실리콘 기판(33a)이 결합 기판(joining substrate)(33c) 표면에 고정되고; 다음에 결합 기판(33c)이 관(33d)에 부착되며; 실리콘 기판(33a), 다이아몬드 전극(33b), 결합 기판(33c) 및 관(33d)의 끝 부분들이 고정을 위해서 에폭시 수지(33e)로 덮여졌다.
제조 동안에, 시료 용액(32)에 접촉할 다이아몬드 전극(33b) 표면의 일부에 에폭시 수지(33e)가 묻지 않도록 주의하는 것이 필요하다. 납 와이어 (36)가 다이아몬드 전극(33b)에 연결되고, 관(33d)을 통하여 외부로 나간다. 셀 몸체는 상자 모양이고 뚜껑(37)으로 닫혀 있다.
요산 센서를 포함하는 요산 분석 시스템
도 38은 요산 센서를 포함하는 요산 분석 시스템의 개략을 도시하는 다이아그램이다. 도 37에 도시된 요산 센서와 동일한 부분들은 동일한 부호로 표시하였다. 도 38에서, 41은 도 37을 참조하여 기술된 요산 센서 몸체를 나타내고, 요산 센서 몸체(41)를 구성하는 셀 몸체(30)의 공동(31)에, 요산을 포함하는 시료 용액(32)이 위치되어 있다. 요산 센서 몸체 (41)는 활성 전극(33), 보조 전극(34) 및 반대 전극(35)으로써 제공되고, 전극들(33,34 및 35)은 각각 납 와이어들(36, 43 및 44)을 외부로 연결시킨다. 납 와이어들(36, 43 및 44)은 포테시오갈바노스탯을 포함하는 신호 통제/검출부(45)로 안내된다. 신호 통제/검출부(45)는 전극들을 통하여 받은 전기 신호들을 컴퓨터를 포함하는 분석 유닛(46)으로 전달하여, 그것이 시료에서의 관심사인 물질 또는 이 경우에 있어서는 요산을 분석하도록 한다.
실시예 26
도 39는 양극 산화된 다이아몬드 전극이 요산 뿐만 아니라 아스크르브산을 포함하는 시료의 분석에 사용될 때 얻어지는 미분 펄스 볼탐그램 (differential pulse voltamgram: DPV)을 나타낸다.
DPV에서, 전위 펄스의 증가 높이(△E = ｜Ei,n - Es,n｜)가 도 40에서 보는 바와 같이 일정한 반면, 전위 레벨의 절대 높이(Ei,n)는 변한다. 보통, 전위 펄스의 증가 높이는 짧은 전기 분해 시간 △t 5 ~ 100㎳ 및 대기 시간 0.5 ~ 180s에서 10 ~ 100㎷로 유지된다. 또한, 전류 강도가 두 점에서 결정된다: Ts1 즉 전위 스텝(potential step의 입구 (entry) 바로 앞과 Ts2 즉 전위 스텝의 퇴거(withdrawal) 바로 앞. 두 점 사이에서 전류 강도 차이 △i는 전위 스텝의 높이의 함수로서 주어지고, 다음에 도 41에 도시된 것과 같은 궤적이 얻어진다. 그렇게 얻어진전류-전위 곡선을 DPV라 부른다.
도 39의 차트에서, 요산(UA)에 해당하는 피크는 날카롭고 뚜렷한 반면, 아스코르브산(AA)에 해당하는 피크는 넓고 뚜럿하지 않다. 이 결과로부터, 양극 산화된 다이아몬드 전극이 사용될 때 요산의 검출이 명백히 가능하다는 것이 자명하다.
(1) 도 39의 결과는 50μM 요산에 부가하여 고농도의 아스코르브산이 가해졌던 시료로부터 얻어진다.
(2) 실제의 측정에 유용한 요산 분석이 매우 작은 양의 시료에서 요산을 검출해야 한다.
(3) 이 관점에서, 우리는 본 방법을 매우 작은 양의 시료에서의 요산 검출에 적용했다.
실시예 27
도 42는 양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하여 전위 스텝 크로노암페로메트리(potential-step chronoamperometry)(PSCA)에 의해서 매우 작은 양의 시료로부터 얻어진 응답 특성 차트들이다. 상기 도로부터, 요산이 매우 작은 양의 시료에서 매우 낮은 농도로 존재할 때 조차, 양극 산화된 다이아몬드 전극이 요산의 모호하지 않은 검출을 허용한다는 것이 자명하다. 예를 들어, 그러한 양극 산화된 다이아몬드 전극을 이용하여, 5μM 아스코르브산(아스코르브산의 농도는 요산의 그것보다 100배 높다)의 존재 하에서 50nM 요산을 검출하는 것이 가능하다. PSCA는 전위 스텝에 대한 전류-시간 응답을 관찰하는 방법이다: 전위는 외부 회로로부터 평형이 유지된 전극 시스템으로 적용되며; 그와 함께 평형이 교란되고 전해 전류 (electrolytic current)가 흐르고; 상기 전류가 시간에 따라 감소하여 무한히 긴 시간 후에 0으로 되며, 전위 스텝에 대한 응답으로서 시간에 대한 전류 궤적을 준다.
도 42에서, 곡선 a는 0.1M HClO4용액으로부터의 측정 결과를 나타내며, 곡선 b는 5μM AA + 0.1M HClO4, 그리고 곡선 c는 5μM AA + 50nM UA + 0.1M HClO4로부터의 측정 결과를 나타낸다. 전위 스텝은 (SCE에 대하여) 0V에서 0.92V까지였다. (SCE에 대하여) 0.92V의 전위 스텝은 도 45의 데이터에서 확인된 UA 피크로부터 유도되었다. 샘플링 시간은 500㎳였다.
도 43은 PSCA에 의해서 얻어진 백그라운드 전류의 응답 특성 차트들이다. 시험 조건은 도 42의 경우와 동일하였다. 데이터 a, b 및 c 사이에 특별한 차이가 없어 시험의 신뢰도를 암시한다.
전술한 바와 같이 시험의 신뢰도를 암시하는 도 43의 데이터에 기초하여, 도 44에 도시된 바와 같은 표준 도스-응답(standard dose-response) 그래프들이 얻어졌다. 그러한 도스-응답 그래프들에서, 실선은 시료가 아스코르브산을 포함하지 않을 때의 결과를 나타내며; 점선은 시료가 요산에 부가하여 1μM의 아스코르브산을 포함할 때의 결과를 나타내고, 일점쇄선은 시료가 요산에 부가하여 5μM의 아스코르브산을 포함할 때의 결과를 나타낸다. 그러한 도스-응답 그래프들로부터, 본 방법이 약 0.7nM만큼 낮은 요산의 검출을 허용하는 것을 확인하는 것이 가능하다.
또한, 양극 산화된 다이아몬드 전극이 오랜 기간 동안 안정하게 사용될 수 있다는 것이 실험들을 통해서 확인되었다. 그리하여, 위와 같이 제조된 다이아몬드 코팅 전극은 생물학적인 시료들에서 요산의 일상적인 분석에 대해 사용될 수 있을 정도로 신뢰도가 있고 안정하다. 표 1은 위 실험에서 실제로 사용된 생물학적인 시료들(소변 시료들)에 포함된 요산의 농도를 나열한다. 표에서, A, B, C, E, F 및 G는 남성 피검자들의 소변 시료들의 요산 농도를 나열하는 반면, D 및 H는 여성 피검자들의 그것을 나열한다. 표의 농도 수치들의 조사는, 문제의 전극이 생물학적 시료들의 요산 분석에 사용 가능하다는 것을 우리에게 명백하게 말해준다.
표 1
소변 시료 농도(㎎/㎗)
A: 남성 33.9
B: 남성 56.61
C: 남성 39.4
D: 여성 15.1
E: 남성 34.2
F: 남성 40.3
G: 남성 70.5
H: 여성 102.5
실시예 28
양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템이 단순 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는, 다른 것은 유사한 시스템과, 다소간의 아스코르브산을 또한 포함하는 시료들의 요산 분석 효율에 대해서 비교되었다.
이 실시예에서, 0.2mM 요산과 1mM 아스코르브산을 포함하는 혼합물이 시료 용액으로 작용하는 0.1M HClO4에 용해되었다. 도 45는 분석 결과를 나타내는 사이클릭 볼탐그램(cyclic voltamgram)을 나타낸다. 도 45에서, 점선은 단순 전도성 다이아몬드 전극을 포함하는 시스템으로 얻어진 결과를 나타내는 반면, 실선은 양극 산화된 다이아몬드 전극을 포함하는 시스템으로 얻어진 결과를 나타낸다. 전위 스위핑 속도는 100㎷/s로 유지되었다. 도 45의 실선 궤적의 조사는, 양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하여 아스코르브산으로부터 요산을 명확하게 구별하는 것이 가능하다는 것을 명백하게 한다.
실시예 29
요산이나 아스코르브산을 포함하는 시료의 분석을 위해서 단순 전도성 다이아몬드 전극을 포함하는 시스템을 사용하는 단계, 상기 전극을 이동시켜 거기에 양극 산화를 적용하는 단계, 동일 시료의 분석을 위해서 이제 양극 산화된 다이아몬드 전극을 포함하는 동일한 시스템을 사용하는 단계, 및 두 분석의 결과들을 비교하는 단계에 의해서, 유사한 비교가 행하여졌다. 시험된 용액은 0.1M HClO4에서 50μM UA를 포함(도 46)하였거나, 0.1M HClO4에서 50μM AA를 포함(도 47)하였다. 전위 스위핑 속도는 10㎷/s로 유지되었다.
도 46A는 다이아몬드 전극이 양극 산화를 받기 전에 얻어진 요산만을 포함하는 시료의 분석 결과를 보여주는 반면, 도 46B는 상기 전극이 양극 산화 받은 후에 얻어진 같은 것을 보여준다. 도 47A와 47B는 아스코르브산만을 포함하는 시료가 분석을 위해서 사용되었다는 것을 제외하고는 같은 것을 보여준다.
도 46A를 참조하면, 단순 전도성 다이아몬드 전극은 확실히 하나의 피크를 준다. 그러나, 양극 산화 후의 같은 전극은 더 높은 피크를 주어, 더 명확한 검출을 허용한다. 아스코르브산의 분석에서, 단순 전도성 다이아몬드 전극은 도 47A에서 보는 바와 같이 0.68V의 Ep에서 하나의 뚜렷한 전류 피크를 주는 반면, 양극 산화를 받은 후의 같은 전극은 어떤 명확한 피크도 주지 않는다. 이 때문에, 양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용할 때, 요산과 아스코르브산을 명확히 구별하는 것이 가능하다.
도 46A와 47A에서, UA와 AA는 뚜렷한 피크를 주나, 그러한 피크들은 둘 다 (SCE에 대하여) 0.7V의 같은 전압에서 발생하여 서로 중첩된다. 따라서, UA 뿐만 아니라 AA를 포함하는 시료가 분석에 사용된다면, 시료의 UA와 AA를 구별하는 것이 어렵거나, 시료가 아주 작은 양일 때 그 둘을 구별하는 것은 불가능할 것이다. 반면, 양극 산화된 다이아몬드 전극이 대신 사용될 때, 그 결과들이 도 46B와 47B에 주어져 있는데, UA와 AA에 해당하는 피크 전류들을 주는 전압들이 서로로부터 이동되었다. 도 47A에서 보는 바와 같이, 같은 조건하에서, (SCE에 대하여 0.7V에서) 하나의 피크를 주는 단순 전도성 다이아몬드 전극과 대조적으로, 특히 양극 산화된 전극은 도 47B에서 보는 바와 같이 아스코르브산에 뚜렷한 피크를 주지 않는다. 또한, 양극 산화는 전류 피크가 (SCE에 대하여) 1.15V에서 발생하는 전위를 이동시킨다는 것이 발견된다.
위의 결과들로부터, 양극 산화된 다이아몬드 전극의 사용은, UA뿐 만 아니라 AA를 포함하는 시료의 분석에 사용될 때조차, AA와는 독립적으로 UA의 농도를 결정하는 것을 가능하게 한다는 것이 확인되었다.
실시예 30
이 실시예에서, 요산과 아스코르브산에 해당하는 전류 피크를 주는 볼트 Ep가 어떻게 pH에 따라 변하는 지를 조사하기 위해서, 그것의 pH가 변경되었고, 요산과 아스코르브산에 해당하는 전류 피크를 주는 볼트 Ep가 DPV에 의해서 주어졌다. 그 결과들이 도 48을 참조하여 기술될 것이다. 도 48의 결과들로부터, 아스코르브산으로부터 요산을 구별하는 것이 특히 pH < 7인 모든 산성 범위에 대해서 가능하다는 것과, 특히 pH < 2.70인 범위에 대해서 요산과 아스코르브산에 해당하는 전류 피크를 주는 볼트 Ep가 pH의 감소에 따라 서로로부터 멀어지게 된다는 것이 확인되었다. 이로부터, 요산 분석에 대해서 시료 용액이 바람직하게는 산성이어야 하고, 특히 그것의 pH가 2.70 미만으로 유지되면, 요산을 아스코르브산으로부터 구별하는 것이 더 완전할 것이라고 말할 수 있다. 또한, 시료는 바람직하게는 pH ≤ 2, 가장 바람직하게는 pH = 1로 만들어져야 하는데, 이는, 그러면 요산과 아스코르브산이 분석에서 더 뚜렷하게 분리되기 때문이다.그러한 강산 용액에 노출된 측정 장치가 손상되지 않도록 기울여지는 적당한 주의로써, pH의 하한이 적절히 결정될 수 있다.
양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하는 요산 분석 시스템에 기초한 플로우 셀
단순 전도성 다이아몬드 전극 대신에 활성 전극으로서 양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용한다는 것을 제외하고는 도 29에 도시된 플로우 셀에 기초한 분석 시스템과 실질적으로 동일한, 플로우 셀에 기초한 요산 분석 시스템이 제조되었다.
실시예 31
플로우 주입(flow injection)에 기초한 이 분석 시스템이, 요산과 아스코르브산을 포함하는 복수의 시료들의 분석에 대해서 사용되었고, 도 49에서 보는 결과들이 얻어졌다. 이로부터, 플로우 주입을 통하여 연속적으로 적용된 시료들에서, UA 및 AA에 해당하는 전류의 피크 강도들로부터 UA 및 AA를 독립적으로 분석하는 것에 대해서 상기 분석 시스템이 효과적이라는 것이 확인되었다. 측정 조건은 다음과 같았다: 플로우 셀이 20㎕의 용량을 가졌고; 이동 상(mobile phase)은 1㎖/min로 흐르는 0.1M HClO4(pH = 0.9)였으며; 500nM UA나 1μM AA가 주입되었고; 전위 스텝이 (Ag/AgCl에 대해서) +0.93V로 맞추어졌다. 결과로서, 도 49에 도시된 바와 같이, 요산과 아스코르브산 둘 다 블랭크로부터 얻어진 전류 피크와 명확히 구별되는 전류 피크들을 주었다. 이 분석으로부터, pH < 1의 범위에 있는 pH = 0.9에서, 양극 산화된 다이아몬드 전극을 포함하는 이 플로우 주입 분석 시스템은 연속 분석에서도 요산과 아스코르브산의 분리된 측정을 허용한다는 것이 확인되었다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 양극 산화를 받는 다이아몬드 코팅 전극은 같은 시료에 포함된 아스코르브산으로부터 요산을 명확히 구별하는 것을 가능하게 하며, 오랜 기간에 걸쳐 안정한 분석을 허용하고, 요산의 매우 낮은 농도의 검출을 또한 허용한다. 또한, 이 기술 분야에서 능숙한 사람이건 그렇지 않은 사람이건, 쉽게 그 자리에서 시료의 요산 농도를 결정하게 한다.
본 발명의 제 1 국면을 나타내는 전기화학적 분석은 특히 불활성 금속들 및 합금들로 만들어진 시험 대상물에 대한 고도로 정확하고 민감한 분석을 가능하게 한다. 또한, 시스템이 분석을 위해서 시험 대상물의 단지 매우 작은 양을 요하기 때문에, 원래 시험 대상물을 사실상 원상 그대로 유지할 수 있다.
본 발명의 제 2 국면을 나타내는 전기화학적 분석은 상대적으로 넓은 범위의 산화 전위를 가지는 전기화학적으로 활성인 시험 대상물들의 분석에 적용 가능하다. 이 분석은, 하수나 마시는 물과 같은 용액에 포함된 전기화학적으로 활성인 물질들의 고도로 정확하고 민감한 분석을 가능하게한다.
본 발명의 제 3 국면을 나타내는 전기화학적 분석에 있어서, 전도성 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템에 기초한 플로우 셀은 연속적인 분석에 사용될 때도 시료들 사이에서 교차 오염을 막고, 매우 낮은 백그라운드 전류를 주며, 실질적으로 맥동으로부터의 효과에 영향을 받지 않는다. 특히, 양극 산화된 다이아몬드 전극을 사용하는 분석 시스템에 기초한 플로우 셀은 액체 크로마토그래피 유닛과 결합될 때, 다양한 화학종의 연속적인 분석에 효과적이다.
본 발명의 제 4 국면을 나타내는 전기화학적 분석에 있어서, 양극 산화를 받는 다이아몬드 코팅 전극은 같은 시료에 포함된 아스코르브산으로부터 요산을 명확히 구별하는 것을 가능하게 하며, 오랜 기간에 걸쳐 안정한 분석을 허용하고, 요산의 매우 낮은 농도의 검출을 허용한다. 또한, 이 기술 분야에서 능숙한 사람이건 그렇지 않은 사람이건, 쉽게 그 자리에서 시료의 요산 농도를 결정하게 한다.
이 출원은 8개의 일본 특허 출원에 기초한다: (1) 일본에서 2000. 3. 9. 출원된 출원번호 2000-64360; (2) 일본에서 1999. 5. 28. 출원된 출원번호 평11(1999)-149143; (3) 일본에서 1999. 6. 30. 출원된 출원번호 평11 (1999)-184525; (4) 일본에서 1999. 7. 9. 출원된 출원번호 평11(1999) -195173; (5) 일본에서 1999. 7. 15. 출원된 출원번호 평11(1999)-201088; (6) 일본에서 1999. 6. 1. 출원된 출원번호 평11(1999)-153506; (7) 일본에서 1999. 8. 20. 출원된 출원번호 평11(1999)-233456; 그리고 (8) 일본에서 1999. 7. 19. 출원된 출원번호 평11(1999)-204394. 이들 8개의 일본 특허 출원들의 전체 내용들은 여기에서 참고(reference)에 의해서 포함된다.

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  20. 다이아몬드 코팅 전극을 산성 또는 알칼리성 용액에 위치시키는 단계, 및 충분히 강한 전류를 흐르게 하여 상기 다이아몬드 코팅 전극이 산화 반응을 겪도록 함으로써 그 전극 상에서 양극 산화를 수행하는 단계에 의해서 수득되는 양극 산화된 다이아몬드 코팅 전극.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 산성 용액은 H2SO4, HClO4, HNO3또는 HCl을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 산화된 다이아몬드 코팅 전극.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 알칼리성 용액은 KOH 또는 NaOH를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극 산화된 다이아몬드 코팅 전극.
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