KR100944779B1 - Water quality sensor detecting heavy metal and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베이스 부재, 상기 베이스 부재의 일면의 일부 영역에 형성되고, 도전성 물질로 이루어진 도전층, 상기 도전층의 일부 영역이 노출되도록 상기 도전층 상에 형성된 절연층, 및 상기 노출된 도전층의 일 영역 상에 형성되고 비스무스(bismuth, Bi) 분말을 포함하는 비스무스층을 구비한 중금속 감지용 수질 센서를 제공한다. 상기 중금속 감지용 수질 센서는 중금속 감지 성능이 우수하여, 센서의 신뢰성이 높고 제조 효율 및 단가 면에서 우수하다. The present invention provides a base member, a conductive layer formed on a portion of one surface of the base member, the conductive layer made of a conductive material, an insulating layer formed on the conductive layer to expose a portion of the conductive layer, and the exposed conductive layer. Provided is a water quality sensor for detecting heavy metals having a bismuth layer formed on one region and including bismuth (Bi) powder. The water quality sensor for heavy metal detection is excellent in heavy metal detection performance, high reliability of the sensor and excellent in manufacturing efficiency and cost.
Description
본 발명은 중금속 감지용 수질 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신뢰성이 우수하고 제조 경쟁력이 우수하며 나아가 친환경적인 중금속 감지용 수질 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a water quality sensor for detecting heavy metals and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a water quality sensor for detecting heavy metals and a method for producing the same, which are excellent in reliability, excellent in manufacturing competitiveness, and environmentally friendly.
일반적으로, 스트리핑 전압전류법(stripping voltammetry)이란 일종의 전기화학분석법으로, 중금속들이 개별적으로 가지는 산화 환원 전위의 특성을 이용하여 수중에 존재하는 중금속을 전극표면에 농축한 후, 다시 물속으로 방출시키면서 생성되는 특정한 전류변화(전압전류곡선)를 분석하여 용액내의 중금속을 정량 분석하는 방법이다.In general, stripping voltammetry is a kind of electrochemical analysis, in which heavy metals present in water are concentrated on the surface of an electrode using the properties of redox potential of heavy metals, and then released into water. It is a method of quantitative analysis of heavy metals in solution by analyzing specific current changes (voltage and current curves).
이러한 스트리핑 전압전류법은 반응물질을 미리 전극표면에 농축시키므로 감도가 아주 증대되어 미량의 물질도 정량이 가능하며, 또한 전해농축 과정을 특정한 전위에서 수행하므로 분석의 선택성을 증대시킬 수 있다. 현재 스트리핑 전압전류법을 위한 작업전극(working electrode)으로는 주로 수은을 사용하는 매달린 수은방울 전극(hanging mercury drop electrode)과 얇은 수은막 전극(mercury thin film electrode)이 많이 이용되고 있다. 하지만, 분석 후 발생되는 유독성의 수은처리 문제와 분석결과의 재현성을 위한 표면처리 문제, 그리고 공기 중에 노출되면 쉽게 변화하는 특성 등으로 인하여, 최근 수은을 함유하지 않은 무독성의 환경친화적인 대체 전극 개발에 많은 노력들이 이루어지고 있다. Since the stripping voltammetry concentrates the reactants on the electrode surface in advance, the sensitivity is very high, so that even a small amount of the substance can be quantified, and the electrolytic concentration process is performed at a specific potential, thereby increasing the selectivity of the analysis. Currently, as a working electrode for stripping voltammetry, a hanging mercury drop electrode and a mercury thin film electrode using mercury are widely used. However, due to the problem of toxic mercury treatment after analysis, surface treatment for reproducibility of analytical results, and properties that easily change when exposed to air, the development of non-toxic, environmentally friendly alternative electrodes that do not contain mercury Many efforts are being made.
현재, 이러한 스트리핑 전압전류법을 위한 대체 전극 물질로서 유리질 탄소 전극을 기질로 하는 얇은 비스무스(bismuth)막 전극에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 하지만, 이를 작업전극으로 사용시에는 감도 및 분석결과의 재현성을 위해 측정 시마다 여러 단계의 표면 세척 및 처리 공정을 필요로 하며, 이때의 표면 공정은 작업전극의 복원성 및 기능성에 크게 영향을 미치게 된다. 이러한 점은 분석결과의 정확성 및 신뢰성과 연관이 있으며, 자동화 시스템에서의 온라인 측정 분석뿐만 아니라, 현장 휴대용 장비로서의 사용에 제약을 줄 수도 있다.Currently, research has been focused on thin bismuth film electrodes based on glassy carbon electrodes as an alternative electrode material for such stripping voltammetry. However, when it is used as a working electrode, several steps of surface cleaning and treatment are required for each measurement for reproducibility of sensitivity and analysis result, and the surface process at this time greatly affects the resilience and functionality of the working electrode. This is related to the accuracy and reliability of the analysis results and may limit their use as field portable equipment as well as on-line measurement analysis in automated systems.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 스트리핑 전압전류법을 적용함에 있어서, 친환경적이고 제조 방법이 간단하며 가격이 저렴한 일회용의 중금속 감지용 수질센서를 제공함을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a water-soluble sensor for detecting heavy metals, which is eco-friendly, simple to manufacture, and inexpensive in applying stripping voltammetry.
또한, 본 발명은 상기한 중금속 감지용 수질 센서를 효율적으로 제조할 수 있는 중금속 감지용 수질 센서의 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a method for producing a heavy metal detection water quality sensor that can efficiently produce the above-described water quality sensor for heavy metal detection.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. Technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 특징에 따른 중금속 감지용 수질 센서는 베이스 부재, 상기 베이스 부재의 일면의 일부 영역에 형성되고, 도전성 물질로 이루어진 도전층, 상기 도전층의 일부 영역이 노출되도록 상기 도전층 상에 형성된 절연층, 및 상기 노출된 도전층의 일 영역 상에 형성되고 비스무스(bismuth, Bi) 분말을 포함하는 비스무스층을 구비한다. The water quality sensor for heavy metal detection according to an aspect of the present invention is formed on a base member, a partial region of one surface of the base member, a conductive layer made of a conductive material, and formed on the conductive layer so that a partial region of the conductive layer is exposed. An insulating layer and a bismuth layer formed on one region of the exposed conductive layer and including bismuth (Bi) powder.
상기 도전성 물질로는 도전성 카본 잉크 등이 사용될 수 있다. Conductive carbon ink and the like may be used as the conductive material.
상기 베이스 부재는 막대 형상을 갖고 상기 도전층은 상기 베이스 부재의 장변과 평행하게 상기 베이스 부재 면에 형성되어 스트라이프 형상을 가질 수 있다. The base member may have a rod shape, and the conductive layer may be formed on the surface of the base member in parallel with the long side of the base member to have a stripe shape.
상기 절연층은 상기 도전층의 양 말단부가 노출되도록 상기 도전층 상에 형 성될 수 있다. The insulating layer may be formed on the conductive layer so that both ends of the conductive layer are exposed.
상기 양 말단부 중 어느 하나의 말단부 상에 상기 비스무스층이 형성되어 있다. The bismuth layer is formed on either end of the both ends.
상기 도전층의 두께는 20 내지 100 ㎛인 것이 바람직하며, 단위면적(1cm2) 당 2 내지 5 ㎍의 비스무스 분말을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 비스무스층에 포함되는 비스무스 분말의 총 중량은 0.2 내지 0.5 ㎍인 것이 바람직하다. It is preferable that the thickness of the said conductive layer is 20-100 micrometers, and it contains 2-5 micrograms of bismuth powders per unit area (1 cm <2> ). In addition, the total weight of the bismuth powder contained in the bismuth layer is preferably 0.2 to 0.5 μg.
상기 비스무스층은 6 내지 300 nm의 입자 크기를 갖는 비스무스 분말을 포함한다. 또하나, 상기 비스무스층은 이온투과성 고분자 바인더를 더 포함할 수 있다. The bismuth layer comprises bismuth powder having a particle size of 6 to 300 nm. In addition, the bismuth layer may further include an ion permeable polymer binder.
본 발명의 일 특징에 따른 중금속 감지용 수질 센서의 제조 방법은 베이스 부재의 일면의 일부 영역 상에 도전성 물질을 프린팅(printing)하여 도전층을 형성하는 단계, 상기 도전층의 일 영역이 노출되도록 상기 베이스 부재 상에 절연물질을 프린팅하여 절연층을 형성하는 단계, 분산용매에 비스무스 분말을 분산시켜 비스무스 분산액을 준비하는 단계 및 상기 비스무스 분산액을 상기 노출된 도전층의 일 영역 상에 적하하여 건조시키는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a water quality sensor for detecting a heavy metal, forming a conductive layer by printing a conductive material on a portion of one surface of a base member, and exposing one region of the conductive layer to be exposed. Forming an insulating layer by printing an insulating material on a base member, preparing a bismuth dispersion by dispersing bismuth powder in a dispersion solvent, and drying the bismuth dispersion by dropping it on one region of the exposed conductive layer It includes.
상기 분산용매는 0.1 내지 10%의 농도를 갖는 이온투과성 고분자 바인더 수용액이거나, 순수한 증류수인 것이 바람직하다.The dispersion solvent is an ion permeable polymer binder aqueous solution having a concentration of 0.1 to 10%, or preferably pure distilled water.
상기 비스무스 분말은 가스응축법(gas condensation)에 의하여 제조되는 것이 바람직하다. The bismuth powder is preferably prepared by gas condensation (gas condensation).
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 중금속 감지용 수질 센서에 대해 설명한다. Hereinafter, a water quality sensor for detecting heavy metals according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 감지용 수질 센서를 도시한 평면도이다. 1 is a plan view showing a water quality sensor for heavy metal detection according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 중금속 감지용 수질 센서(100)는 베이스 부재(110), 도전층(120), 절연층(130) 및 비스무스층(140)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the
상기 베이스 부재(110)로는, 표면이 매끄럽고 접착성능이 우수한 다양한 재질이 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 베이스 부재(110)로는 고분자 필름이 사용된다. 고분자 필름의 종류는 특별히 한정되지 않는다.As the
한편, 상기 베이스 부재(110)의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 본 실시예의 베이스 부재(110)는 막대 형상의 얇은 필름이다. On the other hand, the shape of the
상기 도전층(120)은 예를 들면, 상기 베이스 부재(110)의 일면의 일부 영역 상에 도전성 카본 잉크(carbon ink)를 스크린 프린팅(screen printing)함으로 형성될 수 있다. 상기 도전층(120)을 이루는 물질로서는 상기 도전성 카본 잉크 외에도 도전성 고분자 등을 사용할 수 있다. 특히, 상기 도전성 물질은 카본을 포함하는 것이 바람직하다. The
상기 도전성 카본 잉크는 스크린 프린팅 후, 소정의 온도 하에서 건조됨으로써, 도전층(120)을 형성한다. The conductive carbon ink is dried under a predetermined temperature after screen printing, thereby forming the
상기 도전층(120)은 상기 베이스 부재(110)의 장변을 따라 연장된 띠(stripe) 형상을 갖는다.The
상기 도전층(120)의 두께는 제조되는 중금속 감지용 수질 센서(100)의 신뢰성에 영향을 미친다. 상기 도전층(120)의 두께가 너무 얇을 경우 전기적으로 단선되는 문제가 발생될 수 있다. 상기 도전층(120)의 두께는 20 내지 100 ㎛인 것이 바람직하며, 특히 80 ㎛ 전 후가 더욱 바람직하다. The thickness of the
상기 절연층(130)은 상기 도전층(120) 상에 절연 잉크(insulating ink) 등을 이용하여 스크린 프린팅함으로써 형성된다. 상기 절연층(130)의 형성을 위해는 역시 전술한 바와 같이 스크린 프린팅 이후에 소정의 온도로 건조되어야 한다. The
상기 절연층(130)은 상기 도전층(120)의 일부 영역이 노출될 수 있도록 상기 도전층(120) 상에 형성된다. 도 1을 다시 참조하면, 상기 절연층(130)은 띠 형상을 갖는 도전층(120)의 중간 영역 상에 형성되어 제1 도전층 영역(122)과 제2 도전층 영역(124)을 노출시킨다. The
도 1에서, 상기 제1 도전층 영역(122)의 길이는 상기 제2 도전층 영역(124)의 길이에 비하여 상대적으로 길다. 상기 제1 도전층 영역(122)은 외부의 전기를 인가 받기 위한 연결부로서 작용하며, 상기 제 2 도전층(124)의 일 영역 상에는 상기 비스무스층(140)이 형성된다.In FIG. 1, the length of the first
상기 비스무스층(140)은 상기 노출된 도전층(120)의 일 영역, 즉 제2 도전층(124)의 일 영역 상에 형성된다. The
상기 비스무스층(140)은 미리 준비된 비스무스 분산액을 상기 제2 도전층(124)의 일 영역 상에 적하하고 건조함으로써 형성된다. The
상기 비스무스 분산액은 분산 용매에 비스무스 분말을 균일하게 분산시켜 준 비된다. 한편, 상기 비스무스 분말은 불순물의 효과적인 배제를 위하여 가스응축법(gas condensation)에 의하여 준비되는 것이 바람직하다. The bismuth dispersion is prepared by uniformly dispersing bismuth powder in a dispersion solvent. On the other hand, the bismuth powder is preferably prepared by gas condensation (gas condensation) in order to effectively exclude impurities.
상기 비스무스 분말이 300 nm를 초과하는 입자들을 포함할 경우, 중금속 감지용 센서(100)의 성능이 급격히 저하될 수 있다. 따라서, 상기 비스무스 분말은 300 nm 이하의 입자크기를 갖는 결정 입자로 이루어지고, 바람직하게는 6 내지 75 nm의 입자크기를 갖는 결정 입자들로 이루어진다. When the bismuth powder includes particles exceeding 300 nm, the performance of the
상기 비스무스 분산액의 준비에 사용되는 분산 용매로서는, 증류수, 에탄올 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 분산 용매로서는, 이온투과성 고분자 바인더 0.1 내지 10%를 함유한 이온투과성 고분자 바인더 수용액인 것이 바람직하다.Distilled water, ethanol, or the like may be used as the dispersion solvent used in the preparation of the bismuth dispersion. Moreover, as said dispersion solvent, it is preferable that it is the ion permeable polymer binder aqueous solution containing 0.1-10% of an ion permeable polymer binder.
상기 이온투과성 고분자 바인더로서는, 나피온(Nafion™)등을 사용할 수 있으며, 이외에도 화학 및 물리적 강도가 높고 수소이온 전도도가 높은 이온투과성 수지라면 공지된 어떠한 수지도 사용될 수 있다.As the ion permeable polymer binder, Nafion ™ may be used, and any known resin may be used as long as the ion permeable resin has high chemical and physical strength and high hydrogen ion conductivity.
상기 나피온은 듀퐁(Du Pont) 사에서 개발한 고분자 전해질의 상품명이다(Nafion™). 상기 나피온은 기본적으로 테프론(-CF2-CF2-) 고분자에 과불소화기로 이루어진 긴 사슬에 술폰산기가 붙어있는 형태이다. 또한, 상기 나피온은 수소이온 전도도가 높으며 (0.08 S/cm at 30℃) 화학적, 물리적 강도가 매우 우수한 특성을 나타낸다. The Nafion is a trade name of a polymer electrolyte developed by Du Pont (Nafion ™). The Nafion is basically a sulfonic acid group attached to a long chain made of a perfluorinated group in a Teflon (-CF 2 -CF 2- ) polymer. In addition, the Nafion exhibits high hydrogen ion conductivity (0.08 S / cm at 30 ° C.) and excellent chemical and physical strength.
상기 비스무스층(140) 내에 포함된 비스무스 분말의 총 중량은 0.2 내지 0.5 ㎍인 것이 바람직하다. 다른 한편으로는, 상기 비스무스층(140)은 단위면적(1cm2) 당 2 내지 5 ㎍의 비스무스 분말을 포함하는 것이 바람직하다.The total weight of the bismuth powder contained in the
이하에서는, 본 실시예에 따른 중금속 감지용 수질 센서(100)의 성능을 평가하기 위하여 수행된 다양한 센서 감도 측정 결과를 설명하도록 하겠다. 그러나, 이하의 실험들에 의하여 본 발명의 기술적 사상이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, various sensor sensitivity measurement results performed to evaluate the performance of the heavy metal detection
[실험][Experiment]
1. 실험 대상 센서1. Sensor for experiment
실험에 사용된 중금속 감지용 수질 센서는, 6 ~ 75 nm의 입자 분포를 갖는 비스무스 분말을 0.24%의 나피온을 포함하는 증류수에 분산시켜 0.02g/L의 비스무스 분말 수용액을 만든 후 상기 비스무스 수용액 중 10 ㎕를 도전층의 일 영역 상에 적하하고 건조시켜 고정화 함으로써 제조되었다.The water quality sensor for heavy metal detection used in the experiment was prepared by dispersing bismuth powder having a particle distribution of 6 to 75 nm in distilled water containing 0.24% of Nafion to make 0.02 g / L bismuth powder aqueous solution, and then 10 µl was added dropwise onto one region of the conductive layer, dried and immobilized.
2. 실험 방법2. Experimental method
기준전극(reference electrode)으로 Ag/AgCl (3 M KCl)을 사용하였으며, 0.1 M acetic-chloride buffer(pH 4.7)와 20 ppb의 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb) 이온이 포함된 용액에서, -1.4 V에서 120 초 동안 전압을 걸어 이들 이온을 전기석출 시킨 후 1.0 V/s의 속도로 전압을 선형적으로 상승시키면서 스트리핑 전압전류법을 실시하였다.Ag / AgCl (3 M KCl) was used as the reference electrode and included 0.1 M acetic-chloride buffer (pH 4.7) and 20 ppb of zinc (Zn), cadmium (Cd), and lead (Pb) ions. In the prepared solution, a voltage was applied at −1.4 V for 120 seconds to electroprecipitate these ions, and then stripping voltammetry was performed while linearly increasing the voltage at a rate of 1.0 V / s.
도전층Conductive layer 두께에 따른 센서 감도 Sensor sensitivity according to thickness
본 발명에 따른 비스무스 분말이 표지된 중금속 감지용 수질센서의 도전층 두께에 따른 분석화학적 성능을 조사하기 위하여, 동시에 분석이 가능한 아연, 카 드뮴, 납 이온을 대상으로 스트리핑 전압전류법을 실시하였다.In order to investigate the analytical and chemical performance of the bismuth powder-labeled heavy metal sensor according to the present invention according to the thickness of the conductive layer, stripping voltammetry was performed on zinc, cadmium, and lead ions that can be analyzed simultaneously.
아래의 표1은 도전층의 두께가 서로 다른 센서를 이용하여 측정된 스트리핑 산화전류(I) 값과, 이에 대해 5회 반복 측정 후 초기의 산화전류 값에 대한 재현성(R) 테스트 결과를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the results of the reproducibility (R) test on the stripping oxidation current (I) value measured using sensors having different thicknesses of the conductive layer and the initial oxidation current value after 5 repeated measurements. .
상기한 표1에서 보이는 바와 같이, 도전층의 두께가 40 μm인 경우 각 금속이온들에 대해 더 높은 전류치가 관측되었으나, 전류 값의 재현성 결과는 80 μm의 도전층의 두께를 갖는 센서가 더욱 정확한 값을 보이는 것을 알 수 있었다.As shown in Table 1 above, when the thickness of the conductive layer was 40 μm, higher current values were observed for each metal ion, but the reproducibility result of the current value was more accurate for a sensor having a thickness of 80 μm conductive layer. It can be seen that the value.
따라서, 이하의 실험들에서는 센서의 도전층 두께를 모두 80 μm로 하여 스트리핑 전압전류법을 실시하였다.Therefore, in the following experiments, stripping voltammetry was performed with all conductive layer thicknesses of the sensor as 80 μm.
비스무스Bismuth 함량에 따른 센서 감도 Sensor sensitivity by content
중금속 감지용 센서를 제조 시, 도전층 상에 표지되는 비스무스 분말의 적정 함량을 선정하기 위하여, 6-75 nm의 입자크기 분포를 갖는 비스무스 분말의 양을 변화시키며 다섯 종류의 센서를 제작하여 Zn, Cd, Pb 이온들에 대하여 스트리핑 전압전류법을 실시 하였다.In manufacturing the heavy metal detection sensor, five kinds of sensors were fabricated by varying the amount of bismuth powder having a particle size distribution of 6-75 nm in order to select an appropriate content of the bismuth powder labeled on the conductive layer. Stripping voltammetry was performed on Cd and Pb ions.
도 2는 비스무스 분말의 함량에 따른 산화 스트리핑 전압전류법을 실시한 결과를 나타내는 그래프이다. Figure 2 is a graph showing the results of the oxidation stripping voltammetry according to the content of bismuth powder.
도 2를 참조하면, 모든 금속 이온들에 대하여 비스무스의 함량이 0.125 μg 일 경우 가장 낮은 스트리핑 산화전류 값을 나타내었으며, 비스무스 함량이 점차 증가함에 전류 값도 증가하다가 0.5 μg에서 최대치를 나타낸 후, 그 이상의 함량에서는 다시 감소하였다. Referring to FIG. 2, when the bismuth content is 0.125 μg for all metal ions, the lowest stripping oxidation current value is shown. As the bismuth content gradually increases, the current value also increases and then shows a maximum value at 0.5 μg. In the above content, it decreased again.
하기 표 2는 표지된 비스무스 분말의 함량에 따른 센서의 산화전류 값의 재현성 테스트 결과를 나타낸 것이다.Table 2 below shows the reproducibility test results of the oxidation current value of the sensor according to the content of the labeled bismuth powder.
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 비스무스의 함량이 0.2 ~ 0.5 μg 사이인 센서의 산화전류 값은 5회의 반복 측정 후에도 우수한 재현성을 나타내는 반면, 비스무스의 함량이 0.2 μg 미만인 센서와 0.5 μg 초과인 센서들에서는 초기값으로부터 많이 벗어난 결과가 관측되었다. As shown in Table 2, the oxidation current value of the sensor having a bismuth content of 0.2 to 0.5 μg shows excellent reproducibility even after five repeated measurements, while the sensor having a bismuth content of less than 0.2 μg and more than 0.5 μg In Esau, much deviation from the initial value was observed.
따라서, 도2와 표2에 나타낸 결과로부터 비스무스 분말이 0.2 μg 이상부터 0.5 μg 이하의 함량을 가지고 도전층 상에 표지 되었을 경우가 가장 좋은 센서 감도를 나타내는 것을 알 수 있었다.Accordingly, it can be seen from the results shown in FIG. 2 and Table 2 that the best sensor sensitivity is obtained when the bismuth powder is labeled on the conductive layer with a content of 0.2 μg or more and 0.5 μg or less.
비스무스Bismuth 분말의 입자크기 분포에 따른 센서 감도 Sensor sensitivity according to particle size distribution of powder
중금속 감지용 센서를 제조 시, 도전층 상에 표지되는 비스무스 분말의 입자크기 분포에 따른 센서의 분석화학적 성능을 조사하기 위하여, 서로 다른 입자크기 분포를 가지는 비스무스 분말 군을 형성하여 Zn, Cd, Pb 이온을 대상으로 스트리핑 전압전류법을 실시하였다.In order to investigate the analytical and chemical performance of the sensor according to the particle size distribution of the bismuth powder labeled on the conductive layer when manufacturing the heavy metal detection sensor, Zn, Cd, Pb by forming a group of bismuth powder having a different particle size distribution Stripping voltammetry was performed on the ions.
서로 다른 입자크기 분포를 가지는 비스무스 분말 군들을 증류수에 분산시켜 0.02 g/L의 비스무스 분말 수용액을 만든 후, 수용액 중 10 μL를 도전층 표면에 적하하여 작업전극을 준비하였다.Bismuth powder groups having different particle size distributions were dispersed in distilled water to make 0.02 g / L of bismuth powder aqueous solution, and 10 μL of the aqueous solution was dropped on the surface of the conductive layer to prepare a working electrode.
도 3 및 4는 서로 다른 입자크기 분포를 갖는 비스무스 분말이 표지된 센서를 이용하여 각 금속 이온의 농도를 0, 20, 40 ppb로 증가시키며 선형주사 전류전압법을 실시해 얻은 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3은 6~75 nm의 입자 크기 분포를 갖는 비스무스 분말의 경우에 관한 그래프이고, 도 4는 300 nm 이상의 입자 크기 분포를 갖는 비스무스 분말의 경우에 관한 그래프이다.3 and 4 are graphs showing the results of analysis obtained by performing linear scanning current voltammetry by increasing the concentration of each metal ion to 0, 20 and 40 ppb using a sensor labeled with bismuth powder having different particle size distributions. . FIG. 3 is a graph of a bismuth powder having a particle size distribution of 6 to 75 nm, and FIG. 4 is a graph of a bismuth powder having a particle size distribution of 300 nm or more.
도 3에서 보이는 바와 같이 각 금속 이온의 농도를 20 ppb씩 증가시켜 갈 때, 6~75 nm의 입자크기 분포를 가지는 센서는 모든 금속 이온들에 대한 산화 정점 전류가 비례적으로 증가함을 보이고 잘 정의된 봉우리 형태의 전압전류곡선을 보이는 것을 알 수 있었다. 그러나 도 4에서 보이는 바와 같이 300 nm 이상의 분포를 가지는 센서는 띠넓힘 현상이 두드러지게 나타나서 정점전류의 비례성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 3, when the concentration of each metal ion is increased by 20 ppb, the sensor having a particle size distribution of 6 to 75 nm shows that the oxidative peak current for all metal ions increases proportionally. It can be seen that the voltage-current curve of the defined peak shape is shown. However, as shown in FIG. 4, the band-width widening phenomenon of the sensor having a distribution of 300 nm or more was found to be inferior in proportionality of peak current.
하기 표 3은 입자크기 분포가 다른 비스무스 분말 군이 표지된 센서를 이용하여 20 ppb의 Zn, Cd, Pb 이온이 포함된 용액에 대해서 측정된 스트리핑 산화전류(I) 값과 재현성 테스트 결과를 나타낸 것이다.Table 3 below shows stripping oxidation current (I) values and reproducibility test results measured for a solution containing 20 ppb of Zn, Cd, and Pb ions using a sensor labeled with bismuth powder groups having different particle size distributions. .
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 표지된 비스무스 분말이 6~75 nm부터 6~300 nm의 크기 분포를 가지는 경우는 모든 금속 이온들에 대해 산화전류 값의 재현성이 비교적 우수한 정확도를 나타내는 반면, 300 nm 이상의 넓은 크기 분포를 가지는 경우에는 특히, Cd 이온에 대해 매우 큰 차이를 가지고 측정되었다. 따라서, 동시분석을 위해서는 상기 비스무스 분말이 최소한 6-300 nm 이하의 입자크기 분포를 갖고 있어야 함을 알 수 있었다.As shown in Table 3, when the labeled bismuth powder has a size distribution of 6 to 75 nm to 6 to 300 nm, the reproducibility of the oxidation current value for all metal ions is relatively excellent, whereas 300 nm In the case of having the above wide size distribution, in particular, it was measured with a very large difference for the Cd ion. Therefore, it was found that the bismuth powder should have a particle size distribution of at least 6-300 nm for simultaneous analysis.
비스무스Bismuth 분말 표지를 위한 분산 용매에 따른 센서 감도 Sensor sensitivity according to disperse solvent for powder labeling
중금속 감지용 센서를 제조 시, 도전층 상에 비스무스 분말 표지를 위한 분산 용매에 따른 센서의 분석화학적 성능을 조사하기 위하여, 서로 다른 용매를 사용하여 비스무스 분말을 도전층 상에 표지한 후, Zn, Cd, Pb 이온을 대상으로 스트리핑 전압전류법을 실시하였다. In manufacturing the heavy metal detection sensor, in order to investigate the analytical and chemical performance of the sensor according to the dispersion solvent for the bismuth powder label on the conductive layer, after labeling the bismuth powder using a different solvent on the conductive layer, Zn, Stripping voltammetry was performed on Cd and Pb ions.
6 ~ 75 nm의 입자크기 분포를 가지는 비스무스 분말을 서로 다른 용매에 분산시켜 0.02 g/L의 비스무스 분말 용액을 만든 후, 용액 중 10 μL를 도전층 상에 적하하여 센서를 준비하였다.A bismuth powder having a particle size distribution of 6 to 75 nm was dispersed in different solvents to prepare a 0.02 g / L bismuth powder solution, and then 10 μL of the solution was dropped on the conductive layer to prepare a sensor.
하기 표4은 용매의 종류에 따른 스트리핑 산화전류(I) 값과 재현성 테스트 결과를 나타낸 것이다. Table 4 shows stripping oxidation current (I) values and reproducibility test results according to the types of solvents.
상기 표 4에서 보는 바와 같이, 에탄올(ethanol)과 클로로포름(chloroform)을 분산 용매로 사용하였을 경우, 센서의 분석화학적 성능이 많이 떨어지는 반면, 증류수를 분산 용매로 사용하였을 경우에는 매우 좋은 반응감도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 4, when ethanol and chloroform were used as the dispersion solvent, the analytical and chemical performance of the sensor was much lower, whereas when distilled water was used as the dispersion solvent, the reaction sensitivity was very good. You can see that.
특히, 소량의 이온투과성 고분자 바인더가 첨가된 증류수를 분산 용매로 사용하였을 경우, 이온투과성 고분자 바인더 수용액에는 모든 금속 이온들에 대한 스트리핑 산화전류 값이 매우 높아지며, 그 센서 감도가 더욱 향상되었음을 확인할 수 있었다.In particular, when distilled water containing a small amount of ion-permeable polymer binder was used as a dispersion solvent, it was confirmed that the stripping oxidation current value for all metal ions was very high in the ion-permeable polymer binder aqueous solution, and the sensor sensitivity was further improved. .
상술한 바에 따르면, 본 발명에 따른 중금속 감지용 수질 센서는 센서의 정확도 및 신뢰성이 우수하고, 제조 공정 효율이 우수하다. 한편, 일회용으로 사용하기에 적합하다.According to the above, the water quality sensor for heavy metal detection according to the present invention is excellent in accuracy and reliability of the sensor, and excellent in manufacturing process efficiency. On the other hand, it is suitable for single use.
또한, 상기 중금속 감지용 수질 센서는 무해한 비스무스 분말을 포함하므로써, 종래의 수은 전극 등을 대체할 수 있어 친환경적이다.In addition, the water quality sensor for detecting heavy metals includes harmless bismuth powder, so that it is possible to replace conventional mercury electrodes and the like.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 감지용 수질 센서를 도시한 평면도이다. 1 is a plan view showing a water quality sensor for heavy metal detection according to an embodiment of the present invention.
도 2는 비스무스 분말의 함량에 따른 산화 스트리핑 전압전류법을 실시한 결과를 나타내는 그래프이다. Figure 2 is a graph showing the results of the oxidation stripping voltammetry according to the content of bismuth powder.
도 3은 6~75 nm의 입자크기 분포를 갖는 비스무스 분말이 표지된 센서를 이용하여 각 금속 이온의 농도를 0, 20 및 40 ppb로 각각 증가시키며 선형주사 전류전압법을 실시해 얻은 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 3 shows the analysis results obtained by performing a linear scanning current voltage method to increase the concentration of each metal ion to 0, 20 and 40 ppb using a sensor labeled bismuth powder having a particle size distribution of 6 ~ 75 nm, respectively It is a graph.
도 4는 300 nm 이상의 입자크기 분포를 갖는 비스무스 분말이 표지된 센서를 이용하여 각 금속 이온의 농도를 0, 20 및 40 ppb로 각각 증가시키며 선형주사 전류전압법을 실시해 얻은 분석 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing an analysis result obtained by performing a linear scanning current voltage method to increase the concentration of each metal ion to 0, 20 and 40 ppb, respectively, using a sensor labeled with bismuth powder having a particle size distribution of 300 nm or more. .
[도면의 주요 부호에 대한 설명][Description of Major Symbols in Drawing]
100: 중금속 감지용 수질 센서100: Water quality sensor for heavy metal detection
110: 베이스 부재 120: 도전층110: base member 120: conductive layer
122: 제1 도전층 영역 124: 제2 도전층 영역122: first conductive layer region 124: second conductive layer region
130: 절연층 140: 비스무스층 130: insulating layer 140: bismuth layer
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