KR101608584B1 - 수산화기―풍부 그래핀 산화물을 전기화학적 환원하여 얻어진 그래핀 박막, 및 이를 이용한 요산 검출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수산화기-풍부 그래핀 산화물을 전기화학적 환원하여 얻어진 그래핀 박막, 및 이를 이용한 요산 검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 전극에 코팅하고 이를 소정의 방법을 통해 전기화학적으로 환원시켜 전극 표면을 개질함으로써, 더 많은 양의 그래핀 산화물이 전극에 고정되어 균일하고도 안정된 표면을 제공할 수 있고, 표적 물질 검출을 위한 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)이 극대화되며, 부산물 발생을 최소화하면서 단시간에 환원, 제조될 수 있는 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 포함하는 요산 검출용 키트, 이의 제조방법 및 이를 이용한 요산 검출방법에 관한 것이다.

Description

수산화기―풍부 그래핀 산화물을 전기화학적 환원하여 얻어진 그래핀 박막, 및 이를 이용한 요산 검출방법{GRAPHENE THIN FILM OBTAINED FROM ELECTROCHEMICAL REDUCTION OF HYDROXYL GROUP―ENRICHED GRAPHENE OXIDE, AND METHOD FOR DETECTING URIC ACID USING THE SAME}
본 발명은 수산화기-풍부 그래핀 산화물을 전기화학적 환원하여 얻어진 그래핀 박막, 및 이를 이용한 요산 검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 전극에 코팅하고 이를 소정의 방법을 통해 전기화학적으로 환원시켜 전극 표면을 개질함으로써, 더 많은 양의 그래핀 산화물이 전극에 고정되어 균일하고도 안정된 표면을 제공할 수 있고, 표적 물질 검출을 위한 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)이 극대화되며, 부산물 발생을 최소화하면서 단시간에 환원, 제조될 수 있는 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 포함하는 요산 검출용 키트, 이의 제조방법 및 이를 이용한 요산 검출방법에 관한 것이다.
그래핀(Graphene)은 지금까지 알려진 물질 중에 가장 얇으면서도, 전기나 열을 가장 잘 전도할 수 있을 뿐 아니라 가장 강하면서도 유연한 물질이다. 이　같은 그래핀은 그 우수한 특성으로 인해 구조 재료로 사용되거나, Si 전자 소자를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 구체적으로, 그래핀은 플렉서블 디스플레이와 터치 패널 등 차세대 디스플레이 분야, 태양 전지 등의 에너지 산업분야, 스마트 윈도우,　RFID 등 다양한 전자 산업 분야에서 신소재로 활용도가 확대되고 있다.
한편, 그래핀 산화물(Graphene Oxide; GO) 및 이로부터 환원된 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide; RGO)은 기존의 그래파이트보다 표면적이 크고, 전기전도도가 높으며, 강력한 기계적 강도를 지니고, 유연성까지 겸비한 물질이다.
또한, 그래핀 산화물 및 환원된 그래핀 산화물은 그래파이트 대비 더욱 많은 균일하게 분포된 전기화학적 활성사이트를 가지는바, 그 다양한 용도가 탐구 대상이 되고 있으며, 예를 들어 바이오 센서, 세포 이미징, 약물 전달 및 전지 등에의 이용 가능성이 높은 것으로 알려져 있다.
그러나, 종래의 그래핀 산화물(Graphene Oxide; GO)은 전극에 잘 고정이 안 되어 균일하고 안정된 표면을 제공하기 어려우며, 표적 물질 검출을 위한 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)이 부족하여 요산 등 체내에 존재하는 물질에 대한 검출용 키트로 적용하기에는 한계가 있다.
또한, 종래의 화학적으로 환원된 통상적인 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide; RGO)은 그 환원 과정에서 하이드라진, NaOH, NaBH4 등의 환원제 물질을 필수적으로 사용하는바, 이로 인해 원치 않는 부산물들이 발생하고 환원시간 또한 2~6시간 정도로 길게 소요되는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2012-0000156호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 부산물 발생 없이 단시간에 깨끗하게 제조될 수 있는 환원된 그래핀 산화물로서 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)이 높아 요산 등 표적 물질의 검출에 유용하게 적용될 수 있는 새로운 형태의 검출용 소재, 이를 포함하는 검출용 키트, 및 이를 이용한 요산 검출방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 전극; 및 상기 전극 표면 상에 형성된 수산화기-풍부 환원된 그래핀 산화물;을 포함하며, 상기 수산화기-풍부 환원된 그래핀 산화물은 전기화학적으로 환원된 것을 특징으로 하는 요산(Uric acid) 검출용 키트를 제공한다.
또한, 상기 전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 전극인 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트를 제공한다.
그리고, 상기 전극 표면은 PEI(Polyethyleneimine)에 의해 전처리된 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트를 제공한다.
아울러, 상기 수산화기-풍부 환원된 그래핀 산화물은 Holding reduction method를 통해 전기화학적으로 환원된 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면으로, (a) 세척 용액으로 세척한 ITO 전극을 PEI 용액에 딥핑(Dipping)한 후, 증류수로 세척하는 단계; (b) 상기 전극에 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 코팅한 후, 증류수로 세척하는 단계; 및 (c) 상기 코팅된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 전해질 용액 하에서 전기화학적으로 환원(Electrochemical reduction)시키는 단계;를 포함하는 요산(Uric acid) 검출용 키트의 제조방법을 제공한다.
그리고, 상기 (b) 단계에 사용되는 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)은, 그래핀 산화물(GO) 용액에 K2S2O8(Potassium persulfate)을 첨가한 후 가열하면서 반응을 진행시킨 다음, 수득된 결과물의 pH가 3~4로 올라갈 때까지 투석하는 과정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트의 제조방법을 제공한다.
아울러, 상기 (c) 단계에 사용되는 전해질 용액은 NaCl 용액인 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트의 제조방법을 제공한다.
더불어, 상기 (c) 단계의 전기화학적 환원(Electrochemical reduction)은 Holding reduction method를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 Holding reduction method는 환원 포텐셜을 가한 뒤 피크가 최대가 되는 지점에서 10초간 유지한 후 바로 환원 포텐셜(에너지) 공급을 중단하는 것임을 특징으로 하는 요산 검출용 키트의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면으로, (s1) 시료 용액을 전술한 요산 검출용 키트의 전극에 가하는 단계; (s2) 상기 전극에 산화 포텐셜을 가하여 표적 물질들의 분리된 산화 피크를 얻는 단계; 및 (s3) 상기 분리된 산화 피크로부터 요산을 정량해내는 단계;를 포함하는 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 이용한 요산(Uric acid) 검출방법을 제공한다.
그리고, 상기 시료 용액은 요산(Uric acid) 및 아스코르빈산(Ascorbic acid)이 서로 섞여있는 것임을 특징으로 하는 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 이용한 요산 검출방법을 제공한다.
본 발명의 요산 검출용 키트는 전극 코팅 물질로서 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 사용함과 더불어 이를 전기화학적으로 환원시키는바, 더욱 많은 양의 그래핀 산화물이 전극 상에 붙게 되고 고정이 잘 되어 균일하면서도(Homogeneous) 안정된(Stable) 표면을 형성할 수 있으며, 요산 검출을 위한 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity) 및 요산 검출능을 크게 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 요산 검출용 키트 제조방법은 상기 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 종래의 화학적 방법이 아닌 전해질이 포함된 단순 수용액 상에서 에너지를 인가해 전기화학적 방법으로 환원시키는바, 환원제 등의 투입에 따른 부산물 발생을 억제하면서 깨끗하고 효율적으로 검출 키트를 제조할 수 있으며, 그 환원시간 또한 10초 정도로 크게 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 요산 검출용 키트에 사용되는 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)의 합성 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 요산 검출용 키트의 제조 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)의 전기화학적 환원 특성을 GO 및 newGO와 비교한 데이터이다.
도 4는 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)의 전기화학적 환원 특성을 Bare ITO, GO/ITO 및 newGO/ITO와 비교한 Blocking test 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 ERHGO 표면의 요산 검출 성능을 미분펄스 전압전류법(Differential Pulse Voltammetry; DPV)을 이용해 비교검증한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 ERHGO 표면의 요산 검출 성능을 감응도, 검출한계 등의 항목을 통해 비교검증한 결과이다.
도 7은 본 발명에 따른 ERHGO 표면의 실제적 요산 검출 기능을 확증하기 위한 Real sample test 결과이다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
요산 검출용 키트
본 발명에 따른 요산(Uric acid) 검출용 키트는 전극; 및 상기 전극 표면 상에 형성된 수산화기-풍부 환원된 그래핀 산화물;을 포함하며, 상기 수산화기-풍부 환원된 그래핀 산화물은 전기화학적으로 환원된(Electrochemically reduced) 박막 형태인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 요산 검출용 키트는 1차적으로 전극 표면에 수산화기-풍부 그래핀 산화물(Hydroxyl group-enriched graphene oxide; HGO)이 코팅되고, 2차적으로 상기 코팅된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)이 전기화학적으로 환원되는 과정을 거쳐 형성된다.
본 발명의 요산 검출용 키트에 사용되는 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)은 종래 보고된 그래핀 산화물(GO)보다 더욱 많은 수의 수산화기를 함유하는 물질이다. 또한 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)은 정전기적 결합, 수소 결합 및 Silanization 등과 같은 다양한 결합에 대해 더욱 높은 가능성을 제공하는 물질이며, 전기화학적 성능을 구현하기 위한 안정된 플랫폼으로 기능할 수 있는 소재이다.
본 발명에 있어서, 상기 전극(기판)으로는 유리, 수정, 글래스웨이퍼, 실리콘웨이퍼, 탄소기판, 탄소펠트, 사파이어, 질화실리콘, 화합물 반도체, GaAs 기판, GaInP 기판, 탄화실리콘, 티타늄 코팅기판, 세라믹, 금속합금, 플라스틱, SAM(Self-assembled monolayer)막, 양극산화기판, 섬유강화 투명 플라스틱, 단결정 실리콘, 폴리크리스탈린 실리콘, 마이크로 크리스탈린 실리콘, 박막 실리콘, CdTe 기판, 양자점 태양전지, GaP 기판, SiGe 기판, Si 기판, Ge 기판, InGaAsN 기판, Cu 기판, Al 기판, Au 기판, Ag 기판, Pt 기판, 용융 실리카 기판, ITO 기판, 활성 탄소 기판 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 일 구체예에서, 상기 전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 전극일 수 있다.
또한, 상기 전극 표면은 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 코팅하기 전에 PEI(Polyethyleneimine)로 전처리하여 그 표면을 개질하는 것이 바람직하다. HGO는 일반 GO에 비해 전기화학적으로 환원될 수 있는 산소화된(Oxygenated) 작용기를 많이 함유하고 있다. 이에 더하여, HGO가 코팅될 전극 표면이 사전에 PEI로 개질되면 (+) 전하를 띠는 PEI 표면과 (-) 전하를 띠는 HGO 표면이 정전기적 인력으로 상호작용하여, 결국 더욱 큰 환원 전류를 발현할 수 있다.
상기 전극에 코팅된 HGO는 이후 전기화학적 환원 과정을 거치는바, 여기서 전기화학적 환원은 Holding reduction method를 통해 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 요산 검출용 키트에는 바이오 칩이 포함될 수 있으며, 기질(Substrate) 상에 막, 필터, 칩, 슬라이드, 웨이퍼, 파이버 자기성 비드 또는 비자기성 비드, 겔, 튜빙, 플레이트, 고분자, 미소 입자 및 모세관을 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 검출용 키트는 요산(Uric acid) 검출에 가장 적합한 것으로 고안되었으나, 요산 이외의 다른 검출 타겟에의 적용 가능성을 완전히 배제하는 것은 아니다.
요산 검출용 키트의 제조방법
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 세척 용액으로 세척한 ITO 전극을 PEI 용액에 딥핑(Dipping)한 후, 증류수로 세척하는 단계; (b) 상기 전극에 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 코팅한 후, 증류수로 세척하는 단계; 및 (c) 상기 코팅된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 전해질 용액 하에서 전기화학적으로 환원(Electrochemical reduction)시키는 단계;를 포함하는 요산(Uric acid) 검출용 키트의 제조방법이 제공된다.
상기 (a) 단계는 1차 세척된 ITO 전극을 PEI로 전처리 및 표면개질하여 (-) 전하를 많이 갖는 HGO와의 정전기적 상호작용을 유도하고, 이후 전기화학적 환원이 보다 효과적으로 수행되도록 하는 단계이다.
여기서, 상기 1차 세척은 세척 용액으로 에탄올, 아세톤 및 피라나 용액(Piranha solution)을 순차 적용하여 연속적으로 수행될 수 있다. 상기 피라나 용액(Piranha solution)은 약 70%의 황산과 30%의 과산화수소의 혼합 용액으로, 이를 통해 ITO의 불순물을 완벽하게 제거함으로써 요산의 정량이 정확히 측정되도록 준비할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 ITO 전극을 PEI 용액에 딥핑(Dipping)한 후 증류수로 2차 세척하는 과정을 거치는바, 이는 ITO 전극의 표면에 전하를 부여하여 추후 ITO 전극 상에 HGO를 코팅시키는 과정에서 보다 강한 고정을 유도할 수 있다는 점에서 유리하게 작용할 수 있다.
상기 (b) 단계는 PEI 용액으로 전처리된 전극에 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 코팅하여 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)이 우수한 요산 검출용 박막을 형성하는 단계이다.
일 구체예에서, 상기 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)은 그래핀 산화물(GO) 용액에 K2S2O8(과황화칼륨; Potassium persulfate)을 첨가하여 합성된 것일 수 있다. 이 경우 K2S2O8을 첨가하지 않고 합성한 경우(본원에서, "newGO"라 지칭함)보다 더욱 풍부한 수산화기를 도입할 수 있고 보다 많은 양의 그래핀 산화물을 전극에 고정시킬 수 있는바, 요산 검출 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 HGO는 GO 용액에 소정량의(예컨대, GO 대비 0.5~10 중량배의) K2S2O8을 첨가한 후 가열하면서(예컨대, 50~100℃로) 반응을 진행시킨 다음(예컨대, 1~12시간 동안), 수득된 결과물의 pH가 3~4로 올라갈 때까지 투석(Dialysis)하는 과정을 통해 합성된 것일 수 있다.
본 단계에서 상기 HGO의 코팅은 딥코팅, 스핀코팅, 스크린코팅, 옵셋인쇄, 잉크젯 프린팅, 스프레이법, 패드프린팅, 나이프코팅, 키스코팅, 그라비아코팅, 붓질, 초음파 미쇄분무코팅, 스프레이-미스트 분무코팅 등의 방법으로 수행할 수 있다. 바람직하게는, 전극을 0.25~1.0 mg/ml 정도의 HGO 용액에 딥핑(Dipping)하여 HGO를 전극에 코팅할 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 전극에 코팅된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 전해질 용액 하에서 전기화학적으로 환원(Electrochemical reduction)시켜 본 발명에 따른 요산 검출용 키트를 완성하는 단계이다.
여기서, 상기 전해질 용액으로는 NaCl 수용액 등을 사용할 수 있는데, 본 발명에서는 종래의 화학적 환원 방법이 아닌 전해질이 포함된 단순 수용액 상에서 에너지를 인가하여 전기화학적 방법으로 환원시키는바, 별도의 환원제 투입에 따른 부산물 발생을 억제하면서 깨끗하고 효율적으로 환원 공정을 수행할 수 있고, 환원시간 또한 10초 정도로 크게 단축시킬 수 있다.
본 단계에서 상기 HGO를 전기화학적으로 환원(Electrochemical reduction)시키는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 순환 전압전류법(Cyclic voltammetry) 등을 이용해 수행할 수 있다.
바람직한 일 구체예에서, 본 단계의 전기화학적 환원(Electrochemical reduction)은 Holding reduction method를 통해 수행될 수 있다. 본원에서, "Holding reduction method"란 코팅된 HGO에 에너지를 인가하여 환원 포텐셜을 점점 올리되, 최대 피크가 되는 지점에 도달하면 일정 시간 동안 그 상태를 유지한 뒤 바로 에너지(환원 포텐셜) 인가를 중단(Off)하는 방법을 말한다. 이러한 Holding reduction method를 사용하면 표면의 손상을 줄일 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 본 단계의 전기화학적 환원은 환원 포텐셜을 가한 뒤 피크가 최대가 되는 지점에서 10초간 유지한 후 바로 환원 포텐셜(에너지) 공급을 중단(Off)하는 Holding reduction method(for 10s)를 통해 수행될 수 있다.
전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 이용한 요산 검출방법
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (s1) 시료 용액을 상기한 바와 같은 본 발명의 요산 검출용 키트의 전극에 가하는 단계; (s2) 상기 전극에 산화 포텐셜을 가하여 표적 물질들의 분리된 산화 피크를 얻는 단계; 및 (s3) 상기 분리된 산화 피크로부터 요산을 정량해내는 단계;를 포함하는 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 이용한 요산(Uric acid) 검출방법이 제공된다.
상기 (s1) 단계는 검출 타겟인 요산(Uric acid)을 포함하는 시료 용액을 본 발명에 따른 요산 검출용 키트의 전극에 가하여 접촉시키는 단계이다.
상기 시료 용액은 검출이 필요한 임의의 샘플일 수 있으며, 예를 들어 체내에 존재하는 물질인 요산(Uric acid)과 아스코르빈산(Ascorbic acid)이 서로 섞여있는 용액일 수 있다. 이러한 시료 용액으로부터 요산을 효율적으로 검출하려면 우수한 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)을 바탕으로 요산 및 아스코르빈산의 피크를 서로 명확히 분리해 내는 것이 중요하다.
상기 (s2) 단계는 시료 용액이 가해진 전극에 산화 포텐셜을 인가하여 표적 물질들(예컨대, 요산 및 아스코르빈산)의 분리된 산화 피크를 얻는 단계이고, 상기 (s3) 단계는 (s2) 단계에서 얻어진 분리된 산화 피크 데이터를 이용하여 요산을 정량하는 단계이다.
이처럼, 시료 용액이 가해진 전극에 산화 포텐셜을 인가하게 되면 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)의 우수한 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)에 의해 요산과 아스코르빈산 등의 산화 피크가 서로 명확하게 분리되게 되고, 이를 통해 요산을 효과적으로 정량할 수 있다.
일 구체예로, 본 단계는 미분펄스 전압전류법(Differential Pulse Voltammetry; DPV)을 이용하여 요산 및 아스코르빈산 혼합 용액이 있는 전기화학 셀(Cell)에 산화 포텐셜을 가하여 측정함으로써 수행될 수 있다.
한편, 본 단계에서는 산화-환원 전류를 측정하기 위해 전극 시스템을 이용할 수 있다. 여기서, 전극은 단일 전극 또는 2개 이상의 전극을 이용할 수 있으며, 예를 들어 3 전극 시스템인 경우에는 작업 전극, 대조 전극 및 기준 전극의 시스템을 이용할 수 있다. 상기 작업 전극으로는 금, 은, 구리, 백금탄소, ITO 또는 알루미늄 전극 등을 사용할 수 있고, 상기 대조 전극으로는 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄 또는 백금 와이어 등을 사용할 수 있으며, 상기 기준 전극으로는 염화은 전극, 칼로멜 전극 또는 황산수은(I) 전극 등을 사용할 수 있다.
이하, 제조예 및 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.
제조예: 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)의 합성 (도 1)
Modified hummer's method를 통해 그래파이트(Graphite)를 그래핀 산화물(Graphene oxide; GO)로 만들어 주었다.
0.5 mg/ml의 GO 용액에 K2S2O8(Potassium persulfate)을 mass ratio가 GO : K2S2O8 = 1:1이 되도록 첨가한 후 70℃로 가열하며 2시간 동안 반응을 진행하고, 만들어진 생성물의 pH가 3~4 사이로 올라갈 때까지 투석(Dialysis)하였다.
* 후에 언급될 newGO는 HGO와 동일한 합성 과정으로 제조하되, K2S2O8을 첨가하지 않고 제조한 물질이다.
실시예: 요산 검출용 키트의 제조 (도 2)
에탄올, 아세톤 및 피라나 용액(Piranha solution)으로 연속적으로 세척한 ITO 전극을 0.1% PEI 용액에 1시간 30분 동안 딥핑(Dipping)한 후 D.I water로 세척하였다.
그 다음, 0.4 mg/ml의 HGO 용액에 1시간 30분 동안 전극을 딥핑(Dipping)한 후 D.I water로 세척하였다.
코팅된 HGO를 0.5 M NaCl 용액 하에서 전기화학적으로 환원시켰다.
이때, 표면의 손상을 줄이고자 Holding reduction method(for 10s)를 이용하였다.
본 발명에 따른 요산 검출용 키트는 HGO를 종래의 환원제 투입을 통한 화학적 방법이 아닌 전해질이 포함된 단순 수용액 상에서 전기화학적 방법(Holding reduction method)으로 환원시켜 제조되는바, 환원 과정에서 부산물이 거의 발생하지 않았고 환원시간 또한 10초밖에 소요되지 않았다.
이렇게 제조된 요산 검출용 키트의 전극에 요산(Uric acid)과 아스코르빈산(Ascorbic acid)이 서로 섞여있는 용액을 가하고 산화 포텐셜을 가하게 되면, ERHGO의 전기화학적 촉매 활성(Electrocatalytic activity)에 의해 요산과 아스코르빈산의 산화 피크가 서로 분리되게 되고, 이를 통해 요산을 정량할 수 있다.
실험예 1: 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)의 전기화학적 환원 특성 I (도 3)
HGO의 전기화학적 환원을 통해 전극 위에 HGO가 잘 고정되었음을 확인하였다.
0 V부터 -1.2 V까지 환원 포텐셜을 가하였을 때, -0.8 V 근처에서 HGO의 환원 피크가 나타났다.
또한, HGO가 기존의 GO와 다른 특성을 나타낸다는 것(수산화기가 더 풍부함)을 확인하기 위하여, 동일한 조건으로 만들어진 GO와 newGO film을 전기화학적으로 환원시켜 보았다. 그 결과, HGO의 환원 전류가 GO와 newGO의 환원 전류에 비해 44% 이상이나 더 큼을 확인하였다.
이처럼, HGO가 더 큰 환원 전류를 나타내는 것은 i) HGO가 일반 GO에 비해 전기화학적으로 환원될 수 있는 Oxygenated functional group이 많고, ii) HGO 표면은 (+) 전하를 띠는 PEI 표면과 정전기적 인력으로 상호작용을 할 수 있는 (-) 전하를 더 많이 가지고 있기 때문이다.
상기 두 가지 이유가 모두 더 큰 산화 전류를 나타내는 원인이 될 수 있으나, 더욱 정확한 이유를 확인하기 위해 추가적으로 Blocking test를 실시하였다.
실험예 2: 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)의 전기화학적 환원 특성 II (도 4)
페로센(Ferrocene)을 전기화학적 산화환원 활성(Electrochemical redox active) 물질로 사용하여 Blocking test를 진행해 본 결과, HGO가 코팅된 표면이 가장 큰 피크 분리(Peak separation)와 가장 낮은 전류를 나타내는 것으로 확인되었다.
페로센 용액은 유기 용매(Organic solvent)인 아세토나이트릴(Acetonitrile)에 녹여져 있기 때문에 박막 표면의 Charge 영향이 배제된다.
즉, 이러한 결과는 전극에 고정된 HGO의 양이 더 많기 때문에 나타난 것이라 여겨지며, 같은 농도와 pH의 GO 또는 newGO 용액을 이용할 때보다 HGO 용액을 이용할 때 더욱 많은 양의 HGO가 붙게 된다.
HGO를 환원시킨 후 Blocking test를 해본 결과를 살펴보면, 환원 전보다 피크 분리가 감소하고 전류가 증가한 것을 알 수 있다.
이를 통해, HGO 표면이 전기화학적으로 환원되었다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 3: ERHGO 표면의 요산 검출 성능 I (도 5)
전기화학적으로 환원된 HGO, 즉 ERHGO를 이용한 요산 검출 결과를 도 5에 나타내었다.
ERHGO 표면의 성능을 비교검증하기 위해 ERGO(Electrochemically reduced graphene oxide)와 ERnewGO(Electrochemically reduced new graphene oxide) 전극으로 같은 조건 하에서 실험을 진행하였다.
DPV(Differential pulse voltammetry)를 이용하여 요산과 아스코르빈산 혼합 용액이 있는 전기화학 셀에 산화 포텐셜을 가하여 측정한 결과, 세 가지 전극 모두에서 요산과 아스코르빈산의 산화 피크 분리가 일어났다.
* 아스코르빈산 산화 피크 포텐셜: -0.03~-0.02 V
* 요산 산화 피크 포텐셜: 0.24~0.29 V
한편, 아스코르빈산의 농도를 100 uM로 일정하게 유지하고 요산의 농도를 0~100 uM까지 증가시키면서 측정하였을 때, 도 5와 같은 경향성 있는 결과를 얻었다.
ERHGO의 경우 Sensitivity가 0.1458로서, 다른 두 전극(각각 0.1203, 0.122)과 비교하였을 때 요산 검출에 있어 더욱 우수한 성능을 보였다.
이는, 전극 표면을 만들 때 HGO를 이용한 경우 더 많은 양의 그래핀 산화물이 전극 위에 붙게 되어 균일하고 안정된 표면을 만들기 때문인 것으로 여겨진다.
실험예 4: ERHGO 표면의 요산 검출 성능 II (도 6)
세 가지 전극의 요산 검출 결과를 비교하여 도 6의 (A)에 도시하였다.
ERGO 및 ERnewGO의 경우 거의 비슷한 그래프 모양을 나타내었지만, ERHGO의 경우 더욱 큰 기울기 값을 가지는 것으로 보아, ERHGO의 요산 검출 감응도가 더욱 높음을 알 수 있다.
또한, 세 가지 전극의 요산 검출 성능을 비교하여 도 6의 (B)에 표로 나타내었다.
검출한계(Limit of detection; LOD) 값은 ERGO, ERHGO, ERnewGO의 경우 각각 122.5, 73, 70 nM로서, ERHGO의 경우 ERGO보다 2배 정도 더 낮은 검출한계 값을 나타내었으며 ERnewGO와는 거의 동등한 값을 나타내었다.
실험예 5: Real sample test (도 7)
인간의 소변 샘플을 200배 희석(Dilution)시킨 용액을 이용하여 검출한 결과, Standard uric acid를 이용하여 검출했을 때와 같은 포텐셜에서 산화 피크가 나타났다.
또한, 10 uM의 추가적인 Standard uric acid를 가하여 측정한 후 Recovery를 계산해 본 결과, ERHGO의 경우 거의 100%에 가깝게 계산되었다.
이를 통해, 본 발명에 따른 ERHGO 표면을 이용한 Real sample detection이 가능하다는 것을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. (a) 피라나 용액(Piranha solution)으로 세척한 ITO 전극을 PEI(Polyethyleneimine) 용액에 딥핑(Dipping)한 후, 증류수로 세척하는 단계;
    (b) 상기 전극을 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO) 용액에 딥핑하여 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 코팅한 후, 증류수로 세척하는 단계; 및
    (c) 상기 코팅된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)을 전해질 용액 하에서 전기화학적으로 환원(Electrochemical reduction)시키는 단계;를 포함하며,
    상기 (b) 단계에 사용되는 수산화기-풍부 그래핀 산화물(HGO)은,
    그래핀 산화물(GO) 용액에 K2S2O8(Potassium persulfate)을 첨가한 후 가열하면서 반응을 진행시킨 다음, 수득된 결과물의 pH가 3~4로 올라갈 때까지 투석하는 과정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는,
    요산(Uric acid) 검출용 키트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에 사용되는 전해질 용액은 NaCl 용액인 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 전기화학적 환원(Electrochemical reduction)은 Holding reduction method를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 요산 검출용 키트의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Holding reduction method는 환원 포텐셜을 가한 뒤 피크가 최대가 되는 지점에서 10초간 유지한 후 바로 환원 포텐셜(에너지) 공급을 중단하는 것임을 특징으로 하는 요산 검출용 키트의 제조방법.
  5. (s1) 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따라 요산 검출용 키트를 제조하는 단계;
    (s2) 시료 용액을 제조된 요산 검출용 키트의 전극에 가하는 단계;
    (s3) 상기 전극에 산화 포텐셜을 가하여 표적 물질들의 분리된 산화 피크를 얻는 단계; 및
    (s4) 상기 분리된 산화 피크로부터 요산을 정량해내는 단계;
    를 포함하는 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 이용한 요산(Uric acid) 검출방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 시료 용액은 요산(Uric acid) 및 아스코르빈산(Ascorbic acid)이 서로 섞여있는 것임을 특징으로 하는 전기화학적으로 환원된 수산화기-풍부 그래핀 산화물(ERHGO)을 이용한 요산 검출방법.
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