KR102075095B1

KR102075095B1 - 중금속 검출용 센서 및 이를 이용한 중금속 동시 검출방법

Info

Publication number: KR102075095B1
Application number: KR1020130037530A
Authority: KR
Inventors: 심윤보
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2020-02-10
Also published as: KR20140121155A

Abstract

본 발명은 중금속 검출용 센서 및 이를 이용한 중금속 동시 검출방법에 관한 것으로, 상기 센서는 다른 활성종의 방해효과 없이 여러 중금속 이온을 동시에 검출할 수 있으면서도 낮은 농도까지 검출할 수 있기 때문에 인간 소변과 같은 인체 시료에서 중금속 이온 정량 검출용 센서로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Description

중금속 검출용 센서 및 이를 이용한 중금속 동시 검출방법{Sensor for detecting heavy metal ions and simultaneous detection method of heavy metal ions using the same}

본 발명은 중금속 검출용 센서 및 이를 이용한 중금속 동시 검출방법에 관한 것이다.

최근 환경 오염물질 중의 하나인 중금속 이온은 생체 독성 및 병 유발에 인자로서 알려져 있다. 특히 수용액 상의 중금속 이온은 세포 독성을 야기하게 되는데, 뇌 속의 아미로이드 섬유와 결합하게 되면 알츠하이머, 파킨스병 등의 신경퇴행성 질병과 깊은 연관성이 있다. 따라서 대상 중금속 이온을 선택성 있고 낮은 농도까지 검출하는 것이 매우 중요하다.

대한민국 공개특허 제2008-0101648호에서는 비스무스 입자를 코팅한 전극을 이용하여 아연, 카드뮴 및 납 이온을 검출하기 위해 스트리핑 전압전류법을 이용한 소형화 센서를 개시하고 있다. 그러나 검출 한계치를 낮추는데 한계가 있으며, 검출 대상 이온에 대한 선택도가 없다는 문제점이 있었다.

특히, 환경 오염물질인 중금속 이온들을 각각 개별적으로 검출하는 것보다 여러 중금속 이온을 동시에 검출할 수 있으면서도 낮은 농도까지 검출할 수 있는 중금속 센서를 개발할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 여러 중금속 이온을 동시에 검출할 수 있는 중금속 이온 정량 검출용 센서 및 이를 이용한 중금속 이온 동시 검출방법을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극; 상기 전극 상에 형성된 디아민 터티오펜 코팅층; 및 상기 디아민 터티오펜 코팅층 상에 형성된 나피온 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서를 제공한다.

상기 디아민 터티오펜은 3,4-디아민-5:2,5:2-터티오펜인 것이 바람직하다.

상기 센서는 Cd(II), Pb(II), Hg(II) 및 Cu(II)을 동시에 검출할 수 있다.

또한, 본 발명은 전극 상에 디아민 터티오펜 용액을 코팅시키는 단계(제1단계); 및 상기 코팅된 전극 상에 나피온 용액을 코팅시키는 단계(제2단계)를 포함하는 중금속 검출용 센서의 제조방법을 제공한다.

상기 제1단계는 전극 상에 디아민 터티오펜을 디클로로메탄에 용해시킨 디아민 터티오펜 용액을 떨어뜨리면서 스핀 코팅할 수 있다.

상기 제2단계는 디아민 터티오펜이 코팅된 전극 상에 나피온 용액을 이용하여 스피닝(spinning)하여 코팅할 수 있다.

또한, 본 발명은 시료 용액의 pH를 5 내지 6으로 조절하는 단계; 및 상기 중금속 검출용 센서에 상기 시료 용액을 20 내지 30℃에서 증착시키는 단계를 포함하는 중금속 동시 검출방법을 제공한다.

보다 바람직하게는, 본 발명은 시료 용액의 pH를 5.5로 조절하는 단계; 및 상기 중금속 검출용 센서에 상기 시료 용액을 25℃에서 7분 동안 증착시키는 단계를 포함하는 중금속 동시 검출방법을 제공한다.

상기 검출방법은 Cd(II), Pb(II), Hg(II) 및 Cu(II)을 동시에 검출할 수 있다.

본 발명에 따른 센서는 다른 활성종의 방해효과 없이 여러 중금속 이온을 동시에 검출할 수 있으면서도 낮은 농도까지 검출할 수 있기 때문에 인간 소변과 같은 인체 시료에서 중금속 이온 정량 검출용 센서로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 검출용 센서의 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 1.0 x 10^-8 M 중금속 이온(HMI)을 함유한 0.1M KNO₃ 용액의 pH 영향을 검토한 것이다.
도 3은 최적 조건 하에서 1.0 x 10^-8내지 1.0 x 10^-5M 범주에서 HMI의 검출용 검량선을 나타낸다.
도 4는 1.0 x 10^-4 M HMI를 함유한 0.1M KNO₃ 용액에서의 개질되지 않은 GCE(a) 및 NDME(b)에 대한 CV 분석 결과이다.
도 5는 1.0 x 10^-8 M HMI를 함유한 0.1M KNO₃ 용액에서의 NDME에 대한 SWV 분석 결과이다.

이하, 도 1의 일실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 전극으로 유리탄소전극을 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 3,4-디아민-5:2,5:2-터티오펜을 디클로로메탄에 용해시킨 디아민 터티오펜 용액을 준비하고, 상기 디아민 터티오펜 용액을 유리탄소전극 상에 떨어뜨리면서 스핀 코팅하여 유리탄소전극 상에 디아민 터티오펜 코팅층을 형성할 수 있다.

상기 디아민 터티오펜 코팅층이 형성된 유리탄소전극 상에 나피온 용액을 이용하여 스피닝(spinning) 코팅하여 나피온 코팅층을 형성할 수 있다.

이렇게 얻어진 3,4-디아민-5:2,5:2-터티오펜/나피온 개질 전극을 사용하여 중금속 이온 즉, Hg(II), Pb(II), Cd(II) 및 Cu(II)을 동시 분석할 수 있는 전기화학적 중금속 검출 센서를 개발할 수 있다.

최적화된 조건하에서 제작된 중금속 검출 센서의 동적 범위는 1.0 x 10^-8 - 1.0 x 10^-5M이며, 검출 한계는 각각 Pb(II)는 25.0 x 10^-11M, Cd(II)는 50.0 x 10^-11M, Hg(II)는 1.0 x 10^-10M, 그리고 Cu(II)는 50.0 x 10^-10M이므로, 상기 센서를 이용하여 실제 시료 즉, 인간 소변에서도 중금속 이온 측정이 가능하다.

또한, 본 발명은 시료 용액의 pH를 5 내지 6으로 조절하는 단계; 및 상기 중금속 검출용 센서에 상기 시료 용액을 20 내지 30℃에서 증착시키는 단계를 포함하는 중금속 동시 검출방법을 제공하며, 보다 바람직하게는, 시료 용액의 pH를 5.5로 조절하는 단계; 및 상기 중금속 검출용 센서에 상기 시료 용액을 25℃에서 7분 동안 증착시키는 단계를 포함하는 중금속 동시 검출방법을 제공한다.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 중금속 검출용 센서 제작

DATT는 종래 알려진 방법(Chem. Mater. 1996, 8, 570)에 따라 합성하였다. 유리탄소전극(GCE) 표면을 개질하기 위하여, DATT를 무수 CH₂Cl₂에서 용해시켰다. 5% 나피온^™퍼플루오리에이티드 이온교환 수지와 무수 CH₂Cl₂는 Sigma-Aldrich(USA)로부터 구입하였다. 원자 흡광 분광분석기용 표준 중금속이온(HMI) 용액과 HMI를 함유한 표준 뇨(SRM 2670) 참조 물질은 NIST(USA)에서 구입하였다. 다른 화학물질들은 ACS 시약 등급으로 정제하여 사용하였다. 증류수(18 M Ω/cm)는 Millipore system을 이용하여 얻었다.

먼저, 유리탄소전극(GCE)은 1.0 x 10^-3M DATT/CH₂Cl₂용액 10.0 μL 3방울을 떨어뜨리면서 스핀 코팅법을 통해 개질되었고, 실온에서 건조시켰다. 이렇게 DATT가 코팅된 전극은 5% 나피온^™용액을 이용하여 500 rpm에서 전극을 스피닝하여 나피온 용액으로 덮은 후, 실온에서 30분 동안 CaCl₂ 함유 박스에서 건조시켜 나피온 코팅된 DATT 개질 전극(NDME)을 제작하였다. 센서의 제작에 관한 개념도는 도 1과 같다.

<실시예 2> 센서의 성능 평가

1. 순환전압전류법(CV) 및 네모파 전압전류법(SWV) 분석

순환전압전류법(CV) 및 네모파 전압전류법(SWV) 분석은 potentiostat/galvanostat(Kosentech Model KST-P2, South Korea)를 이용하여 측정하였다. 이때, 앞서 제작된 개질 GCE(직경: 3.0 mm), Ag/AgCl(포화 KCl) 및 백금선을 각각 작동전극, 참조전극 및 보조전극으로 사용한 3-전극계 시스템을 사용하였다.

SWV 분석은 Ag/AgCl과 비교하여 -0.85V에서 +0.3V까지 전위를 스캔하면서 측정하였고, 이때 펄스 진폭은 25.0 mV, 전위 계단은 25.0 mV, 주파수는 60.0 Hz이었다.

2. 시료 용액 준비

Cd(II), Pb(II), Cu(II) 및 Hg(II) 이온을 포함하는 1.0 x 10^-2M HMIs을 스탁 용액으로 준비하였다. 시료 용액을 스탁 용액으로 희석하였다. 질소 가스를 상기 희석된 용액에서 20분 동안 퍼즈시켜 용해된 산소를 제거하였다. 나피온 코팅된 DATT 개질 전극(NDME)을 지지 전해질 용액만을 함유한 도관으로 옮긴 후 전압전류 분석을 수행하였다. 낮은 농도에서의 SWV 분석은 전해질을 포함하는 동일 예비 농도 용액에서 수행하였다.

3. 검출 파라미터의 최적화 조건 규명

센서의 센싱 환경을 최적화 하기 위하여, 시료 용액의 pH에 따른 전류 변화를 관찰한 결과, 도 2와 같이 용액의 pH가 2.5에서 약 7.1로 증가함에 따라 전류가 증가하였고, pH가 7.1을 넘으면 피크 전류는 감소되었다. pH 2.5 이하에서는 금속 이온의 양극성 피크가 너무 강해 금속 이온들이 서로 중첩되어 나타났다. pH 7.1을 넘으면 불용성 수산화물 종이 형성되어 Hg(II) 이온의 피크는 나타나지 않아 금속의 동시 분석은 곤란하였다. 그리고, Cd(II) 이온을 제외한 모든 금속들이 pH 8.6을 넘으면 검출되지 않았고, Cd(II) 이온은 약 pH 10.2에서도 작은 반응을 나타내었다. 따라서, 검출 민감도와 검출 능력을 고려하여 이후 실험에서는 시료 용액의 pH를 5.5로 선정하였다.

검출 온도는 20℃ 내지 50℃로 변화시켜 최적화 조건을 찾아내었다. 용액의 온도가 20℃에서 50℃로 증가함에 따라 양극성 전류가 점차적으로 증가하여 25℃를 넘어서면 전류 신호가 감소되었다. 따라서, 최적 온도를 25℃로 선정하였다.

증착 시간은 1 내지 10분으로 변화시켜 최적화 조건을 찾아내었다. -1.0V에서 스트리핑 전류를 측정한 결과, 7분까지는 가파르게 증가하였으나 7분이 경과하면 증가하지 않았다. 따라서, 최적 증착 시간을 7분으로 선정하였다.

도 3과 같이, 앞서 선정된 최적 실험조건 하에서 HMI 검출용 검량선을 구하였다. Pb(II) 이온이 가장 반응성이 좋았고, 따라서 NDME는 Pb(II) 분석용으로 매우 유용한다. HMI 검량선의 상관계수는 0.999이었고, 각 금속 이온들의 검출한계는 Pb(II) 25.0 x 10^-11M, Cd(II) 50.0 x 10^-11M, Hg(II) 1.0 x 10^-10M 및 Cu(II) 50.0 x 10^-10이었다.

4. 방해효과

NDME를 이용한 Cd(II), Pb(II), Cu(II) 및 Hg(II) 검출 시 Co(II), Ni(II), Zn(II), Mg(II), Ag(I), Mn(II), V(V) 및 Fe(II)의 방해효과를 검토하였다. 먼저, NDME를 25℃에서 7분 동안 다른 금속 이온을 담고 있는 용액 상에 담구었다. Cd(II), Pb(II), Cu(II) 및 Hg(II)의 산화 신호는 Ag(I) 이온 존재로 인하여 약 10.5% 정도 감소하였으나, 염화 이온으로 전처리하여 Ag(I) 이온을 제거한 결과, 어떠한 방해효과도 야기되지 않았다.

NDME를 이용한 분석방법의 적용가능성을 평가하기 위하여, 동결건조된 인간 뇨 시료에서 Hg를 검출하고자 하였다. NDME 상에서 HMI 이온의 예비농축을 7분 동안 0.1M HNO₃/KOH 용액(pH 5.5)에서 수행하였다. 전압전류 측정 전에 농질산에서 뇨 시료의 분해를 수행하였다. 이때, Cd(II), Pb(II), Hg(II) 및 Cu(II)의 농도가 각각 150, 110, 105 및 370 ppb이었고, 다른 금속 이온으로 2 내지 300 ppb 범주의Ag, Al, Pb, As, Be, Cd, Cr, Ca, Au, Mg, Mn, Ni, Pt, K, Se, Na 및 V을 포함하고 있었다. Cd(II), Pb(II), Hg(II) 및 Cu(II)의 관찰된 농도는 158.3 ± 6.6, 116.5 ± 4.5, 112.8 ± 4.1 및 334.2 ± 13.7 ppb (SD: 5.6, 5.5, 5.1, and 6.1 ppb)이었다.

5. 뇨에서의 중금속 동시 분석

표준 뇨 시료 2.5 mL를 5.0 mL 질산 용액에서 끓여서 분해시킨 후, 25.0 mL 부피로 희석시켰다. 상기 시료 용액의 pH를 조정하였다. NDME 상에 테스트 이온의 예비 농도로 10분 동안 온화하게 교반하였다. 개질 전극 상의 HMI의 예비 농도 후, 시료 용액을 꺼낸 후, 전극을 철저하게 증류수로 세정하였다. 그 후, 전극을 측정 용액으로 옮겼다. 음극 전압전류는 -0.85V에서 +0.3V까지의 전압 스캔 범주 하에서 0.1 M KNO₃ 블랭크 전해질 용액 또는 다양한 완충액 용액에서 기록하였다.

도 4는 1.0 x 10^-4 M HMI를 함유한 0.1M KNO₃ 용액에서의 개질되지 않은 GCE(a) 및 NDME(b)에 대한 CV 분석 결과로서, Cd(II), Pb(II), Cu(II) 및 Hg(II) 이온에 대한 양극성 피크는 -0.64V, -0.41V, -0.13V 및 +0.22V에서 각각 기록되었다.

흔적량의 HMI 분석을 위해 수행한 SWV 분석 결과, 도 3에 도시된 바와 같다. 즉, 1.0 x 10^-8 M HMI를 함유한 0.1M KNO₃ 용액에서 개질되지 않은 GCE를 사용한 SWV 분석의 경우에는 어떠한 스트리핑 피크가 관찰되지 않았지만, NDME에서는 -0.67V, -0.43V, -0.09V 및 +0.19V에서 명확한 양극성 스트리핑 피크가 나타났다.

따라서, NDME를 사용하여 흔적량의 HMI를 분석할 수 있음을 확인하였다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

전극; 상기 전극 상에 형성된 3,4-디아민-5:2,5:2-터티오펜 코팅층; 및 상기 3,4-디아민-5:2,5:2-터티오펜 코팅층 상에 형성된 나피온 코팅층을 포함하고, Cd(II), Pb(II), Hg(II) 및 Cu(II)를 동시에 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
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전극 상에 디아민 터티오펜 용액을 코팅시키는 단계(제1단계); 및
상기 코팅된 전극 상에 나피온 용액을 코팅시키는 단계(제2단계)
를 포함하는 청구항 1항에 따른 중금속 검출용 센서의 제조방법.
청구항 4에 있어서, 상기 제1단계는 전극 상에 디아민 터티오펜을 디클로로메탄에 용해시킨 디아민 터티오펜 용액을 떨어뜨리면서 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서의 제조방법.
청구항 4에 있어서, 상기 제2단계는 디아민 터티오펜이 코팅된 전극 상에 나피온 용액을 이용하여 스피닝(spinning)하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서의 제조방법.
시료 용액의 pH를 5 내지 6으로 조절하는 단계; 및
청구항 1에 따른 중금속 검출용 센서에 상기 시료 용액을 20 내지 30℃에서 증착시키는 단계
를 포함하는 중금속 동시 검출방법.
청구항 7에 있어서, 시료 용액의 pH를 5.5로 조절하는 단계; 및
청구항 1에 따른 중금속 검출용 센서에 상기 시료 용액을 25℃에서 7분 동안 증착시키는 단계
를 포함하는 중금속 동시 검출방법.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 검출방법은 Cd(II), Pb(II), Hg(II) 및 Cu(II)을 동시에 검출할 수 있는 중금속 동시 검출방법.