KR102351301B1 - Manufacturing Method For Fe3O4-PEI Nano Comosite Materials For Detecting Bisphenol A, Manufacturing Method For Fe3O4-PEI Nano Comosite Materials Sensor Electrode And Detecting Method For Bisphenol A - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a Fe_3O_4-polyethylene imine (PEI) nanocomposite material for detecting bisphenol A, a method for manufacturing a Fe_3O_4-PEI nanocomposite sensor electrode for detecting bisphenol A, and a method for detecting bisphenol A by using the Fe_3O_4-PEI nanocomposite sensor electrode. Particularly, the method for manufacturing a Fe_3O_4-PEI nanocomposite material includes mixing Fe_3O_4 nanoparticles with PEI. The Fe_3O_4-PEI nanocomposite material obtained according to the present invention shows high sensitivity and excellent reproducibility and selectivity.

Description

비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법, Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법 및 비스페놀 A 검출방법{Manufacturing Method For Fe3O4-PEI Nano Comosite Materials For Detecting Bisphenol A, Manufacturing Method For Fe3O4-PEI Nano Comosite Materials Sensor Electrode And Detecting Method For Bisphenol A}Manufacturing method of Fe3O4-PEI nanocomposite material for detecting bisphenol A, method of manufacturing Fe3O4-PEI nanocomposite sensor electrode, and method of detecting bisphenol A PEI Nano Composite Materials Sensor Electrode And Detecting Method For Bisphenol A}

본 발명은 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법, 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극을 사용한 비스페놀 A 검출방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 Fe3O4 나노 파티클과 폴리에틸렌이민(PEI)을 혼합하여 제조한 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법, 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극을 사용한 비스페놀 A 검출방법에 관한 것이다. The present invention bisphenol-A production method of detection for Fe 3 O 4 -PEI method of manufacturing a nano-composite material, bisphenol A is detected for Fe 3 O 4 nanocomposite -PEI sensor electrode and Fe 3 O 4 nanocomposite sensor electrode -PEI relates to a detection method using the bisphenol a, more particularly, to Fe 3 O 4 nanoparticles with Fe for a bisphenol a detection prepared by mixing polyethyleneimine (PEI) 3 O 4 -PEI method of manufacturing a nano-composite material, bisphenol a detecting for Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite relates to a method of manufacturing a sensor electrode and a Fe 3 O 4 -PEI bisphenol a detection method using the nanocomposite sensor electrode.

비스페놀 A(BPA, 2,2-비스 (4-하이드록시 페닐) 프로판) 및 그 파생물 비스페놀-S, 비스페놀-B, 비스페놀-Z는 내분비계 장애 물질로 널리 알려져 있다. 이는 인간의 생물학적 생식계에 심각한 영향을 미치고 불임에 이르게 할 수 있다. 많은 논문들이 BPA가 암 세포, 불임, 갑상선 관련 문제를 인간에게 일으킬 수 있다고 적고 있다. 비스페놀 A는 시장에서 비스페놀 A 생산의 수요가 있는 폴리카보네이트(PC), 에폭시 수지(EP), 식품 저장 캔, 젖병의 제조에 있어 중요한 모노머이다. 이에 따라 BPA 생산량은 연간 600만 파운드가 넘는다. BPA 기반 폴리머의 전세계적 사용은 하천 오염을 증가시키게 되었다. BPA 노출 때문에 EU, 중국, 말레이시아 등 많은 국가가 젖병에 BPA를 포함한 화학 종의 사용을 금지하고 있다. 하지만 BPA는 의료계에서 실란트, 치과 충전재, 치과 기기로 널리 사용되어 왔다. 때문에 인체의 BPA 노출을 관리하기가 어렵다. 따라서 미량의 BPA를 검출하는 간편하면서 민감한 분석법을 찾는 것이 시급한 문제이다.Bisphenol A (BPA, 2,2-bis (4-hydroxy phenyl) propane) and its derivatives bisphenol-S, bisphenol-B, and bisphenol-Z are widely known endocrine disruptors. It can seriously affect the human biological reproductive system and lead to infertility. Numerous papers state that BPA can cause cancer cells, infertility, and thyroid problems in humans. Bisphenol A is an important monomer in the manufacture of polycarbonate (PC), epoxy resin (EP), food storage cans, and baby bottles that are in demand for bisphenol A production in the market. As a result, BPA production exceeds 6 million pounds per year. The worldwide use of BPA-based polymers has led to an increase in river pollution. Due to BPA exposure, many countries, including the EU, China and Malaysia, have banned the use of chemical species containing BPA in baby bottles. However, BPA has been widely used in the medical community as sealants, dental fillings, and dental appliances. This makes it difficult to manage human BPA exposure. Therefore, it is an urgent problem to find a simple and sensitive method for detecting trace amounts of BPA.

고성능 액체 크로마토그래피(HPLC), 질량 분석기를 통한 액체 크로마토그래피(LC-MS), 기체 크로마토그래피-질량 분석법(-MS), 표면증강 Raman 분광법(SERS), 열량측정 유도결합 플라즈마 원자방출 분광법(ICP-AES), 화학루미네선스 면역어세이 방법 등 현재 다양한 크로마토그래피 및 분광법 기법이 검출에 사용되었다. 이러한 기법들을 통해 BPA 검출을 하지만, 장비 비용, 유지 비용, 시간이 소모되는 프로세스, 전문가가 필요한 복잡한 작동, 전처리 프로세스, 샘플 제조 등 한계점이 있다. 모든 시나리오에서 이러한 점을 극복함에 있어 전기화학 센서가 BPA 정량화에 대해 연구자들의 커다란 이목을 최근 끌고 있다. 그 장점으로는 우수한 민감도, 현장 작동, 저비용, 친환경 프로세스, 센싱 계면 및 표적 화합물 간 빠른 전자 이동이 있다. 따라서 BPA 검출을 위해 저비용 고민감도 소재를 개발하는 것이 중요하다.High Performance Liquid Chromatography (HPLC), Liquid Chromatography with Mass Spectrometry (LC-MS), Gas Chromatography-Mass Spectrometry (-MS), Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), Calorimetric Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP) -AES) and chemoluminescence immunoassay methods, and various chromatographic and spectroscopic techniques are currently used for detection. Although these techniques detect BPA, they have limitations such as equipment cost, maintenance cost, time-consuming process, complicated operation that requires experts, pretreatment process, and sample preparation. In overcoming these points in all scenarios, electrochemical sensors have recently attracted great attention from researchers for BPA quantification. Its advantages include excellent sensitivity, in situ operation, low cost, green process, sensing interface and fast electron transfer between target compounds. Therefore, it is important to develop low-cost, high-sensitivity materials for BPA detection.

BPA 및 다른 페놀 화합물의 전기산화는 비가역적 프로세스이며, 그 산화물은 전극의 표면 파울링을 일으키고 이는 항상 BPA 검출에 영향을 미친다. BPA 민감도를 높이기 위해, 현재까지 여러 나노구조화 CNT와 그래핀 및 그 하이브리드 복합소재가 높은 전도도, 넓은 표면적, 높은 흡착률을 갖는 센싱 계면으로 사용되었다. 많은 연구가 BPA 검출을 위해 Au, Pt, Pd, Ag 나노입자 등 신규 금속, 그 CNT 및 그래핀 복합소재에 초점을 두고 있다. 최근 많은 논문은 전기화학 센싱 소재로 기능화된 MWCNT, 폴리머 코팅한 MWCNT, 퀀텀닷에 중점을 두었다. 하지만 CNT, 신규 금속 및 그 복합소재는 고비용, 비가역적 흡착, 토양에서 부족함 등의 문제가 있다. 따라서 저비용이고 간편하며 민감한 소재가 BPA의 효과적인 전기 분석에 필요하다. Electrooxidation of BPA and other phenolic compounds is an irreversible process, and its oxide causes surface fouling of the electrode, which always affects the detection of BPA. To increase BPA sensitivity, several nanostructured CNTs and graphene and their hybrid composite materials have been used as sensing interfaces with high conductivity, large surface area, and high adsorption rate to date. Many studies are focusing on novel metals such as Au, Pt, Pd, Ag nanoparticles, and their CNTs and graphene composites for BPA detection. Recently, many papers have published MWCNT functionalized as an electrochemical sensing material, MWCNT coated with polymer, The focus is on quantum dots. However, CNTs, novel metals and their composite materials have problems such as high cost, irreversible adsorption, and lack of soil. Therefore, a low-cost, simple and sensitive material is needed for effective electrical analysis of BPA.

한국등록특허 제10-0841778호Korean Patent No. 10-0841778

초상자성 Fe3O4 나노입자가 높은 흡착력, 쉬운 제조, 높은 표면 화학, 풍부함, 저비용, 양호한 친환경 촉매제라는 점 때문에 BPA 센싱 응용에 사용될 수 있다. 특히, BPA의 민감한 검출에 있어 Fe3O4 NP 및 그 복합소재은 사용될 수 있고, 또한 Fe3O4 NP는 BPA 센서로 사용될 수 있다. Superparamagnetic Fe 3 O 4 nanoparticles can be used for BPA sensing applications because of their high adsorption capacity, easy fabrication, high surface chemistry, abundance, low cost, and good eco-friendly catalyst. In particular, in the sensitive detection of BPA, Fe 3 O 4 NP and its composite material may be used, and Fe 3 O 4 NP may be used as a BPA sensor.

BPA는 음전하 유기성 분자이며, 산화 피크는 양극 피크 전류를 유도하는 센싱 소재 계면의 흡착에 크게 좌우된다. 따라서 센싱 소재의 표면 전하는 BPA 검출에 있어 중요한 역할을 한다. 본 발명에서 폴리에틸렌 아민(PEI)으로 알려진 양전하, 수용성,아미노기가 풍부하고, 전기 활성이며, 무독성, 높은 접착력의 폴리머를 사용하여 Fe3O4 NPs 표면을 변성하였으며, 이는 표면의 양전하를 유도하고 BPA의 흡착 현상을 높였다. 이는 Fe3O4-PEI 나노복합소재를 센싱 소재로 이용한 BPA 센서를 최초로 보고하는 것이다. 본 연구에서 표면 맞춤화된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 변성 탄소 전극(C)에 기반한 수용액에서 BPA 검출을 위한 신규 고민감도 전기화학 센서를 제안한다. BPA의 제작된 Fe3O4-PEI/C 복합소재 반응 신호는 Fe3O4/C 및 원래 상태보다 크게 강화되었으며, 이는 Fe3O4-PEI 복합소재가 BPA에 대해 저렴하고 우수한 센싱 소재가 될 수 있음을 시사한다. 또한, Fe3O4-PEI 농도, pH 효과, BPA 산화에 대한 주사율 효과 등 여러 파라미터가 연구되었다. 제작된 Fe3O4-PEI 복합소재는 높은 민감도 및 양호한 반복성과 선별성을 보였다. BPA is a negatively charged organic molecule, and its oxidation peak is highly dependent on the adsorption of the sensing material interface that induces an anode peak current. Therefore, the surface charge of the sensing material plays an important role in the detection of BPA. In the present invention, the surface of Fe 3 O 4 NPs was modified using a positively charged, water-soluble, amino group-rich, electrically active, non-toxic, and high adhesion polymer known as polyethylene amine (PEI) in the present invention, which induces a positive charge on the surface and BPA of adsorption was increased. This is the first report of a BPA sensor using Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite as a sensing material. In this study, we propose a novel high-sensitivity electrochemical sensor for the detection of BPA in aqueous solution based on a surface-customized Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite modified carbon electrode (C). The BPA fabricated Fe 3 O 4 -PEI/C composite response signal was significantly strengthened than that of Fe 3 O 4 /C and its original state, indicating that Fe 3 O 4 -PEI composite is an inexpensive and superior sensing material for BPA. suggest that it could be In addition, several parameters such as Fe 3 O 4 -PEI concentration, pH effect, and injection rate effect on BPA oxidation were studied. The fabricated Fe 3 O 4 -PEI composite material showed high sensitivity and good repeatability and selectivity.

본 발명의 일 실시형태인 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법은, Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 제조된 Fe3O4 나노 파티클을 물에 분산시키는 제2 단계; 폴리에틸렌이민(PEI)을 제2 단계의 혼합물에 첨가하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 혼합된 혼합물을 교반하고, 5분 내지 15분 동안 초음파 처리하는 제4 단계; 상기 초음파 처리된 혼합물을 1시간 내지 3시간 동안 진동 처리하는 제5 단계; 상기 제5 단계의 혼합물에 자성 처리를 통하여 자성 복합소재를 얻는 제6 단계; 상기 제6 단계에서 얻어진 자성 복합소재를 초순수로 3회 내지 5회 세정하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 제거하는 제7 단계; 및 상기 제7 단계의 자성 복합소재를 50℃내지 70℃에서 진공 건조하는 제8 단계;를 포함한다. An embodiment of the present invention, Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite method for detecting bisphenol A detection method comprises a first step of preparing Fe 3 O 4 nanoparticles by a hydrothermal method; a second step of dispersing the Fe 3 O 4 nanoparticles prepared in the first step in water; a third step of adding polyethyleneimine (PEI) to the mixture of the second step; a fourth step of stirring the mixture mixed in the third step and sonicating for 5 to 15 minutes; a fifth step of vibrating the sonicated mixture for 1 hour to 3 hours; a sixth step of obtaining a magnetic composite material through magnetic treatment on the mixture of the fifth step; a seventh step of washing the magnetic composite material obtained in the sixth step 3 to 5 times with ultrapure water to remove polyethyleneimine (PEI) not bound to Fe 3 O 4 nanoparticles; and an eighth step of vacuum-drying the magnetic composite material of the seventh step at 50°C to 70°C.

본 발명의 일 실시형태인 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법은, Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 제조된 Fe3O4 나노 파티클을 물에 분산시키는 제2 단계; 폴리에틸렌이민(PEI)을 제2 단계의 혼합물에 첨가하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 혼합된 혼합물을 교반하고, 5분 내지 15분 동안 초음파 처리하는 제4 단계; 상기 초음파 처리된 혼합물을 1시간 내지 3시간 동안 진동 처리하는 제5 단계; 상기 제5 단계의 혼합물에 자성 처리를 통하여 자성 복합소재를 얻는 제6 단계; 상기 제6 단계에서 얻어진 자성 복합소재를 초순수로 3회 내지 5회 세정하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 제거하는 제7 단계; 상기 제7 단계의 자성 복합소재를 50℃내지 70℃에서 진공 건조하는 제8 단계; 용매인 초순수에 상기 제8 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재를 1mg/mL 내지 5mg/mL (Fe3O4-PEI 나노복합소재)/(초순수) 의 비율로 혼합하여 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 제조하는 제9 단계; 세정된 전극 상에 상기 제9 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 드롭 캐스팅하는 제10 단계; 및 상기 제10 단계에서 드롭 캐스팅된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 대기에서 1시간 내지 3시간 동안 용매인 초순수를 증발시키는 제11 단계;를 포함한다. An embodiment of the present invention, Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite method for manufacturing a sensor electrode for detecting bisphenol A, a first step of manufacturing Fe 3 O 4 nanoparticles by a hydrothermal method; a second step of dispersing the Fe 3 O 4 nanoparticles prepared in the first step in water; a third step of adding polyethyleneimine (PEI) to the mixture of the second step; a fourth step of stirring the mixture mixed in the third step and sonicating for 5 to 15 minutes; a fifth step of vibrating the sonicated mixture for 1 hour to 3 hours; a sixth step of obtaining a magnetic composite material through magnetic treatment on the mixture of the fifth step; a seventh step of washing the magnetic composite material obtained in the sixth step 3 to 5 times with ultrapure water to remove polyethyleneimine (PEI) not bound to Fe 3 O 4 nanoparticles; an eighth step of vacuum drying the magnetic composite material of the seventh step at 50°C to 70°C; Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite prepared by the eighth step in ultrapure water as a solvent is mixed at a ratio of 1 mg/mL to 5 mg/mL (Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite)/(ultra-pure water) to Fe A ninth step of preparing a 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension; A 10th step of drop-casting the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension prepared by the ninth step on the cleaned electrode; and an 11th step of evaporating the drop-cast Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension in the 10th step in the atmosphere for 1 to 3 hours as a solvent.

본 발명의 일 실시형태인 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극을 사용한 비스페놀 A 검출방법은, Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 제조된 Fe3O4 나노 파티클을 물에 분산시키는 제2 단계; 폴리에틸렌이민(PEI)을 제2 단계의 혼합물에 첨가하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 혼합된 혼합물을 교반하고, 5분 내지 15분 동안 초음파 처리하는 제4 단계; 상기 초음파 처리된 혼합물을 1시간 내지 3시간 동안 진동 처리하는 제5 단계; 상기 제5 단계의 혼합물에 자성 처리를 통하여 자성 복합소재를 얻는 제6 단계; 상기 제6 단계에서 얻어진 자성 복합소재를 초순수로 3회 내지 5회 세정하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 제거하는 제7 단계; 상기 제7 단계의 자성 복합소재를 50℃내지 70℃에서 진공 건조하는 제8 단계; 용매인 초순수에 상기 제8 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재를 1mg/mL 내지 5mg/mL (Fe3O4-PEI 나노복합소재)/(초순수) 의 비율로 혼합하여 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 제조하는 제9 단계; 세정된 전극 상에 상기 제9 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 드롭 캐스팅하는 제10 단계; 상기 제10 단계에서 드롭 캐스팅된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 대기에서 1시간 내지 3시간 동안 용매인 초순수를 증발시키는 제11 단계; 및 비스페놀 A를 함유하는 용액에 pH 6 내지 7의 범위를 갖는 완충액을 주입하고, 상기 비스페놀 A 및 완충액을 함유하는 용액을 상기 제11 단계에서 용매가 증발된 Fe3O4-PEI 나노복합소재에 접촉시켜 순환 전류전압법을 사용하여 비스페놀 A를 검출하는 제12 단계;를 포함한다. The bisphenol A detection method using the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite sensor electrode according to an embodiment of the present invention includes a first step of preparing Fe 3 O 4 nanoparticles by a hydrothermal method; a second step of dispersing the Fe 3 O 4 nanoparticles prepared in the first step in water; a third step of adding polyethyleneimine (PEI) to the mixture of the second step; a fourth step of stirring the mixture mixed in the third step and sonicating for 5 to 15 minutes; a fifth step of vibrating the sonicated mixture for 1 hour to 3 hours; a sixth step of obtaining a magnetic composite material through magnetic treatment on the mixture of the fifth step; a seventh step of washing the magnetic composite material obtained in the sixth step 3 to 5 times with ultrapure water to remove polyethyleneimine (PEI) not bound to Fe 3 O 4 nanoparticles; an eighth step of vacuum drying the magnetic composite material of the seventh step at 50°C to 70°C; Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite prepared by the eighth step in ultrapure water as a solvent is mixed at a ratio of 1 mg/mL to 5 mg/mL (Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite)/(ultra-pure water) to Fe A ninth step of preparing a 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension; A 10th step of drop-casting the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension prepared by the ninth step on the cleaned electrode; An 11th step of evaporating the drop-casted Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension in the 10th step in the atmosphere for 1 to 3 hours as a solvent; And a buffer solution having a pH in the range of 6 to 7 is injected into a solution containing bisphenol A, and the solution containing the bisphenol A and buffer is added to the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite material in which the solvent is evaporated in the 11th step. and a twelfth step of detecting bisphenol A using a cyclic voltammetric method by contacting them.

본 발명의 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법, 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극을 사용한 비스페놀 A 검출방법은, 상기 Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계는, 철 전구물질로서 FeCl2·4H2O 및 FeCl3·6H2O의 혼합물을 사용한다. Method of manufacturing Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite material for detecting bisphenol A of the present invention, method of manufacturing Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite sensor electrode for detecting bisphenol A, and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite sensor electrode In the method for detecting bisphenol A using a, the first step of preparing the Fe 3 O 4 nanoparticles by hydrothermal method, a mixture of FeCl 2 ·4H 2 O and FeCl 3 ·6H 2 O is used as an iron precursor.

또한, 상기 Fe3O4-PEI 나노복합소재는 (111), (220), (311), (400), (511), (440) 및 (533) 결정화 평면의 회절 피크를 갖고, 또한 상기 Fe3O4 -PEI 나노복합소재의 스펙트럼은 지방족 N-H 신축 진동을 갖는 1263 cm-1, 1654 cm-1, 2849 cm-1, 2946.8 cm-1 및 3367.3 cm-1에서 피크를 갖고, 또한 상기 Fe3O4 -PEI 나노복합소재의 표면 전하값은 30 mV 내지 40 mV를 나타낸다.In addition, the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite has diffraction peaks of (111), (220), (311), (400), (511), (440) and (533) crystallization planes, and The spectrum of the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite has peaks at 1263 cm -1 , 1654 cm -1 , 2849 cm -1 , 2946.8 cm -1 and 3367.3 cm -1 with aliphatic NH stretching vibration, and also the Fe The surface charge value of the 3 O 4 -PEI nanocomposite material is 30 mV to 40 mV.

본 발명의 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법, 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극을 사용한 비스페놀 A 검출방법에 의하면, 2-니트로 페놀, 4-니트로 페놀, 2,4-디니트로페놀에서 높은 촉매 활성을 갖고, 하천 및 식품 소재에서 BPA 및 다른 페놀 화합물의 동시 검출에 대한 향상된 전기화학 센서로서 사용할 수 있다. Method of manufacturing Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite material for detecting bisphenol A of the present invention, method of manufacturing Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite sensor electrode for detecting bisphenol A, and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite sensor electrode According to the bisphenol A detection method using It can be used as a chemical sensor.

도 1은 Fe3O4-PEI 나노복합소재 제조 및 그 전기화학 BPA 검출의 개략도를 나타낸다.
도 2 (A)는 XRD 패턴, 도 2 (B)는 FTIR-스펙트럼(내부: Fe-O 영역 확대), 도 2 (C)는 Fe3O4 Np 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제타 전위 이미지를 나타낸다.
도 3 (A) Fe 2p, (B) O 1s, (C) C 1s, (D) N 1s 영역에서 고분해능-XPS 스펙트럼을 나타낸다.
도 4 Fe3O4 Np (A) 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재 (C)의 전계방사 스캐닝 전자 형태. Fe3O4 Np (B) 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재 (D)의 EDAX 패턴을 나타낸다.
도 5 (A) 주사율 100 mVs-1의 0.1M KNO3에서 5 mM [Fe(CN)6]3-가 존재할 시 원래 C 및 Fe3O4-PEI / C 나노복합소재의 순환 볼타모그램. (B 및 C) 원래 C 및 Fe3O4-PEI/C의 주사율 변화 범위 20~200 mVs-1(내부: 전류 vs ln v의 선형회귀 플롯). (D) 0.1 M KNO3에서 5 mM [Fe(CN)6]3-가 존재할 시 원래 C 및 Fe3O4-PEI / C 나노복합소재의 나이퀴스트 플롯(내부: 내부 그림은 낮은 옴 영역을 확대한 것)을 나타낸다.
도 6 (A) 주사율 100 mVs-1의 10 μM BPA 존재 시 PBS(pH 6.8)에서 각 전극 소재로 변성된 C의 CV 반응. (B 및 C) 주사율 100 mVs-1의 PB 용액의 10 μM BPA에서 Fe3O4-PEI의 각 양(mg) 및 부하량(μl)에서 CV 거동을 나타낸다.
도 7 (A) 100 mVs-1의 각 용액 pH(5, 6, 6.8, 8, 9)의 Fe3O4-PEI /C에서 10 μM BPA의 CV 패턴. (B) 10 μM BPA의 양극 피크 전위 vs pH. (C) Fe3O4-PEI /C에서 10 μM BPA의 주사율 변화(20~200 mVs-1). (D) BPA의 피크 전류(Ipa) vs 주사율. (E) BPA의 피크 전위(Epa) vs ln v을 나타낸다.
도 8 (A) 주사율: 100 mVs-1에서 각 농도 BPA(0.01 μM~50 μM)의 0.1 M PBS에서 Fe3O4-PEI /C의 순환 볼타모그램. (B) BPA 각 농도의 검량 플롯. (C 및 D) 0.1M PBS의 10 μM BPA에서 100 mVs-1의 Fe3O4-PEI /C에서 다른 간섭 화합물의 CV 피크 및 0.1M PBS 용액의 10 μM BPA에서 Fe3O4-PEI /C의 안정성(내부: 100 mVs-1에서 0.1M PBS의 10 μM BPA 및 500 μM 2,4- 디니트로페놀에서 Fe3O4-PEI /C의 CV 패턴)을 나타낸다.
도 9 (A) 실제 샘플에서 1, 3, 5, 8, 10 μM BPA의 GC-MS 반응. (B) Fe3O4-PEI 전극 및 GC-MS 방법에 따른 BPA 민감도 비교. 표준품 BPA (C) 및 실제 샘플의 BPA (D)의 GC-MS 질량 패턴을 나타낸다.
1 shows a schematic diagram of Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite preparation and electrochemical BPA detection thereof.
Figure 2 (A) is an XRD pattern, Figure 2 (B) is an FTIR-spectrum (inside: Fe-O region enlarged), Figure 2 (C) is Fe 3 O 4 Np and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite material Zeta potential images are shown.
3 shows high-resolution-XPS spectra in (A) Fe 2p, (B) O 1s, (C) C 1s, and (D) N 1s regions.
Figure 4 Field emission scanning electron morphology of Fe 3 O 4 Np (A) and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite (C). EDAX patterns of Fe 3 O 4 Np (B) and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposites (D) are shown.
5 (A) Cyclic voltammograms of original C and Fe 3 O 4 -PEI/C nanocomposites in the presence of 5 mM [Fe(CN) 6 ] 3- in 0.1M KNO 3 at a scan rate of 100 mVs -1 . (B and C) Scan rate variation range of original C and Fe 3 O 4 -PEI/C from 20 to 200 mVs −1 (internal: linear regression plot of current vs. lnv). (D) Nyquist plots of original C and Fe 3 O 4 -PEI/C nanocomposites in the presence of 5 mM [Fe(CN) 6 ] 3- in 0.1 M KNO 3 (inner: inner figure is the low ohmic region) enlarged) is shown.
6 (A) CV response of C modified with each electrode material in PBS (pH 6.8) in the presence of 10 μM BPA at a scan rate of 100 mVs -1 . (B and C) CV behavior at each amount (mg) and loading (μl) of Fe 3 O 4 -PEI in 10 μM BPA of a PB solution with an injection rate of 100 mVs -1 .
Figure 7 (A) CV pattern of 10 μM BPA in Fe 3 O 4 -PEI/C at each solution pH (5, 6, 6.8, 8, 9) of 100 mVs -1 . (B) Bipolar peak potential vs pH of 10 μM BPA. (C) Changes in scan rate of 10 μM BPA in Fe 3 O 4 -PEI/C (20–200 mVs −1 ). (D) Peak current (Ipa) vs scan rate of BPA. (E) Shows the peak potential (Epa) vs ln v of BPA.
Figure 8 (A) Injection rate: circulating voltammograms of Fe 3 O 4 -PEI/C in 0.1 M PBS of each concentration BPA (0.01 μM-50 μM) at 100 mVs −1 . (B) Calibration plot of each concentration of BPA. (C and D) of 100 at 10 μM BPA of 0.1M PBS mVs -1 Fe 3 O 4 Fe 3 peak in CV and 10 μM BPA of 0.1M PBS solution of other interfering compounds from -PEI / C O 4 -PEI / Stability of C (internal: CV pattern of Fe 3 O 4 -PEI /C in 10 μM BPA and 500 μM 2,4-dinitrophenol in 0.1 M PBS at 100 mVs −1 ).
Figure 9 (A) GC-MS reactions of 1, 3, 5, 8, and 10 μM BPA in real samples. (B) Comparison of BPA sensitivity according to Fe 3 O 4 -PEI electrode and GC-MS method. GC-MS mass patterns of standard BPA (C) and real sample BPA (D) are shown.

본 발명은 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법, 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극을 사용한 비스페놀 A 검출방법을 제공한다. 하기의 실시예를 통하여, 보다 구체적으로 설명한다. The present invention bisphenol-A production method of detection for Fe 3 O 4 -PEI method of manufacturing a nano-composite material, bisphenol A is detected for Fe 3 O 4 nanocomposite -PEI sensor electrode and Fe 3 O 4 nanocomposite sensor electrode -PEI It provides a method for detecting bisphenol A using Through the following examples, it will be described in more detail.

(실시예)(Example)

1.11.1 사용된 화학물질 및 측정 기기Chemicals and Measuring Instruments Used

본 발명의 철 전구물질로서 FeCl2·4H2O 및 FeCl3·6H2O의 혼합물을 사용할 수 있다. FeCl2·4H2O 및 FeCl3·6H2O의 혼합비는 1:0.5 내지 1.5 질량비를 사용할 수 있다. 본 실험에서 철 전구물질은 대종화학(대한민국)에서 확보하였다. 비스페놀 A(BPA) 및 폴리에틸렌이민(PEI)은 씨그마알드리치(미국)에서 구매하였다. 에탄올을 사용하여 0.1mol/L BPA 원액을 제조하고 4℃에서 보관하였다. 본 발명의 인산염 완충액(PBS)은 0.01mol/L 내지 0.5mol/L을 사용할 수 있고, 본 실험에서는 0.1mol/L을 사용하였다. 본 발명의 완충액으로서 하기 화학식 (1)의 화합물 및 화학식 (2)의 화합물의 혼합물을 사용할 수 있다. 화학식 (1)의 화합물 및 화학식 (2)의 화합물의 혼합비는 1:0.5 내지 1.5 부피비를 사용할 수 있다. As an iron precursor of the present invention, a mixture of FeCl 2 .4H 2 O and FeCl 3 .6H 2 O may be used. The mixing ratio of FeCl 2 ·4H 2 O and FeCl 3 ·6H 2 O may be 1:0.5 to 1.5 by mass. In this experiment, the iron precursor was obtained from Daejong Chemical (Korea). Bisphenol A (BPA) and polyethyleneimine (PEI) were purchased from Sigma-Aldrich (USA). A 0.1 mol/L BPA stock solution was prepared using ethanol and stored at 4°C. The phosphate buffer (PBS) of the present invention may be used in an amount of 0.01 mol/L to 0.5 mol/L, and 0.1 mol/L was used in this experiment. As the buffer of the present invention, a mixture of a compound of the following formula (1) and a compound of the formula (2) can be used. The mixing ratio of the compound of Formula (1) and the compound of Formula (2) may be 1:0.5 to 1.5 by volume.

Na2HPO4 화학식 (1) Na 2 HPO 4 Formula (1)

NaH2PO4 화학식 (2) NaH 2 PO 4 Formula (2)

화학식 (1) 및 화학식 (2) 화합물은 삼천화학(대한민국)에서 구매하였다. 완충액의 pH는 인산(H3PO4) 및 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 유지되었다. 모든 용액은 이중 증류수로 제조하였다.Chemical formulas (1) and (2) were purchased from Samcheon Chemical (Korea). The pH of the buffer was maintained using phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and sodium hydroxide (NaOH). All solutions were prepared with double distilled water.

Fe3O4 Np 및 Fe3O4 -PEI 나노복합소재 결정화도는 Cu 표적의 XRD, D8 DISCOVER-BRUKER 분석기로 분석하였다. 감쇠 전반사 FTIR(ATR-FTIR, 써모피셔, 니콜레 iS5, 미국)을 작용기 분석에 이용하였다. Fe3O4-PEI 나노복합소재의 XPS 스펙트럼은 X선 & UV 광전자 분광기(XPS, 써모피셔, 미국)로 관찰하였다. Fe3O4 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 형태 및 매핑 이미지는 에너지분산형 X선(EDX)과 함께 15 kV 가속에서 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM) JEOL로 확보하였다. Malvern Zetasizer Nano ZS90을 이용하여 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 표면 전하를 분석하였다. GCMS 기법은 전자 포착 검출기가 장착된 GC/MS(시마즈 Q2010, 일본)에 사용하여 실제 샘플의 민감도를 비교하였다. Elite 5ms 칼럼(60 m 길이 × 250 μm 지름 × 250 μm 두께)이 사용되었다. MS는 전자 에너지 70 eV에서 EI+ 모드로 모니터링했으며, 선정된 이온 모니터링은 m/z 213(BPA의 분자량)을 모니터링하기 위해 사용되었다. 열원온도는 250℃이고 GC 이동 라인은 280℃에서 유지되었다. GC 오븐 온도는 등과 같이 프로그램되었다. 50℃에서 3분, 10℃ 분-1에서 280℃로 증가, 8℃ 분-1에서 250℃로 증가, 이후 250℃로 유지하였다. 1 ml 분-1 He2 가스가 운반 기체로 사용되었다. 추출물은 100℃에서 분할 비율 20:1로 GC 주입구에 자동으로 주입되었다. 1μl 샘플 및 표준품이 3번 주입되었다.The crystallinity of Fe 3 O 4 Np and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposites was analyzed by XRD and D8 DISCOVER-BRUKER analyzers of Cu targets. Attenuated total reflection FTIR (ATR-FTIR, Thermo Fisher, Nicole iS5, USA) was used for functional group analysis. The XPS spectrum of the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite was observed with an X-ray & UV photoelectron spectrometer (XPS, Thermo Fisher, USA). The morphology and mapping images of Fe 3 O 4 and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposites were obtained by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) JEOL at 15 kV acceleration together with energy dispersive X-ray (EDX). The surface charge of Fe3O4-PEI nanocomposite was analyzed using Malvern Zetasizer Nano ZS90. The GCMS technique was used for GC/MS equipped with an electron trap detector (Shimazu Q2010, Japan) to compare the sensitivity of real samples. An Elite 5ms column (60 m length × 250 μm diameter × 250 μm thickness) was used. MS was monitored in EI + mode at an electron energy of 70 eV, and selected ion monitoring was used to monitor m/z 213 (molecular weight of BPA). The heat source temperature was 250 °C and the GC transfer line was maintained at 280 °C. The GC oven temperature was programmed as such. 3 min at 50° C., increasing to 280° C. at 10° C. min −1 , increasing to 250° C. at 8° C. min -1 , and then held at 250° C. 1 ml min -1 He 2 gas was used as carrier gas. The extract was automatically injected into the GC inlet at 100°C with a split ratio of 20:1. 1 μl sample and standard were injected 3 times.

1.2 전기화학 센서 특징1.2 Electrochemical Sensor Features

모든 전기화학 측정은 기존 3전극 시스템과 함께 VersaSTAT 3 전기화학 워크스테이션(AMETEK, 미국)을 이용하여 분석하였다. Fe3O4-PEI/C 변성 전극(5mm)을 작업 전극으로 사용하였고, 백금(Pt)을 상대 전극으로 사용하였고, 은/염화은(Ag/Al)을 기준 전극으로 사용하였다. 본 발명의 순환 전압전류법(CV)을 사용하여, 0.1M PBS 완충액에서 BPA 센서에 대해 이용하였다. 잠재적 범위인 0.3 내지 0.9V의 전압 범위, 100 mVs-1에서 모니터링하였다.All electrochemical measurements were analyzed using a VersaSTAT 3 electrochemical workstation (AMETEK, USA) with a conventional three-electrode system. A Fe 3 O 4 -PEI/C modified electrode (5 mm) was used as a working electrode, platinum (Pt) was used as a counter electrode, and silver/silver chloride (Ag/Al) was used as a reference electrode. Cyclic voltammetry (CV) of the present invention was used for BPA sensors in 0.1M PBS buffer. The voltage range of 0.3 to 0.9V, which is a potential range, was monitored at 100 mVs -1 .

전기화학 임피던스 분광법(EIS) 실험을 이용하여 변성 전극에서 전자 이동 프로세스를 이해하고자 했다. 이는 주파수 범위 10-2~105 HZ에서 5 mM[Fe (CN)6]3-을 0.1M KNO3에서 이용하여 획득했다. 모든 BPA 센싱 작업은 실온에서 수행하였다.Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) experiments were used to understand the electron transfer process in a denatured electrode. This was obtained using 5 mM[Fe (CN) 6 ] 3- in 0.1M KNO 3 in the frequency range of 10 -2 to 10 5 HZ. All BPA sensing operations were performed at room temperature.

1.3 Fe1.3 Fe 33 OO 44 -PEI 나노복합소재 제조-PEI nanocomposite material manufacturing

본 발명의 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법 은, Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 제조된 Fe3O4 나노 파티클을 물에 분산시키는 제2 단계; 폴리에틸렌이민(PEI)을 제2 단계의 혼합물에 첨가하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 혼합된 혼합물을 교반하고, 5분 내지 15분 동안 초음파 처리하는 제4 단계; 상기 초음파 처리된 혼합물을 1시간 내지 3시간 동안 진동 처리하는 제5 단계; 상기 제5 단계의 혼합물에 자성 처리를 통하여 자성 복합소재를 얻는 제6 단계; 상기 제6 단계에서 얻어진 자성 복합소재를 초순수로 3회 내지 5회 세정하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 제거하는 제7 단계; 및 상기 제7 단계의 자성 복합소재를 50

Figure 112021134264074-pat00001
내지 70
Figure 112021134264074-pat00002
에서 진공 건조하는 제8 단계;를 포함할 수 있다. The method for preparing Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite material for detecting bisphenol A of the present invention comprises: a first step of preparing Fe 3 O 4 nanoparticles by hydrothermal method; a second step of dispersing the Fe 3 O 4 nanoparticles prepared in the first step in water; a third step of adding polyethyleneimine (PEI) to the mixture of the second step; a fourth step of stirring the mixture mixed in the third step and sonicating for 5 to 15 minutes; a fifth step of vibrating the sonicated mixture for 1 hour to 3 hours; a sixth step of obtaining a magnetic composite material through magnetic treatment on the mixture of the fifth step; a seventh step of washing the magnetic composite material obtained in the sixth step 3 to 5 times with ultrapure water to remove polyethyleneimine (PEI) not bound to Fe 3 O 4 nanoparticles; and 50 the magnetic composite material of the seventh step.
Figure 112021134264074-pat00001
to 70
Figure 112021134264074-pat00002
An eighth step of vacuum drying in; may include.

여기서, Fe3O4 나노 파티클은 10nm 내지 500nm의 크기를 가질 수 있고, 초음파 처리 및 진동 처리는 Fe3O4 나노 파티클과 폴리에틸렌이민(PEI)을 결합하고 미립자로서 분산시키기 위한 것이며, 진동 처리는 용액에 일정 힘을 가하거나 용액이 들어있는 케이스를 일정 간격으로 흔들어서 행해질 수 있다. 자성 처리는 자성을 가진 물질을 사용하여 달성될 수 있다. 복합 소재의 세정을 통하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 효과적으로 제거하여 Fe3O4 나노 파티클과 폴리에틸렌이민(PEI)이 강하게 결합되어 있는 복합소재를 얻을 수 있다.Here, Fe 3 O 4 nanoparticles may have a size of 10 nm to 500 nm, and ultrasonic treatment and vibration treatment are for combining Fe 3 O 4 nanoparticles with polyethyleneimine (PEI) and dispersing as fine particles, and vibration treatment is This can be done by applying a certain force to the solution or shaking the case containing the solution at regular intervals. Magnetic treatment can be achieved by using a material having magnetism. By the Fe 3 O 4 is not bonded to the nanoparticle of polyethyleneimine (PEI) to effectively removed by washing of the composite material can be obtained Fe 3 O 4 nanoparticles with a polyethyleneimine (PEI) composites that are combined strongly.

본 실시예에서는, Fe3O4 NP는 열수법으로 제조하였다. 확보한 Fe3O4 NP는 물에 분산시키고 폴리에틸렌이민(PEI)을 Fe3O4 NP 부유액에 첨가하였다. 잠시 동안 10 mg Fe3O4를 0.1% PEI 용액으로 교반하였고 10분 동안 초음파 처리하고 이후 2시간 동안 진동시키고, 이후 확보한 자성 복합소재를 10분 동안 자성 분리하고 복합소재는 초순수로 3회 세척하여 느슨하게 결합된 PEI를 제거하였으며, 복합소재를 60℃에서 하룻밤 동안 진공 건조하였다. 최종 Fe3O4-PEI 복합소재 분말은 XRD, XPS, FE-SEM, FTIR 및 BPA 검출에 대한 전기화학 반응으로 분석하였다. 2 mg Fe3O4-PEI를 1mL 초순수에 분산시켰다. In this example, Fe 3 O 4 NPs were prepared by a hydrothermal method. The obtained Fe 3 O 4 NP was dispersed in water, and polyethyleneimine (PEI) was added to the Fe 3 O 4 NP suspension. For a while, 10 mg Fe 3 O 4 was stirred with 0.1% PEI solution, sonicated for 10 minutes, and then vibrated for 2 hours. After that, the obtained magnetic composite material was magnetically separated for 10 minutes, and the composite material was washed 3 times with ultrapure water. to remove the loosely bound PEI, and the composite material was vacuum dried at 60° C. overnight. The final Fe 3 O 4 -PEI composite powder was analyzed by electrochemical reactions for XRD, XPS, FE-SEM, FTIR and BPA detection. 2 mg Fe 3 O 4 -PEI was dispersed in 1 mL ultrapure water.

1.4 전극 제조1.4 Electrode Fabrication

먼저, 전극은 0.3μm 및 0.05μm 알루미나 부유액으로 순서대로 연마천에 연마하였고, 전극은 에탄올 및 물로 각 연마 단계 사이에 세척하였으며, 이후 에탄올 및 물에서 3분 동안 초음파 처리하고 대기에서 건조시켰다. Fe3O4 -PEI 박막을 세척된 전극에 구축하기 위해, 10 μl Fe3O4-PEI 부유액(2 mg/mL)을 마이크로 피펫으로 드롭 캐스팅하였다. 본 발명에서는 스핀 코팅을 사용하지 않고, 드롭 캐스팅을 함으로써, 어느 정도의 두께를 가진 박막을 얻을 수 있다. 용매가 2시간 동안 대기에서 증발한 후, 제작된 Fe3O4-PEI/C 센서 전극이 BPA 검출에 사용되었으며, 비교를 위해 원래 C 및 Fe3O4/C 변성 전극을 같은 방식으로 제조하였다. 제작된 전극은 사용하지 않을 시 냉장 보관하였다. Fe3O4-PEI 변성 전극의 제조 및 BPA 검출은 도 1에 나타냈다.First, the electrode was polished on a polishing cloth sequentially with 0.3 μm and 0.05 μm alumina suspension, and the electrode was washed between each polishing step with ethanol and water, then sonicated in ethanol and water for 3 minutes and dried in the air. To build the Fe 3 O 4 -PEI thin film on the washed electrode, 10 μl Fe 3 O 4 -PEI suspension (2 mg/mL) was drop-cast with a micropipette. In the present invention, a thin film having a certain thickness can be obtained by drop casting without using spin coating. After the solvent was evaporated in the atmosphere for 2 hours, the fabricated Fe 3 O 4 -PEI/C sensor electrode was used for BPA detection, and for comparison, the original C and Fe 3 O 4 /C modified electrodes were prepared in the same way. . The fabricated electrodes were refrigerated when not in use. The fabrication of the Fe 3 O 4 -PEI-modified electrode and the detection of BPA are shown in FIG. 1 .

1.5 실제 샘플 제조1.5 Actual Sample Preparation

신선 멸균 우유를 롯데 마트(조치원, 대한민국)에서 구매하였다. 샘플은 0.1 M PBS 완충액으로 희석하였다. 각 농도 BPA 1,3,5,8 μM를 표준 첨가 방법으로 첨가하였다.Fresh sterilized milk was purchased at Lotte Mart (Jochiwon, Korea). Samples were diluted with 0.1 M PBS buffer. Each concentration of BPA 1,3,5,8 μM was added as standard addition method.

(결과 및 토의)(Results and Discussion)

2.1 소재 선택2.1 Material selection

BPA 센서 전극을 위한 소재로 선택하기 위해 Fe3O4-PEI 나노복합소재 표면의 양전하를 여기하였으며, 이는 넓은 표면적, 저비용, 합성이 쉽고, 토양에 풍부하고, 주로 자성을 갖는다. In order to select the material for the BPA sensor electrode, the positive charge on the surface of the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite was excited, which has a large surface area, low cost, easy synthesis, abundant in soil, and mainly magnetic.

2.2 Fe2.2 Fe 33 OO 44 -PEI 나노복합소재의 특성- Characteristics of PEI nanocomposites

X선 회절을 분석하여 Fe3O4 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 구조 및 순도 분석을 하고자 하였다. 도 2 A는 Fe3O4Np 및 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 XRD 패턴을 보여준다. 두 스펙트로그램은 모두 Fe3O4 NP에 대해 (111), (220), (311), (400), (511), (440), (533) 결정화 평면의 비슷한 회절 피크를 보인다. 피크 위치는 변화하였고 피크 강도는 자성 Fe3O4 NP 표면에 PEI 코팅 후 감소하였으며, 이는 PEI 및 Fe3O4 NP 간 상호작용 때문이다.X-ray diffraction was analyzed to analyze the structure and purity of Fe 3 O 4 and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposites. 2A shows the XRD patterns of Fe 3 O 4 Np and Fe 3 O 4 -PEI nanocomposites. Both spectrograms show similar diffraction peaks in the (111), (220), (311), (400), (511), (440), and (533) crystallization planes for Fe 3 O 4 NPs. The peak position was changed and the peak intensity decreased after PEI coating on the surface of the magnetic Fe 3 O 4 NPs, which is due to the interaction between PEI and Fe 3 O 4 NPs.

ATR-FTIR은 각 파수에서 제작된 소재의 작용기를 분석하기 위해 사용하였으며, 도 2B는 물에 분산된 Fe3O4 및 Fe3O4-PEI의 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 두 FTIR 스펙트럼은 Fe-O 결합 피크의 특성을 558 cm-1에서 확인하였다. 또한, 내부 그림은 Fe-O 결합을 확대하여 보여주며, 물 O-H 신축 진동수를 1633.7 cm-1에서 나타낸다. 또한, PEI 코팅된 자성 나노입자에서 Fe3O4 진동 피크(558 cm-1)의 강도는 원래 Fe3O4보다 낮아졌으며, 이는 표면 변성을 확인시켜준다. 또한, Fe3O4 -PEI 스펙트럼은 지방족 N-H 신축 진동을 1263 cm-1, 1654 cm-1, 2849 cm-1, 2946.8 cm-1, 3367.3 cm-1에서 입증하였다. 1457 cm-1의 피크는 알케인 C-H 굽힘을 시사한다. FTIR 데이터는 Fe3O4 -PEI 나노복합소재가 Fe-O 결합을 함유하고 표면에 여러 -NH2 작용기가 있음을 분명히 확인시켜주었다. 또한, 제타 전위를 모니터링하여 제작된 Fe3O4-PEI 복합소재의 표면 전화를 확인하였으며, 그 결과는 도 2C에 나타냈다. PEI 및 Fe3O4의 표면 전하는 각각 42.9 mV 및 -32.52 mV이며, PEI 변성 Fe3O4 복합소재 표면 전하값은 +35.51 mV로 크게 증가하였으며, 이는 Fe3O4-PEI 표면에서 -NH2 작용기가 많이 있음이 확인되었다. XRD, FTIR, 제타 전위 결과에서 Fe3O4-PEI의 성공적인 표면 변성을 확인할 수 있었다.ATR-FTIR was used to analyze the functional groups of the fabricated material at each wavenumber, and FIG. 2B shows FTIR spectra of Fe 3 O 4 and Fe 3 O 4 -PEI dispersed in water. The two FTIR spectra showed the characteristics of the Fe-O binding peak at 558 cm -1 . Confirmed. In addition, the internal figure shows the enlarged Fe-O bond and the water OH stretching frequency at 1633.7 cm -1 . In addition, the intensity of the Fe 3 O 4 vibrational peak (558 cm −1 ) in the PEI-coated magnetic nanoparticles was lower than that of the original Fe 3 O 4 , confirming the surface denaturation. In addition, Fe 3 O 4 -PEI spectrum demonstrated aliphatic NH stretching vibrations at 1263 cm -1 , 1654 cm -1 , 2849 cm -1 , 2946.8 cm -1 , and 3367.3 cm -1 . The peak at 1457 cm -1 suggests alkane CH bending. The FTIR data clearly confirmed that the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite contains Fe-O bonds and has several -NH 2 functional groups on the surface. In addition, the surface conversion of the fabricated Fe 3 O 4 -PEI composite material was confirmed by monitoring the zeta potential, and the results are shown in FIG. 2C. The surface charges of PEI and Fe 3 O 4 were 42.9 mV and -32.52 mV, respectively, and the surface charge value of the PEI-modified Fe 3 O 4 composite material increased significantly to +35.51 mV, which was -NH 2 on the Fe 3 O 4 -PEI surface. It was confirmed that there are many functional groups. The XRD, FTIR, and zeta potential results confirmed the successful surface modification of Fe 3 O 4 -PEI.

X선 광전자 분광법(XPS)을 분석하여 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 화학 상호작용 및 오비탈 결합을 이해하고자 했으며, 그 결과는 도 3에 제시하였다. 와이드 스캔 XPS 스펙트럼(도 SI 1)은 Fe, O, N, C 원소의 존재를 보여준다. Fe 2P 영역 스펙트럼 도 3A는 현저한 피크 2개를 710.2 eV 및 724 eV에서 보이며 각각 Fe 2p 3/2 및 Fe 2p ½과 관련이 되었다. Fe 2p의 위성 피크는 718.1 eV에서 관찰되었다. O 1S 영역의 XPS 스펙트럼 도 3B는 두드러진 하나의 금속-산소 결합을 529 eV에서 보인다. C 1s 및 N 1s 영역의 XPS 스펙트럼 도 3 C & D는 피크를 284.7 eV 및 399 eV에서 각각 보였다. 이는 PEI의 자성 Fe3O4 나노입자와 상호작용 때문이다. 원소의 원자 비율은 (표 SI 1)에 제시되어 있다. XPS 결과는 PEI 폴리머와 성공적인 변성 Fe3O4 표면을 확인했다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was analyzed to understand the chemical interaction and orbital bonding of Fe 3 O 4 -PEI nanocomposites, and the results are presented in FIG. 3 . The wide scan XPS spectrum ( FIG. SI 1 ) shows the presence of Fe, O, N, and C elements. Fe 2P region spectrum FIG. 3A shows two prominent peaks at 710.2 eV and 724 eV, respectively, and is associated with Fe 2p 3/2 and Fe 2p ½, respectively. The satellite peak of Fe 2p was observed at 718.1 eV. XPS spectrum of the O 1S region FIG. 3B shows one prominent metal-oxygen bond at 529 eV. XPS spectra of C 1s and N 1s regions FIG. 3 C & D showed peaks at 284.7 eV and 399 eV, respectively. This is due to the interaction with the magnetic Fe 3 O 4 nanoparticles of PEI. The atomic proportions of the elements are given in (Table SI 1). XPS results confirmed the PEI polymer and the successful modified Fe 3 O 4 surface.

표면 형태를 이해하기 위해, SEM, EDAX, 원소 매핑은 Fe3O4 NP (A) 및 Fe3O4-PEI 복합소재 (C)에 대해 분석하였으며, 결과는 도 4에 나타냈다. Fe3O4 (A) 형태는 Fe3O4 나노입자의 결정화 구조를 보이고 Fe3O4 NP (B)의 EDAX 스펙트럼에서 Fe 및 O 원소의 존재를 보였다. Fe3O4-PEI (C) 복합소재는 PEI의 선형 분포와 함께 반결정화 형태를 보였다. Fe3O4-PEI (D) 복합소재의 EDAX 스펙트럼은 C, N, Fe, O의 존재를 분명히 확인했다. Fe3O4 NP (A) 및 Fe3O4-PEI 복합소재 (B)의 원소 매핑 이미지는 (도 SI 2. 1 a & b)에 다른 색깔로 나타냈으며, 이는 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 성공적인 변성을 더욱 확인시켜주었다. To understand the surface morphology, SEM, EDAX, and elemental mapping were analyzed for Fe 3 O 4 NPs (A) and Fe 3 O 4 -PEI composites (C), and the results are shown in FIG. 4 . The Fe 3 O 4 (A) form showed the crystallization structure of Fe 3 O 4 nanoparticles and the presence of Fe and O elements in the EDAX spectrum of Fe 3 O 4 NPs (B). The Fe 3 O 4 -PEI (C) composite showed a semi-crystallized form with a linear distribution of PEI. The EDAX spectrum of the Fe 3 O 4 -PEI (D) composite material clearly confirmed the presence of C, N, Fe, and O. Elemental mapping images of Fe 3 O 4 NPs (A) and Fe 3 O 4 -PEI composites (B) are shown in different colors (Fig. SI 2.1 a & b), which are Fe 3 O 4 -PEI nano It further confirmed the successful transformation of the composite material.

2.3 Fe2.3 Fe 33 OO 44 -PEI의 전기화학 특성-Electrochemical properties of PEI

순환 전압전류법을 이용하여 Fe3O4-PEI 변성 전극의 전자 이동 프로세스를 0.1 M KNO3에서 5 mM K3[Fe (CN)6 ]3-를 전기화학 레독스 프로브로 이용하여 분석하였다. 도 5A는 원래 C (a) 및 Fe3O4-PEI (b)의 Ferri-Ferro 거동을 보여준다. 원래 C에서 잘 정의된 레독스 피크가 피크 분리 전위(Ep) 132.12 mV와 함께 나타났다. 전극이 Fe3O4-PEI로 변성했을 때, 약간 감소한 Ep값 및 피크 전류의 증가(Ip)가 관찰되었으며, 이는 Fe3O4-PEI 복합소재가 높은 전도 및 Fe3O4 나노입자의 넓은 표면적 때문에 전극 및 K3[Fe (CN)6 ]3- 간 매개된 전자를 강화함을 나타낸다. 또한, 원래 및 Fe3O4-PEI 변성 전극에 대한 주사율 변화(20 mVs-1에서 200 mVs-1)가 나타났다. 도 5B 및 C는 주사율과 선형적 관계를 보여준다. 원래 전극에 대한 양극(I pa) 및 음극 피크 전류(Ipc)의 선형 계수는 각각 R2 = 0.97892 및 R2 = 0.97059임을 볼 수 있다. Fe3O4-PEI 변성 전극의 선형 계수는 Ipa 및 Ipc에 대해 R2 = 0.97492 및 R2 = 0.97254였다. 전기화학 연구는 Fe3O4-PEI 나노복합소재 박막이 K3[Fe (CN)6 ]3- 레독스 프로브에 대해 바람직한 전자 이동을 허용함을 시사한다. 이는 표면의 많은 양전하 종 때문으로 볼 수 있다. 또한, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 이용하여 전극의 저항을 이해하고자 했다. 이 실험은 주파수 범위 10-2~105 HZ에서 각기 다른 소재 변성 전극으로 0.1M KNO3 용액에서 5 mM K3[Fe (CN)6 ]3-을 이용하여 수행하였다. 도 5D는 원래 C (a) 및 Fe3O4-PEI /C (b)의 나이퀴스트 플롯을 보여준다. 거의 선형적인 선이 낮은 주파수에서 원래 C(곡선 a) 및 Fe3O4-PEI(곡선 b) 변성 전극에 대해 관찰되며, 이는 전자 확산 프로세스를 시사한다. 작은 반원 패턴이 높은 주파수에서 관찰되었으며 이는 전자 이동 저항(Rct)과 관련된 것이다. 원래 C의 임피던스값은 9.38 kohm이며, Fe3O4-PEI 코팅 후 변성 전극의 EIS(곡선 b) 임피던스값은 10.31 kohm으로 관찰되었고, 이는 제작된 Fe3O4-PEI 복합소재가 전자 이동을 빠르게 가속시킬 수 있음을 보인다.Using cyclic voltammetry, the electron transfer process of the Fe 3 O 4 -PEI-modified electrode was analyzed using 5 mM K 3 [Fe (CN) 6 ] 3- in 0.1 M KNO 3 as an electrochemical redox probe. Figure 5A shows the Ferri-Ferro behavior of the original C (a) and Fe 3 O 4 -PEI (b). In the original C, a well-defined redox peak appeared with a peak separation potential (Ep) of 132.12 mV. When the electrode was modified with Fe 3 O 4 -PEI, a slightly decreased Ep value and an increase (Ip) of the peak current were observed, indicating that the Fe 3 O 4 -PEI composite material exhibited high conductivity and a wide range of Fe 3 O 4 nanoparticles. Because of the surface area, K 3 [Fe (CN) 6 ] 3- between the electrode and K 3 [Fe (CN) 6 ] 3 indicates that it enhances the mediated electrons. Also, scan rate changes (20 mVs −1 to 200 mVs −1 ) were observed for the original and Fe 3 O 4 -PEI modified electrodes. 5B and C show a linear relationship with the scan rate. A positive electrode to the source electrode of the linear coefficient (I pa) and a negative peak current (Ipc) can be seen that each of R 2 = 0.97892 and R 2 = 0.97059. The linear coefficients of the Fe 3 O 4 -PEI modified electrode were R 2 =0.97492 and R 2 =0.97254 for Ipa and Ipc. Electrochemical studies suggest that Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite thin films allow favorable electron transfer for K 3 [Fe (CN) 6 ] 3 -redox probes. This can be attributed to the large number of positively charged species on the surface. In addition, we tried to understand the resistance of the electrode using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). This experiment was performed using 5 mM K 3 [Fe (CN) 6 ] 3- in 0.1M KNO 3 solution as a modified electrode with different materials in the frequency range of 10 -2 to 10 5 HZ. Figure 5D shows the Nyquist plots of the original C (a) and Fe 3 O 4 -PEI /C (b). Nearly linear lines are observed for the original C (curve a) and Fe 3 O 4 -PEI (curve b) modified electrodes at low frequencies, suggesting an electron diffusion process. A small semicircle pattern was observed at high frequencies, which is related to the electron transfer resistance (Rct). Impedance values of the original C is 9.38 kohm and, Fe 3 O 4 EIS (curve b) the impedance value of the modified electrode -PEI after coating was observed with 10.31 kohm, which the composite material produced Fe 3 O 4 -PEI the electromigration It shows that it can be accelerated quickly.

2.4 Fe2.4 Fe 33 OO 44 -PEI에서 BPA의 전기화학 거동-Electrochemical behavior of BPA in PEI

각기 다른 전극과 BPA의 전기 산화는 순환 전압전류법을 이용하여 잠재적 범위가 0.3~0.9V인 0.1M PBS 용액(pH 6.8)의 10 μm BPA에서 조사하였으며, 그 결과는 도 6A에 나타냈다. 비가역적 피크가 모든 변성 전극에 대해 관찰되었다. 원래 C에서 낮은 산화 피크 전류가 0.6V로 관찰되었다. BPA의 양극 피크 전류는 Fe3O4 Np에서 나타났다. 변성 C 전극은 원래 C 전극보다 증가하였으며, Fe3O4-PEI 변성 C 전극은 낮은 산화 전위(0.574V)로 피크 전류에서 유의한 증가를 보였다. 이러한 결과는 Fe3O4-PEI 변성 복합소재가 BPA의 전기 촉매 산화에서 민감한 전자 매개물임을 보여준다. 또한, PEI는 양전하 종으로 음전하 BPA 종의 흡착을 강화한다. 또한, 촉매제의 부하량 및 농도 등 실험 파라미터는 최적화하여 도 6B & C에서 보듯 BPA 민감도를 높였다. 1 mg, 2 mg, 3 mg, 3.5 mg Fe3O4-PEI 나노입자는 1 mL DI 물에서 잘 분산되었다. 이 중 2 mg 촉매제가 높은 양극 피크 전류 및 전위 반응을 보였다. 다른 양(5 μl,10 μl, 15μl)의 촉매제가 코팅되었고 BPA 민감도를 분석하였다. 10 μl 코팅된 전극이 높은 BPA 민감도를 보였다. 따라서 이를 실험에서 최적 조건으로 선정하였다.Electro-oxidation of different electrodes and BPA was investigated using cyclic voltammetry in 10 μm BPA in 0.1M PBS solution (pH 6.8) with a potential range of 0.3 to 0.9 V, and the results are shown in FIG. 6A. Irreversible peaks were observed for all denatured electrodes. In the original C, a low oxidation peak current of 0.6 V was observed. The anode peak current of BPA was shown in Fe 3 O 4 Np. The modified C electrode increased than the original C electrode, and the Fe 3 O 4 -PEI modified C electrode showed a significant increase in peak current with a low oxidation potential (0.574V). These results show that Fe 3 O 4 -PEI-modified composites are sensitive electron mediators in the electrocatalytic oxidation of BPA. In addition, PEI enhances the adsorption of negatively charged BPA species to positively charged species. In addition, experimental parameters such as catalyst loading and concentration were optimized to increase BPA sensitivity as shown in FIGS. 6B & C . 1 mg, 2 mg, 3 mg, 3.5 mg Fe 3 O 4 -PEI nanoparticles were well dispersed in 1 mL DI water. Among them, 2 mg catalyst showed high anode peak current and potential response. Different amounts of catalyst (5 μl, 10 μl, 15 μl) were coated and analyzed for BPA sensitivity. The 10 μl coated electrode showed high BPA sensitivity. Therefore, it was selected as the optimal condition in the experiment.

2.5 Fe2.5 Fe 33 OO 44 -PEI에서 BPA 산화 최적화-Optimize BPA oxidation in PEI

전해질 용액(0.1 M PBS)의 pH값은 BPA 민감도에서 중요한 요인이다. PBS 용액의 pH 5~9를 10 μM BPA 용액으로 조사하였으며, BPA 민감도를 이해하기 위해 도 7A에 나타냈다. 양극 피크 전류가 pH 5에서 6.8까지 증가하고 pH 8에서 9에서는 감소함을 알 수 있다. 중성 pH 6.8은 BPA에 대한 최대 민감도를 보였다. 도 7B에서 pH당 55.03mV 속도로 pH가 증가하여 피크 전위가 부(-)적으로 변한다는 점은 분명하였다. 선형회귀식 E(V) = 0.96437 - 0.05503 pH(R2 = 0.97576)에 따르면 pH당 기울기값 55.03mV는 pH당 이론값 57.6 mV와 상관관계가 양호하였으며, 이는 똑같은 수의 양자 및 전자가 BPA 산화 프로세스에 관여함을 시사한다. 따라서 중성 PBS (pH=6.8) 전해질을 높은 BPA 민감도를 얻기 위해 선정하였다. The pH value of the electrolyte solution (0.1 M PBS) is an important factor in BPA sensitivity. The pH 5-9 of the PBS solution was irradiated with a 10 μM BPA solution, and is shown in FIG. 7A to understand the BPA sensitivity. It can be seen that the anode peak current increases from pH 5 to 6.8 and decreases from pH 8 to 9. Neutral pH 6.8 showed the maximum sensitivity to BPA. It was clear from Fig. 7B that the peak potential changed negatively with increasing pH at a rate of 55.03 mV per pH. According to the linear regression equation E(V) = 0.96437 - 0.05503 pH (R 2 = 0.97576), the slope value of 55.03 mV per pH correlated well with the theoretical value of 57.6 mV per pH, indicating that the same number of protons and electrons was oxidized to BPA. It implies that you are involved in the process. Therefore, neutral PBS (pH=6.8) electrolyte was selected to obtain high BPA sensitivity.

주사율 변화의 BPA 산화에 대한 영향을 분석하고 그 결과를 도 7C에 제시하였으며, 주사율 범위 20~200 mVs-1로 Fe3O4-PEI 변성 C 전극의 0.1M PBS에서 10 μM BPA의 순환 볼타모그램을 보였다. BPA 피크 전류는 20~200 mVs-1 범위로 선형적으로 증가하였다. 도 7D에서 양극 피크 전류(Ipa)는 선형회귀식 Ipa(μA) = 7.9613 X + 0.20987(R2 = 0.9784)에 따라 주사율의 제곱근과 선형적으로 증가하였다. 이는 Fe3O4-PEI/C에서 BPA 산화가 표면 통제된 프로세스라는 점을 시사하며, 도 7E는 BPA의 양극 피크 전위(Epa)가 주사율 증가와 함께 정(+)적으로 변화함을 보인다. Epa는 ln v와 선형적으로 증가하고, 그 선형적 관계는 Epa(V) = 0.50138 X + 0.01978(R2 = 0.9482)로 표현된다. 흡착 통제되고 완전히 비가역적인 전극 프로세스에서 양극 피크 전위(Epa)는 Laviron 식으로 정의된다고 알려져 있다.The effect of change in scan rate on BPA oxidation was analyzed and the results are presented in Figure 7C. Cyclic voltammetry of 10 μM BPA in 0.1M PBS of Fe 3 O 4 -PEI-modified C electrode with scan rate range of 20-200 mVs -1 gram was shown. The BPA peak current increased linearly in the range of 20-200 mVs -1 . In FIG. 7D , the bipolar peak current (Ipa) increased linearly with the square root of the scan rate according to the linear regression equation Ipa (μA) = 7.9613 X + 0.20987 (R 2 = 0.9784). This suggests that BPA oxidation in Fe 3 O 4 -PEI/C is a surface-controlled process, and FIG. 7E shows that the bipolar peak potential (Epa) of BPA changes positively with increasing scan rate. Epa increases linearly with ln v, and the linear relationship is expressed as Epa(V) = 0.50138 X + 0.01978 (R 2 = 0.9482). It is known that the anodic peak potential (Epa) in an adsorption-controlled and completely irreversible electrode process is defined by the Laviron equation.

Epa = E0 + (RT/αnF) ln(RTK0/αnF) + RT/αnFlnV.E pa = E 0 + (RT/αnF) ln(RTK 0 /αnF) + RT/αnFlnV.

BPA 산화에 대한 전자 이동 수는 위의 식에서 산출되었으며, 이러한 상수값에서 전자 수 n을 약 2로 계산하였다. 이는 Fe3O4-PEI 복합소재에서 전자 2개가 BPA의 전기 산화에 관여함을 의미한다.The electron transfer number for BPA oxidation was calculated from the above equation, and from this constant value, the electron number n was calculated to be about 2. This means that in the Fe 3 O 4 -PEI composite, two electrons are involved in the electrooxidation of BPA.

2.6 분석 절차2.6 Analytical Procedure

최적 실험 조건에서 순환 전압전류법을 이용하여 BPA 농도 및 피크 전류 간 관계를 모니터링하였다. 각 BPA 농도는 PBS 용액(pH 6.8)에서 0.01 μM~10 μM 범위이며, Fe3O4-PEI를 이용하여 100mVs-1 주사율에서 감지되었다. 도 8A는 산화 피크 전류가 BPA 농도에 따라 선형적으로 증가함을 보인다. 선형 플롯은 선형회귀식 I(pa) = 1.645488 X + 2.62086(R2 = 0.99524)으로 Fe3O4-PEI/C 변성 전극에 대해 도 8B에 플롯화하였으며, 낮은 검출한계 0.05 nM(S/N = 3)이 관찰되었다. 따라서 Fe3O4-PEI 나노복합소재는 BAP의 민감한 검출에 대한 효과적인 전극 소재이다. 또한, 간섭 연구를 수행하여 10 μm BPA를 함유한 0.1M PBS 완충액(pH = 6.8)에서 K+, Cl-, Ca+의 500배 높은 농도 및 2-니트로페놀, 4-니트로페놀, 2,4-디니트로페놀의 50배 높은 농도로 Fe3O4-PEI/C 전극의 선별성을 이해하고자 하였다. The relationship between BPA concentration and peak current was monitored using cyclic voltammetry under optimal experimental conditions. Each BPA concentration ranged from 0.01 μM to 10 μM in PBS solution (pH 6.8), and was detected at 100 mVs -1 injection rate using Fe 3 O 4 -PEI. 8A shows that the oxidation peak current increases linearly with BPA concentration. The linear plot is plotted in Figure 8B for a Fe 3 O 4 -PEI/C modified electrode with a linear regression equation I(pa) = 1.645488 X + 2.62086 (R 2 = 0.99524), with a low detection limit of 0.05 nM (S/N). = 3) was observed. Therefore, Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite is an effective electrode material for sensitive detection of BAP. In addition, interference studies were performed with 500-fold higher concentrations of K + , Cl , Ca + and 2-nitrophenol, 4-nitrophenol, 2,4 in 0.1 M PBS buffer (pH = 6.8) containing 10 μm BPA. - To understand the selectivity of the Fe 3 O 4 -PEI/C electrode with a 50-fold higher concentration of dinitrophenol.

도 8C는 무기염 및 유기물 존재 시 BPA 피크 전류에서 특별한 변화를 보이지 않는다. 이는 표면 맞춤화된 Fe3O4-PEI 나노복합소재가 실제 현장 적용에 중요한 BPA 검출에 있어 높은 선별성 및 민감도를 가짐을 보여준다. BPA 검출에 대해 유망한 소재일 수 있다. 또한, Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극은 다른 페놀 화합물(2- 니트로 페놀, 4- 니트로 페놀, 2,4-디니트로 페놀)에서 높은 촉매 활성을 보인다. 도 8C 내부 도는 BPA 피크를 0.574V에서 보이며 2,4-디니트로 페놀 피크를 0.96V에서 보였으며, 이는 제안된 Fe3O4-PEI/C 전극이 실제 샘플에서 BPA 및 다른 페놀 화합물의 동시 검출에 적합함을 확인시켜준다.8C shows no particular change in the BPA peak current in the presence of inorganic salts and organic substances. This shows that the surface-customized Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite has high selectivity and sensitivity in the detection of BPA, which is important for practical field applications. It may be a promising material for BPA detection. In addition, the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode showed high catalytic activity in other phenolic compounds (2-nitrophenol, 4-nitrophenol, 2,4-dinitrophenol). Figure 8C shows the BPA peak at 0.574 V and the 2,4-dinitrophenol peak at 0.96 V, which indicates that the proposed Fe 3 O 4 -PEI/C electrode simultaneously detects BPA and other phenolic compounds in the real sample. confirm that it is suitable for

2.7 Fe2.7 Fe 33 OO 44 -PEI의 안정성-Stability of PEI

BPA 센싱 연구의 반복성을 분석하여 0.1M PBS 완충액의 10 μM BAP를 이용하여 여러 차례 Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극의 일관성을 평가하고자 하였다. 도 8D는 실온(22 C +- 2℃)에서 보관된 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극의 2주 이상 안정성 및 재현성을 보여준다. 안정적 BPA 전류는 3주 이상 양호한 안정성을 보이며, 이는 이전에 보고된 많은 BPA 센서를 넘어서는 것이다.By analyzing the repeatability of the BPA sensing study, we tried to evaluate the consistency of the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode several times using 10 μM BAP in 0.1M PBS buffer. 8D shows the stability and reproducibility of the prepared Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode stored at room temperature (22 C +- 2° C.) for more than 2 weeks. The stable BPA current shows good stability over 3 weeks, which exceeds many previously reported BPA sensors.

2.8 실제 샘플 분석2.8 Real Sample Analysis

제작된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극은 최적 조건에서 우유, 수돗물 등 실제 샘플에 적용하였다. BPA 처리 샘플의 알려진 농도를 순환 전압전류법으로 분석하였고 결과를 GC-MS 기법과 비교하였다. 표 1은 회수율 100.9%~100.5%로 실제 샘플(우유, 수돗물)에서 다른 BPA 양을 보였으며, Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극은 GC-MS와 높은 민감도 상관관계를 보였다. 이는 제작된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극이 실제 샘플의 BPA 검출에 타당하다는 점을 보여준다. 또한, GC-MS 결과는 도 9에 기술되었다. 도 9A는 실제 샘플의 각 BPA 농도에서 MS 패턴을 보여주며, BPA 질량 피크는 RT 26.9에서 관찰되었고 표준품 BPA 샘플과 상관관계가 양호했다. BPA 농도는 표준품 BPA 검량 플롯에서 도출하였다(도 SI 3.). 도 9 B는 Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극 및 GC-MS 기법에 따른 BPA 민감도 비교를 보여주며, 제안된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극이 GC-MS 기법과 양호한 상관관계를 보임을 나타낸다. 도 9 C 및 D에서 표준품 BPA(0.1 mM) 및 실제 샘플(0.01 mM BPA)의 질량 패턴은 모두 양호한 상관관계를 보였다. GC- MS 결과는 제안된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극이 실제 샘플에서 BPA에 대해 높은 민감도를 가짐을 확인시켰다. 하기 표 1은 각 실제 샘플에서 BPA 결정(우유, 수돗물)을 나타낸다. The fabricated Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode was applied to actual samples such as milk and tap water under optimal conditions. The known concentrations of the BPA-treated samples were analyzed by cyclic voltammetry and the results were compared with the GC-MS technique. Table 1 shows different amounts of BPA in actual samples (milk, tap water) with a recovery rate of 100.9% to 100.5%, and the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode showed a high sensitivity correlation with GC-MS. This shows that the fabricated Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode is suitable for detecting BPA in real samples. In addition, the GC-MS results are described in FIG. 9 . Figure 9A shows the MS pattern at each BPA concentration of the real sample, the BPA mass peak was observed at RT 26.9 and correlated well with the standard BPA sample. The BPA concentration was derived from the standard BPA calibration plot (Fig. SI 3.). 9B shows a comparison of BPA sensitivity according to the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode and the GC-MS technique, and the proposed Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode shows a good correlation with the GC-MS technique. indicates visible. The mass patterns of standard BPA (0.1 mM) and real sample (0.01 mM BPA) both showed good correlation in FIGS. 9C and 9D. GC-MS results confirmed that the proposed Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode has high sensitivity to BPA in real samples. Table 1 below shows the BPA crystals (milk, tap water) in each real sample.

샘플Sample BPA 농도(μM)BPA concentration (μM)  
 
우유


milk
첨가(μM)Addition (μM) 검출(μM)Detection (μM) GCMS로 검출(μM)Detection by GCMS (μM) 회수율(%)Recovery (%) 평균 회수율(%)Average recovery (%)
1
3
5
10
One
3
5
10
1.01
3.02
4.99
10.09
1.01
3.02
4.99
10.09
0.99
3.05
4.95
10.1
0.99
3.05
4.95
10.1
101
100.6
99.8
100.9
101
100.6
99.8
100.9
 
 
100.9


100.9
 
 
수돗물tap water
2
4
6
8
2
4
6
8
2.02
4.01
6.01
8.03
2.02
4.01
6.01
8.03
1.99
3.99
5.99
8.01
1.99
3.99
5.99
8.01
101
100.2
100.1
100.9
101
100.2
100.1
100.9
 
 
100.5


100.5

(결론)(conclusion)

Fe3O4-PEI 나노복합소재에 기반한 신규 저비용 센싱 소재가 실제 환경 샘플에서 높은 민감도의 BPA 검출을 위해 성공적으로 합성되었다. 특성 결과(XRD, XPS, FE-SEM, FTIR, 제타 전위)는 여러 양전하 종이 복합소재 표면에 있음을 확인시켜주었다. 전기화학 결과는 제작된 Fe3O4-PEI 나노복합소재가 높은 민감도, 양호한 안정성, 높은 전도, 양호한 재현성을 BPA 검출에서 보임을 밝혔다. Fe3O4-PEI/센서는 넓은 선형 민감도 범위 0.01 μM에서 50 μM를 보이며 BPA의 낮은 검출한계 0.05 nM을 다른 화합물과 상호작용 없이 보였다. 우유 및 수돗물 샘플에서 BPA 센싱은 GC-MS 기법과 높은 반응 및 상관관계를 보였다. 또한, Fe3O4-PEI 나노복합소재 전극은 다른 페놀 화합물(2- 니트로페놀, 4- 니트로페놀, 2,4-디니트로페놀)에서도 높은 촉매 활성을 보였다. 제안된 저비용 Fe3O4-PEI/C 센서 전극은 식품 및 실제 샘플에서 BPA 및 다른 페놀 화합물의 동시 검출에 편리한 전기화학 도구가 될 수 있다. A novel low-cost sensing material based on Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite has been successfully synthesized for high-sensitivity detection of BPA in real environmental samples. Characteristic results (XRD, XPS, FE-SEM, FTIR, zeta potential) confirmed that several positively charged species were present on the composite surface. The electrochemical results revealed that the fabricated Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite showed high sensitivity, good stability, high conductivity, and good reproducibility in BPA detection. Fe 3 O 4 -PEI/sensor showed a wide linear sensitivity range of 0.01 μM to 50 μM and showed a low limit of detection of BPA of 0.05 nM without interaction with other compounds. BPA sensing in milk and tap water samples showed high response and correlation with GC-MS technique. In addition, the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite electrode showed high catalytic activity in other phenol compounds (2-nitrophenol, 4-nitrophenol, 2,4-dinitrophenol). The proposed low-cost Fe 3 O 4 -PEI/C sensor electrode can be a convenient electrochemical tool for the simultaneous detection of BPA and other phenolic compounds in food and real samples.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어 야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present application. do.

Claims (5)

Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계;
상기 제1 단계에서 제조된 Fe3O4 나노 파티클을 물에 분산시키는 제2 단계;
폴리에틸렌이민(PEI)을 제2 단계의 혼합물에 첨가하는 제3 단계;
상기 제3 단계에서 혼합된 혼합물을 교반하고, 5분 내지 15분 동안 초음파 처리하는 제4 단계;
상기 초음파 처리된 혼합물을 1시간 내지 3시간 동안 진동 처리하는 제5 단계;
상기 제5 단계의 혼합물에 자성 처리를 통하여 자성 복합소재를 얻는 제6 단계;
상기 제6 단계에서 얻어진 자성 복합소재를 초순수로 3회 내지 5회 세정하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 제거하는 제7 단계; 및
상기 제7 단계의 자성 복합소재를 50℃내지 70℃에서 진공 건조하는 제8 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법.
A first step of preparing Fe 3 O 4 nanoparticles by hydrothermal method;
a second step of dispersing the Fe 3 O 4 nanoparticles prepared in the first step in water;
a third step of adding polyethyleneimine (PEI) to the mixture of the second step;
a fourth step of stirring the mixture mixed in the third step and sonicating for 5 to 15 minutes;
a fifth step of vibrating the sonicated mixture for 1 hour to 3 hours;
a sixth step of obtaining a magnetic composite material through magnetic treatment on the mixture of the fifth step;
a seventh step of washing the magnetic composite material obtained in the sixth step 3 to 5 times with ultrapure water to remove polyethyleneimine (PEI) not bound to Fe 3 O 4 nanoparticles; and
An eighth step of vacuum-drying the magnetic composite material of the seventh step at 50° C. to 70° C.; Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite method for detecting bisphenol A, comprising: a.
청구항 1에 있어서,
상기 Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계는, 철 전구물질로서 FeCl2·4H2O 및 FeCl3·6H2O의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
The first step of preparing the Fe 3 O 4 nanoparticles by hydrothermal method is Fe 3 for detecting bisphenol A, characterized in that a mixture of FeCl 2 ·4H 2 O and FeCl 3 ·6H 2 O is used as an iron precursor. O 4 -PEI Nanocomposite material manufacturing method.
청구항 1에 있어서,
상기 Fe3O4-PEI 나노복합소재는 (111), (220), (311), (400), (511), (440) 및 (533) 결정화 평면의 회절 피크를 갖고,
또한 상기 Fe3O4 -PEI 나노복합소재의 FTIR에 의한 스펙트럼은 지방족 N-H 신축 진동을 갖는 1263 cm-1, 1654 cm-1, 2849 cm-1, 2946.8 cm-1 및 3367.3 cm-1에서 피크를 갖고,
또한 상기 Fe3O4 -PEI 나노복합소재의 표면 전하값은 30 mV 내지 40 mV인 것을 특징으로 하는 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재의 제조방법.
The method according to claim 1,
The Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite has diffraction peaks of (111), (220), (311), (400), (511), (440) and (533) crystallization planes,
In addition , the spectrum by FTIR of the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite showed peaks at 1263 cm -1 , 1654 cm -1 , 2849 cm -1 , 2946.8 cm -1 and 3367.3 cm -1 with aliphatic NH stretching vibrations. Have,
Also, the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite material has a surface charge value of 30 mV to 40 mV. Method for producing Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite material for detecting bisphenol A.
Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계;
상기 제1 단계에서 제조된 Fe3O4 나노 파티클을 물에 분산시키는 제2 단계;
폴리에틸렌이민(PEI)을 제2 단계의 혼합물에 첨가하는 제3 단계;
상기 제3 단계에서 혼합된 혼합물을 교반하고, 5분 내지 15분 동안 초음파 처리하는 제4 단계;
상기 초음파 처리된 혼합물을 1시간 내지 3시간 동안 진동 처리하는 제5 단계;
상기 제5 단계의 혼합물에 자성 처리를 통하여 자성 복합소재를 얻는 제6 단계;
상기 제6 단계에서 얻어진 자성 복합소재를 초순수로 3회 내지 5회 세정하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 제거하는 제7 단계;
상기 제7 단계의 자성 복합소재를 50℃내지 70℃에서 진공 건조하는 제8 단계;
용매인 초순수에 상기 제8 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재를 1mg/mL 내지 5mg/mL (Fe3O4-PEI 나노복합소재)/(초순수) 의 비율로 혼합하여 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 제조하는 제9 단계;
세정된 전극 상에 상기 제9 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 드롭 캐스팅하는 제10 단계; 및
상기 제10 단계에서 드롭 캐스팅된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 대기에서 1시간 내지 3시간 동안 용매인 초순수를 증발시키는 제11 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비스페놀 A 검출용 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극의 제조방법.
A first step of preparing Fe 3 O 4 nanoparticles by hydrothermal method;
a second step of dispersing the Fe 3 O 4 nanoparticles prepared in the first step in water;
a third step of adding polyethyleneimine (PEI) to the mixture of the second step;
a fourth step of stirring the mixture mixed in the third step and sonicating for 5 to 15 minutes;
a fifth step of vibrating the sonicated mixture for 1 hour to 3 hours;
a sixth step of obtaining a magnetic composite material through magnetic treatment on the mixture of the fifth step;
a seventh step of washing the magnetic composite material obtained in the sixth step 3 to 5 times with ultrapure water to remove polyethyleneimine (PEI) not bound to Fe 3 O 4 nanoparticles;
an eighth step of vacuum drying the magnetic composite material of the seventh step at 50°C to 70°C;
Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite prepared by the eighth step in ultrapure water as a solvent is mixed at a ratio of 1 mg/mL to 5 mg/mL (Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite)/(ultra-pure water) to Fe A ninth step of preparing a 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension;
A 10th step of drop-casting the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension prepared by the ninth step on the cleaned electrode; and
An 11th step of evaporating the drop-casted Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension in the 10th step in the atmosphere for 1 to 3 hours as a solvent, ultrapure water Fe 3 for detecting bisphenol A comprising a; O 4 -PEI nanocomposite material sensor electrode manufacturing method.
Fe3O4 나노 파티클을 열수법으로 제조하는 제1 단계;
상기 제1 단계에서 제조된 Fe3O4 나노 파티클을 물에 분산시키는 제2 단계;
폴리에틸렌이민(PEI)을 제2 단계의 혼합물에 첨가하는 제3 단계;
상기 제3 단계에서 혼합된 혼합물을 교반하고, 5분 내지 15분 동안 초음파 처리하는 제4 단계;
상기 초음파 처리된 혼합물을 1시간 내지 3시간 동안 진동 처리하는 제5 단계;
상기 제5 단계의 혼합물에 자성 처리를 통하여 자성 복합소재를 얻는 제6 단계;
상기 제6 단계에서 얻어진 자성 복합소재를 초순수로 3회 내지 5회 세정하여 Fe3O4 나노 파티클에 결합되지 않은 폴리에틸렌이민(PEI)을 제거하는 제7 단계;
상기 제7 단계의 자성 복합소재를 50℃내지 70℃에서 진공 건조하는 제8 단계;
용매인 초순수에 상기 제8 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재를 1mg/mL 내지 5mg/mL (Fe3O4-PEI 나노복합소재)/(초순수) 의 비율로 혼합하여 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 제조하는 제9 단계;
세정된 전극 상에 상기 제9 단계에 의하여 제조된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 드롭 캐스팅하는 제10 단계;
상기 제10 단계에서 드롭 캐스팅된 Fe3O4-PEI 나노복합소재 부유액을 대기에서 1시간 내지 3시간 동안 용매인 초순수를 증발시키는 제11 단계; 및
비스페놀 A를 함유하는 용액에 pH 6 내지 7의 범위를 갖는 완충액을 주입하고, 상기 비스페놀 A 및 완충액을 함유하는 용액을 상기 제11 단계에서 용매가 증발된 Fe3O4-PEI 나노복합소재에 접촉시켜 순환 전류전압법을 사용하여 비스페놀 A를 검출하는 제12 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Fe3O4-PEI 나노복합소재 센서 전극을 사용한 비스페놀 A 검출방법.
A first step of preparing Fe 3 O 4 nanoparticles by hydrothermal method;
a second step of dispersing the Fe 3 O 4 nanoparticles prepared in the first step in water;
a third step of adding polyethyleneimine (PEI) to the mixture of the second step;
a fourth step of stirring the mixture mixed in the third step and sonicating for 5 to 15 minutes;
a fifth step of vibrating the sonicated mixture for 1 hour to 3 hours;
a sixth step of obtaining a magnetic composite material through magnetic treatment on the mixture of the fifth step;
a seventh step of washing the magnetic composite material obtained in the sixth step 3 to 5 times with ultrapure water to remove polyethyleneimine (PEI) not bound to Fe 3 O 4 nanoparticles;
an eighth step of vacuum drying the magnetic composite material of the seventh step at 50°C to 70°C;
Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite prepared by the eighth step in ultrapure water as a solvent is mixed at a ratio of 1 mg/mL to 5 mg/mL (Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite)/(ultra-pure water) to Fe A ninth step of preparing a 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension;
A 10th step of drop-casting the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension prepared by the ninth step on the cleaned electrode;
An 11th step of evaporating the drop-casted Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite suspension in the 10th step in the atmosphere for 1 to 3 hours as a solvent; and
A buffer solution having a pH in the range of 6 to 7 is injected into a solution containing bisphenol A, and the solution containing bisphenol A and the buffer is brought into contact with the Fe 3 O 4 -PEI nanocomposite in which the solvent is evaporated in the 11th step. and a twelfth step of detecting bisphenol A using a cyclic voltammetry method; Fe 3 O 4 -Bisphenol A detection method using a PEI nanocomposite sensor electrode comprising:
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