KR20120010386A - 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법, 이에 의하여 제조된 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극 및 이를 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법 - Google Patents

전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법, 이에 의하여 제조된 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극 및 이를 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법, 이에 의하여 제조된 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극 및 이를 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 이온선택성 전극은 제조 공정상 주사 바늘을 이용한 홀 형성으로 경제성 및 편리성을 구비하고, 필름의 두께를 감소시킴에 따라 저항 전압 강하를 감소시켜 전류 측정이 용이하며, 정상 상태에서의 전류 측정에 의해 간단히 이온 농도를 검출할 수 있기 때문에, 이온선택성 전극을 이용하는 각종 센서에 적용될 수 있다.

Description

전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법, 이에 의하여 제조된 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극 및 이를 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법{MANUFACTURING METHOD OF AMPEROMETRIC ION-SELECTIVE MICROELECTRODE, AMPEROMETRIC ION-SELECTIVE MICROELECTRODE MADE BY THE SAME, AND ELECTROCHEMICAL MEASURING METHOD OF ION CONCENTRATION USING THE SAME}
본 발명은 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법, 이에 의하여 제조된 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극 및 이를 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법에 관한 것이다.
종래 이온 센서는 분석시료 내의 특정 이온을 감지하여 상기 특정 이온의 농도에 따라서 기준 전극과의 사이에 전위차를 일으키는 이온선택성 전극(ion-selective electrode; ISE)을 사용함으로써 상기 특정 이온의 농도를 분석할 수 있는 센서를 가리키는 말이었다.
이러한 종래 이온 센서의 개략도를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 보는 바와 같이 이온 센서는 내부 기준 전극(50, 50')을 포함하는 내부 기준 용액(inner reference filling solution)(30)과 분석 용액(40)이 이온선택성 전극을 경계로 하여 접촉하고 있다. 전류를 측정하기 위한 내부 기준전극(inner reference metal electrode)을 분석 용액(40)과 내부 기준용액(30) 각각에 위치시키는데, 이때 은/염화은(Ag/AgCl) 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 내부 기준용액에 위치한 은/염화은 전극(50)은 일반적으로 전위차계(60)와 도선으로 연결되며, 이 전위차계는 다시 분석 용액 내에 위치한 은/염화은 전극(50')과 연결되어, 상기 전위차계로 양 용액간 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
이러한 이온 센서에 사용되는 상기 이온선택성 전극은 이온선택성 막(ion-selective membrane)을 포함한다. 상기 이온선택성 막은 상기 분석시료에 직접적으로 접하여 상기 특정 이온을 감지함으로써 막을 경계로 하여 전압을 발생시키는 막으로, 상기 이온 선택성 전극에서 가장 중요한 부분이며 종래 전위차 측정에 기반을 둔 이온선택성 전극(potentiometric ion-selective electrode)의 기초가 된다.
이러한 이온선택성 막은 지지체로 사용되는 고분자와 특정 이온에 대한 선택성을 부여하는 이온감지물질(ionophore), 그리고 비휘발성 유기 용매인 가소제(plasticizer)로 구성되는데, 상기 지지체의 재질에 따라 고분자형, 고체형, 유리막형 등이 있다. 이 중 고분자형은 미세 성형이 자유롭고, 대량 생산이 쉬운 장점이 있어 이온 또는 가스 센서용으로 많이 쓰이고 있다.
임상 및 환경분야의 분석기기에 사용되는 이러한 전위차 이온 선택성 전극은 액체 접촉형, 고체형 및 전기장 효과 트랜지스터형이 있다. 상기 고체형 이온선택성 전극은 액체 접촉형 이온선택성 전극이 구비하여야 하는 이온선택성 막과 내부기준전극(inner reference metal electrode) 사이에 내부기준용액(inner reference filling solution)을 필요로 하지 않으므로 소형화와 대량 생산이 가능한 반면, 저항이 높아 전류의 흐름을 방해하므로 전류 측정법을 이용하는 전극에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기존에 액체 접촉형 이온 선택성 막이 일반적으로 사용되었다.
상기 액체접촉형 이온 선택성 막의 경우, 즉 일반적으로 혼합되지 않은 두 액체가 이온과의 접촉을 불러일으킬 때, 계면 사이에 Galvani potential의 차이를 발생시키는 용매화의 자유에너지 때문에 두 상의 분리가 일어나게 되므로, 한쪽 상에서 다른 쪽으로의 이동은 일어나지 않는다. 극성을 띈 계면은 한쪽 상에서 다른 상으로 이온이 이동하기 위해 요구되는 자유에너지를 제공하고, 이 가역적인 과정으로 산화-환원 불활성 화합물(redox inactive compound)과 같은 이온성 물질을 전류법에 의존하여 검출하는 센서의 기반(sensing platform)을 만들 수도 있다. 계면에서 이온 이동 반응 특성을 조사하기 위해 수용액상에 기준 농도의 Tetramethylammonium (TMA+) 이온 등을 넣고 전압을 걸어주면 이 이온의 Gibbs 자유 이동에너지(Gibbs transfer Energy)에 해당하는 전압에서 이 이온은 수용액상에서 유기상으로 이동하고 또한 반대의 전압을 걸어주면 유기상에서 수용액상으로 이동하게 되는 것이다. 이때 이온이 이동하는 특정 전압에서 이동한 이온의 수 (또는 농도)에 따라 측정하는 전류값이 달라지게 되고 특히 전류의 양과 이온의 농도가 정비례 관계를 유지하기 때문에 유용한 이온 센서로서 활용될 수 있다. 그러나 액체 접촉형 이온선택성 막 또한 액체간 계면의 면적이 넓어 저항 전압 강하가 일어나는 단점이 존재하였다.
이에 대하여 액체 접촉형 이온선택성 전극의 저항 전압 강하를 보다 더 경감하기 위하여 이온선택성 막에 작은 크기의 홀을 형성하는 방법이 소개된 바 있다(Lee, H.J. et al, 1997, Amperometric ion sensors based on laser-patterned composite polymer membranes, J. Electroanal. Chem. 440, 73-82). 그러나, 종래 기술은 홀을 형성하기 위하여 특수 고분자 필름 상에 고가의 레이저를 이용하여야만 했기 때문에 비싸고 제조 공정이 복잡하다는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 가격이 저렴한 재료를 사용하여 간단한 제조 공정으로 제조가 가능하며, 정확성이 뛰어난 전류법 기반의 액체/액체 계면을 이용한 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법, 이에 의하여 제조된 전류법 기반의 마이크로-이온선택성 전극 및 이를 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은
a) 두께 5 내지 20㎛의 투명 합성수지 필름에 주사 바늘을 이용하여 타원형 홀을 형성하여 이온 선택성 막을 제조하는 단계;
b) 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC) 용액, 이온감지물질(ionophore), 보조 전해질 및 유기 용매를 혼합하여 유기성 젤을 제조하는 단계; 및
c) 상기 a) 단계에서 제조된 이온 선택성 막의 일면에 상기 b) 단계에서 제조된 유기성 젤 5 내지 15㎕를 떨어뜨리고, 상온에서 4 내지 8시간 동안 응고시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 a) 단계의 타원형 홀은 장반경이 80 내지 140㎛, 단반경이 5 내지 25㎛이고, 타원형 홀간 간격은 90 내지 130㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 a) 단계의 투명 합성수지 필름은 폴리염화비닐수지 (polyvinylchloride, PVC), 폴리염화비닐리덴(polyvinyllidene chloride, PVDC) 및 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 b) 단계의 보조 전해질은 BTPPATPBCl, TBATPBCl 및 TPeATFPB 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 b) 단계의 유기 용매는 니트로페닐옥틸에테르(nitrophenyloctylether), 아디페이트류 (adipate group), 말리에이트류 (maleate group), 올리에이트류 (oleate group), 파라핀류 (paraffin group), 포스페이트류 (phosphate group), 프탈레이트류 (phthalate group), 세바케이트류 (sebacate group) 및 스테아레이트류 (stearate group)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 b) 단계의 이온감지물질은 사급암모늄염(quaternary ammonium salt), 발리노마이신(valinomycin), 발리노마이신 유도체, 모넨신(monensin), 노낙틴(nonactin), 노낙틴 유도체, 삼급아민(tertiary amine), 금속포피린(metal porphyrin), 금속프탈로시아닌 (metal phthalocyanine), 트리플루오로아세토페논 (trifluoroacetophenone), 트리플루오로아세토페논 유도체, 크라운에테르(crown ether), 다이벤조-18-크라운-6 (dibenzo-18-crown-6), 유기인계 이온감지물질, 유기주석계 이온감지물질, ETH1778, ETH1062, ETH1001, ETH129, ETH149, ETH1644, ETH1117, ETH5214, ETH227 및 ETH157로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법으로 제조된 전류법 기반의 마이크로-이온선택성 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법에 있어서, 상기 전기화학적 정량은 동력학적 전기화학 측정법에 의하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법에 있어서, 상기 동력학적 전기화학 측정법은 순환전압전류법(cyclic voltammetry), 시차펄스전압전류법(differential pulse voltammetry), 또는 구형파전압전류법(square wave voltammetry)의 전압전류법인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법에 있어서, 상기 동력학적 전기화학 측정법은 이온 농도가 증가함에 따라 전류값이 증가하는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기 전류법 기반의 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법을 단계별로 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
우선, a) 단계에서 두께 5 내지 20㎛의 투명 합성수지 필름에 주사 바늘을 이용하여 타원형 마이크로홀을 형성하여 이온 선택성 막을 제조한다.
일반적인 주사 바늘의 끝부분은 비스듬하게 잘린 모양이기 때문에 주사 바늘로 만든 홀은 완전한 원형이기보다는 타원형을 갖게 되며, 이 타원형 홀을 주사 바늘을 이용하여 손쉽게 반복적으로 만들 수 있다.
상기 타원형 홀은 장반경이 80 내지 140㎛, 단반경이 5 내지 25㎛이고, 타원형 홀간 간격은 90 내지 130㎛인 것이 바람직하다. 타원형 홀의 반경이 상기 범위보다 크거나 타원형 홀간의 간격이 90㎛보다 작으면 계면 면적의 합이 넓어져 저항 감소의 효과가 떨어지고, 반경이 상기 범위보다 작거나 타원형 홀간의 간격이 130㎛보다 크면 이온 이동반응이 충분히 일어나지 않기 때문이다.
상기 투명 합성수지 필름은 폴리염화비닐수지 (polyvinylchloride, PVC), 폴리염화비닐리덴(polyvinyllidene chloride, PVDC) 및 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 투명 합성수지 필름은 일반적으로 가정에서 사용되는 포장용 랩(wrap)을 사용하는 것이 바람직하다. 가정용 랩은 저렴하고 입수가 용이할 뿐만 아니라, 투명성, 점착성 등의 성능을 위하여 두께가 5 내지 20㎛로 얇기 때문에 본 발명의 투명 합성수지 필름으로 적합하다. 합성수지 필름의 두께가 얇으면 저항을 줄여주어 좋은 전류법 기반 센서를 만들 수 있다. 일반적으로 랩 필름은 폴리염화비닐수지(polyvinylchloride, PVC), 폴리염화비닐리덴(polyvinyllidene chloride, PVDC), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene) 등과 같은 합성수지를 주재료로 한 것이 주류를 이루고 있으나, 폴리염화비닐수지(polyvinylchloride, PVC)가 가격 및 성능면에서 가장 우수하여 널리 사용되고 있다. 그러나 포장용 랩 필름에 한정되는 것은 아니며 상기 조건을 만족시키는 합성수지 필름이면 사용 가능하다.
다음으로, b) 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC) 용액, 이온감지물질(ionophore), 보조 전해질 및 유기 용매를 혼합하여 유기성 젤을 제조한다.
상기 보조 전해질은 BTPPATPBCl, TBATPBCl 및 TPeATFPB 중 어느 하나인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. BTPPATPBCl, TBATPBCl 및 TPeATFPB는 각각 bis(triphenylphosphoranylidene)ammonium tetrakis(4-chlorophenyl)borate (BTPPATPBCl), 1,2-dichloroethane solution of tetrabutylammonium tetraphenylborate (TBATPB) 및 tetrapentylammonium tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate (TPeATFPB)를 나타낸다.
상기 유기 용매는 니트로페닐옥틸에테르, 아디페이트류 (adipate group), 말리에이트류 (maleate group), 올리에이트류 (oleate group), 파라핀류 (paraffin group), 포스페이트류 (phosphate group), 프탈레이트류 (phthalate group), 세바케이트류 (sebacate group) 및 스테아레이트류 (stearate group)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나이며, 바람직하게는 니트로페닐옥틸에테르이다. 본 발명에서 유기 용매는 가소제(plasticizer)의 역할을 하여 이온선택성 막이 유연성을 가지면서 경화되도록 하여 잘 부서지지 않는 이온선택성 막을 얻을 수 있다. 상기 유기 용매는 이온선택성 막의 전체 중량에 대하여 50중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 이온감지물질(ionophore)은 분석하고자 하는 이온과 공유결합, 배위결합 반응 또는 이온교환 반응 등을 일으키는 물질이다. 바람직하게는 상기 이온감지물질은 사급 암모늄염(quaternary ammonium salt), 발리노마이신(valinomycin), 발리노마이신 유도체, 모넨신(monensin), 노낙틴(nonactin), 노낙틴 유도체, 삼급아민(tertiary amine), 금속포피린(metal porphyrin), 금속프탈로시아닌 (metal phthalocyanine), 트리플루오로아세토페논 (trifluoroacetophenone), 트리플루오로아세토페논 유도체, 크라운에테르(crown ether), 다이벤조-18-크라운-6 (dibenzo-18-crown-6), 유기인계 이온감지물질, 유기주석계 이온감지물질, ETH1778, ETH1062, ETH1001, ETH129, ETH149, ETH1644, ETH1117, ETH5214, ETH227 및 ETH157로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 사급암모늄염은 트리도데실메틸암모늄클로라이드 (tridodecylmethylammonium chloride; TDMAC)이고, 상기 트리플루오로아세토페논 유도체는 트리플루오로아세틸-p-데실벤젠 (trifluoroacetyl-p-decylbenzene; TFADB)이다.
이온감지물질은 주로 친수성의 이온이 계면을 이동할 때 필요한 Gibbs 자유 이동에너지를 낮아지게 하므로 반응이 아주 빠르게 진행되기 때문에 계면의 이온 교차 신호가 가시적으로 드러나게 할 뿐 아니라 특정 이온만 선택적으로 전이시킬 수 있는 역할을 한다. 예를 들어, 수소 이온을 선택적으로 감지하기 위한 이온감지물질로는 다이벤조-18-크라운-6(dibenzo-18-crown-6) 또는 ETH1778, 칼륨 이온을 선택적으로 감지하기 위한 이온감지물질로는 발리노마이신 또는 발리노마이신 유도체가 사용된다. 특정 이온감지물질을 사용함으로써 이온선택성 막의 '이온선택성'이 구현되는 것이다.
지지체 역할을 하는 고분자인 상기 폴리염화비닐은 1 내지 5중량%의 반고체화 용액인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리염화비닐과 이온감지물질, 보조 전해질을 유기 용매에 함께 넣고 용해시키면 유기성 젤이 제조된다.
그 후, c) 단계에서는 상기 a) 단계에서 얻은 타원형 홀이 형성되어 있는 투명 합성수지 필름의 일면에 상기 b) 단계에서 제조된 유기성 젤 5 내지 15㎕를 떨어뜨리고 상온에서 4 내지 8시간 동안 응고시켜 이온선택성 막을 제조한다.
상기 유기성 젤이 투명 합성수지의 일면 상에서 응고되면서 젤화(gelation)가 일어난다. 젤화 과정은 타원형 마이크로홀의 내부로 흘러든 유기성 젤 부분에서도 동시에 일어난다. 상기 젤화 과정에서 입자가 응집하거나 서로 엉켜 젤화됨으로써 삼차원적 그물 구조의 고분자 물질을 형성한다. 생성된 삼차원적 그물 구조의 고분자 물질은 이온선택성 막의 지지체가 되고, 상기 이온감지물질은 상기 삼차원적 그물구조를 갖는 지지체 내부에 포획되게 된다. 상기 지지체 내부에 포획된 이온감지물질은 막 활성물질로서의 기능을 한다.
그 후, 상기와 같이 제조된 이온선택성 막의 유기성 젤이 도포되지 않은 타면을 분석 용액에 담그어 계면을 형성함으로써 전류법 기반의 마이크로-이온선택성 전극을 제조한다. 분석 용액은 수용성인 경우가 많은데, 수용성 전해질로는 LiCl이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이온선택성 막과 분석 용액(40)의 용이한 접촉을 위하여 합성수지 필름(10)에 유기성 젤(20)을 응고시키기 전에 합성수지 필름을 유리튜브에 실리콘 접착제를 이용하여 부착시킨 후 젤화를 진행하여 도 2와 같은 형태의 전극을 형성할 수 있다.
마이크로홀 형태의 이온선택성 막을 사이에 두고 유기성 젤이 도포된 면에는 내부 기준용액(inner reference filling solution)(30)이 접촉된다. 내부 기준용액은 유기 전해질 용액으로, TBACl 또는 BTPPACl인 것이 바람직하다.
전류를 측정하기 위한 내부 기준전극(inner reference metal electrode)(50, 50')을 분석 용액과 내부 기준용액 각각에 위치시키는데, 이 때 은/염화은(Ag/AgCl) 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 내부 기준용액에 위치한 은/염화은 전극(50)은 검출부(60)와 도선으로 연결되며, 이 검출부는 다시 분석 용액 내에 위치한 은/염화은 전극(50')과 연결되어, 상기 전위차계로 양 용액간 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
상술한 방법으로 제조된 전류법 기반의 마이크로-이온선택성 전극은 이온 농도 측정 센서의 전극으로 사용될 수 있다. 본 발명의 이온 센서는 임상 검사를 위하여 혈액 또는 혈청 중의 나트륨, 칼륨, 칼슘 또는 염화이온 농도를 측정하는 의료기기로서 사용될 수 있으며, 특히 글루코스(glucose)를 감지할 수 있다.
글루코스 센서는 도 3에 도시된 바와 같이, 산소 존재하에 글루코스가 글루코스 산화효소(glucose oxidase)에 의해 분해되어 생성되는 글루콘산(gluconic acid)이 해리되면서 수소 양이온을 내어 이들을 유기상으로 전이하는 반응 메커니즘을 이용한다. 이때 글루콘산이 해리되어 나오는 수소 양이온의 양은 글루코스의 농도에 의존하기 때문에 수소 양이온의 양을 측정함으로써 글루코스의 농도를 측정하는 혈당측정용 센서가 가능하다.
본 발명은 또한, 상기 이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법을 제공한다.
이하 이온 농도를 전기 화학적으로 정량하는 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 이온 농도를 전기 화학적으로 정량하는 방법의 원리는 다음과 같다. 본 발명에서와 같이 홀의 모양이 타원형일 경우 정상 상태에서의 전류는 다음과 같은 식으로 나타내어진다.
Iss = 2πz i FDca/ K(ε) (1)
위의 식에서 n은 the number of hole, zi은 charge number of ionic species, F는 Faraday constant, D는 diffusion coefficient, c는 concentration of ionic species, ε=
Figure pat00001
이고, a = 타원의 장축의 길이, b = 타원의 단축의 길이를 나타내며, K(ε)는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
정상상태에서의 ε값을 대입하면 위의 식 (1)은 다음과 같이 식 (2)로 나타내어 진다.
Figure pat00003
(2)
위의 식 (2)로부터 정상 상태에서의 전류 Iss는 이온 농도 c와 선형 관계가 되므로, 정상 상태에서의 전류 Iss를 측정함으로써 이온 농도를 계산할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 전류법 기반의 마이크로-이온선택성 전극은 제조 공정상 주사 바늘을 이용한 홀 형성으로 경제성 및 편리성을 구비하고, 필름의 두께를 감소시킴에 따라 저항 전압 강하를 감소시켜 전류 측정이 용이하며, 정상 상태에서의 전류 측정에 의해 간단히 이온 농도를 검출할 수 있기 때문에, 전류법 기반의 마이크로-이온선택성 전극을 이용하는 각종 센서에 적용될 수 있다.
도 1은 종래 사용되는 전압법 기반의 마이크로-이온선택성 전극을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 형성된 타원형 마이크로홀의 SEM 사진을 나타낸다.
도 3은 본 발명을 이용하여 글루코오즈를 감지하는 메커니즘을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 이온이 분석 용액에서 기준 용액으로 이동시 센서로서의 적합성 여부를 TMA+ 이온의 농도를 변화시킨 분석 용액을 사용하여 순환 전압전류법(cyclic voltammetry)으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 4의 순환전류전압곡선에서의 정상 상태 전류와 TMA+ 이온 농도와의 관계를 나타낸다.
도 6은 0.1mM TMA+ 농도에서 스캔속도에 따른 순환전압전류곡선(cyclic voltammogram)을 나타낸다.
도 7은 도 6으로부터 스캔 속도에 따른 전류최대치를 측정하여 스캔 속도와의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 글루코스 센서에서 글루코스 농도가 (i)0mM, (ii)6mM, (iii)18mM 일 경우 순환 전압전류곡선(cyclic voltammogram)이다.
도 9(a)는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 글루코스 센서에서 글루코스 농도가 2mM, 6mM, 10mM, 14mM, 18mM일 경우의 시차 펄스 전압전류 곡선을 나타내고, 도 9(b)는 도 9(a)의 시차 펄스 전압전류 곡선의 전류최대값을 글루코스 농도에 따라 나타낸 그래프이다.
이하의 실시를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
< 실시예 1-1> 선택성 전극 및 TMA+ 이온 센서의 제조
본 발명에 따른 전류법 기반 마이크로 수소 이온선택성 전극을 다음과 같이 제조하였다.
우선, 두께가 12㎛인 PVC 필름(롯데 랩)을 준비하고, 주사 바늘로 구멍을 뚫어 장반경 114㎛, 단반경 20㎛인 타원형 홀을 만들었다. 이때 수동으로 구멍을 뚫기 때문에 장반경 및 단반경이 상기와 같이 미세한 차이가 있을 수 있다. 상기 타원형 홀이 형성된 PVC 필름을 유리튜브 내부에 실리콘 접착제를 이용하여 부착시켰다.
유기 용매인 니트로페닐옥틸에테르(Nitrophenyloctylether)에 보조 전해질인 10mM TBATPBCl, PVC(3%wt/wt 반고체화 용액)를 녹여 유기성 젤을 준비하였다.
이 유기성 젤 10㎕ 을 취해 타원형 마이크로홀이 형성된 상기 PVC 필름에 수동으로 떨어뜨리고 젤의 형성을 위해 상온에서 8시간 응고시켰다. 형성된 타원형 홀의 SEM 사진을 도 2에 나타내었다.
제조된 이온선택성 전극을 PVC 필름의 유기성 젤이 도포되지 않은 타면에 분석 용액을 담아 수용액/유기용액 타원형 홀 계면을 형성하고, 이를 10Mm TBACl로 이루어진 내부 기준용액에 담궜다. 수용액상에서 수용성 전해질로 10Mm LiCl을 사용하였고, Ag/AgCl는 내부 기준용액 및 분석 용액에 연결되는 내부 기준전극으로 사용되었다. 내부 기준 전극은 전류 측정시 전위차계에 연결하여 이온 센서를 만들었다.
< 실시예 1-2> 분석 용액에서 기준 용액으로의 이온 이동시 센서로서의 적합성 판단
상기 실시예 1-1 에서 만들어진 이온 센서가 센서로서 적합한지 여부를 이온이 분석 용액에서 기준 용액으로 이동시(forward)와, 기준 용액에서 분석 용액으로 이동시(reverse)에 대해 각각 판단하였다.
이온이 분석 용액에서 기준 용액으로 이동시 센서로서의 적합성 여부를 TMA+ 이온의 농도를 변화시킨 분석 용액을 사용하여 순환 전압전류법(cyclic voltammetry) 판단하였다.
순환 전압전류법은 시간에 따라 전압을 직선적으로 변화시키며, 전압의 변화에 따른 작업전극의 전류량 변화를 측정하는 방법이다. 이때 순환의 의미는 설정한 처음 전압에서 끝 전압까지 시간에 따라 전압을 변화시킨 후, 다시 전압을 끝 전압에서 처음의 전압까지 변화시킨다는 의미이다.
스캔 속도를 20mV/s 로 하여 10mM LiCl 용액에 TMA+ 이온의 농도를 각각 (i) 0mM, (ii)0.1mM, (iii)0.2mM, (iv)0.3mM 로 변화시키면서, 순환 전압전류법을 이용하여 0 내지 0.8V의 범위에서 측정하였으며, 결과로서 도 4와 같은 순환 전류전압 곡선을 얻었다.
도 4의 순환 전류전압곡선에서의 정상 상태 전류(steady state current)와 TMA+ 이온 농도와의 관계를 도 5에 나타내었으며, 도 5에서 보는 바와 같이 순환전류전압 곡선에서 정상 상태 전류가 이온 농도가 선형적(linear) 관계가 성립하여 본 실시예의 이온선택성 전극을 사용한 센서가 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
< 실시예 1-3> 기준 용액에서 분석 용액으로의 이온 이동시 센서로서의 적합성 판단
이온이 기준 용액에서 분석 용액으로 이동시(reverse) 센서로서의 적합성 여부를 스캔 속도를 변화시키면서 순환 전압전류법(cyclic voltammetry)으로 판단하였다.
0.1mM TMA+ 농도에서 스캔속도에 따른 순환전압전류곡선(cyclic voltammogram)을 얻었고 이를 도 6에 나타내었다. 또한, 상기 곡선으로부터 스캔속도에 따른 전류최대치를 측정하여 도 6에 나타내었다.
도 7에서 최대 전류의 역수가 스캔 속도와 선형적인 관계를 보이고 있다는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 이온이 기준 용액에서 분석 용액으로 이동시에도 센서로서 적합하다는 것을 알 수 있었다.
< 실시예 2> 글루코스 센서
< 실시예 2-1> 글루코스 센서의 제작
우선, 실시예 1-1과 동일한 방법으로 타원형 홀이 형성된 PVC 필름을 제조하여 이 필름을 유리튜브 내부에 실리콘 접착제를 이용하여 부착시켰다. 유기 용매인 니트로페닐옥틸에테르(Nitrophenyloctylether)에 보조 전해질인 10mM TBATPBCl, PVC(3%wt/wt 반고체화 용액) 및 수소이온감지물질인 ETH1778(octadecyl isonicotinate) 10mM을 함께 120℃에서 30분간 녹여 유기성 젤을 준비하였다. 이 유기성 젤 10㎕을 취해 타원형 홀이 형성된 상기 PVC 필름에 수동으로 떨어뜨리고 젤의 형성을 위해 상온에서 6시간 응고시켰다.
제조된 이온선택성 전극을 PVC 필름의 유기성 젤이 도포되지 않은 타면에 분석 용액을 담그어 수용액/유기용액 타원형 홀 계면을 형성하고, 이를 10mM TBACl로 이루어진 내부 기준용액에 담궜다.
수용액상에 수용성 전해질로서 NaCl 10mM과 글루코스 산화효소(glucose oxidase) 10nM, 일정 농도의 글루코스를 첨가하였다. Ag/AgCl는 내부 기준용액 및 분석 용액에 연결되는 내부 기준전극으로 사용되었다. 내부 기준 전극은 전류 측정시 전위차계에 연결하여 이온 센서를 만들었다.
< 실험예 2-2> 글루코스 센서로서의 적합성 판단
1. 순환 전압전류법에 의한 판단
상기 실시예 2-1의 글루코스 센서를 사용하여 순환 전압전류법을 실시하였다. (i)0mM, (ii)6mM, (iii)18mM 글루코스를 사용하였으며, 스캔 속도는 20mV/s로 하였다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 글루코스의 농도가 증가할수록 글루코스에서 분해되는 수소 이온의 농도가 높아지므로, 정상 상태 전류 또한 증가함을 확인할 수 있다.
2. 시차펄스 전압전류법에 의한 판단
2mM, 6mM, 10mM, 14mM, 18mM 글루코스를 20초간 석출전위를 0.6V로 하여 반응시킨 후, 전위 증분(potential increment) 20mV, 펄스 전위 50mV, 펄스 지속시간 50ms, 스캔속도 20mV/s로 하여 시차펄스 전압전류법(differential pulse voltammetry)을 실시하였다.
그 결과를 도 9(a)에 나타내었다. 인간 혈액 내 글루코스의 가장 일반적인 농도에 해당하는 2 내지 18mM의 범위 내에서 최대 전류값이 글루코스 농도가 증가할수록 비례적으로 증가하고 있으므로 선형적(linear) 관계를 가짐을 확인할 수 있었다. 도 9(b)에서 3개의 전극으로 실시한 실험의 평균 최대 전류값이 글루코스의 농도와 선형적(linear) 관계를 보이고 있다는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 수소 이온선택성 전극을 포함한 센서가 글루코스 센서로서 적합하다는 것을 알 수 있었다.
3. 저해 이온 효과 측정
글루코스 센서에서의 산화환원 반응의 저해 이온종인 아스코르브산(ascorbic acid) 및 요산(uric acid)이 0 내지 0.3mM의 범위에서 무시할 수 있는 저해 효과를 나타내는 것으로 확인되었다. 그러므로 혈액 내에 존재하는 저해 이온종과 상관없이 본 발명에 따른 수소 이온선택성 전극을 포함한 센서가 글루코스 센서로서 적합하다는 것을 알 수 있었다.
10 투명 합성수지 필름
20 유기성 젤
30 내부 기준용액
40 분석 용액
50, 50' 내부 기준전극
60 전위차계
A 이온선택성 막
70 저장소
71 캡
72 미세유체 채널
80 Ag/AgCl 프린트

Claims (11)

  1. a) 두께 5 내지 20㎛의 투명 합성수지 필름에 주사 바늘을 이용하여 타원형 홀을 형성하여 이온 선택성 막을 제조하는 단계;
    b) 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC) 용액, 이온감지물질(ionophore), 보조 전해질 및 유기 용매를 혼합하여 유기성 젤을 제조하는 단계; 및
    c) 상기 a) 단계에서 제조된 이온 선택성 막의 일면에 상기 b) 단계에서 제조된 유기성 젤 5 내지 15㎕를 떨어뜨리고 상온에서 4 내지 8시간 동안 응고시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 타원형 홀은 장반경이 80 내지 140㎛, 단반경이 5 내지 25㎛이고, 타원형 홀간 간격은 90 내지 130㎛인 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 투명 합성수지 필름은 폴리염화비닐수지 (polyvinylchloride, PVC), 폴리염화비닐리덴(polyvinyllidene chloride, PVDC) 및 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 보조 전해질은 BTPPATPBCl, TBATPBCl 및 TPeATFPB 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 유기 용매는 니트로페닐옥틸에테르(nitrophenyloctylether), 아디페이트류 (adipate group), 말리에이트류 (maleate group), 올리에이트류 (oleate group), 파라핀류 (paraffin group), 포스페이트류 (phosphate group), 프탈레이트류 (phthalate group), 세바케이트류 (sebacate group) 및 스테아레이트류 (stearate group)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 이온감지물질은 사급암모늄염(quaternary ammonium salt), 발리노마이신(valinomycin), 발리노마이신 유도체, 모넨신(monensin), 노낙틴(nonactin), 노낙틴 유도체, 삼급아민(tertiary amine), 금속포피린(metal porphyrin), 금속프탈로시아닌 (metal phthalocyanine), 트리플루오로아세토페논 (trifluoroacetophenone), 트리플루오로아세토페논 유도체, 크라운에테르(crown ether), 다이벤조-18-크라운-6 (dibenzo-18-crown-6), 유기인계 이온감지물질, 유기주석계 이온감지물질, ETH1778, ETH1062, ETH1001, ETH129, ETH149, ETH1644, ETH1117, ETH5214, ETH227 및 ETH157로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 방법으로 제조된 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극.
  8. 제 7항에 따른 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전기화학적 정량은 동력학적 전기화학 측정법에 의하여 측정되는 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 동력학적 전기화학 측정법은 순환전압전류법(cyclic voltammetry), 시차펄스전압전류법(differential pulse voltammetry), 또는 구형파전압전류법(square wave voltammetry)의 전압전류법인 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 동력학적 전기화학 측정법은 이온 농도가 증가함에 따라 전류값이 증가하는 것을 특징으로 하는 전류법 기반 마이크로-이온선택성 전극을 이용하여 이온 농도를 전기화학적으로 정량하는 방법.
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