KR20120107303A - 산화환원 활성을 갖는 금 나노입자를 포함하는 전기화학 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기싸이올 리간드로 보호되어 있으며, 산화환원 활성을 갖는 금 나노입자가 고정된 전극을 포함하는 전기화학 센서에 관한 것으로서, 별도의 산화활성 매개체 또는 효소를 추가하지 않아도 아스크로브산, 요산, 설파이트 또는 도파민과 같은 생리학적 물질을 고감도로 검출할 수 있다.

Description

산화환원 활성을 갖는 금 나노입자를 포함하는 전기화학 센서 및 이의 제조 방법{Sensor based on Redox active gold nanoparticles and the synthesis of the same}

본 발명은 전기화학 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화환원 활성을 갖는 금 나노입자를 포함하는 전기화학 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

다양한 종류의 나노입자가 전기화학 센서분야에 응용되고 있다. 예를 들면, 금속 나노입자는 높은 전기전도도와 촉매 특성으로, 산화물 나노입자는 뛰어난 생체 친화성, 그리고 반도체 나노입자는 표지 또는 트레이서로 이용되고 있다. 그 중 가장 많은 주목을 받는 물질 중의 하나가 금 나노입자인데, 금 나노입자는 뛰어난 생체 친화성, 높은 전기전도도, 그리고 촉매활성으로 전기화학 센서 및 바이오 센서에 널리 이용되고 있다. 하지만, 지금까지 연구되어온 금 나노입자는 주로 평균입자의 직경이 크고 산화-환원 활성이 없는 입자이기 때문에 전기화학 센서로 이용되기 위해서는 전기활성을 갖는 분자 또는 효소와 함께 제조되어야 하는 문제점이 있다. 또한 이 경우에는 전기화학 반응이 매우 복잡한 경로를 통해 일어나게 되며, 따라서 명료한 감응 메커니즘을 갖는 센서의 개발에 큰 걸림돌로 작용하고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 전기활성을 갖는 분자 또는 효소와 결합하지 않고도 고감도 전기화학센서로 작용할 수 있는 산화환원 활성을 갖는 나노입자를 포함하는 전기화학센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유기싸이올계(organothiol) 리간드로 보호되어 있으며, 산화환원 활성을 갖는 금 나노입자가 고정된 전극을 포함하는 전기화학 센서를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면 리간드로 보호된 금 나노입자는 졸-겔 박막 중에 고정될 수 있으며, 이때 금 나노입자는 졸-겔 망상 조직 내에 포획된 상태로 고정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 의하면 유기싸이올계 리간드는 알칸싸이올, 클루타싸이온, 티오프로닌, 싸이올레이티드 폴리(에틸렌글리콜), p-머캅토페놀, 방향족 알칸싸이올, 페닐알칸싸이올, (r-머캅토프로필)-트리메톡시실란) 중에서 선택되는 것이 바람직하며, 이중에서 헥산싸이올레이트 또는 글루타싸이온을 선택하는 것이 더욱 바람직하다.

또한 본 발명의 일실시예에 의하면 리간드로 보호된 금 나노입자의 직경은 0.1 내지 5 nm의 양자 크기인 것이 바람직하며, 3nm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 금 나노입자의 직경이 5nm 이상인 경우에는 산화환원 활성을 나타내지 않으므로 전기화학 센서로 기능할 수가 없으며, 산환환원 활성의 유무는 순환 전압전류법(Cyclic Voltammogram)을 통해서 확인할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의하면 전기화학 센서는 아스코르브산, 요산, 도파민 또는 설파이트 중에서 선택된 어느 하나의 물질을 검출할 수 있으며, 전극 상에 존재하는 금 나노입자의 전기적 촉매 활성에 의해 물질이 검출되는 것이 특징이다.

본 발명의 일실시예에 의하면 상기 산화환원 활성을 갖는 금 나노입자가 고정된 전극은 작업전극이고, 상대전극은 백금(Pt) 디스크 전극이며, 기준전극은 Ag/AgCl 전극인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 1) 유기싸이올계 리간드로 보호된 금 나노입자 클러스터를 합성하는 단계; 및 2) 상기 금 나노입자 클러스터를 전극 상에 졸-겔 박막 형태로 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금 나노입자를 포함하는 졸-겔 전극의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면 상기 1) 단계는 i) 유기싸이올계 화합물 용액과 금(Au)수화물 용액을 혼합하여 교반하는 단계; ii) 상기 혼합물에 수소화붕소나트륨을 첨가하여 환원반응을 수행하는 단계에 의해 수행될 수 있으며,

상기 2) 단계는 1) 단계에서 합성된 금 나노입자 용액을 전극 표면에 드롭 캐스팅한 후 건조시키는 방법으로 수행될 수 있다.

또한 본 발명은 유기싸이올계 리간드로 보호된 금 나노입자를 포함하는 졸-겔 작업전극과 상대전극 및 기준전극을 포함하는 전기화학 센서를 제공한다.

본 발명에 따른 산화환원 활성을 갖는 금 나노입자를 이용한 졸-겔 박막전극는 탁월한 전기촉매 활성을 보였으며, 이를 4 종의 주요 분석물, 즉 아스코르브산, 요산, 설파이트(sulphite) 및 도파민의 전류법 검출에 이용하여 졸-겔 박막의 전자전달 과정을 금 나노입자 농도의 함수로서 조사한 결과, 금 나노입자가 전도체로서 효과적으로 작용하여 검출 감도가 높다는 것이 밝혀졌다. 또한 본 발명에 따른 양자크기 리간드로 보호된 나노입자를 이용한 전기화학 센서는 입자 크기에 따른 산화-환원 특성의 조절 그리고 리간드 조절을 발명을 통해 나노재료 및 전기화학 분야의 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.

도 1은 Au₂₅SGE 내의 나노입자와 졸-겔 네트워크의 결합구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 합성된 Au₂₅ 나노입자의 MALDI 질량스펙트럼이다.
도 3은 합성된 Au₂₅ 나노입자의 TEM 이미지로서, TEM 이미지의 스케일바는 20 nm이며 인서트는 코어 크기의 히스토그램이다.
도 4는 합성된 Au₂₅ 나노입자의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 5는 (A) 0.1 M Bu₄NPF₆를 포함하는 CH₂Cl₂ 내에서, Pt 작업전극에서의 Au₂₅의 SWV. (B) 0.1 M KCl 내에서 20 mVs^-1로 진행한 25 회의 연속적인 사이클에 대한, Au₂₅SGE의 순환 전류전압그래프(CV)이다.
도 6는 0.1 M KCl 내에서 분석물의 존재 또는 부존재 하에 기록한 Au₂₅SGE와 GCE(도 6의 인서트)의 CV를 보여준다. 구체적으로 도 6은 0.1 M KCl 내, 20 mVs^-1에서 아스코르브산(A), 요산(B), 설파이트(C) 및 도파민(D)의 전기촉매 산화를 입증하는 전압전류도를 보여주며, (a)는 분석물 부존재 하의 Au₂₅SGE의 CV, (b~f)는 1, 2, 3, 4 및 5 μM의 분석물 존재 하의 Au₂₅SGE의 CV이고, (g)는 분석물 부존재 하의 SGE의 CV이며, (h)는 5 μM 분석물 존재 하의 SGE의 CV이다.
도 7은 0.1 M KCl 내에서 Au₂₅SGE의 순환 전압전류 그래프로부터 아스코르브산(A), 요산(B), 설파이트(C) 및 도파민(D)의 함량을 결정하기 위한 교정 그래프이다.
도 8은 Au₂₅의 농도에 따른, 전자확산계수(D _E), 자체교환 속도상수(k _EX), 및 아스코르브산의 검출감도 (S _AA)와 요산의 검출감도(S _UA)를 보여주는 도면이다.
도 9는 스캔속도를 달리한(안쪽에서 바깥쪽으로 각각 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 70, 100 mVs^-1) Au₂₅SGE(C = 15.97 mM)의 순환 전압전류 그래프이다.
도 10은 Au₂₅ 농도가 다른 Au₂₅SGE의, 스캔속도의 제곱근에 대한 애노드 및 캐소드 피크전류의 변화를 보여주는 도면이다.
도 11은 글루타싸이온으로 보호된 Au₂₅나노입자(Au₂₅)의 합성 과정을 보여주는 도면이다.
도 12은 Au₂₅SG-SAME 내의 나노입자와 졸-겔 네트워크의 결합구조를 보여주는 도면이다.
도 13은 0.1 M KCl 내에서 분석물의 존재 또는 부존재 하에 기록한 Au₂₅SG-SAME 의 CV를 보여준다.
도 14는 0.1 M KCl 내에서 Au₂₅SG-SAME의 전압전류 그래프로부터 아스코르브산(A), 요산(B), 설파이트(C) 및 도파민(D) 함량을 결정하기 위한 교정 그래프이다.

이하에서, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

최근에 리간드로 보호된 금 나노입자 합성법의 발전을 통해 동일한 원자수를 갖는 매우 균일한 입자의 제조가 가능해졌다. 특히 수십 개에서 수백 개의 원자로 구성된 금 나노입자의 경우, 벌크 금속의 성질을 보이지 않고 크기가 작아짐에 따라 양자제한효과(quantum confinement effect)가 나타나는 양자점(quantum dot)의 특징을 나타낸다. 이러한 양자크기(quantum-sized) 금속 나노입자는 특히 본질적인 산화-환원 활성을 가지고 있어 전기활성을 갖는 분자나 효소의 첨가 없이도 전기화학센서로 이용될 수 있는 가능성이 있다.

본 발명에서는 전기활성이 있는 양자크기 금속 나노입자를 제조, 그 전기화학 특성을 이해하고, 그 특성을 이용한 전기화학센서의 개발까지 기초부터 응용까지 일련의 과정을 체계적으로 실행하였다. 이러한 과정에서 기존의 금속 나노입자와 그 물리적, 화학적 성질이 매우 다른 나노입자인 양자크기(quantum-sized)의 LPC(ligand-protected metal clusters)를 기반으로한 전기화학 센서를 개발하였다. 양자크기 LPC의 중요한 성질 중의 하나는 그 전기화학 특성이다. 양자크기의 LPC는 양자화된 에너지 준위를 나타내고 또 매우 작은 전기용량(capacitance) 값(<10^-18 F)을 가지고 있기 때문에 그 산화/환원 과정이 실험적으로 관찰될 수 있으며, 이러한 전기화학 특성은 LPC의 크기가 변함에 따라 크게 달라지고, 다른 산화-환원 거동을 나타낸다.

본 발명자는 이와 같이 전기활성이 있는 LPC를 기반으로 한 새로운 형태의 전극을 제조하여, 그 촉매특성을 이해하고, 그 특성을 이용한 전기화학 센서 개발을 했다. 앞서 기술한대로, 기존의 금 나노입자를 이용한 전기화학 센서의 경우 금 나노입자 자체는 전기적 활성이 없고 주로 전기전도성을 향상시켜 주는 전도성 물질로 사용되고 있다. 따라서 전기화학 센서로 작용하기 위해서는 분석물질에 감응하는 산화환원 매개체(redox mediator) 또는 효소를 함께 사용해야 해 센서의 구성이 매우 복잡해지고 감응 메커니즘도 매우 복잡한 경로를 통해 진행되어 센서 설계의 최적화가 매우 어려운 문제가 있었다.

그러나 본 발명과 같이 LPC를 기반으로 한 전기화학 센서의 경우 LPC 자체가 산화/환원 활성이 있기 때문에 산화환원 매개체 또는 효소가 필요 없게 된다. 또한, LPC 자체가 작은 전도성 물질로 작용할 수 있기 때문에 다른 전도성 물질의 첨가 없이도 뛰어난 전도성을 나타낼 것으로 기대할 수 있다. 즉, 양자크기 LPC는 산화환원 매개체의 역할뿐만 아니라 전도성물질 역할도 함께 하는 이중역할을 해 기존의 센서에 비해 훨씬 단순한 구조의 센서의 제작이 가능하다.

본 발명에서 금 나노입자를 보호하는 리간드는 유기싸이올계 화합물 중에서 선택할 수 있으며, 알칸싸이올레이트 또는 글루타싸이온이 바람직하다. 구체적인 예시는 다음과 같다.

알칸싸이올

글루타싸이온

티오프로닌

싸이올레이티드 폴리(에틸렌글리콜)

p-머캅토페놀,

방향족 알칸싸이올,

페닐알칸싸이올

(r-머캅토프로필)-트리메톡시실란

이하에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

실시예 1-1: 헥산싸이올레이트로 보호된 Au₂₅ 나노입자의 합성

LPC를 기반으로 한 전기화학 센서의 상기 장점을 고려하여, 본 발명의 실시예에서는 고도로 단분산된, 헥산싸이올레이트로 보호된 Au₂₅ 나노입자(Au₂₅)를 합성하고, [Au₂₅(SC₆H₁₃)₁₈]^-임을 확인하였다. 에틸트리메톡시실란 전구체를 사용, Au₂₅ 나노입자를 졸-겔 망상조직 내에 포획하여 Au₂₅SGE를 형성하였다. 전형적인 예로서, Au₂₅를 포함하는 졸-겔 혼합물 10 μM를 유리질 탄소전극(GCE)의 표면에 드롭캐스팅한 후 실온에서 밤새 건조시켰다.

도 1은 Au₂₅SGE와, 졸-겔 망상조직에 포획된 Au₂₅의 반응을 도식적으로 나타낸 것으로서, Au₂₅SGE 내의 Au₂₅에 의한, 매개에 의한 전기촉매 산화 및 전자전달 과정의 메커니즘을 보여주는 도면이다.

구체적인 합성 과정은 다음과 같다. 4염화금산 3수화물(HAuCl₄?3H₂O, 시약등급), 1-헥산싸이올(98%), 테트라옥틸암모늄 브로마이드(Oct₄NBr, 98%), 수소화붕소나트륨 (NaBH₄, 99%), 에틸트리메톡시실란(ETMOS, 97%), 글루타르알데히드(25%), L-아스코르브산(AA, 시약등급), 요산(UA, 98%), 아황산나트륨(시약등급), 염산도파민, 염화칼륨(KCl) 및 테트라부틸암모늄 퍼클로레이트(Bu₄NClO₄)는 Aldrich에서 구입하였다. 초순수등급 톨루엔, 아세톤, 무수 에탄올, 아세토니트릴, 디클로로메탄 및 디메틸 설폭사이드(DMSO)를 사용하였다. 물은 Millipore Milli-Q 시스템(18.2 MΩcm)으로 정제하여 사용하였다. 모든 화학물질은 더 이상의 정제 없이 구입한 그대로 사용하였다.

Au₂₅ 나노입자(Au₂₅)는 기존에 보고된 브루스트(Brust)의 2상공정에 의해 합성하였다. 싸이올/금의 몰비를 5:1로 하였으며, 0 ℃에서 30 분간 NaBH₄ 환원반응을 수행하여 합성하였다. 간단히 설명하자면, 120 mL의 톨루엔에 용해된 3.3 mmol의 Oct₄NBr을 30 분 동안 격렬히 교반한 후, 20 mL의 물에 용해된 2.5 mmol의 HAuCl₄?3H₂O를 가하였다. 수용액 층은 무색으로 변한 반면, 톨루엔 층은 AuCl₄ ^-가 유입되면서 암적색으로 변하였다. 12.8 mmol의 1-헥산싸이올을 유기층에 가하고 용액이 무색으로 변할 때까지, 즉 Au^I-싸이올 폴리머가 형성될 때까지, 0 ℃에서 교반하였다. 얼음으로 냉각시킨, 20 mL의 물에 용해된 25.6 mmol의 NaBH₄ 용액을 격렬히 교반하면서 이 혼합물에 신속하게 가하였다. 용액은 즉시 검은색으로 변하였는데, 이는 싸이올레이트로 보호된 클러스터가 형성되었음을 뜻한다. 계속하여, 0 ℃에서 30 분 동안 더 교반하였다. 수용액 층을 제거한 후, 유기층을 물로 세척하고 회전증발하여 검은색의 생성물을 얻었다. 얻어진 검은색 생성물을 DMSO(200 mL) 내에서 밤새 방치하였다. DMSO를 제거하고, 검은색 생성물을 아세토니트릴과 무수 에탄올로 씻은 후 증발시켜 건조하였다. 1:1 아세토니트릴/아세톤 혼합물을 사용하여, 건조된 생성물로부터 Au₂₅를 반복적으로 추출하였다. 전체 수율은 80 ~ 100 mg이었다. 질량분석법, 전압전류법 및 개방회로 전위측정을 통해 합성된 Au₂₅ 나노입자가 [Au₂₅(SC₆H₁₃)₁₈]^- 음이온임을 확인하였다. [Au₂₅(SCH₂CH₂Ph)₁₈]^- 클러스터의 결정구조에서 확인된 경우와 마찬가지로, 반대이온은 Oct₄N⁺일 것으로 추측된다.

실시예 1-2: Au ₂₅ 로 개질된 졸-겔 박막전극( Au ₂₅ SGE )의 제작

Au₂₅ 나노입자를 유리질 탄소전극(GCE, 직경 3 mm) 상에 졸-겔 박막의 형태로 고정시켰다. GCE를 1, 0.3 및 0.05 μm의 Al₂O₃으로 연속적으로 연마한 후 물로 깨끗이 헹구었다. 전극을 0.1 M HNO₃, 0.1 M H₂SO₄, CH₂Cl₂ 및 물에서 연속적으로 초음파처리한 후 실온에서 건조하였다. 이어, 문헌(Thenmozhi, K.; Narayanan, S. S. Electroanalysis 2007, 19, 2362-2368)에 보고된 방법을 약간 변형하여, ETMOS를 가수분해하여 Au₂₅ 나노입자를 졸-겔 망상조직 내에 포획하였다. 대표적인 예로, Au₂₅ 용액(10 mg/0.2 mL CH₂Cl₂)을 25%(v/v) 글루타르알데히드를 포함하는 200 μM의 물 및 0.3 mL의 ETMOS와 혼합한 후, 이 혼합물을 30 분간 초음파처리하였다. 얻어진 균질용액을 실온에서 30분 동안 보관하였다. 이 혼합물 10 μL를 GCE 표면에 드롭캐스팅한 후 실온에서 밤새 건조되도록 하여 Au₂₅SGE를 제작하였다. 제작된 Au₂₅SGE를 물로 깨끗이 씻어 작업전극으로 사용하였다.

위와 같은 과정을 통해 Au₂₅ 농도가 15.97 mM으로 추정되는 Au₂₅SGE를 얻었다. Au₂₅SGE의 Au₂₅ 농도는 (Au₂₅ 함량을 알고 있는) Au₂₅ 졸-겔 혼합물을 100μL 모세관에서 건조시킨 후 최종부피를 측정하여 추정하였다. 최초 졸-겔 혼합물(건조 전) 0.5 mL 내의 Au₂₅ 중량을 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0 및 7.5 mg으로 변화시킴으로써 다양한 Au₂₅ 농도를 갖는 Au₂₅SGE를 제작할 수 있었다. Au₂₅ 농도가 3.94, 4.87, 5.78, 7.54, 9.23 및 12.84 mM인 Au₂₅SGE들이 얻어졌다.

실시예 1-3: 전기화학적 특성 분석

전기화학분석용 워크스테이션(Model 660 B, CH Instruments)을 사용하여 전기화학 측정을 실시하였다. 0.1 M Bu₄NClO₄를 포함하는 CH₂Cl₂ 내에서 Au₂₅의 구형파 전압전류법(SWV) 측정을 실시하였다. Ar 기체를 이용하여 용액 내의 산소를 제거하였다. Pt 디스크(직경 0.4 mm)를 작업전극으로, Pt 디스크(직경 0.4 mm)를 상대전극으로, Ag 의사기준전극을 기준전극으로 사용하여 CH₂Cl₂ 내에서 실험을 실시하였다. 0.1 M KCl을 포함하는 수용액 내에서 순환 전압전류법(CV)에 의해 Au₂₅SGE의 전기화학 특성과 전기촉매 활성을 조사하였다. Au₂₅SGE를 작업전극으로, Pt 디스크를 상대전극으로, Ag/AgCl (3 M NaCl) 전극을 기준전극으로 하는 3전극 시스템을 이용하였다.

JEOL 투과전자현미경(JEOL 2100F)을 사용하여 Au₂₅의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 기록하였다. TEM 샘플은 CH₂Cl₂에 용해된 1 mg/mL의 Au₂₅ 용액을 400 메쉬 폼바/탄소 코팅된 구리격자 위에 드롭캐스팅한 후 실온에서 1 시간 동안 건조하여 제조하였다. 표준 UV 질소레이저(337 nm)가 구비된 MALDI-TOF Microflex 질량분석기(Bruker Daltonics)를 사용하여 매트릭스 보조 레이저탈착 이온화(MALDI) 질량스펙트럼을 획득하였다. 가속전압은 15 kV로 유지하였으며 선형 양이온 검출모드에서 스펙트럼을 얻었다. Au₂₅의 CH₂Cl₂ 용액을 (CH₂Cl₂ 내에 포화된) 트랜스-2-[3-(4-t-부틸페닐)-2-메틸-2-프로페닐리덴]말로노니트릴(DCTB) 매트릭스와 혼합한 후 샘플 플레이트에 바르고 공기 건조하였다. 제조된 Au₂₅의 UV-Vis 스펙트럼은 새로 제조한 Au₂₅의 CH₂Cl₂ 용액을 사용하여 Shimadzu UV-Vis NIR 분광계(UV 3600)로 얻었다.

도 2는 합성된 Au₂₅ 나노입자의 MALDI 질량스펙트럼이고, 도 3은 합성된 Au₂₅ 나노입자의 TEM 이미지로서, TEM 이미지의 스케일바는 20 nm이며 인서트는 코어 크기의 히스토그램이다. 또한 도 4는 합성된 Au₂₅ 나노입자의 UV-Vis 스펙트럼이다.

도 5는 (A) 0.1 M Bu₄NPF₆를 포함하는 CH₂Cl₂ 내에서, Pt 작업전극에서의 Au₂₅의 SWV. (B) 0.1 M KCl 내에서 20 mVs^-1로 진행한 25 회의 연속적인 사이클에 대한, Au₂₅SGE의 CV이다. 도 5A는 CH₂Cl₂ 내에서의 Au₂₅의 구형파 전압전류도(SWV)로서, Au₂₅의 산화환원 특성을 보여준다. Ag 의사기준전극(AgQRE)에 대한 형식전위 0.62, 0.31 및 -1.33 V에서의 뚜렷한 세 산화환원 피크는 각각 Au₂₅ ^{1 +/0}, Au₂₅ ^{0 /1-} 및 Au₂₅ ^{1 -/2-} 산화환원 쌍에 의한 것이다. 0.1 M KCl 내에서의 Au₂₅SGE의 순환 전압전류도(CV)(도 5B) 역시 Ag/AgCl에 대한 형식전위 0.34 V에서 뚜렷하며 가역적인 산화환원 피크를 보이는데, 이는 Au₂₅ ^{0 /1-} 쌍에 의한 것이다. Au₂₅ ^{1 +/0} 쌍의 산화환원 피크는 뚜렷하지 않으며, 0.43 V 부근에서 작은 어깨의 모양으로 나타난다. 그 이유는 아직 분명하지 않다. 용액의 유전상수가 높아 Au₂₅ ^{1 +/0} 쌍과 Au₂₅ ^{0 /1-} 쌍의 피크 간격의 좁기 때문이었을 수 있다. 또한, 유사한 입자의 랭뮤어 단일층의 전압전류도에서도 관찰되었듯이, Au₂₅ ^{1 +/0}의 첫 번째 산화반응(Au₂₅ ^{0 /1-})에 의해 졸-겔 망상조직 내에 전하를 보상해 주는 반대이온이 부족하기 때문일 수도 있다. 그러나, 첫 번째 산화반응(Au₂₅ ^{0 /1-})은 매우 안정적이며 재현성이 있는 것으로 보인다. Au₂₅SGE의 피크전위와 피크전류는 25회의 연속적인 사이클 동안 변화없이 유지되었는데(도 5B), 이는 Au₂₅가 졸-겔 망상조직 내에 안정적으로 고정되었음을 의미한다.

한편 본 발명에 따른 전극을 이용하여 생물학적으로 또는 산업적으로 중요한 4 종의 분석물인 아스코르브산(AA), 요산(UA), 설파이트 및 도파민의 산화반응에 대한 Au₂₅SGE의 전기촉매 활성을 조사하였다. 도 6는 0.1 M KCl 내에서 분석물의 존재 또는 부존재 하에 기록한 Au₂₅SGE와 GCE(도 6의 인서트)의 CV를 보여준다. 구체적으로 도 6은 0.1 M KCl 내, 20 mVs^-1에서 아스코르브산(A), 요산(B), 설파이트(C) 및 도파민(D)의 전기촉매 산화를 입증하는 전압전류도를 보여주며, (a)는 분석물 부존재 하의 Au₂₅SGE의 CV, (b~f)는 1, 2, 3, 4 및 5 μM의 분석물 존재 하의 Au₂₅SGE의 CV이고, (g)는 분석물 부존재 하의 SGE의 CV이며, (h)는 5 μM 분석물 존재 하의 SGE의 CV이다.

도 6에서 보듯이, 분석물을 1 μM씩 가하자 Au₂₅SGE의 애노드 피크전류가 급격히 증가한 반면(곡선 b 내지 f), GCE의 경우에는 5 μM의 분석물을 가한 후에도 애노드 전류가 약간만 증가하였다(곡선 h).

또한, 표 1 및 도 6에서 확인할 수 있는 것처럼, Au₂₅SGE의 경우 모든 분석물이 GCE에 비해 상당히(70~260 mV 정도) 낮은 전위에서 산화되는 것으로 확인되었다. 이러한 산화전위의 감소는, 애노드 전류의 증가와 함께, 고정된 Au₂₅의 매개에 의한 전기촉매 활성이 다음과 같은 반응에 의한 것임을 입증해 준다.

< 반응식 1 >

Au₂₅ ⁰ + 분석물(환원상태) → Au₂₅ ^- + 분석물(산화상태)

또한 교정 그래프(도 7)에서 나타난 것처럼 모든 분석물의 애노드 피크전류 증가는 첨가된 분석물의 농도에 대하여 선형적이었다. 하기 [표 1]은 Au₂₅SGE의 전기촉매 활성 및 전류법 검출성능을 보여준다. 이 표에서 확인할 수 있는 것과 같이, Au₂₅SGE를 사용하여 이들 분석물을 선형적인 범위에서, 낮은 검출한계와 높은 감도로 전류법 검출에 의해 검출할 수 있었다. 이때, 선형적 범위, 검출한계 및 감도는 최근에 보고된, 이들 분석물의 검출을 위한 전기화학 센서에 비해 동등하거나 우수하였다. 이는 산화환원 활성 금 나노입자를 전류법 검출에 최초로 적용한 것이다.

Au₂₅SGE에서 아스크로브산(AA)와 요산(UA)의 산화(도 6A 및 6B)는 매개체(Au₂₅)의 산화피크에 더 근접한 하나의 피크만을 보이는데, 이는 모든 AA와 UA가 개질된 전극에서 매개에 의한 전기촉매 산화를 겪었음을 의미한다. 이에 비해, 설파이트와 도파민(도 6C 및 6D)는 2 개의 산화피크를 보인다. 첫 번째 피크는 매개체의 산화전위(~370 mV)에 가깝고, 두 번째 피크는 나전극(Au로 개질되지 않은 SGE 전극)의 산화전위(~600 mV)에 가깝다. 이는 Au₂₅0와 분석물 사이의 전기촉매 반응이 느리기 때문일 수 있다. 즉, 이들 두 분석물의 경우, 일부만이 Au₂₅의 산화전위 근처에서 전기촉매적으로 산화되고 나머지는 Au₂₅ 나노입자가 전극으로 작용하는, 더 높은 전위에서 산화되는 것이다. 설파이트와 도파민의 경우에는 낮은 촉매활성으로 인해 AA와 UA에 비해 검출성능(검출한계 및 감도)이 낮게 나타났다(표 1). 그 이유는 확실하지 않으나, 설파이트와 도파민의 경우 E1과 E2의 전위차가 크기 때문에(표 1) 전기촉매 반응이 효과적으로 진행되지 못하는 것일 수 있다.

도 8은 Au₂₅의 농도에 따른, 전자확산계수(D _E), 자체교환 속도상수(k _EX), 및 아스코르브산의 검출감도 (S _AA)와 요산의 검출감도(S _UA)를 보여주는 도면이다.

위에서 언급한 바와 같이, Au₂₅는 전자 전도체로서 그리고 산화환원 매개체로서 작용할 수 있다. Au₂₅의 전도체로서의 역할을 더 살펴보기 위하여, Au₂₅ 농도(C)에 따른 Au₂₅SGE의 전자전달을 조사하였다. 3.94 내지 15.97 mM 범위의 모든 농도에서 안정적인 전압전류 응답이 관찰되었다. 여러 스캔속도에서 Au₂₅SGE(C = 15.97 mM)의 전압전류 응답을 도 9에 도시하였다. Au₂₅ 농도를 달리하여 제작한 모든 개질 전극에서, 애노드 피크전류와 캐소드 피크전류 모두 2~100 mVs^-1의 스캔속도 범위에서 스캔속도의 제곱근에 비례하는 변화를 보였는데(도 10), 이는 박막 내에서의 전자전달이 확산조절 과정임을 의미한다. 피크전류로부터 겉보기 확산계수(D _APP)를 계산하였다. 이 확산과정은 박막 내에서의 물리적 확산(D _PHYS), Au₂₅ 코어 사이의 전자이동 확산(D _E)(즉, 전자의 자체교환) 또는 둘 다를 포함할 수 있다.

산화상태의 Au₂₅0와 분석물 사이의 전기촉매 반응과, 그로 인한 Au₂₅ 박막을 통한 전자전달이 도 1에 도시되어 있다. D _E로부터 전자이동 속도를 계산하기 위하여, D _E >> D _PHYS라고 가정한다. Au₂₅ 나노입자가 폴리머 망상구조에 포획된 Au₂₅SGE의 구조(반응식 1)를 고려할 때, 이러한 가정은 매우 합당하다. 따라서, 다음 식을 이용하여^{23 ,24} 박막 내에서 Au₂₅0/- 쌍의 자체교환 속도상수(k _EX)를 D _E로부터 계산할 수 있다.

< 반응식 2 >

위 식에서 δ는 Au₂₅ 코어의 중심 사이의 간격이다. 계산된 D _E와 k _EX를 Au₂₅ 농도에 대하여 도시(도 8)하였으며 그 값을 하기 [표 2]에 기재하였다.

명확한 구조를 가지는 Au₂₅SGE는 박막의 전자전도성이 전기화학적 검출에 미치는 영향에 대한 이해를 가능하게 해 준다. 도 8에서 보듯이, D _E와 k _EX는 낮은 Au₂₅ 농도에서 급격히 증가하며, 9.23 mM 이상의 농도에서 서서히 최대값에 도달한다. 이러한 행동이 아스코르브산(S _AA)과 요산(S _UA)의 검출감도에 반영된 것이다. S _AA와 S _UA는 농도가 3.94 mM에서 9.23 mM로 2.3 배 증가할 때 25 배 이상의 증가를 보이지만, 9.23 mM 이상의 농도에서는 거의 선형적인 증가를 보인다. 이러한 결과는 검출감도가 주로 낮은 Au₂₅ 농도에서 박막 내의 전자전달 과정에 의해 결정됨을 분명히 보여준다. 또한, 높은 농도에서 감도가 농도에 대해 선형적으로 증가한다는 것은 박막 내의 모든 Au₂₅ 나노입자가 전기적으로 활성화된 상태이며, 전기적으로 서로 잘 연결되어 있음을 의미한다. 마지막으로, Au₂₅ 농도에 대한 k _EX의 의존도는 박막 내에서의 전자이동 메커니즘에 대한 새로운 정보를 제공한다. Au₂₅ 농도가 9.23 mM 이상일 때, k _EX는 최대속도에 도달하는데, 이는 Au₂₅ 코어 사이의 헥산싸이올레이트 리간드를 통과하는 터널링 속도에 의해 제한되는 것으로 보인다. k _EX의 최대값은 2.27 x10⁸ M^-1s^{- 1}(표 2)으로, 금 나노입자의 망상 박막과 비견된다. 낮은 농도(C < 9.23 mM)에서의 전자이동 속도는 Au₂₅가 이동하여 전자전달을 위한 전구체 착체를 형성하는 속도에 의해 제한되는 것으로 보인다. 이러한 해석은 [표 2]에 기재된, Au₂₅SGE의 구조 데이터에 의해 뒷받침된다. Au₂₅의 중심간 평균거리가 너무 길기 때문에, 이러한 평형거리에서는 전자전달이 일어나지 못하는 것으로 생각된다.

요컨대, 우수한 전기촉매 활성을 갖는 Au₂₅ 나노입자의 산화환원 활성을 전류법 센서의 개발에 이용할 수 있음이 확인되었다. Au₂₅ 개질 전극의 전자전달 과정에 대한 연구를 통해, Au₂₅ 나노입자가 전자 전도체로서 그리고 산화환원 매개체로서 작용함을 확인하였다. 또한, 나노입자 박막 내에서 전자전달 과정이 검출감도에 미치는 영향을 처음으로 정량적으로 분석하였다. 금 나노입자의 역할과 금 나노입자 사이의 전자전달 과정에 대한 더 많은 이해를 통해, 나노입자 기반 전기화학 센서의 개발을 위한 중요한 정보를 얻을 수 있게 될 것이다.

실시예 2-1: 글루타싸이온(glutathione)으로 보호된 Au ₂₅ 나노입자의 합성

글루타싸이온으로 보호된 Au₂₅나노입자(Au₂₅)는 기존에 보고된 브루스트(Brust) 방법에 의해 합성하였다. 싸이올/금의 몰비를 3:1로 하였으며, 상온에서 90 분간 NaBH₄환원반응을 수행하여 합성하였다. 글루타싸이온으로 보호된 Au₂₅나노입자(Au₂₅)의 구체적인 합성 과정은 도 11에 도시되어 있다.

간단히 설명하자면, 40 mL의 물에 용해된 3.0 mmol의 글루타싸이온을 15 분 동안 격렬히 교반한 후, 80 mL의 메탄올에 용해된 1.0 mmol의 HAuCl₄?3H₂O를 가하였다. 그 후 용액이 무색으로 변할 때까지, 즉 Au^I-싸이올 폴리머가 형성될 때까지, 상온에서 교반하였다. 그 후 10.0 mmol의 NaBH₄를 10ml의 물에 녹인 용액을 신속하게 첨가하여 1시간 30분간 격렬하게 교반시켜 클러스터를 생성한다. 용액은 즉시 검은색으로 변하였는데, 이는 싸이올레이트로 보호된 클러스터가 형성되었음을 뜻한다. 반응이 끝난 후에는 회전증발하여 용매를 제거해 검은색의 생성물을 얻었다. 얻어진 검은색 생성물을 소량의 물을 이용해 녹인 후 메탄올을 사용해서 재결정을 시켜 크기 별로 분리했다. 이때 크기가 큰 것부터 메탄올을 첨가 시 가라앉으며, 가라앉지 않은 액상에 추가적으로 메탄올을 첨가하여 작은 크기의 나노입자를 얻을 수 있다. 가장 마지막에 분리된 작은 크기의 나노입자의 수율은 80 ~ 100 mg이었다. 얻어진 나노입자는 유기용매 보다는 물에 잘 녹는다는 특성이 있다.

실시예 2-2: Au ₂₅ 로 개질된 졸-겔 단층막전극(Au ₂₅ SG-SAME)의 제작

글루타싸이온으로 보호된 Au₂₅나노입자를 금전극(AuE, 직경 3 mm) 상에 졸-겔 단층막의 형태로 고정시켰다. AuE를 1, 0.3 및 0.05 μm의 Al₂O₃으로 연속적으로 연마한 후 물로 깨끗이 헹구었다. 전극을 0.1 M HNO₃, 0.1M H₂SO₄, CH₂Cl₂ 및 물에서 연속적으로 초음파처리한 후 실온에서 건조하였다. 또한 0.1 M의 황산 수용액에 -0.2 V에서 1.5 V의 범위 안에서 전기화학적으로 씻어주었다. 이어, MPS를 가수분해하여 Au₂₅나노입자를 졸-겔 망상조직 내에 포획하였다.

앞서 실시한 Au₂₅로 개질된 졸-겔 박막전극(Au₂₅SGE)에서는 나노입자와 졸-겔 네트워크간의 화학적 결합이 없는 물리적인 고정화 과정을 통해서만 전극이 형성된다. 반면 본 실시예 2에서는 나노입자와 졸-겔 네트워크의 싸이올 작용기간의 화학적 결합을 통해 보다 안정한 전극의 제조가 가능해졌다는 데 의의가 있으며, 이 반응식은 도 12에 도시되어 있다. 나노입자와 싸이올간의 화학적인 결합 그리고 다공성 졸-겔 네트워크로의 물리적인 고정화 과정을 통해 보다 안정한 수정 전극을 제조할 수 있다. 또한, 이 실행에서도 나노입자와 졸-겔 전구체를 균일하게 혼합하고 그 혼합액을 축합/중합하여 안정한 졸-겔 필름의 형성이 가능하다.

대표적인 예로, 글루타싸이온으로 보호된 Au₂₅용액(7.5 mg/0.6 mL 물)을 1.8 mL의 MPS와 0.1 mL의 염산(0.1M), 그리고 0.3 mL의 에탄올과 혼합한 후, 이 혼합물을 1 시간 동안 초음파처리하였다. 얻어진 균질용액을 실온에서 30 분 동안 보관하였다. 이 혼합물에 깨끗하게 씻긴 AuE를 하룻밤 담구어 전극 표면에 졸-겔 단층막이 형성되도록 한다. 제작된 Au₂₅SG-SAME를 물로 깨끗이 씻고 말린 후 작업전극으로 사용하였다.

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실시예 2-3: 전기화학적 특성 분석

상기 실시예 2-2에서 제작된 Au₂₅SG-SAME의 산화환원 활성을 순환 전압전류압법(Cyclic voltammogram)을 통해 확인하였다. 도 13는 0.1 M KCl 내에서 분석물의 존재 또는 부존재 하에 기록한 Au₂₅SG-SAME의 CV를 보여준다. 구체적으로 0.1 M KCl 내, 20 mVs^-1에서 아스코르브산(A), 도파민(B) 및 설파이트(C)의 전기촉매 산화를 입증하는 전압전류곡선을 보여주며, (a)는 분석물 부존재 하의 Au₂₅SG-SAME의 CV, (b~f)는 5, 10, 15, 및 25 μM의 분석물 존재 하의 Au₂₅SG-SAME의 CV이다.

도 14은 0.1 M KCl 내에서 Au₂₅SG-SAME의 전압전류 그래프로부터 아스코르브산(A), 요산(B), 설파이트(C) 및 도파민(D) 함량을 결정하기 위한 교정 그래프이다. 도 14의 그래프에 나타난 것처럼 모든 분석물의 애노드 피크전류 증가는 첨가된 분석물의 농도에 대하여 선형적이었다.

Au₂₅SG-SAME에서 아스크로브산(AA)와 도파민 및 설파이드의 산화(도 13)는 매개체(Au₂₅)의 산화피크에 더 근접한 하나의 피크만을 보인다. 이는 모든 아스코르브산과 도파민, 그리고 설파이드가 측정에 참여한 모든 양이 Au₂₅의 산화전위 근처에서 전기촉매적으로 산화되는 것을 보여준다. 요컨대, 알칸싸이올레이트 리간드로 보호된 Au₂₅ 나노입자 뿐만 아니라 글루타싸이온 리간드로 보호된 금 나노입자의 산화환원 활성을 전류법 센서의 개발에 이용할 수 있음이 확인되었다. 또한 금 나노입자의 리간드에 따라 전기화학 센서의 검출 감도를 조절할 수 있게 될 것이다.

Claims (12)

1. 유기싸이올계 리간드로 보호되어 있으며, 산화환원 활성을 갖는 금 나노입자가 고정된 전극을 포함하는 전기화학 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 리간드로 보호된 금 나노입자는 졸-겔 박막 중에 고정된 것을 특징으로 하는 전기화학 센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 금 나노입자는 졸-겔 망상 조직 내에 포획된 상태로 고정된 것을 특징으로 하는 전기화학 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 유기싸이올계 리간드는 알칸싸이올, 클루타싸이온, 티오프로닌, 싸이올레이티드 폴리(에틸렌글리콜), p-머캅토페놀, 방향족 알칸싸이올, 페닐알칸싸이올, (r-머캅토프로필)-트리메톡시실란) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전기화학 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 리간드로 보호된 금 나노입자의 직경은 0.1 내지 5 nm의 양자 크기인 것을 특징으로 하는 전기화학 센서.
6. 제5항에 있어서,
   상기 리간드로 보호된 금 나노입자의 직경은 0.1 내지 3 nm의 양자 크기인 것을 특징으로 하는 전기화학 센서.
7. 제1항에 있어서,
   아스코르브산, 요산, 도파민 또는 설파이트 중에서 선택된 어느 하나의 물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기화학 센서.
8. 제1항에 있어서,
   상기 전극 상에 존재하는 금 나노입자의 전기적 촉매 활성에 의해 물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기화학 센서.
9. 제1항에 있어서,
   Ag/AgCl 전극을 기준전극으로 포함하고, 백금(Pt) 디스크 전극을 상대전극으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학센서.
10. 1) 유기싸이올계 리간드로 보호된 금 나노입자 클러스터를 합성하는 단계; 및
    2) 상기 금 나노입자 클러스터를 전극 상에 졸-겔 박막 형태로 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금 나노입자를 포함하는 졸-겔 전극의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 1) 단계는 i) 유기싸이올계 화합물 용액과 금(Au)수화물 용액을 혼합하여 교반하는 단계; ii) 상기 혼합물에 수소화붕소나트륨을 첨가하여 환원반응을 수행하는 단계에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 금 나노입자를 포함하는 졸-겔 전극의 제조 방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 2) 단계는 1) 단계에서 합성된 금 나노입자 용액을 전극 표면에 드롭 캐스팅한 후 건조시키는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 금 나노입자를 포함하는 졸-겔 전극의 제조 방법.

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