KR20130013253A - Cu-co alloy dendrite electrode and biosensor comprising the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A Cu-Co alloy dendrite electrode and a biosensor including the same are provided to apply to an electrode of the biosensor capable of detecting glucose of low concentration or hydrogen peroxide of low concentration as catalyst activation with respect to the oxidation of glucose and the deoxidation of hydrogen peroxide is excellent. CONSTITUTION: A biosensor including Cu-Co alloy dendrite electrode includes a reference electrode, a counterpart electrode, and a working electrode. The working electrode is a glassy carbon electrode or a Cu-Co alloy dendrite electrode formed on a copper plate by electrically depositing for 300-700 seconds at a potential of -0.6V to -1.2V in comparison with a reference electrode. A potential of the bio sensor is +0.4V to +0.9V in comparison with the reference electrode. The pH level of the biosensor is 10-14 and the temperature of the biosensor is 30°C-40°C. The reference electrode is an Ag/AgCl electrode.

Description

Cu-Co 합금 덴드라이트 전극 및 이를 포함하는 바이오 센서{Cu-Co Alloy Dendrite Electrode and Biosensor Comprising the Same}Cu-Co alloy dendrite electrodes and biosensors including the same {Cu-Co Alloy Dendrite Electrode and Biosensor Comprising the Same}

본 발명은 글루코오스 산화와 과산화수소 환원 모두에서 탁월한 촉매능을 갖는 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극을 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to a biosensor comprising a Cu—Co alloy dendrite electrode having excellent catalytic capability in both glucose oxidation and hydrogen peroxide reduction.

화석연료의 대안으로서 글루코오스와 같은 단당류는 재생가능하고, 저렴하고, 풍부하고, 무독하고, 불연성이고, 다루고 얻기 쉽기 때문에 많은 연구자들은 글루코오스 등의 단당류 산화효소와 같은 효소적 촉매를 기반으로 한 단당류 바이오 연료전지를 연구해 왔다. 그러나, 효소의 특성 상 장기간 안정성과 재생가능성이 부족하여 효소적 바이오 연료전지의 개발에 문제가 있었다. 전도성 고분자 기반 효소 전극을 이용함으로써 효소 바이오 연료전지의 수명이 다소 향상되었을지라도 글루코오스 산화를 위한 직접적인 전자 전달을 이용한 비효소적 연료전지가 여전히 보다 유용한 것으로 알려져 있다. As an alternative to fossil fuels, monosaccharides such as glucose are renewable, inexpensive, abundant, nontoxic, nonflammable, and easy to handle, so many researchers have studied monosaccharide biobased biomass based on enzymatic catalysts such as monosaccharide oxidase such as glucose. I have been researching fuel cells. However, there is a problem in the development of enzymatic biofuel cells due to the lack of long-term stability and reproducibility due to the nature of the enzyme. Although the lifetime of enzyme biofuel cells is somewhat improved by the use of conductive polymer based enzyme electrodes, nonenzymatic fuel cells using direct electron transfer for glucose oxidation are still known to be more useful.

비효소적 전기화학적 단당류 산화에 관한 초기 연구는 C, Cu, Ni, Fe, Pt 및 Au와 같은 보편적인 전극 재료의 이용에 초점을 맞추었다. 그러나, 이러한 재료들은 낮은 효율성과 화학흡착된 중간매개물로 인한 독성과 같은 근본적인 문제점을 초래하였다. 따라서, 글루코오스 등의 단당류의 산화를 촉진하고 상기 문제점들을 극복할 수 있는 이상적인 재료의 개발이 요구되고 있다.Early work on non-enzymatic electrochemical monosaccharide oxidation focused on the use of universal electrode materials such as C, Cu, Ni, Fe, Pt and Au. However, these materials have resulted in fundamental problems such as low efficiency and toxicity due to chemisorbed intermediates. Therefore, there is a need for development of an ideal material capable of promoting oxidation of monosaccharides such as glucose and overcoming the above problems.

한편, 금속 촉매의 형태에 있어서, 덴드라이트 구조는 몇 개의 활성부위와 극히 높은 표면적을 지닌 독특한 계층구조로 인하여 연료전지와 같은 전기화학적 디바이스에서의 전극에 이상적으로 적용할 수 있다. 따라서, 많은 연구진들은 덴드라이트의 합성과 촉매적 활성을 연구해 오고 있으나, 아직까지 덴드라이트 재료의 실용적인 응용을 언급한 예는 거의 없었다.On the other hand, in the form of metal catalysts, the dendrite structure is ideally suited for electrodes in electrochemical devices such as fuel cells due to its unique hierarchical structure with several active sites and extremely high surface areas. Therefore, many researchers have been studying the synthesis and catalytic activity of dendrites, but few examples have mentioned practical applications of dendrite materials.

바이오센서는 특정 물질을 그와 반응할 수 있는 물질을 전극 표면에 고정화하여 이를 전기적 신호로 바꿔 그의 성분이나 정량을 분석하는 시스템이다. 물리화학 디바이스로 전극을 이용하는 바이오센서를 전극형 바이오센서라 하며, 전극을 이용할 경우 전기신호로 변환하는 방식으로는 전위 측정형과 전류 측정형의 두가지 방법으로 대별된다. 전류 측정형(amperometry)이란 전극에서 효소 반응에 의해 소비 또는 생성되는 물질, 즉 전극으로 쉽게 반응하는 물질 혹은 감응하는 물질의 전극 반응에서 얻어지는 전류 값을 측정하는 방식으로, 전극으로 연료 전지가 사용될 수 있다. A biosensor is a system for fixing a substance that can react with a specific substance on the surface of an electrode and converting it into an electrical signal to analyze its composition or quantity. Biosensors that use electrodes as physicochemical devices are called electrode biosensors, and when electrodes are used, they are classified into two types of methods: electric potential measurement and electric current measurement. Amperemetry refers to a method in which a fuel cell can be used as an electrode by measuring a current value obtained from an electrode reaction of a material that is consumed or produced by an enzymatic reaction at the electrode, that is, a material that easily reacts with or reacts with the electrode. have.

본 발명의 발명자들은 전류 측정형 바이오센서의 전극을 연료전지의 전극으로 사용하여 검출용 바이오센서를 개발하기 위해 노력하던 중, Co-Cu 합금 덴드라이트 전극을 사용하면 촉매 활성이 우수하여 극미량의 글루코오스 또는 과산화수소를 검출할 수 있음을 확인하고 각 화합물별 최적화된 조건을 도출해 내어 본 발명을 완성하게 되었다.
The inventors of the present invention are trying to develop a detection biosensor using an electrode of a current measuring biosensor as an electrode of a fuel cell, and when using a Co-Cu alloy dendrite electrode, the catalyst activity is excellent, so that a very small amount of glucose Or it was confirmed that the hydrogen peroxide can be detected and derived the optimized conditions for each compound to complete the present invention.

본 발명은 촉매 활성이 뛰어난 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극을 포함하는 글루코오스 또는 과산화수소 검출용 바이오센서를 제공하고자 한다.
The present invention is to provide a biosensor for detecting glucose or hydrogen peroxide comprising a Cu-Co alloy dendrites having excellent catalytic activity.

상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 기준 전극, 상대 전극 및 작업 전극을 포함하는 글루코오스 바이오 센서에 있어서, 상기 작업 전극은 -0.6V 내지 -1.2V의 전위로 300 내지 700초 동안 전기증착을 통해 유리질 탄소 전극 또는 구리 판상에 형성된 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극인 것인 글루코오스 바이오센서를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a glucose biosensor comprising a reference electrode, a counter electrode and a working electrode, the working electrode through the electrodeposition for 300 to 700 seconds at a potential of -0.6V to -1.2V A glucose biosensor is provided which is a Cu-Co alloy dendrite electrode formed on a glassy carbon electrode or a copper plate.

상기 글루코오스 바이오센서는 전위가 기준 전극 대비 +0.4V 내지 +0.9V, pH는 10 내지 14, 온도는 30℃ 내지 40℃ 일 수 있다. The glucose biosensor may have a potential of + 0.4V to + 0.9V, a pH of 10 to 14, and a temperature of 30 ° C to 40 ° C relative to the reference electrode.

또한 본 발명은 기준 전극, 상대 전극 및 작업 전극을 포함하는 과산화수소 바이오 센서에 있어서, 상기 작업 전극은 -0.6V 내지 -1.2V의 전위로 300 내지 700초 동안 전기증착을 통해 유리질 탄소 전극 또는 구리 판상에 형성된 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극인 것인 과산화수소 바이오센서를 제공한다. In another aspect, the present invention is a hydrogen peroxide biosensor comprising a reference electrode, a counter electrode and a working electrode, the working electrode is formed of a glassy carbon electrode or a copper plate through the electrodeposition for 300 to 700 seconds at a potential of -0.6V to -1.2V It provides a hydrogen peroxide biosensor that is a Cu-Co alloy dendrite electrode formed on.

상기 과산화수소 바이오센서는 전위가 기준 전극 대비 -0.3V 내지 -0.6V, pH는 6 내지 8, 온도는 30℃ 내지 40℃ 일 수 있다.
The hydrogen peroxide biosensor may have a potential of −0.3 V to −0.6 V, a pH of 6 to 8, and a temperature of 30 ° C. to 40 ° C. relative to the reference electrode.

본 발명에 따른 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극은 글루코오스 산화 및 과산화수소 환원에 대한 촉매 활성이 뛰어나, 각각 0.5 ± 0.1 nM, 0.75 ± 0.2 nM 정도로 매우 낮은 농도의 글루코오스 또는 과산화수소를 검출할 수 있는 바이오 센서의 전극으로 유용하게 사용할 수 있다.
Cu-Co alloy dendrite electrode according to the present invention is excellent in the catalytic activity for glucose oxidation and hydrogen peroxide reduction, the biosensor of detecting a very low concentration of glucose or hydrogen peroxide, such as 0.5 ± 0.1 nM, 0.75 ± 0.2 nM, respectively It can be usefully used as an electrode.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Cu-Co 덴드라이트 전극의 형상을 나타낸 SEM 이미지이다(a: 5.0, b: 1.0㎛ 스케일).
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극의 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다(a: 전체, b: 줄기, c: 가지).
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 3은 Cu-Co 합금 덴드라이트의 TOF-SIMS 이미지로, (a) Cu-3 + (m/z 190.80), (b) Co2 + (m/z 117.84), 및 (c) Cu3 + (red) 및 Co2 + (green)에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Cu-Co 덴드라이트 전극의 Cu 및 Co의 원자적 조성을 나타낸 XRD 패턴이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 Cu-Co 덴드라이트 전극의 금속 산화상태를 나타낸 XPS 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 (a) 나전극 GC 전극, (b) Cu 덴드라이트 전극, (c) Co 덴드라이트 전극 및 (d) Cu-Co 합금 덴드라이트 전극 각각의 글루코오스 산화에 관한 순환전압전류(CV)를 측정한 결과이다(점선: 블랭크 용액, 실선: 글루코오스 용액).
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 (a) 나전극 GC 전극, (b) Cu 덴드라이트 전극, (c) Co 덴드라이트 전극 및 (d) Cu-Co 합금 덴드라이트 전극 각각의 과산화수소 환원에 관한 순환전압전류(CV)를 측정한 결과이다(점선: 블랭크 용액, 실선: 과산화수소 용액).
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 Cu 덴드라이트(a) 또는 Co 덴드라이트(b) 가 외부에 노출된 이중층 전극에 대한 CV 측정 그래프에 관한 것이다. 도 8a 는 글루코오스 산화, 도 8b는 과산화수소 환원에 관한 결과이다.
도 9는 Cu-Co 덴드라이트 전극의 바이오 센서 용도로 사용하기 위한, pH, 적용 전위, 및 온도에 대한 최적화 실험 결과이다(A: 글루코오스, B: 과산화수소).
도 10의 a는 0.1M NaOH 용액에서 글루코오스의 양의 추가에 따른 전류-시간 플롯이며, b는 과산화수소의 계속적인 추가에 따른 전류-시간 플롯을 나타낸다.
1 is a SEM image showing the shape of the Cu-Co dendrites according to an embodiment of the present invention (a: 5.0, b: 1.0㎛ scale).
Figure 2 shows the results of the EDS analysis of the Cu-Co alloy dendrites according to an embodiment of the present invention (a: whole, b: stem, c: branches).
3 is a TOF-SIMS image of a Cu-Co alloy dendrite according to an embodiment of the present invention, (a) Cu- 3 + (m / z 190.80), (b) Co 2 + (m / z 117.84), and (c) a Cu 3 + (red), and Co 2 + (green).
Figure 4 is an XRD pattern showing the atomic composition of Cu and Co of the Cu-Co dendrites according to an embodiment of the present invention.
5 is an XPS analysis result showing the metal oxidation state of the Cu-Co dendrites according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows glucose oxidation of each of (a) bare electrode GC electrode, (b) Cu dendrite electrode, (c) Co dendrite electrode, and (d) Cu-Co alloy dendrite electrode, according to an embodiment of the present invention. This is the result of measuring the related circulating voltage current (CV) (dashed line: blank solution, solid line: glucose solution).
FIG. 7 illustrates hydrogen peroxide reduction of each of (a) bare electrode GC electrode, (b) Cu dendrite electrode, (c) Co dendrite electrode, and (d) Cu-Co alloy dendrite electrode according to an embodiment of the present invention. This is the result of measuring the related circulating voltage current (CV) (dashed line: blank solution, solid line: hydrogen peroxide solution).
8 is a graph illustrating CV measurement of a double layer electrode in which Cu dendrites (a) or Co dendrites (b) are exposed to the outside according to an embodiment of the present invention. 8A shows glucose oxidation, and FIG. 8B shows hydrogen peroxide reduction.
FIG. 9 shows results of optimization experiments for pH, application potential, and temperature for use in biosensor applications of Cu—Co dendrites (A: glucose, B: hydrogen peroxide).
Figure 10a is a current-time plot with the addition of the amount of glucose in 0.1M NaOH solution, b shows a current-time plot with the continuous addition of hydrogen peroxide.

본 발명은 기준 전극, 상대 전극 및 작업 전극을 포함하는 글루코오스 또는 과산화수소 바이오 센서에 있어서, 상기 작업 전극은 -0.6V 내지 -1.2V의 전위로 300 내지 700초 동안 전기증착을 통해 유리질 탄소 전극 또는 구리 판상에 형성된 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극인 것인 글루코오스 또는 과산화수소 바이오센서를 제공한다. The present invention relates to a glucose or hydrogen peroxide biosensor comprising a reference electrode, a counter electrode, and a working electrode, wherein the working electrode is formed of a glassy carbon electrode or copper by electro-deposition for 300 to 700 seconds at a potential of -0.6V to -1.2V. It provides a glucose or hydrogen peroxide biosensor that is a Cu-Co alloy dendrites formed on a plate.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극일 수 있으며 상기 상대 전극은 백금 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the reference electrode may be an Ag / AgCl electrode and the counter electrode may be a platinum electrode, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 구체예에서, 상기 Cu-Co 합금 덴드라이트는 최적 전위인 -0.6V 내지 -1.2V에서 300 내지 700초 동안, 바람직하게는 -0.8V에서 600초 동안 전기증착을 통해 유리질 탄소(GC) 전극 상에 형성될 수 있다. 만약 적용 전위가 -0.6V보다 크면 형성된 합금의 양이 적고 입자형태인 반면, -1.2V보다 작으면 덴드라이트 구조 주위에 너무 많은 입자의 응집이 형성되는 문제가 야기될 수 있다. 전기증착 시간에 따라 환원 전류가 증가한 것은 Cu-Co가 전극 표면 상에서 성장한 것을 의미하며, 하기 반응식을 통해 Cu-Co 덴드라이트를 얻을 수 있다.In another embodiment of the present invention, the Cu-Co alloy dendrites may be formed by vitreous carbon (electrodeposition) for 300 to 700 seconds at an optimum potential of -0.6V to -1.2V, preferably at -0.8V for 600 seconds. GC) can be formed on the electrode. If the applied potential is greater than -0.6V, the amount of alloy formed is small and in the form of particles, while if it is less than -1.2V, a problem may occur that agglomerates of too many particles are formed around the dendrite structure. Increasing the reduction current with the time of the electrodeposition means that the Cu-Co is grown on the electrode surface, Cu-Co dendrites can be obtained through the following reaction formula.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Cu2 + + 2e- Cu ( = 0.34 V vs . SHE) Cu 2 + + 2e - Cu (E ° = 0.34 V vs . SHE)

Co2 + + 2e- ↔ Co (= -0.28 V vs . SHE) Co 2 + + 2e - ↔ Co (. E ° = -0.28 V vs SHE)

증착된 덴드라이트의 형상을 SEM을 이용하여 분석한 결과, 도 1과 같이 전형적인 다가지 트리 형태를 지닌 Cu-Co 덴드라이트 재료의 미세구조를 관찰할 수 있었다.As a result of analyzing the shape of the deposited dendrites using SEM, the microstructure of the Cu-Co dendrites having a typical tree shape as shown in FIG. 1 was observed.

상기 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극은 Cu 및 Co의 원자적 금속 함량 비율이 45 내지 65 % 및 35 내지 55 %인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 Cu 및 Co의 원자적 금속 함량 비율이 45 내지 60% 및 40 내지 55%일 수 있다.The Cu-Co alloy dendrite electrode is characterized in that the atomic metal content ratio of Cu and Co is 45 to 65% and 35 to 55%, more preferably the atomic metal content ratio of Cu and Co is 45 to 60% and 40-55%.

본 발명의 일실시예에 따른 Cu-Co 덴드라이트에서 Cu 및 Co의 함량 비율을 결정하기 위하여, 덴드라이트 줄기 및 가지의 표면을 따라 다른 포인트에서 Cu-Co 덴드라이트에 대한 EDX 분석을 수행하였다. 도 2와 같이, Cu:Co의 원자적 금속 함량 비율은 48.8:51.2 이었다. 줄기부터 가지까지 Cu 함량은 증가하였고, Co 함량은 감소하였다. 이는 Cu 및 Co의 확산 차이에 기인한 것으로 판단된다.
In order to determine the content ratio of Cu and Co in Cu-Co dendrites according to an embodiment of the present invention, EDX analysis was performed on Cu-Co dendrites at different points along the surface of the dendrite stems and branches. As shown in FIG. 2, the atomic metal content ratio of Cu: Co was 48.8: 51.2. The Cu content increased from the stem to the branch and the Co content decreased. This is believed to be due to the diffusion difference between Cu and Co.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극을 포함하는 바이오 센서가 글루코오스 검출 용도로 사용되는 경우, 이때 전위는 기준 전극 대비 +0.4V 내지 +0.9V, pH는 10 내지 14, 온도는 30℃ 내지 40℃ 일 수 있다. 보다 구체적으로, 전위는 기준전극 대비 +0.5V 내지 +0.7V, pH 는 12 내지 14, 온도는 33℃ 내지 37℃일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
In one embodiment of the present invention, when the biosensor including the Cu-Co alloy dendrites are used for glucose detection, the potential is + 0.4V to + 0.9V relative to the reference electrode, the pH is 10 to 14, The temperature may be 30 ° C to 40 ° C. More specifically, the potential may be + 0.5V to + 0.7V, a pH of 12 to 14, and a temperature of 33 ° C to 37 ° C relative to the reference electrode, but is not limited thereto.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극을 포함하는 바이오 센서가 과산화수소 검출 용도로 사용되는 경우, 이때 전위는 기준 전극 대비 -0.3V 내지 -0.6V, pH는 6 내지 8, 온도는 30℃ 내지 40℃ 일 수 있다. 보다 구체적으로, 전위는 기준전극 대비 -0.3V 내지 0.5V, pH는 6.5 내지 7.5, 온도는 33℃ 내지 37℃일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, when the biosensor including the Cu-Co alloy dendrites are used for hydrogen peroxide detection, the potential is -0.3V to -0.6V, pH is 6 to 8, compared to the reference electrode The temperature may be 30 ° C to 40 ° C. More specifically, the potential may be -0.3V to 0.5V, a pH of 6.5 to 7.5, and a temperature of 33 ° C to 37 ° C relative to the reference electrode, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

<< 실시예Example 1>  1> CuCu , , CoCo  And CuCu -- CoCo 합금 덴드라이트 전극 제작 Alloy Dendrite Electrode Fabrication

GC는 Cu 전극(직경 = 3.0 mm)을 연마천 상에 0.5㎛ 알루미나 파우더를 이용하여 경면 마무리(mirror finish)로 연마한 후, 증류수로 세정하였다. Cu 덴드라이트 전극 또는 Co 덴드라이트 전극은 각각 0.01M CuCl2 또는 0.01M CoCl2·6H2O를 포함하는 0.1M Na2SO4 용액에서 제작되었다. 한편, Cu-Co 합금 덴드라이트 전극은 0.01M CuCl2 및 0.01M CoCl2를 포함하는 0.1M Na2SO4 용액에서 전기증착에 의해 제작되었다. 이때, 전기증착은 -0.8V에서 600초 동안 Kosentech Model KST-P1을 이용하여 수행되었으며 사용된 혼합 용액은 전기증착 30분 전에 질소 가스로 퍼즈시켜 사용하였다.GC polished the Cu electrode (diameter = 3.0 mm) with a mirror finish using 0.5 micrometer alumina powder on an abrasive cloth, and then washed with distilled water. Cu dendrites or Co dendrites were fabricated in 0.1M Na 2 SO 4 solution containing 0.01M CuCl 2 or 0.01M CoCl 2 .6H 2 O, respectively. On the other hand, Cu-Co alloy dendrites were produced by electro deposition in 0.1M Na 2 SO 4 solution containing 0.01M CuCl 2 and 0.01M CoCl 2 . At this time, the electrodeposition was carried out using Kosentech Model KST-P1 for 600 seconds at -0.8V and the mixed solution used was purged with nitrogen gas 30 minutes before the electrodeposition.

전기증착 시간에 따라 환원 전류가 증가한 것은 Cu-Co가 전극 표면 상에서 성장한 것을 의미하며, 하기 반응식을 통해 Cu-Co 덴드라이트를 얻을 수 있다.Increasing the reduction current with the time of the electrodeposition means that the Cu-Co is grown on the electrode surface, Cu-Co dendrites can be obtained through the following reaction formula.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Cu2 + + 2e- Cu ( = 0.34 V vs . SHE) Cu 2 + + 2e - Cu (E ° = 0.34 V vs . SHE)

Co2 + + 2e- ↔ Co (= -0.28 V vs . SHE)
Co 2 + + 2e - ↔ Co (. E ° = -0.28 V vs SHE)

또한, 이중층 덴드라이트는 2 단계를 거쳐 제작되었다. Cu//Co 이중층 덴드라이트의 경우, 첫번째로 Cu 덴드라이트가 상기 방법으로 제작된 후, 0.01M CoCl2·6H2O이 용액에 첨가되고 Co 덴드라이트가 Cu 덴드라이트 상에 형성되었다. Co//Cu 이중층 덴드라이트는 상기 방법과 유사하지만 Co와 Cu 순서를 바꾸어 수행하는 방법으로 제조되었다. 그 후 0.1M HCl 용액, 아세톤, 에탄올 및 물의 순서로 전극을 수회 세정하였다.
In addition, the double layer dendrites were produced through two steps. In the case of Cu // Co bilayer dendrites, Cu dendrite was first produced in this manner, then 0.01 M CoCl 2 .6H 2 O was added to the solution and Co dendrites were formed on the Cu dendrites. Co // Cu bilayer dendrites were prepared in a similar manner to the above method, but by changing the order of Co and Cu. The electrode was then washed several times in the order of 0.1 M HCl solution, acetone, ethanol and water.

<< 실시예Example 2>  2> CuCu , , CoCo  And CuCu -- CoCo 합금 덴드라이트 전극의 물성 검토 Examination of physical properties of alloy dendrites

1. One. SEMSEM 이미지 image

실시예 1에서 증착된 덴드라이트의 형상을 SEM을 이용하여 분석한 결과, 도 1과 같이 전형적인 다가지 트리 형태를 지닌 Cu-Co 덴드라이트 재료의 미세구조를 관찰할 수 있었다.
As a result of analyzing the shape of the dendrite deposited in Example 1 using SEM, it was possible to observe the microstructure of the Cu-Co dendrite material having a typical multi-tree shape as shown in FIG.

2. 2. EDXEDX 분석 analysis

실시예 1에서 증착된 덴드라이트에서 Cu 및 Co의 함량 비율을 결정하기 위하여, 덴드라이트 줄기 및 가지의 표면을 따라 다른 포인트에서 Cu-Co 덴드라이트에 대한 EDS 분석을 수행하였다. 도 2와 같이, Cu:Co의 원자적 금속 함량 비율은 48.8:51.2 이었다. 줄기부터 가지까지 Cu 함량은 증가하였고, Co 함량은 감소하였다. 이는 Cu 및 Co의 확산 차이에 기인한 것으로 판단된다. 다양한 위치에서 Cu:Co의 원자 금속 함량 비율은 하기 표 1과 같다. 금속 이온의 적절한 농도 구배는 잘 구별된 덴드라이트의 성공적 성장을 위해 필수적이라고 알려져 있다.In order to determine the content ratio of Cu and Co in the dendrites deposited in Example 1, EDS analysis was performed for Cu-Co dendrites at different points along the surface of the dendrites stems and branches. As shown in FIG. 2, the atomic metal content ratio of Cu: Co was 48.8: 51.2. The Cu content increased from the stem to the branch and the Co content decreased. This is believed to be due to the diffusion difference between Cu and Co. The atomic metal content ratio of Cu: Co at various positions is shown in Table 1 below. An appropriate concentration gradient of metal ions is known to be essential for the successful growth of well-defined dendrites.

원자적 금속함량비율(%)Atomic metal content ratio (%) 전체all 줄기stem 가지Branch CuCu 48.848.8 49.349.3 54.954.9 CoCo 51.251.2 50.750.7 45.145.1

덴드라이트 형성 과정에서 Cu 및 Co의 분포를 조사하기 위해 양성 모드에서 TOF-SIMS를 사용하여 질량 스펙트럼 및 이미지를 획득하였다. 도 3은 Cu-Co 합금 덴드라이트의 이미지로 (a) Cu-3 + (m/z 190.80), (b) Co2 + (m/z 117.84), 및 (c) Cu3 + (red) 및 Co2 + (green) 이온 요소의 오버레이에 관한 것이다. 분석 면적은 10 x 10 μm2이며, TOF-SIMS이미지의 밝은 부분은 각 요소의 높은 분포도를 나타낸다. Cu-3 + 및 Co2 +가 명백한 시그널을 보여 가장 많이 분포하고 있는 이온으로 판단되었으며, 이러한 TOF-SIMS 이미지는 SEM 이미지에서 볼 수 있는 형태학과 유사하다. Cu 및 Co는 덴드라이트 형성 과정에서 매우 밀접하고 상보적으로 교차하며 쌓였다. 다공성 합금 덴드라이트에서 Cu 및 Co의 이러한 균일한 분포는 글루코오스 산화 및 H2O2 환원의 촉매 반응을 보다 용이하게 한다.
Mass spectra and images were acquired using TOF-SIMS in positive mode to investigate the distribution of Cu and Co during dendrite formation. Figure 3 is an image of Cu-Co alloy dendrite (a) Cu- 3 + (m / z 190.80), (b) Co 2 + (m / z 117.84), and (c) Cu 3 + (red ) and Co relates to a 2 + (green) of the overlay element ion. The analysis area is 10 × 10 μm 2 , and the bright part of the TOF-SIMS image shows the high distribution of each element. Cu- 3 + ions, and was determined to Co 2 +, which is most often distributed to show a clear signal, such TOF-SIMS image is similar to a form that can be seen in the SEM image of the Department. Cu and Co accumulated very closely and complementarily in the process of dendrite formation. This uniform distribution of Cu and Co in the porous alloy dendrites makes the catalysis of glucose oxidation and H 2 O 2 reduction easier.

3. 3. EDXEDX 분석 analysis

실시예 1에서 증착된 덴드라이트에서의 Cu-Co 금속 상태를 결정하기 위하여 X'pert PRO MRD system model을 이용하여 XRD 패턴을 분석하였고, 도 4와 같이 3개의 명확하게 구별되는 주피크를 약 43, 50 및 73의 2θ°에서 관찰하였고, 44 및 51의 2θ°에서 부수적 피크가 관찰되었으며, 이는 결정화된 구조를 의미하며, 모든 지표 피크는 면심입방(fcc)으로 확인되었고, 전기증착된 fcc 구리 및 fcc 코발트에 대응하는 회절각에서 나타났다. Co의 피크 강도는 Cu의 피크 강도보다 더 강하였고, 이는 EDX 결과와 일치한다. Cu-Co 회절 피크는 매우 구별되어 합금이 전극 상에 성공적으로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
In order to determine the Cu-Co metal state in the dendrites deposited in Example 1, the XRD pattern was analyzed using the X'pert PRO MRD system model, and three clearly distinguished main peaks as shown in FIG. Observed at 2θ ° of, 50 and 73, and incidental peaks were observed at 2θ ° of 44 and 51, indicating a crystallized structure, all surface peaks identified as face centered cubic (fcc), electro-deposited fcc copper And at diffraction angles corresponding to fcc cobalt. The peak intensity of Co was stronger than the peak intensity of Cu, which is consistent with the EDX results. Cu-Co diffraction peaks were very distinct and confirmed that the alloy was successfully formed on the electrode.

4. 4. XPSXPS 분석 analysis

실시예 1에서 증착된 덴드라이트에서 금속의 산화상태를 KBSI에서 전하 보상을 포함한 단색성 Al Kα원을 지닌 VG Scientific ESCALAB 250 XPS 분광분석기를 이용하여 XPS를 분석하였다. 글루코오스 산화의 전위는 0.7V, 과산화수소 환원 전위는 -0.6V로 하였다.The oxidation state of the metal in the dendrites deposited in Example 1 was analyzed by XPS using a VG Scientific ESCALAB 250 XPS spectrometer with monochromatic Al Kα source including charge compensation in KBSI. The potential of glucose oxidation was 0.7 V and the hydrogen peroxide reduction potential was -0.6 V.

도 5에 나타난 바와 같이, XPS 스펙트럼은 덴드라이트의 (a) Cu2p3 /2 및 (b) Co2p3 /2 피크를 나타낸다. 스펙트럼 (Ⅰ)은 600.0초동안 -0.8V에서 형성된 순수 덴드라이트에 관한 것이고, 스펙트럼 (Ⅱ)는 0.7V에서 0.1M NaOH 용액에서 산화된 덴드라이트에 관한 것이고, 스펙트럼 (Ⅲ)은 0.7V에서 1.0mM 글루코오스를 포함하는 0.1M NaOH 용액에서 산화된 덴드라이트에 관한 것이며, 스펙트럼 (Ⅳ)는 -0.6V에서 1.0mM H2O2를 포함하는 PBS에서 환원된 덴드라이트에 관한 것이다. As it is shown in FIG. 5, XPS spectra of the dendrite (a) Cu2p 3/2, and (b) shows a Co2p 3/2 peak. Spectrum (I) relates to pure dendrites formed at -0.8V for 600.0 seconds, Spectrum (II) relates to dendrites oxidized in 0.1M NaOH solution at 0.7V, and spectrum (III) is 1.0 at 0.7V. Dendrites oxidized in 0.1 M NaOH solution containing mM glucose, spectrum (IV) relates to dendrites reduced in PBS containing 1.0 mM H 2 O 2 at −0.6 V.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 스펙트럼 (Ⅰ)의 순수 덴드라이트는 각각 Cu0 및 Co0 에 대응하는 932.0 및 778.2 eV 위치에서의 피크를 보였고, 이때 Cu 및 Co는 환원된 금속 상태이다. As can be seen in FIG. 5, the pure dendrites of spectrum (I) showed peaks at 932.0 and 778.2 eV positions corresponding to Cu 0 and Co 0 , respectively, wherein Cu and Co are in the reduced metal state.

도 5(a)의 스펙트럼 (Ⅱ)에서, Cu0의 932.5 및 934.6 eV에 넓게 걸친 932.0 eV에서의 피크는 Cu+(932.5 eV) 및 Cu2+(934.6 eV) 형성에 대응하며, 940.0~943.5 eV 에 걸친 추가적인 넓은 피크는 Cu2 +의 형성에 기인한다. 이 경우, 932.5 eV에서의 Cu+ 피크의 강도는 934.6 eV에서의 Cu2 + 피크의 강도보다 강한데, 이는 블랭크 NaOH 용액 중 덴드라이트의 산화과정에서 Cu+ 이온의 형성이 Cu2 + 이온의 형성보다 많음을 시사한다. In spectrum (II) of FIG. 5 (a), the peak at 932.0 eV, broadly covering 932.5 and 934.6 eV of Cu 0 , corresponds to the formation of Cu + (932.5 eV) and Cu 2+ (934.6 eV), 940.0-943.5 additional broad peak over eV is due to the formation of Cu + 2. In this case, the strength of the Cu + peak at 932.5 eV is s overwhelming than the strength of Cu 2 + peak at 934.6 eV, which blank in the oxidation of the dendrites of the NaOH solution, the formation of Cu + ions, plenty the formation of Cu 2 + ions Suggests.

도 5(b)의 스펙트럼 (Ⅱ)에서는, Co0의 781.1 및 780.1 eV의 작은 피크는 Co2 + 및 Co3 + 형성에 대응하며, 784.9 주변 및 787.0 eV 의 추가적인 작은 피크는 Cu2 +및 Co3+ 형성에 기인한다. 이 경우, Co2 + (781.1eV) 피크는 Co3+ (780.1 eV) 보다 강한데, 이는 블랭크 NaOH 용액 중 덴드라이트의 산화과정에서 Co2 + 이온의 형성이 Co3 + 이온의 형성보다 많음을 시사한다. 1.0mM 글루코오스가 NaOH 용액에 존재하는 덴드라이트에서 산화될 때, Cu+ 피크 강도는 Cu0 강도와 동일하게 나타나는 것으로 도 5a의 스펙트럼 (Ⅲ)에서 관측되었고, 산화된 Cu 와 Co 이온에 대응하는 피크는 Cu 및 Co 금속보다 더 높게 나타났다. 이는 덴드라이트 표면은 글루코오스 존재 하에서 Cu+ 상태로 주로 산화되며 이는 글루코오스 존재로 인한 추가적인 촉매 산화반응에 의한 것임을 의미한다. The spectrum (Ⅱ) of FIG. 5 (b), a small peak of 781.1 and 780.1 eV in Co 0 corresponds to the Co 2 + and Co 3 + form, additional small peak of 784.9 around 787.0 eV is Cu 2 + and Co Due to 3+ formation. In this case, Co 2 + (781.1eV) peaks suggest the formation of Co 2 + ions, plenty the formation of Co 3 + ion in the oxidation process of the dendrites of the s overwhelming, which blank NaOH solution than Co 3+ (780.1 eV) do. When 1.0 mM glucose was oxidized in the dendrites present in the NaOH solution, the Cu + peak intensity was observed in spectrum (III) of FIG. 5A to appear identical to the Cu 0 intensity, the peak corresponding to the oxidized Cu and Co ions. Was higher than Cu and Co metals. This means that the dendrite surface is mainly oxidized to the Cu + state in the presence of glucose, which is due to further catalytic oxidation due to the presence of glucose.

과산화수소(H2O2) 환원 반응에 관한 XPS 스펙트럼은 -0.6V에서 과산화수소 존재 유무 조건에서 덴드라이트가 환원 반응의 전극으로 사용될 때 얻었다. XPS spectra for the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) reduction reaction were obtained when dendrites were used as the electrode for the reduction reaction at -0.6V with and without hydrogen peroxide.

과산화수소가 존재하지 않는 블랭크 용액(PBS)에서는 932.0 및 778.2 eV 에서 Cu0 및 Co0 각각에 대응하는 피크만이 검출되었다(도 5의 (Ⅰ) 참조). 반면, 1.0mM H2O2를 포함하는 PBS에 존재하는 덴드라이트 전극에 -0.6V의 환원전위를 인가한 후에는, 도 5의 (Ⅳ)에서 볼 수 있는 바와 같이 산화된 Cu 및 Co 이온의 피크가 주된 Cu 및 Co 금속 피크와 함께 검출되었다. 이 경우, 그러나, Cu2 + 이온의 피크(934.6 eV) 강도는 Cu+(932.5 eV)의 피크 강도보다 높고, Co3 + 피크(780.1 eV)의 강도는 Co2 +(781.1 eV)의 강도보다 높게 나타났다. 이러한 환원 과산화수소 환원 과정 중 덴드라이트 표면에 형성된 산화된 이온의 상대적인 피크 강도를 글루코오스 산화 과정과 비교할 때, 덴드라이트 표면의 Cu 및 Co 이온은 글로코오스 및 과산화수소의 촉매적 산화환원 반응과 모두 연관되어 있음을 알 수 있었다. 글루코오스 산화의 경우 덴드라이트 표면은 Cu+ 및 Co2 +가 Cu2 + 및 Co3 +에 비해 글루코오스 산화 후 많이 형성되었다. 반면, H2O2 환원 후에는 Cu2 + 및 Co3 +가 Cu+ 및 Co2 +보다 많이 형성되었다. 이러한 결과를 통해, 글루코오스 용액 중 +0.7 V에서 덴드라이트 표면의 산화로 인해 생성되는 Cu2 + 및 Co3 +는 글루코오스의 산화 반응의 촉매반응을 통해 Cu+ 및 Co2 + 로 환원되고, 과산화수소에 의해 생성된 Cu+ 및 Co2 +는 -0.6V에서 과산화수소 환원반응의 촉매작용으로 인해 Cu2 + 및 Co3 +로 산화됨을 알 수 있었다. 이러한 결과에 따르면, 덴드라이트 표면은 Cu+, Cu2 +, Co2 +, 및 Co3 +과 같은 다양한 종류의 산화 이온이 존재할 것이고, 이는 덴드라이트 표면에서 Cu2O, CuO, Cu(OH)2, CoO, Co(OH)2, Co2O3, CoOOH 등으로 존재할 것이다.
In the blank solution (PBS) without hydrogen peroxide, only peaks corresponding to Cu 0 and Co 0 were detected at 932.0 and 778.2 eV, respectively (see FIG. 5 (I)). On the other hand, after applying a reduction potential of -0.6 V to the dendrites of the PBS containing 1.0 mM H 2 O 2 , as shown in (IV) of FIG. Peaks were detected with the main Cu and Co metal peaks. In this case, however, Cu 2 + intensity peak (934.6 eV) of the ions is higher than the peak intensity of Cu + (932.5 eV), than the strength of the Co 3 + peak (780.1 eV) strength of Co 2 + (781.1 eV) of High. When the relative peak intensities of the oxidized ions formed on the dendrite surface during the reduction hydrogen reduction process are compared with the glucose oxidation process, the Cu and Co ions on the dendrite surface are associated with both the catalytic redox reaction of glocose and hydrogen peroxide. And it was found. In the case of glucose oxidation dendrite surface was formed much after glucose oxidation as compared to Cu + 2 and Co + is Cu 2 + 3 and Co +. While H 2 O 2 After the reduction is the Cu + 2 and Co + 3 was formed than Cu + 2 and Co +. With this result, Cu + 2 and Co + 3 is generated by at +0.7 V of the oxidation of glucose solution in den Dendrite surface is reduced to Cu + 2 and Co + through a catalytic reaction of oxidation of glucose, the hydrogen peroxide It was found that Cu + and Co 2 + produced by the oxidation of Cu 2 + and Co 3 + due to the catalysis of hydrogen peroxide reduction reaction at -0.6V. According to these results, the dendrite surface will be present with various kinds of oxide ions such as Cu + , Cu 2 + , Co 2 + , and Co 3 + , which means Cu 2 O, CuO, Cu (OH) at the dendrite surface. 2 , CoO, Co (OH) 2 , Co 2 O 3 , CoOOH and the like.

5. 덴드라이트 전극에서의 글루코오스 산화의 전기화학적 촉매작용 분석 5. Electrochemical Catalytic Analysis of Glucose Oxidation at Dendrites

Cu-Co 합금 덴드라이트 전극에서 글루코오스 산화 메커니즘을 측정하기 위해, 조절전위법 전량분석(controlled potential coulometry) 및 HPLC-ESI MS 분석기를 사용하여 글루코오스 산화 반응에 참여하는 전자 수를 조사하였다. In order to measure the glucose oxidation mechanism in Cu-Co alloy dendrites, the number of electrons participating in the glucose oxidation reaction was investigated using controlled potential coulometry and HPLC-ESI MS analyzer.

전량 분석 실험은 5.0mL 블랭크(0.1M NaOH) 및 1.0μM 글루코오스 용액을 포함하는 용액 각각을 대상으로 수행하였다. 글루코오스 산화 전위는 +0.6V로 100분간 적용되었고, 두 경우 다, Q값은 -19.7 및 -25.5mC로 100분간 각각 유지되었다. 전량 분석 결과, 글루코오스 산화는 Cu-Co 합금 덴드라이트에서 12.02 ± 0.15 전자를 통해 수행되는 것으로 조사되었다. Cu, Co 및 Cu-Co 덴드라이트 전극의 글루코오스 음극 산물은 HPLC-ESI MS 시스템으로 분석되었고, 결과를 표 2에 나타내었다. Whole volume assays were performed for each solution comprising 5.0 mL blank (0.1 M NaOH) and 1.0 μM glucose solution. The glucose oxidation potential was applied at + 0.6V for 100 minutes, and in both cases, the Q values were maintained at -19.7 and -25.5 mC for 100 minutes, respectively. As a result of the total analysis, glucose oxidation was found to be performed through 12.02 ± 0.15 electrons in the Cu-Co alloy dendrites. The glucose negative electrode products of Cu, Co and Cu-Co dendrites were analyzed by HPLC-ESI MS system and the results are shown in Table 2.

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Cu 덴드라이트 전극은 글루코오스를 12-전자가 포함되어 있는 산물인 포름산으로 97% 산화시켰고, 이는 Cu 전극이 글루코오스를 포름산으로 부반응 없이 산화시킨다는 선행 문헌의 결과와 일치한다. 반면, Cu-Co 덴드라이트 전극은 글루코오스를 포름산으로 90.4% 산화시켰으며, 글리콜레이트(3.2%), 옥살레이트(1.4%), 글루칼레이트(1.9%) 및 글리셀레이트(1.2%)로 산화시켰다. Co 덴드라이트 전극에서는 글루코오스는 포름산으로 약 75.8% 산화되었으며, Cu-Co 덴드라이트 전극과 동일한 부반응 산물이 검출되었다.
The Cu dendrite electrode oxidized glucose to 97% with formic acid, a product containing 12-electrons, which is consistent with the results of the prior literature that the Cu electrode oxidizes glucose with formic acid without side reactions. In contrast, Cu-Co dendrite electrodes oxidized glucose to formic acid 90.4%, and oxidized to glycolate (3.2%), oxalate (1.4%), glucalate (1.9%), and glycelate (1.2%). I was. In the Co dendrites, glucose was oxidized about 75.8% with formic acid, and the same side reaction products as the Cu-Co dendrites were detected.

6. 순환전압전류(6. Circulating voltage current CVCV ) 분석) analysis

글루코오스의 산화에서 실시예 1의 덴드라이트의 촉매적 특징을 평가하기 위하여, 0.1M NaOH 용액(점선)과 10.0mM 글루코오스 포함 용액(실선)에서 나전극인 GC, Cu, Co 및 Cu-Co 합금 덴드라이트에 대한 순환전압전류(CV)를 측정하였다(도 6 참조).To evaluate the catalytic characteristics of the dendrites of Example 1 in the oxidation of glucose, the negative electrode GC, Cu, Co and Cu-Co alloy dens in 0.1 M NaOH solution (dotted line) and 10.0 mM glucose containing solution (solid line) Cyclic voltage current (CV) for the dry was measured (see FIG. 6).

그 결과, 도 6의 a와 같이 블랭크 용액에서는 나전극 GC에 관한 어떠한 환원 피크를 관찰하지 못하였다. 반면, Cu 덴드라이트 전극에 관한 CV는 도 6의 b와 같이 +0.28/+0.37 V에서 산화환원 피크(Epc/Epa)를 나타내었고, 도 6의 c와 같이 Co 덴드라이트 전극에 관한 CV는 +0.14/+0.18 V에서 산화환원 피크(Epc/Epa)를 나타내었다. 이는 Cu 및 Co 자체의 산화환원 커플과 일치하였다. 도 6에서 d와 같이, Cu-Co 합금 덴드라이트 전극에 관한 산화환원 피크는 블랭크 용액에서 +0.16/+0.20 근처에서 관찰되었다.As a result, no reduction peak with respect to the bare electrode GC was observed in the blank solution as shown in FIG. On the other hand, the CV for the Cu dendrite electrode showed a redox peak (E pc / E pa ) at + 0.28 / + 0.37 V as shown in b of FIG. 6, and the CV for the Co dendrite electrode as shown in FIG. Shows a redox peak (E pc / E pa ) at + 0.14 / + 0.18 V. This is consistent with the redox couples of Cu and Co itself. As in d in FIG. 6, redox peaks for the Cu—Co alloy dendrites were observed near + 0.16 / + 0.20 in the blank solution.

도 6에 나타난 실선으로 표시된 순환전압전류(CV)는 10.0mM 글루코오스 포함 0.1M NaOH 용액에서의 Cu, Co 및 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극에 대한 것이다. Cu 덴드라이트 전극에서 글루코오스의 글루콘산으로의 촉매적 산화 피크는 +0.51V에서 관찰되었고, 피크 전류는 105.9 μA로 결정되었다(도 6의 b). Co 덴드라이트의 경우에는, 글루코오스 산화에 관한 피크 전류는 +0.56 V에서 관찰되었고, 이는 Cu보다 높았고, 촉매적 피크 전류는 111.7μA로 결정되었다(도 6의 c). 반면, Cu-Co 합금 덴드라이트에서 글루코오스의 산화 피크는 +0.57 V에서 관찰되었고, 이는 Cu 또는 Co 단독 덴드라이트 전극보다 높았다(도 6의 d). Cu-Co 합금 덴드라이트 전극에 관해 기록된 글루코오스 산화의 촉매적 피크 전류는 1.11mA이었고, 이는 Cu 또는 Co 단독 덴드라이트 전극보다 각각 10.5배 및 9.9배 높았다. 상기 피크는 pH 13 용액의 전극에서의 글루코스 산화의 촉매작용에 포함되는 Cu+의 Cu2 +로의 산화 및 Co2 + 의 Co3 +로의 산화에 대응하였다. Cu+ 및 Co2 +는 처음 전기화학적으로 Cu2 + 및 Co3 + 로 산화되고, 그 후 글루코오스와 반응하여 산화물을 생성하고 촉매의 재생이 일어나는 것으로 판단된다. The cyclic voltammograms (CV) indicated by solid lines in FIG. 6 are for Cu, Co and Cu-Co alloy dendrites in 0.1 M NaOH solution containing 10.0 mM glucose. The catalytic oxidation peak of glucose to gluconic acid at the Cu dendrite electrode was observed at +0.51 V and the peak current was determined to be 105.9 μA (FIG. 6 b). In the case of Co dendrites, the peak current on glucose oxidation was observed at +0.56 V, which was higher than Cu and the catalytic peak current was determined to be 111.7 μA (FIG. 6 c). In contrast, the oxidation peak of glucose in Cu—Co alloy dendrites was observed at +0.57 V, which was higher than that of Cu or Co alone dendrites (FIG. 6 d). The catalytic peak current of glucose oxidation recorded for the Cu—Co alloy dendrites was 1.11 mA, which was 10.5 and 9.9 times higher than Cu or Co alone dendrites, respectively. The peak was corresponding to the oxidation of Cu + Cu 2 + oxidation and Co 2 + Co 3 + to the contained in the catalysis of the glucose oxidation at a pH 13 solution electrode. Cu + 2 and Co + is oxidized to the first electrochemically Cu + 2 and Co + 3, then it is determined that reacts with glucose to produce an oxide and the regeneration of the catalyst takes place.

또한, 공기, 산소 또는 과산화수소 환원에 관한 덴드라이트 전극의 촉매전위를 조사하기 위하여, 0.1M PBS (pH 7.0, 점선) 및 10.0 mM H2O2 함유 PBS (실선)에서의 나전극 GC, Cu, Co 및 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극에 관한 CV를 측정하였다(도 7 참조). 블랭크 완충액에서, 나전극 GC에서는 어떠한 환원 피크도 관찰되지 않았다(도 7의 a). 반면, Cu 덴드라이트 전극에 관한 CV는 -0.16V에서 캐소드 피크가 나타났고(도 7의 b), Co 덴드라이트 전극에 관한 CV는 -0.43V에서 캐소드 피크가 나타났으며(도 7의 c), 이는 Cu2 +의 Cu+로의 환원과 Co3 +의 Co2 +로의 환원과 각각 대응하였다. 도 7의 d(점선)와 같이, Cu-Co 합금 덴드라이트 전극에 관한 CV에서의 캐소드 피크는 블랭크 용액에서 -0.22V로 나타났다. 덴드라이트 전극의 촉매능은 공기 및 산소와 비교하여 과산화수소 환원에 있어서 가장 높은 피크를 나타내었다. 과산화수소 용액에서의 덴드라이트 전극에 관한 CV는 도 7에서 실선으로 나타내었다. Cu 덴드라이트 전극에서의 과산화수소의 물로의 촉매적 환원 피크는 -0.23V에서 관찰되었고, 피크 전류는 165.0 μA이었다. Co 덴드라이트의 경우, 과산화수소 환원 피크가 -0.39 V에서 관찰되었고, 이는 Cu 덴드라이트보다 양의 값이었고, 촉매적 피크 전류는 230.4 μA이었다. 반면, Cu-Co 합금 덴드라이트 전극에 대해 측정된 과산화수소의 촉매적 피크 전류는 -0.31V에서 673.4 μA이었고, 이는 순수 Cu 및 Co 덴드라이트 전극의 그것과 비교하여 각각 4.1배 및 2.9배 증가된 것이었다.In addition, in order to investigate the catalytic potential of the dendrite electrode for air, oxygen or hydrogen peroxide reduction, the bare electrode GC, Cu, in 0.1 M PBS (pH 7.0, dotted line) and 10.0 mM H 2 O 2 containing PBS (solid line) CVs for the Co and Cu—Co alloy dendrites were measured (see FIG. 7). In the blank buffer, no reduction peak was observed in the bare electrode GC (FIG. 7 a). On the other hand, the CV for Cu dendrite electrode showed a cathode peak at -0.16V (FIG. 7B), and the CV for the Co dendrite electrode showed a cathode peak at -0.43V (C of FIG. 7). which was reduced corresponding to the reduction of Co 2 + Cu 2 + to the Cu + and Co + 3, respectively. As shown in FIG. 7 (d), the cathode peak in CV for the Cu—Co alloy dendrites was found to be -0.22 V in the blank solution. The catalytic performance of the dendrites showed the highest peak in hydrogen peroxide reduction compared to air and oxygen. CVs for dendrites in hydrogen peroxide solutions are shown in solid lines in FIG. 7. The catalytic reduction peak of hydrogen peroxide to water at the Cu dendrite electrode was observed at -0.23 V and the peak current was 165.0 μA. For Co dendrites, a hydrogen peroxide reduction peak was observed at -0.39 V, which was more positive than Cu dendrites and the catalytic peak current was 230.4 μA. In contrast, the catalytic peak current of hydrogen peroxide measured for Cu-Co alloy dendrites was 673.4 μA at -0.31 V, which was 4.1 and 2.9 times increased compared to that of pure Cu and Co dendrites, respectively. .

촉매 작용에서 단일 금속 Co 및 Cu의 역할을 확인하기 위해, 실시예 1에 개시한 바와 같이 단일금속 덴드라이트 Co 및 Cu 를 이중층 구조로 제작하였다. 내부층 Cu 덴드라이트 표면에 형성된 Co 덴드라이트는 용액에 노출되어 Co 덴드라이트 내부층 표면에 형성된 Cu 덴드라이트의 경우보다 더 큰 활성을 나타내었다. 이중층 덴드라이트는 Cu 또는 Co 덴드라이트 중 어떤 것이 글루코오스 및 H2O2 반응의 촉매 효과에 더 기여하는지 확인하기 위해 실시예 1의 방법으로 제조되었다. In order to confirm the role of the single metal Co and Cu in the catalysis, as described in Example 1, the single metal dendrite Co and Cu was produced in a double layer structure. Co dendrites formed on the inner layer Cu dendrites surface exhibited greater activity than those of Cu dendrites formed on the surface of the Co dendrites inner layer exposed to the solution. Bilayer dendrites are composed of either Cu or Co dendrites, either glucose or H 2 O 2 It was prepared by the method of Example 1 to see if it further contributed to the catalytic effect of the reaction.

도 8a는 -0.1 내지 +0.7V, -0.1M NaOH(점선) 및 1.0mM 글루코오스(실선), 50.0 mV/s로 Cu 덴드라이트(a) 또는 Co 덴드라이트(b) 가 외부에 노출된 이중층 전극에 대한 CV 측정 그래프에 관한 것이다. Co//Cu 이중층 덴드라이트가 블랭크(NaOH) 용액에 있을 때 산화환원 피크는 +0.18/+0.37 V 로 관찰되었고, Cu//Co 이중층 덴드라이트의 경우 +0.15/+0.27V 로 관찰되었다. 도 8a의 실선은 1.0mM 글루코오스를 포함하는 NaOH 용액에서 Co//Cu 또는 Cu//Co 이중층 덴드라이트 전극의 순환전압전류(CV)에 관한 것이다. 글루코오스의 산화 피크는 Co//Cu 이중층 덴드라이트 전극에서 +0.60V 로 나타났으며, 음극 피크 전류는 171.5 μA 로 나타났다. Cu//Co 이중충 덴드라이트 전극에서 글루코오스 산화 피크는 +0.62V로 나타났으며, 음극 피크는 Co//Cu 이중층 덴드라이트 전극의 경우보다 더 양성으로 나타났는데 음극 피크 전류는 Co//Cu 의 두배인 336.2 μA 로 나타났다.FIG. 8A shows a double layer electrode exposed to the outside of Cu dendrites (a) or Co dendrites (b) at −0.1 to +0.7 V, −0.1 M NaOH (dashed line) and 1.0 mM glucose (solid line), 50.0 mV / s. Relates to a CV measurement graph for. The redox peak was observed at + 0.18 / + 0.37 V when Co // Cu double layer dendrites were in the blank (NaOH) solution, and + 0.15 / + 0.27 V for Cu // Co bilayer dendrites. Solid lines in FIG. 8A show Co // Cu in a NaOH solution containing 1.0 mM glucose. Or it relates to the cyclic voltage current (CV) of the Cu / / Co double layer dendrites. The oxidation peak of glucose was + 0.60V at the Co // Cu double layer dendrites and the cathode peak current was 171.5 μA. Was Cu // Co appeared double charge in den Dendrite electrodes to glucose oxidation peak of + 0.62V, the negative peak was shown in a more positive than that of the Cu-layer Co // dendrite electrode negative peak current of Co // Cu Twice, 336.2 μA.

도 8b 의 (a)는 Co//Cu 이중층 덴드라이트 전극, (b) 는 Cu//Co 이중충 덴드라이트 전극에 관한 +0.1 내지 -0.6V 에서의 -0.1M NaOH(점선) 및 1.0mM 글루코오스(실선) 용액에 대한 CV 측정 그래프이다. 블랭크(NaOH) 용액에서 Co//Cu 의 경우 캐소드 피크는 -0.24V에서 관찰되었고, Cu//Co의 경우 -0.28V에서 관찰되었다. 실선은 1.0mM H2O2를 포함하는 PBS 용액에서 Co//Cu 또는 Cu//Co 이중층 덴드라이트 전극의 순환전압전류(CV)에 관한 것이다. H2O2의 H2O로의 전환에 따른 촉매적 캐소드 피크는 Co//Cu 이중층 덴드라이트에서 -0.27V에서 관찰되었고, 캐소드 피크 전류는 279.6 μA로 나타났다. Cu//Co 이중층 덴드라이트 전극의 H2O2 피크는 Co//Cu 이중층 덴드라이트의 경우에 비해 보다 낮은 -0.32V에서 관찰되었고, 캐소드 전류는 1.3배인 373.6 μA로 나타났다. 상기 결과를 통해, 상기 Co//Cu 또는 Cu//Co 이중층 덴드라이트 조성은 Cu 및 Co 단독의 덴드라이트보다 글루코오스 산화와 과산화수소 환원 모두에서 탁월한 촉매능을 보임을 알 수 있었다.
8B, (a) shows Co // Cu double layer dendrites and (b) shows -0.1M NaOH (dotted line) and 1.0 mM glucose at +0.1 to -0.6V for the Cu // Co double-fill dendrite electrodes. (Solid line) It is a graph of CV measurement with respect to a solution. Cathode peaks were observed at -0.24V for Co // Cu and -0.28V for Cu // Co in a blank (NaOH) solution. Solid lines show Co // Cu in a PBS solution containing 1.0 mM H 2 O 2 Or it relates to the cyclic voltage current (CV) of the Cu / / Co double layer dendrites. The catalytic cathode peak upon conversion of H 2 O 2 to H 2 O was observed at -0.27 V in Co // Cu double layer dendrites, with a cathode peak current of 279.6 μA. Cu // Co H 2 O 2 of double layer dendrites The peak was observed at -0.32V, which is lower than that of Co // Cu double layer dendrites, with a cathode current of 373.6 μA, 1.3 times. Through the above results, the Co // Cu or Cu // Co Bilayer dendrite composition showed better catalytic performance in both glucose oxidation and hydrogen peroxide reduction than those of Cu and Co alone.

앞서 살펴본 바와 같이, Cu-Co 덴드라이트는 보편적인 Cu 및 Co 전극과 비교하여 글루코오스 산화와 과산화수소 환원 모두에서 탁월한 촉매능을 나타내었으며, 따라서, 본 발명의 발명자는 Cu-Co 덴드라이트 전극을 글루코오스 및 과산화수소의 검출용 바이오 센서로 제작하여 그 성능을 검토하였다.
As discussed above, Cu-Co dendrite exhibited excellent catalytic capacity in both glucose oxidation and hydrogen peroxide reduction compared to conventional Cu and Co electrodes, and therefore, the inventors of the present invention found that Cu-Co dendrites We fabricated a biosensor for detecting hydrogen peroxide and examined its performance.

<< 실시예Example 3> 글루코오스 또는 과산화수소 검출용 센서 제조 및 성능 측정 3> Manufacturing and performance measurement of glucose or hydrogen peroxide sensor

Cu-Co 덴드라이트 전극을 글루코오스 및 과산화수소 검출 용도로 사용하기 위해, pH, 적용 전위, 및 온도에 대한 최적화 실험을 수행하였고, 결과를 도 9에 나타내었다(A: 글루코오스, B: 과산화수소). 글루코오스 검출에 있어서 최적 pH, 적용 전위 및 온도는 각각 13.0, +0.65 V 및 35.0 ℃로 나타났고, 과산화수소 검출에 있어서 최적 pH, 적용 전위 및 온도는 각각 7.0, -0.5 V 및 35.0 ℃로 나타났다.
In order to use the Cu-Co dendrite electrode for glucose and hydrogen peroxide detection applications, optimization experiments were performed for pH, applied potential, and temperature, and the results are shown in FIG. 9 (A: glucose, B: hydrogen peroxide). The optimum pH, application potential and temperature for glucose detection were 13.0, +0.65 V and 35.0 ° C., respectively, and the optimum pH, application potential and temperature for detection of hydrogen peroxide were 7.0, -0.5 V and 35.0 ° C., respectively.

상기 최적화된 조건 하에서, 글루코오스 및 과산화수소의 바이오센서에 대한 전류 측정을 수행하였다. 도 10a는 0.1M NaOH 용액에서 글루코오스의 양의 추가에 따른 일반적인 전류-시간 플롯을 나타낸다. Cu-Co 덴드라이트 전극을 통한 글루코오스의 전기-산화에 적용된 전위는 +0.6V 이었다. 산화 전류는 전위가 적용됨에 따라 급격히 증가하여 안정된 값까지 도달하였다. 검량선은 글루코오스의 전류 반응을 보여준다. 글루코오스 양이 증가함에 따라 전류 차는 음성적으로 증가하였다. 글루코오스의 반응은 5.0 nM 내지 1.4 mM 범위에서 선형이었고, 이때 상관 계수는 0.999 였다. Cu-Co 덴드라이트 전극을 통한 글루코오스의 검출 한계는 0.5 ± 0.1 nM로 나타났다. Under the optimized conditions, current measurements were performed on biosensors of glucose and hydrogen peroxide. 10A shows a typical current-time plot with the addition of the amount of glucose in 0.1 M NaOH solution. The potential applied to the electro-oxidation of glucose through the Cu-Co dendrites was + 0.6V. The oxidation current rapidly increased as the potential was applied to reach a stable value. The calibration curve shows the current response of glucose. As the amount of glucose increased, the current difference increased negatively. The response of glucose was linear in the range from 5.0 nM to 1.4 mM, with a correlation coefficient of 0.999. The limit of detection of glucose through the Cu-Co dendrites was found to be 0.5 ± 0.1 nM.

도 10b는 과산화수소의 계속적인 추가에 따른 일반적인 전류-시간 플롯을 나타낸다. 안정적인 상태 반응은 전위가 -0.35V일 때 나타났다. 검량선은 덴드라이트 전극의 전류 반응을 통해 얻어졌고, 전류 반응은 과산화수소 양과 선형 관계를 보였고, 과산화수소 범위가 10.0 nM 내지 1.1 mM일 때 상관 계수는 0.998이었다. Cu-Co 덴드라이트 전극을 통한 과산화수소의 검출 한계는 0.75 ± 0.2 nM로 나타났다.10B shows a general current-time plot with the continued addition of hydrogen peroxide. Steady state response was seen when the potential was -0.35V. The calibration curve was obtained through the current reaction of the dendrite electrode, the current response was linearly related to the amount of hydrogen peroxide, and the correlation coefficient was 0.998 when the hydrogen peroxide range was 10.0 nM to 1.1 mM. The limit of detection of hydrogen peroxide through the Cu-Co dendrites was 0.75 ± 0.2 nM.

이러한 결과는 Cu-Co 덴드라이트가 글루코오스 산화 및 과산화수소 환원에 대한 촉매 활성이 있어 연료전지, 글루코오스 및 과산화수소 센서에 관한 촉매로 폭넓게 사용될 수 있음을 시사한다.
These results suggest that Cu-Co dendrite has a catalytic activity against glucose oxidation and hydrogen peroxide reduction and thus can be widely used as a catalyst for fuel cells, glucose and hydrogen peroxide sensors.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Having described the specific parts of the present invention in detail, it will be apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (6)

기준 전극, 상대 전극 및 작업 전극을 포함하는 글루코오스 바이오 센서에 있어서, 상기 작업 전극은 -0.6V 내지 -1.2V의 전위로 300 내지 700초 동안 전기증착을 통해 유리질 탄소 전극 또는 구리 판상에 형성된 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극인 것인 글루코오스 바이오센서.
In a glucose biosensor comprising a reference electrode, a counter electrode and a working electrode, the working electrode is formed of Cu—formed on a glassy carbon electrode or a copper plate through electrodeposition for 300 to 700 seconds at a potential of −0.6 V to −1.2 V. Glucose biosensor that is a Co alloy dendrites electrode.
제1항에 있어서,
상기 바이오센서는 전위가 기준 전극 대비 +0.4V 내지 +0.9V, pH는 10 내지 14, 온도는 30℃ 내지 40℃ 인 것인 글루코오스 바이오센서.
The method of claim 1,
The biosensor has a potential of +0.4 V to +0.9 V, a pH of 10 to 14, and a temperature of 30 ° C. to 40 ° C. relative to the reference electrode.
제1항에 있어서,
상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극인 것인 글루코오스 바이오센서.
The method of claim 1,
The reference electrode is a glucose biosensor that is an Ag / AgCl electrode.
기준 전극, 상대 전극 및 작업 전극을 포함하는 과산화수소 바이오 센서에 있어서, 상기 작업 전극은 -0.6V 내지 -1.2V의 전위로 300 내지 700초 동안 전기증착을 통해 유리질 탄소 전극 또는 구리 판상에 형성된 Cu-Co 합금 덴드라이트 전극인 것인 과산화수소 바이오센서.
In a hydrogen peroxide biosensor comprising a reference electrode, a counter electrode, and a working electrode, the working electrode is formed of Cu— formed on a glassy carbon electrode or a copper plate through electrodeposition for 300 to 700 seconds at a potential of −0.6 V to −1.2 V. Hydrogen peroxide biosensor that is a Co alloy dendrite electrode.
제4항에 있어서,
상기 바이오센서는 전위가 기준 전극 대비 -0.3V 내지 -0.6V, pH는 6 내지 8, 온도는 30℃ 내지 40℃ 인 것인 과산화수소 바이오센서.
5. The method of claim 4,
The biosensor is a hydrogen peroxide biosensor that has a potential of -0.3V to -0.6V, a pH of 6 to 8, a temperature of 30 ℃ to 40 ℃ compared to the reference electrode.
제4항에 있어서,
상기 기준 전극은 Ag/AgCl 전극인 것인 과산화수소 바이오센서.
5. The method of claim 4,
The reference electrode is a hydrogen peroxide biosensor that is an Ag / AgCl electrode.
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