Tris (2,2'-bipyridyl) ruthenium (II)를 포함한 졸-겔 실리케이트 막의 전기화학발광 특성 및 응용

김동현 연세대학교 대학원 2003 국내석사

현대에 들어오면서 생물학적 분자에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며 그와 더불어 생물학적 시료의 정량, 정성적인 분석의 중요성도 높아지고 있다. Ru(bpy)_(3)^(2+)를 이용한 전기화학발광 검출은 특히 2차나 3차 아민기를 포함하는 생물학적인 물질에 대하여 선택적이고 감도 높은 검출법으로 근래에 들어서 각광받고 있다. 그러나 전기 화학발광법은 반응 시약을 계속 전극에 공급 해야 하는 한다는 단점이 있다. 따라서 바이오센서에 응용되기 위해서는 Ru(bpy)_(3)^(2+)를 전극에 고정할 필요성이 있다. 본 연구의 목적은 Ru(bpy)_(3)^(2+) 유도체를 ITO(Indium Tin Oxide)전극에 실리케이트 졸 겔 방식으로 고정함으로써 분석물질에 대하여 재현성 있고 안정성 있는 검출법을 제시하고 전기화학발광법을 이용한 DNA 이중결합 검출에의 응용가능성을 알아보았다. Ru(bpy)_(3)^(2+)의 리간드의 끝에 methoxy silane을 붙이면 이는 실리케이트 졸-겔 반응에 의해 상온에서 고형화 되며 ITO전극과 공유결합을 통하여 붙어 있게 된다. Ru(bpy)_(3)^(2+)사이의 공간을 주기 위하여 PEO(poly ethylene oxide)를 추가로 붙인 막에 대해서도 반응성을 살펴보았다. 전기화학발광을 가장 잘 나타내는 시료로 알려진 Tripropylamine(TPrA)의 정량분석을 통해 다른 방식으로 Ru(bpy)_(3)^(2+)고정한 막들과 성능을 비교하였고 바이오센서의 응용을 위해, pH, 주사속도, ITO 표면처리 방식 등을 변화시키며 전기화학발광의 최적 조건을 찾아내었다. 또한 막의 전기화학발광을 나타내는 시료들의 선택성을 알아보고 안정성에 대한 실험을 실시하였다. DNA 바이오센서로의 응용 가능성을 보기 위하여 이 막 위에 전도성 있는 연결자로서 전도성 고분자의 일종인 3' thiophene acetic acid를 입히고 DNA를 붙인 후, 이중결합 DNA에 끼어 들면서 동시에 전기 화학적인 활성을 가지는 시료들에 대하여 전기화학발광의 정도를 측정하였다. Ru(bpy)_(3)^(2+)를 포함한 졸-겔 실리케이트 막은 시료의 전하와 상관 없이 고르게 검출이 가능하여 보편적인 전기화학발광 검출 도구로서의 응용이 가능한 것을 확인 하였다. 또한 TPrA에 대한 검출한계가 1.01μM로 뛰어난 성능을 보인다. 막의 안정성도 뛰어나 건조 시킨 상태에서는 반영구적인 보관이 가능하며 제조 후 6개월 이후에도 전기화학발광 특성이 90%이상의 값을 나타낸다. PEO를 첨가한 막은 원래 막보다 검출한계는 떨어지나 전기화학적인 전자전달 반응은 더 잘되는 것을 확인하였다. DNA 검출 센서로서의 활용 가능성을 알아 보기 위해 이중 결합 DNA 사이에 끼어 들어가면서 전기화학발광적 특성을 나타내는 시료들을 찾고 이에 대한 전기화학발광특성의 상대적 세기를 살펴보면 minocycline이 제일 높고 quinacrine이 그 다음이다. 이 두 가지 시료에 대하여 막위에 고정시킨 DNA에서 전기 화학발광적인 검출이 가능한 것을 확인하였다. 본 연구를 통해서 새로운 졸-겔 방식으로 만든 Ru(bpy)_(3)^(2+)막이 감도와 선택성 안정성면에서 뛰어나며 바이오센서 중에서 특히 DNA 바이오센서로의 응용 가능성이 높음을 밝혀내었다. Electrogenerated chemiluminescence detection has been proven to be a powerful analytical tool that combines the inherent sensitivity, selectivity, and wide linear range for amine containing analytes. Despite of several advantages of ECL reaction, its widespread application is limited by the requirement to continuously deliver the chemiluminescence (CL) reagent of catalyst into the reaction cell because the CL reagent is consumed. The limitation can be overcome by immobilizing the Ru(bpy)_(3)^(2+) reagent in immobilized of solid-state formats. Therefore, in this study, we developed new methods of Ru(bpy)_(3)^(2+) immobilization based on organosilicate sol-gel containing Ru(bpy)_(3)^(2+) attached covalently to an ITO electrode. In our experiments, the film exhibits a good sensitivity and selectivity. The film gives a linear response for TPrA concentration over approximately three orders with a limit of detection of 1.01 μM. Thin film can detect efficiently both charged and neutral analytes. So it can be used as an universal detector due to its selectivity One of the merits of this film is a good stability. Once made electrode can be stored in room temperature more than six months with only 10 % reduction of ECL intensities. We have also produced more hydrophilic films added poly ethylene oxide. This film has a good selectivity for large molecule. DNA ECL sensor has been constructed based on the double layer format consisting of Ru(bpy)_(3)^(2+) modified sol-gel film and electropolymerized poly(3-thiophene acetic acid). Carboxyl group of conducting polymer covalently attaches amino groups of the probe double strand DNA using EDC. After intercalation by Quinacrine, ECL intensities enhanced 30%. We can find possibility of DNA sensor application using ECL.

Electrochemiluminescent Chemical Sensors for Detection of Diagnostic Biomarkers and Environmental Pollutants Based on Iridium(III) Complexes

김태민 서울대학교 대학원 2021 국내박사

This thesis is focused on developing electrochemiluminescent chemical sensors based on iridium(III) complexes with high selectivity and sensitivity by introducing a binding site or reaction site that can selectively recognize diagnostic biomarkers and environmental pollutants using various strategies. Electrochemiluminescence (ECL) is a luminescent process that generates light through sequential electron transfer reactions on the electrode surface. ECL-based molecular sensors have several advantages over conventional analytical techniques, such as high sensitivity and low background signal. Additionally, the ECL provides potential point-of-care-testing and field-monitoring with the simplicity of equipment and the method. However, ECL detection of small molecules is still a great challenge because most ECL detection methods have been developed via specific bio-macromolecular recognition, such as antibody-antigen and aptamer-protein interactions. Part 1 describes a general introduction to ECL. After a brief classification of different types of luminescence, we then focus on the diverse mechanistic routes leading to the production of the electronically excited state of the luminophore. This is followed by a brief presentation of the main components of ECL: the luminophore and coreactant for ECL. Finally, the purpose of our research and detection strategies are presented with bioanalytical and environmental applications. Part 2 describes our sensing strategies for diagnostic biomarkers detection by cyclometalated iridium(III) complex-based electrochemilumiescent chemical sensors. Section 1 presents the first case of a cysteine (Cys)-selective PL and ECL dual-channel chemodosimetric sensor based on cyclometalated iridium(III) complexes. The probe reacts with cysteine preferentially because of kinetic differences in intramolecular conjugate addition/cyclization, enabling phosphorescence enhancement and ECL decrease in the blue-shifted region. Furthermore, probe-Cys shows ratiometric PL turn-on and ECL turn-off for Cys. In addition, the unique ECL-enhancing behavior of the sensor toward GSH enables discrimination between Cys and GSH. Finally, probe was successfully applied to the detection of Cys in human serum by the ECL method. In Section 2, we report an iridium complex-based electrochemiluminescent (ECL) sulfide probe (probe-S2- 1) composed of acrylate and dinitrobenzenesulfonyl (DNBS) units as both reactive and quenching groups. While control probes (probe-S2- 2 and 3) having either acrylate or a DNBS group exhibited moderate selectivity for sulfide and other biothiols, the dual-quenching chemodosimetric ECL probe-S2- 1 installed with both acrylate and DNBS units enabled selective sensing of sulfide anions over various anions and biothiols with high turn-on ratio. The sensing mechanism of probe-S2- 1 was elucidated using MALDI-TOF mass and 1H NMR analyses. Probe-S2- 1 was successfully applied to the detection of H2S in human serum by the ECL method. Developing highly selective homocysteine (Hcy) chemical sensors is still essential to achieve accurate and reliable detection of Hcy as a biomarker for diagnosis of cardiovascular disease. Section 3 displays a novel cyclometalated iridium(III) complex-based photoluminescent and electrochemiluminescent Hcy probe. It consisted of acrylate and formyl groups as reactive sites and quenchers. Probe could specifically detect Hcy over Cys (100-fold) and other amino acids in physiological environments. The sensing mechanism of probe-Hcy was elucidated using MALDI-TOF MS. Therefore, probe can be successfully utilized to effectively analyze Hcy in serum samples, showing its potential as a promising candidate for monitoring diseases associated with abnormal Hcy concentrations. To achieve the accurate and reliable analysis of glutathione (GSH), a diagnostic marker for various diseases, the development of ECL chemical sensors providing rapid and straightforward determination is still essential. Section 4 is focused on the ECL chemical sensor based on an Ir(III) complex containing terpyridine-Cu2+ reactive to thiol and amine groups, with high selectivity to GSH among various interferences. Under the optimized conditions, probe-GSH generates a strong ECL with high selectivity to GSH at a given reaction time (15 min). The probe shows a highly linear ECL response to GSH in the range of 0-25 μM in serum samples with a limit of detection of 1.47 μM. Thus, the approach exhibits excellent potential for the accurate and rapid point-of-care determination of GSH. Part 3 describes new sensing strategies for environmental pollutants detection of cyclometalated iridium complex-based electrochemilumiescent chemical sensors. We report a new approach to discriminating a target among various interferences. This is called potential-dependent ECL. The iridium complex having a dicyanovinyl group on the main ligand cannot perfectly distinguish cyanide from sulfide and cysteine because not only cyanide but also sulfide and cysteine can attack the beta position of the dicyanovinyl group to increase the PL intensity. However, cyanide adduct is electrochemically oxidized at much less positive potential (~ 1.0 V) than those of sulfide and cysteine adducts, enabling discrimination of cyanide via ECL approach. The proposed mechanism was verified by DFT, MALDI-TOF MS, NMR, and electrochemical studies. This method allows complete removal of the interfering signals from sulfide and other thiols by controlling the potential range (0 – 1.4 V). Finally, Part 4 shows the development of electrochemiluminescent sensor array for discriminating biothiols. A simple electrochemiluminescent sensor array has been developed to distinguish biothiols, including cysteine (Cys), homocysteine (Hcy), and glutathione (GSH), using four series of cyclometalated iridium(III) complexes as ECL probes. Cyclometalated Ir(III) complexes bearing Two acrylate and two formyl groups were selected as array probes. We apply the linear discriminant analysis (LDA) technique to the sensor array to discriminate between the three biothiols. Finally, potential bio-applications were confirmed as Cys and Hcy were clearly distinguished through LDA analysis in the in vivo concentration range of Cys and Hcy. This study demonstrates that an ECL sensor array using four probes provides a promising method for differentiating biothiols with superior sensitivity and selectivity. 본 논문은 질병진단용 생체지표와 환경오염물질을 선택적으로 인식할 수 있는 결합 부위 또는 반응 부위를 이리듐 복합체에 도입하고 다양한 전략을 사용하여 높은 선택성과 민감도를 가진 이리듐(III) 복합체 기반 전기 화학 발광 화학 센서를 개발하는데 초점을 둔다. 전기화학발광(ECL)은 전극 표면에서 연속적인 전자 전달 반응을 통해 빛을 생성하는 발광과정이다. ECL 기반 분자 센서는 기존 분석 기술에 비해 고감도 및 낮은 배경 신호와 같은 몇 가지 장점이 있다. 또한 ECL은 장비와 조작의 단순성으로 현장진단(POCT)에 매우 적합하다. 그러나 대부분의 ECL 검출 방법이 항체-항원 및 압타머-단백질 상호 작용과 같은 특정 생체 거대 분자 인식을 통해 개발되었기 때문에 작은 분자의 ECL 검출은 여전히 큰 도전이다. Part 1에서는 전기화학발광(ECL)에 대한 일반적인 내용에 대해 설명한다. 다른 유형의 발광을 간략하게 분류한 후, 광 발광적 특성 및 메커니즘 설명에 초점을 맞춘다. 다음으로 ECL의 발광체와 공반응물에 대한 설명이 이어진다. ECL의 생분석과 환경오염물질 검출의 응용가능성에 대해 설명 후 마지막으로 본 연구의 목적 및 전략에 대해 제시한다. Part 2는 이리듐(III)복합체를 기반으로 질병진단용 생체지표 검출을 위한 새로운 전기화학발광 화학 센서의 개발에 대해 기술하였다. Section 1은 시스테인(Cys) 검출에 대한 높은 감도의 광 발광 및 전기화학발광 이중 채널 화학 센서의 첫 번째 사례를 제시하였다. 프로브는 분자 내 첨가 및 고리화 반응의 운동역학적 차이에 의해 청색 이동영역에서 시스테인만 선택적으로 인광 증가와 ECL 감소를 가능하게 한다. 또한 GSH를 향한 센서의 고유한 ECL 증가 현상을 통해 Cys와 GSH를 구별할 수 있다. 마지막으로 프로브는 인간 혈청 내 Cys 검출을 ECL 방법을 이용하여 성공적으로 적용하였다. Section 2에서는 아크릴레이트와 디니트로벤젠설포닐 (DNBS)을 반응자리 및 소광 그룹으로 구성한 이리듐 복합체 기반 전기화학발광 황화물 프로브 (probe-S2-1)를 보고했다. 아크릴레이트 또는 DNBS 그룹을 포함하는 대조군 프로브(probe-S2-2 및 3)는 황화물 및 기타 바이오 티올에 대해 적당한 선택성을 보였지만, 아크릴레이트 및 DNBS 그룹이 함께 도입된 이중 소광 ECL 화학 분자 probe-S2-1은 높은 턴온 비율로 다양한 음이온 및 바이오 티올과 비교하여 황화물 음이온의 선택적 감지를 가능하게 했다. Probe-S2-1의 감지 메커니즘은 MALDI-TOF 및 NMR 분석을 사용하여 설명되었고 probe-S2-1은 인간 혈청 내 황화이온 검출을 ECL 방법을 이용하여 성공적으로 적용하였다. 심혈관 질환에 대한 정확하고 신뢰할 수 있는 호모시스테인 (Hcy) 마커를 위해서는 고도로 선택적인 화학 센서를 개발하는 것은 필수적이다. Section 3에서는 새로운 이리듐(III) 복합체 기반 광발광 및 전기화학발광 Hcy 프로브를 설계하고 입증하였다. Probe는 반응자리와 소광체로 아크릴레이트와 포밀기를 이리듐복합체에 도입하여 구성되었다. Probe-Hcy는 생리적환경에서 Cys (100배이상) 및 기타 아미노산보다 Hcy를 특이적으로 검출할 수 있었다. Probe의 센싱메커니즘은 MALDI-TOF MS를 사용하여 밝혀졌다. 따라서 Probe 는 혈청 샘플에서 Hcy를 효과적으로 분석하는 데 성공적으로 활용될 수 있으며, 비정상적인 Hcy 농도와 관련된 질병을 모니터링하기위한 유망한 분석방법으로 될 가능성을 보여주었다. Section 4에서는 다양한 질병의 진단 마커인 글루타티온 (GSH)의 정확하고 신뢰할 수 있는 분석을 달성하기 위해 빠르고 직접적인 결정을 제공하는 전기화학발광 화학 센서의 개발이 여전히 필수적이기에 다양한 간섭 중에서 GSH에 대한 높은 선택 성과 함께 티올 및 아민 그룹에 반응하는 terpyridine-Cu2 + (probe-GSH)를 포함하는 Ir (III) 복합체 기반 ECL 화학 센서를 개발하였다. 최적화된 조건에서 probe-GSH는 주어진 반응 시간 (15 분)에서 GSH에 대한 높은 선택성을 보이며 ECL 발광을 생성한다. 1.47 μM의 검출 한계로 혈청 샘플에서 0-25 μM 범위에서 매우 선형적인 ECL 반응을 보여주었다. 따라서 이 접근법은 GSH의 정확하고 신속한 현장 진료 결정을 위한 탁월한 잠재력을 보여주었다. Part 3는 이리듐(III)복합체를 기반으로 환경학적 표적 감지를 위한 새로운 전기화학발광 화학 센서의 개발에 대해 기술하였다. 우리는 다양한 간섭물 중에서 대상을 선택적으로 구별하기위한 다른 접근 방식을 보고하였다. 이를 전위 의존 전기 화학 발광이라고 명하였다. 주 리간드에 디시아노 비닐기를 갖는 이리듐 복합체는 시안화물뿐만 아니라 황화물 및 시스테인도 디시아노비닐 그룹의 베타위치에 첨가되어 PL 강도를 증가시킬 수 있기 때문에 시안화물과 황화물 및 시스테인을 완벽하게 구별할 수 없다. 그러나 ECL 접근법을 통해 시안화물 부가물은 황화물 및 시스테인 부가물보다 훨씬 저전압 (~1.0 V)에서 전기화학적으로 산화되어 ECL발광이 증가하여 시안화물을 구별할 수 있게 한다. 제안한 메커니즘은 DFT, MALDI-TOF MS, NMR 및 전기 화학 연구를 통해 검증되었다. 이 방법을 사용하면 전위 범위 (0 – 1.4 V)를 제어하여 황화물 및 기타 티올의 간섭 신호를 완전히 제거할 수 있다. 마지막으로, Part 4에서는 바이오티올을 구분하기 위한 전기화학 발광 센서 어레이 개발에 주력했다. 간단한 전기화학 발광 센서 어레이는 시스테인(Cys), 호모시스테인(Hcy), 글루타티온(GSH)의 바이오티올을 구별하기 위해 4가지 이리듐(III) 복합체를 ECL 프로브로 사용하여 개발하였다. 아크릴그룹을 도입한 두개의 Ir(III) 복합체와 포밀기가 도입된 두개의 Ir(III) 복합체들이 어레이 프로브로 선택되었다. 우리는 3개의 바이오티올을 구별하기 위해 센서 어레이에 선형 차별 분석(LDA) 기술을 적용했다. 잠재적인 생체적용성은 Cys과 Hcy을 생체 내 농도 범위에서 LDA 분석을 통해 명확하게 구별됨에 따라 확인되었다. 이 연구는 4개의 프로브를 사용하는 ECL 센서 어레이가 우수한 감도와 선택성으로 바이오티올을 구분하는 잠재적인 분석방법을 제공한다는 것을 보여주었다.

2,2'-Bipyridyl과 유사 리간드를 포함한 Ruthenium (II) 착물의 전기화학발광 특성 및 응용

박세종 연세대학교 대학원 2003 국내석사

전기화학발광 (electrochemiluminescence, ECL)은 전기화학 반응으로부터 직접적으로 화학발광을 일으키거나 필요한 반응물을 생성시켜 화학발광을 일으키는 것으로 분석적 응용 분야에서 매우 유용하게 사용되고 있다. 전기화학발광은 전위를 다양하게 변화시키는 것에 의해 반응을 조절할 수 있고, 선택성을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 발광이 전극 가까이에서 일어나고 전극의 물질, 크기, 위치를 선정할 수 있기 때문에 최대의 발광을 얻기 위한 조절이 가능하다. 본 연구에서는 리간드에 따라 달라지는 Ruthenium (II) 착물의 구조와 ECL과의 상관관계를 연구하고, Ruthenium (II) 착물 중 가장 널리 사용되는 Ru(bpy)_(3)^(2+)의 CL 특성을 전기화학적인 방법과 산화제를 사용한 화학발광 방법 두가지로 비교하였다. 이와 같은 연구 결과를 바탕으로 ECL을 효소를 사용한 바이오센서의 검출 방법으로 적용하였다. ECL 측정은 흐름주입분석 (flow injection analysis, FIA) 장치를 이용하였다. 흐름 셀 (flow cell) 내부에는 전극을 장착하여 Ru(bpy)_(3)^(2+) 용액이 이동되어 오면, 전극에 가해진 +1.3 V의 전압에 의해 즉시 Ru(bpy)_(3)^(3+)로 산화되도록 장치를 고안하였고, 광전증배관 (photo multiplier tube)으로 빛을 검출하였다. 화학발광을 일으키는 물질들 중에서 특히 Ru(bpy)_(3)^(2+) 유도체들은 물질 자체의 안정성, 산화.환원 성질, 수명 (life time) 등의 장점에 의해 많은 연구가 이루어져 왔다. 이러한 특징은 금속 착물의 주변 환경에 의존한다. ECL 특성에 리간드가 미치는 영향과 더 감도 좋은 ECL 물질을 개발하기 위해 benzimidazole이나 bipyridine 유도체 등의 리간드를 합성하여 새로운 형태의 Ruthenium (II) 착물을 합성하였다. 합성한 착물들은 순환전압전류법으로 전기화학 및 ECL 특성을 연구하였다. Ruthenium (II) 착물이 나타내는 ECL 세기는 리간드의 특성에 영향을 받는데, 리간드의 전자 주개 성질이 증가할수록 금속-리간드 전하 이동 (metal to ligand charge transfer) 띠 에너지 간격이 감소하여 비발광 전이과정(radiationless process)이 더 효율적으로 일어나기 때문에, 결과적으로 ECL 발광은 감소하게 되었다. Ru(bpy)_(3)^(2+)ECL의 비교 분석은 흐름 셀 내의 전극에 전위를 걸어주는 방법과, 산화제로 Ce (IV)을 사용하여 Ru(bpy)_(3)^(3+)로 산화시키는 방법으로 실험하였다. Ru(bpy)_(3)^(2+)CL은 시료의 농도, 흐름계의 유속, pH 등에 영향을 받으므로 좋은 CL 감도를 얻기 위해 이런 조건들을 최적화하는 실험을 하였고, 최적화된 조건하에서 검출한계, 검출범위, 상대표준편차 등의 분석 값을 구하여 비교하였다. 결과적으로 산화제를 사용한 방법이 전기화학적인 방법에 비해 더 큰 CL 세기와 선형 범위를 가지지만, 재현성은 전기화학적인 방법이 더 좋은 것을 알 수 있었다. 알코올 탈 수소효소는 NAD^(+)를 촉매로 사용하여 효소 반응을 통해 NAD^(+)를 NADH로 환원 시킨다. 생성되는 NADH의 농도는 기질의 농도에 비례하기 때문에 NADH의 농도를 측정하여 기질을 정량 할 수 있다. 또한 NADH는 Ru(bpy)_(3)^(2+)와 반응하여 ECL반응을 하기 때문에 Ru(bpy)_(3)^(2+) ECL은 알코올 탈 수소효소와 NAD^(+)를 사용하여 ethanol을 검출하는 방법에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 유리 탄소전극에 V_(2)O_(5)-Nafion 복합막으로 Ru(bpy)_(3)^(2+)를 고정시키고, 그 위에 효소를 고정시킨 silicate-Nafion 복합막을 이중 층 형태로 입힌 변형된 전극을 사용하여 ECL을 측정하였다. 이 방법을 통해 ethanol을 0.1 mM까지 검출하였고, ECL 시료를 고정함으로써 매우 경제적이고, 효소와의 반응이 계속해서 순환이 가능한 바이오센서를 만들 수 있었다. Electrogenerated chemiluminescence (ECL) is the light emission from the generation of emitting excited states via the electron transfer reaction of electrogenerated reactant. In recent years, Ru(bpy)_(3)^(2+)-based ECL has gained importance as a sensitive and selective detection method for the analysis of amine-containing bioactive compounds. Since the ECL characteristics of the transition metal complexes is strongly dependent upon the local environment of metal complexes, we have become interested in synthesizing and characterizing a series of new inorganic complexes containing different local environments other than Ru(bpy)_(3)^(2+) or known derivatives in order to investigate the effect of ligands on the ECL behavior and thus to develop more sensitive ECL materials. We find that there is a good correlation between the observed ECL intensity and the donor ability of ligands and the number of substitution to the complex. After characterization of ruthenium (II)-complex, two approaches are comparatively evaluated for the use of tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium (II), Ru(bpy)_(3)^(3+), as a chemiluminescent reagent in FIA : (1) Oxidant mode, external generation of the Ru(bpy)_(3)^(3+) species from a solution mixture of the Ce (IV) and Ru(bpy)_(3)^(2+), and (2) ECL mode, in situ generation of the Ru(bpy)_(3)^(3+) species from a solution mixture of analyte and the Ru(bpy)_(3)^(2+) species as it passes through the reaction/observation cell. Tripropylamine (TPA), oxalate, propranolol, and promazine were used as representative analytes for comparison of these two modes with respect to the influence of experimental variables (reagent concentration, flow rate, pH) and resulting analytical performance (detection limit, working range, measurement precision). We find that each approach has its unique set of strengths and weaknesses. The oxidant mode yields more intense emission than ECL mode and the widest liner dynamic ranges, but working curves have poor linearity. Ru(bpy)_(3)^(2+) ECL analytical applications are expanded to include a number of biologically important species. NADH can be detected Ru(bpy)_(3)^(2+) ECL. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD^(+)) is required to catalyze the enzyme reaction of dehydrogenase. NADH produced by the enzyme reaction is related to the substrate concentration, and therefore the measuring NADH concentration. Thus, this method was applied to the determination of ethanol concentration by using an immobilized Ru(bpy)_(3)^(2+) and alcohol dehydrogenase (ADH). Ethanol was measured in the concentration range 0.1 mM to 100 mM using V_(2)O_(5)/Nafion/Ru(bpy)_(3)^(2+) and silicate/Nafion/ADH composite-modified electrode.

Electrogenerated chemiluminescence based on biocompatible gold nanoclusters and carbon quantum dots in aqueous solution and their analytical applications

김재윤 Graduate School, Yonsei University 2021 국내박사

물질이 나노 단위의 크기가 됨에 따라 높은 전기화학적 반응성이나 새로운 광학적 특성 같은 기존의 물질 (nanomaterials)이 가지고 있는 특성이 아닌 새로운 특성을 띄게 된다. 이러한 이유로 최근 나노 물질을 이용한 다양한 분야로의 응용에 대한 연구들이 진행되고 있다. 전기화학발광 (electrogenerated chemiluminescence, ECL)을 이용한 분석화학에서 또한 이러한 나노 물질의 쓰임새는 나날이 늘어나고 있으며 특히 양자점 (quantum dots)에 대한 수많은 연구들이 쏟아지고 있는 상황이다. 하지만 높은 광자 효율을 발생시키는 대부분의 양자점은 카드뮴 (Cd), 텔루륨 (Te), 셀레늄 (Se) 등과 같은 중금속을 포함하고 있어 유독하다는 고질적인 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 부분을 보완하고자 중금속을 포함하지 않는 생체 친화적인 나노 물질을 선정해 전기화학발광 시스템에 도입하고 새로운 전기화학발광 센서로의 응용을 추구해 보고자 하였다. 먼저3단원에서는 최근 연구에서 전기화학발광 분야에서 가장 많이 사용되는 Ru(bpy)2+ 보다도 높은 광자 효율 (quantum yield, QY)을 보여주었던 Au22(SG)18 NCs를 TPA가 상호 반응물 (coreactant)로 사용하는 전기화학발광 시스템에 도입하여 새로운 생체 친화적이며 높은 효율을 내는 전기화학발광 센서로의 응용을 해보고자 하였다. 이러한 Au22(SG)18 NCs와 TPA를 이용한 전기화학발광 시스템은 약 1.25 V에서 높은 근적외선 범위 (near-infrared)의 전기화학발광을 발생시켰으며, Au@BSA같은 다른 금 나노 입자들보다도 월등히 강한 전기화학발광을 보여주었다. 또한, 반응 메커니즘 상의 라디컬(radicals)들에 전자를 제공해 안정화시킬 수 있는 물질인 페놀류들을 소광 (quenching) 물질로 사용해 그를 검출할 수 있는 시스템을 구축하였고, 그 중 가장 높은 소광 효과를 나타내는 카테콜 (catechol)을 선정하여 검량선 (calibration curve)을 작성한 결과, 1.0 x 10-7에서 1.0 x 10-4 M의 선형범위 (linear range)와 3.3 x10-9 M의 검출한계 (detection limit)을 보여주었다. 다음으로 금 나노 입자 (gold nanoclusters)와 그래핀 (graphene), 나피온 (Nafion)을 이용해 복합막을 형성하고 유리상 탄소 (GC) 전극에 두텁게 도포하여 개질한 전극을 이용하여 루미놀 (luminol)에 대한 전기화학발광의 동향을 파악해 보았다. 금 나노 입자의 산소의 환원에 대한 촉매 효과 (catalytic effect)로 인해 상호 반응물의 역할을 하는 산소 라디컬의 생성이 비약적으로 상승했으며 이를 통해 매우 높은 효율의 전기화학발광 시스템을 구축할 수 있었다. 또한, 과산화수소를 첨가하여 약 -0.01 V에서의 추가적인 환원반응을 유도했으며 이 전위에서 발생하는 전기화학발광을 기반으로 한 검량선의 작성한 통해 1.0 x 10-8 M에서 4.0 x 10-6 M의 선형범위와 2.21 x 10-9 M의 검출한계를 가지는 센서를 개발하는데 성공하였다. 마지막으로 매우 저렴하고 생체 친화적인 물질인 탄소 양자점(carbon quantum dots, CQDs)과 persulfate를 상호 반응물로 사용하는 전기화학발광 시스템을 구축하고자 하였다. 탄소 양자점은 reflux를 이용한 방법으로 합성되었으며 TEM, XRD, XPS, FT-IR, PL 흡수/방출(absorption/emission)을 통해 특성분석을 진행하였다. 이렇게 구축된 시스템은 약 -1.9 V에서 강한 음극성 (cathodic) 전기화학발광을 발생시켰으며 이를 통해 ascorbic acid를 검출할 수 있음을 증명하였다. 최종적으로 탄소 양자점에 이온성 액체 (ionic liquids)를 추가하여 복합막을 형성하고 전극을 개질하여 약 4.2배의 전기화학발광을 증폭시키는 개질 전극의 제작에 성공하였다.

Fabrication and characterization of ionic liquid-based electrochemiluminescence gel for deformable display applications

권도균 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

Electrochemiluminescence (ECL) materials using redox reactions are attracting attention owing to their remarkable advantages, such as simple structure and use of electrodes without work function limitations. In addition, ECL materials are strong in moisture and air atmosphere and independent of thickness, which is advantageous for low cost printing processes. So, the ECL device is highly applicable to next-generation deformable devices due to its low power operation and simple structure. In order to develop ECL devices, several issues need to be solved. The most representative result is the development of ECL devices using ion gels as electrolytes. Especially, to fabricate ECL devices for deformable applications, it is better to use a solid electrolyte instead of a leaky liquid electrolyte. However, solid electrolytes are not suitable for application to devices because their ionic conductivity is very low. Therefore, ECL device using ion gel as an electrolyte was proposed. However, despite these efforts on developing ECL displays, a significant limitation still exists, which is the simultaneous realization of red (R), green (G), and blue (B) emissions with stable and excellent emission characteristics. Recently, related studies reported so far have succeeded in improving the individual emission characteristics of R, G, and B ECL display, but have not implemented all colors simultaneously. Therefore, in order to implement next-generation displays, it is necessary to improve the B emission characteristics and simultaneously realize emission of the three primary colors of R, G, and B. Herein, flexible and semitransparent ECL display incorporating R, G, and sky-blue (SB) emissions have been successfully demonstrated by overcoming the limitations of simultaneous implementation of R, G, and B emissions. he ECL display was implemented using Ru(bpy)3(PF6)2, [Ir(Fppy)2(dmb)]PF6, and [Ir(Fppy)2(Mepic)] corresponding to R, G, and B emissions, respectively. In particular, to achieve improved B ECL displays, the blended blue (BB) ECL display was designed using a mixed-metal chelate system with mixing of G and B ECL materials. The luminance increased by more than 8 times at 5.0 AC peak-to-peak voltages (VPP) and the operating voltage decreased considerably for this BB ECL display compared to the B ECL display. The optimized R, G, and BB ECL displays showed stable emission with luminance of 63.2, 78.6, and 30.6 cd/m2, respectively, at 5.0 VPP. In addition, the flexible ECL displays exhibited stable emission properties even after 5,000 cycles of repetitive mechanical bending tests at a bending radius of 10 mm. Furthermore, using optimized ECL materials, pressure-sensitive light-emitting sensors (PLS) were fabricated. The advantages of a simple structure with ECL materials are highly appropriate for applications in the field of sensors. Recently, tactile sensors have been researched in the field of robotics and human interfaces due to the rapid increase in interest in the interface between human and electronic devices. In particular, pressure-sensitive tactile sensors capable of human skin function interacting with the external environment have undergone great development, and various studies have been conducted to overcome the limitations of safety and cost. However, the most pressure-sensitive tactile sensors have been studied are complicated by the structure of the device due to the conversion of the external physical stimulus to an electrical signal and visualize it, making it difficult to detect the immediate stimulus. In this study, the ECL material was used to produce the PLS that instantly displays external stimuli. ECL material has electrochemical reactions as a driving mechanism, limiting the choice of electrode materials that can directly degrade the redox reaction. Thus, single wall carbon nanotube (SWCNT)-embedded polydimethylsiloxane (PDMS) electrodes was fabricatied to implement electrochemical/mechanical stability and deformable electrodes. Also the mixing ratio of PDMS allows the control of Young's modulus to be adjusted to regulate the minimum pressure for decompression. The optimized PLS are configured for simultaneous implementation of R, G, and BB and can be applied as wearable sensors. The PLS showed stable emission with luminance of 55.4, 61.2 and 22.8 cd/m2, respectively, at 5.0 VPP. The PLS can display various external stimuli immediately and operate at high luminance even at low voltages, making it safe to use as a wearable sensor. Also, the optimized sensor showed a stable decompression response for up to 200 repeated touches. These results demonstrate that ECL devices with a simple structure and fabrication process can be considered as a future alternative to conventional flexible and wearable devices. 전기화학발광 소자는 전기화학 반응을 통해 여기된 화학종을 만들어 발광하는 원리로 리간드의 조절을 통해 가시광 영역의 모든 색상을 구현할 수 있으며, 소재층의 두께나 전극의 일함수에 무관하여 유연 및 연신성을 요구하는 차세대 소자 적용에 매우 유리한 이점이 있다. 하지만 기존의 전기화학발광 소자는 이온 전이를 위한 전해질의 취약한 기계적 물성과 누수성으로 변형 가능한 소자로서의 응용에 한계가 있고 청색 전기화학발광 소재의 낮은 특성으로 인해 단조로운 단색 소자만 구현이 가능하다. 따라서 전기화학발광 소자를 차세대 전자 소자로 응용하기 위해서는 다양한 색상의 동시 발광을 위한 안정한 전기화학발광 소자의 개발 및 특성 향상 연구가 필수적으로 진행되어야 한다. 본 연구에서는 이온성 액체 전해질 기반의 전기화학발광 용액의 합성과 용액의 겔화를 통한 전기화학발광 겔의 제작, 이를 활용한 소자 응용 및 특성 향상에 관한 연구를 진행하였다. 전기화학발광 소재로는 루테늄과 이리듐 기반의 금속 칠레이트를 활용하여 리간드의 결합에 따라 적, 녹, 청색 전기화학발광 소재들을 합성하고, 높은 이온 전도 및 화학적 안정성을 갖는 이온성 액체 전해질을 사용하여 전기화학발광 소자를 제작하였다. 특히 유사한 산화·환원 전위를 갖는 녹색과 청색 전기화학발광 소재의 상호 작용 메커니즘 제안을 통해 청색 전기화학발광 소재의 특성을 개선하고 다양한 색상을 동시에 구현 가능한 전기화학발광 소자를 제작 및 분석하였다. 게다가 전기화학발광 소자를 유연 소자에 응용하여 곡률반경 10 mm에서 5000회의 반복적인 굽힘 테스트 시에도 작동하는 높은 내구성을 확인하였다. 뿐만 아니라, 전기화학발광 소자가 적용되었을 때 장점이 극대화 될수 있는 착용가능한 발광형 촉각 센서를 제작하였다. 촉각센서는 전자피부와 웨어러블 디스플레이를 개발하는 핵심 기술로 연구되고 있지만 차세대 웨어러블 촉각센서를 개발하기 위해서는 외부 자극에 즉각 반응하는 인터랙티브 디스플레이를 구현할 필요가 있다. 본 연구에서는, 전기화학발광 소자에 기초한 웨어러블 압력감응형 발광센서를 외부 자극으로부터 즉각적인 시각 경보 기능을 가지도록 성공적으로 구현하였다. 압력감응형 발광센서는 발광층으로 ECL 겔을 사용하고 전극으로 탄소 나노튜브에 내장된 PDMS를 사용하여 매우 단순한 구조로 제작된다. 산화환원 반응을 이용한 전기화학발광 발광층은 단순한 구조, 일함수의 제한 없는 전극 사용, 저전압 구동, 저렴한 인쇄 공정 등의 장점 때문에 차세대 웨어러블 기기 제작에 유리하다. 완성된 압력감응형 발광센서는 기존에 개발된 발광 센서에 비해 구조가 매우 단순하며 외부 자극의 형태, 크기, 위치를 즉시 시각화한다. 또한 비교적 낮은 전압에서도 높은 휘도로 작동할 수 있어 인체에 부착하여 사용해도 안전하다. 따라서 본 연구에서 개발한 이온성 액체 기반 전기화학발광 소자와 청색 발광 특성이 개선된 전기화학발광 소재, 전기화학발광 소자를 기반으로 한 유연 소자 및 압력감응 발광센서에의 적용은 차세대 변형 및 연신 가능한 투명 디스플레이 산업에 직접적으로 활용 가능하며 전기화학발광 소재의 전자 소자 분야의 응용 가능성을 크게 향상시킨 기반 연구가 될 것으로 생각한다.

Functional electroluminescent device based on donor-acceptor type organic conjugated fluorophores

황종운 Graduate School, Yonsei University 2024 국내박사

본 논문은 전자주개-전자받개 구조의 유기 공액 발광 물질과 이를 이용한 기능성 전계발광소자의 제작에 관하여 논하고 있습니다. 전자주개-전자받개형 저분자 유기 염료는 고체 상태에서 발광할 수 있고 발광 색상의 조절이 쉽게 가능하다는 장점이 있어 근적외선 발광전기화학전지의 발광 염료로 연구되었습니다. 염료는 높은 열적 안정성과 박막 가공성을 나타내었으며, 전기화학적 특성도 함께 논의되었습니다. 염료의 광학적 특성은 각각 용액 상태, 순수 박막 상태, 전계발광소자 발광층의 박막 상태에서 조사되었습니다. 다이페닐아민 전자주개를 갖는 전자주개-전자받개 형광체의 쌍극성은 근적외선 발광 및 고체 상태에서의 높은 양자효율을 제공하였습니다. 이 형광체들을 이용한 발광전기화학전지의 높은 발광 특성을 위해 몇 가지 중요한 설계 원칙이 제시되었으며, 이는 방사 조도의 증가뿐 아니라 호스트의 낮은 산화환원 전위에 기인하는 낮은 작동 전압을 제공하였습니다. 다이페닐아민 전자주개를 갖는 플루오렌 (DPF) 기반 염료 (III)는 최대 825nm까지의 높은 전계발광 파장 가변성을 나타냈으며, 이는 가장 적색 편이된 무금속 LEC 중 하나입니다. DPF 염료는 폴리(9-비닐카바졸)(PVK) 및 2,5-비스(5-tert-부틸-벤조옥사졸-2-일)티오펜(BBOT) 호스트의 존재 하에 낮은 작동 전압 하에서 높은 방사 조도를 보였습니다. 염료의 전하전달 거리가 증가할수록, 염료의 형광 효율 (Φf)과 발광전기화학전지의 발광 수명은 증가하였고 발광전기화학전지의 발광개시전압 (Von)은 감소하였습니다. 또한 염료의 π-브리지와 전자받개 (AπA) 사이의 각도가 작을수록 염료와 호스트 간의 근접성이 높아지면서 방사 조도가 증가하였습니다. 이에 따라 본 연구의 염료 중 AπA가 가장 낮은 DPF 염료 I가 425 µW/cm2(>220 cd/m2)의 가장 높은 방사 조도를 나타냈습니다. 이는 최적화된 소형 유기 형광체 기반 발광전기화학전지가 고분자 또는 이온성 전이금속 착화합물 (iTMC) 기반의 발광전기화학전지와 충분히 경쟁할 수 있음을 보여줍니다. 결론적으로 본 논문은 전자주개-전자받개 형광체를 기반으로 하는 유기 근적외선 발광전기화학전지의 높은 방사 조도, 발광 파장 가변성 및 낮은 작동 전압을 위한 새로운 설계 원리를 제공합니다. This dissertation demonstrates the fabrication of functional electroluminescent devices with organic conjugated fluorophores. Donor-acceptor type small-molecule organic dyes were explored for near-infrared (NIR) light-emitting electrochemical cells (LECs) taking their advantages of solid-state emission and color tunability. The dyes exhibited high thermal stability and thin film processability and the electrochemical properties were also discussed. The optical properties of dyes were examined in solution, in neat thin films, and in thin films of the emitting layer of electroluminescent devices. The dipolar nature of the push-pull fluorophores with diphenylamine donor unit afforded NIR emission and high solid-state quantum yields. Several important design principles were put forward for high LEC emission from these fluorophores and provide not only an increase in the irradiance but also lowering operating bias originating from the lower redox potential of the host. The fluorene-based dyes with diphenylamine donor (DPF) showed high tunability in electroluminescence wavelength up to 825 nm (dye III), which belong to the most red-shifted metal-free LECs up to date. The DPFs showed high irradiance under a low working voltage in the presence of poly(9-vinylcarbazole) (PVK) and 2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophene (BBOT) hosts. As the charge transfer (CT) distance of dyes was increased, turn-on voltage (Von) of the LECs was decreased, as fluorescence quantum yield (Φf) and lifetime of dyes were higher. Furthermore, closer dye-host proximity by the smaller angle between the π bridge and the acceptor (AπA) of dye was critical to increase irradiance. Thus a DPF dye with the lowest AπA (dye I) afforded the highest irradiance of 425 µW/cm2 (>220 cd/m2) among the dyes in this study. These results show that well-optimized small organic fluorophore-based LECs can compete with state-of-the-art LECs based on polymers or ionic transition-metal complexes (iTMCs). In conclusion, this dissertation provides novel design principles for high irradiance, color tunability, and lower operating bias on organic NIR LECs based on push-pull fluorophores.

Iridium(Ⅲ) Complex-based Phosphorescent and Electrochemiluminescent Dual Sensor for Selective Detection of Glutathione

노현승 서울대학교 대학원 2021 국내석사

Glutathione (GSH) is a tripeptide composed of three amino acids, cysteine, glutamic acid and glycine. It is the most abundant biological thiol and used as a reducing agent in human cells. Glutathione deficiency is related to oxidative stress which may lead to progression of cancer. Therefore, a selective detection method for GSH is highly required. Here, we report iridium complex-based photoluminescent and electrochemiluminescent sensors (1-3) for the selective detection of GSH. Sensors 1-3 consist of a 1,10-phenanthroline-5,6-dione (pdo) ancillary ligand as a common reaction site for GSH and 2-phenylpyridine, 1-phenylisoquinoline, and 2-phenylquinoline as main ligands, respectively. The three sensors were prepared to compare the effect of main ligands on the sensitivity and selectivity of GSH detection. All three sensors showed selective turn-on photoluminescence (PL) and turn-off electrochemiluminescence (ECL) response toward GSH among biological thiols. In particular, sensor 1 with a 2-phenylpyridine main ligand showed the most selective and sensitive sensing behavior toward GSH in both PL and ECL. The pdo moiety of 1-3 is reduced to 1,10-phenanthroline-5,6-diol of 1-GSH (or 2-GSH, 3-GSH) upon reaction with GSH. The formation of diol in 1-GSH was demonstrated by the FT-IR, NMR, Mass spectroscopy and UV-Vis spectra. The PL turn-on and ECL turn-off sensing mechanisms of sensor 1 were investigated by density functional theory (DFT) calculations and electrochemical studies. DFT calculations revealed that the electron density of the lowest unoccupied molecular orbital is mainly localized on the di-carbonyl moiety of 1, providing non-radiative pathways, which is cut off by the diol moiety of 1-GSH. The HOMO and LUMO energy levels obtained by DFT calculations were also confirmed by CV measurements. The cyclic voltammetry of a mixture of 1 and GSH showed that the phenolic radical species produced at an anodic potential suppresses the ECL process. 글루타티온(GSH)은 인간의 몸 속에 가장 풍부하게 존재하는 생물학적 티올이며, 생체 환원제로 작용한다. GSH의 결핍은 암의 진행을 초래하는 산화적 스트레스와 관련이 있다. 따라서 GSH을 선택적으로 검출할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 GSH을 선택적으로 검출하기 위한 이리듐 콤플렉스 기반의 광 발광(PL) 및 전기화학발광(ECL) 센서를 보고한다. 센서 1-3는 공통적으로 GSH을 인식할 수 있는 페난트롤린 다이온 (pdo) 보조 리간드가 있으며, 각각 페닐 피리딘, 페닐 이소퀴놀린, 페닐 퀴놀린을 주 리간드로 갖는다. 이를 통하여, 주 리간드의 차이가 GSH 검출에 대한 선택성과 민감도에 갖는 영향을 비교하였다. 센서가 GSH와 반응하고 난 뒤 PL 신호를 관찰하였을 때, 모든 센서의 신호는 증가하는 감응을 보인 반면, ECL을 이용한 검출에서는 모든 센서의 신호가 감소하는 감응을 보였다. 특히, 페닐 피리딘 주 리간드를 가진 센서 1은 PL과 ECL 실험 모두에서 가장 높은 선택성과 민감도를 보여주었다. 센서 1의 di-carbonyl 부분은 GSH와 반응 시에 di-hydroxyl (1-GSH)로 환원되었고 이는 핵자기 공명법, 적외선 분광법, 질량 분석법으로 증명하였다. 우리는 PL과 ECL에서 나타나는 검출 메커니즘을 각각 규명하기 위해 센서 1에 대하여 분자 오비탈의 분포와 전기화학적 특성을 조사하였다. 밀도 범함수 이론 계산 결과, 센서 1의 di-carbonyl 부분에 LUMO가 분포하여 비발광 경로를 제공하였다. 하지만, GSH와 반응 시에 이러한 메커니즘이 사라지면서 PL 신호가 크게 증가하였다. 반면에, 센서 1와 GSH의 혼합물을 순환 전압전류법으로 조사해본 결과, 산화 전위를 인가할 때 phenolic radical이 생성되는 것을 알 수 있었다. 따라서, phenolic radical이 1-GSH의 ECL 과정을 억제하기 때문에 센서 1이 GSH와 반응한 후에는 ECL 신호가 크게 감소하였다. 마지막으로, 센서 1을 이용하여 사람의 혈청 (blood serum) 내 GSH을 성공적으로 검출함으로써, 센서 1을 이용하여 현장 진단용 GSH 검출 장비를 만들 수 있는 가능성을 보였다.

Electrogenerated chemiluminescence sensors based on quantum dots and mesoporous platinum electrode

남성주 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

나노기술은 전기화학 센서 개발에 아주 중요한 역할을 하는 요소 중 하나이다. 본 논문에서는 여러 가지 나노물질을 사용하여 간단하고, 높은 감도와 선택성을 가진 전기화학발광 (electrogenerated chemiluminescence, ECL) 센서를 개발하였다. 본 논문에서는 총 세 가지 주제로 연구가 진행되었다. 첫째, 키토산-이산화티탄 (TiO2)-셀린화카드뮴/항화아연 (CdSe/ZnS) 양자점 (QD)으로 구성된 복합막을 이용한 전기화학발광 센서를 개발하였다. 양자점의 전기화학발광은 과황산염 (persulfate, S_2 O_8^(2-)) 을 통한 공반응물 (co-reactant) 전기화학발광을 이용하여 방출된 빛의 세기를 향상시켰으며, 졸겔법 (sol-gel method) 을 통하여 제작된 이산화티탄을 복합막에 추가하여 추가적인 신호 증폭을 확인할 수 있었다. 개발된 복합막을 바탕으로 전기화학발광 소광 효과를 이용하여 아스코르브산 (vitamin C) 과 다양한 페놀성 화합물 검출이 가능하였다. 또한, 복합막의 구성을 조정하여 센서의 감도를 조절할 수 있을 것이라 예상된다. 둘째, 다공성 백금 (mesoporous platinum) 전극 표면에서 루시게닌 (lucigenin) 전기화학발광 반응을 확인하였고, 이를 바탕으로 진행한 초과산화물 불균등화효소 (superoxide dismutase, SOD) 검출을 통하여 생물 감지 응용성을 확인할 수 있었다. 전극 개질을 통하여 확장된 다공성 백금 전극의 표면적을 계산하여 일반 백금 전극과 비교하였으며, 다공성 백금 전극 표면에서의 루시게닌 전기화학발광의 메커니즘을 제안하였다. SOD와 루시게닌의 전기화학발광 소광 효과를 통하여 개발된 센서는 SOD 검출에 응용되었고, 높은 감도와 뛰어난 선택성을 보여주었다. 마지막으로 다공성 백금 전극 표면에서의 루미놀 (luminol) 전기화학발광을 사용한 비효소적 포도당 (glucose) 센서를 개발하였다. 다공성 백금 전극에서 루미놀의 전기화학발광이 크게 증가하는 특성을 바탕으로 루미놀과 포도당 간의 소광 효과를 이용하여 포도당을 검출하였다. 개발된 바이오센서는 효소를 사용하지 않고도 포도당에 대해 높은 감도와 높은 선택성을 보였다. Nanotechnology has been one of the essential components in development of effective sensors in the field of electroanalytical chemistry. In this dissertation, several nanomaterials are utilized in development of simple, highly sensitive, and highly selective electrochemical sensors based on electrogenerated chemiluminescence (ECL) emission. The research illustrated in this dissertation is categorized into three sections. The first section describes ECL sensor based on chitosan-TiO2-CdSe/ZnS quantum dot (QD) composite. Enhancement of the QD ECL was achieved through the use of a co-reactant in the ECL system, and by incorporating titania (TiO2) sol-gel in the composite film. Detection of ascorbic acid and several phenolic compounds was performed with the developed composite via ECL quenching reaction. Results have also suggested that sensitivity of the sensor can be controlled with adjustments to the components of the composite. Secondly, ECL of lucigenin at mesoporous Pt electrode was thoroughly investigated, and its biosensing application to superoxide dismutase (SOD) was demonstrated. The enlarged surface area of the fabricated mesoporous Pt was calculated and compared with a bare Pt electrode. The mechanism of lucigenin ECL at the surface of the mesoporous Pt electrode was proposed. From ECL quenching reaction with lucigenin and SOD, detection of SOD was performed, and the developed ECL sensor showed excellent sensitivity and selectivity towards SOD. Lastly, non-enzymatic glucose detection method with luminol ECL at mesoporous Pt electrode was demonstrated. The mesoporous Pt electrode produced highly enhanced luminol ECL, glucose detection was performed with ECL quenching reaction. The mesoporous Pt electrode showed high sensitivity and selectivity towards glucose without the use of an enzyme.

Development of electrochemical and electrogenerated chemiluminescence sensors based on titania-Nafion composite films with nanomaterials

이상정 Graduate School, Yonsei University 2023 국내박사

바이오 센서의 실용화를 위해서는 분석하고자 하는 물질만을 선택적으로 높 은 감도로 측정하는 기술이 매우 중요하다. 이러한 검출 방법 개발의 하나로 다양한 전기화학적 분석법이 연구되고 있다. 본 논문에서는 특정 물질에 대해 효과적인 센서를 고안하고, 전기화학발광, 순환전압전류법, 선형주사전위법 등 의 전기화학적 방법으로 센서의 특징을 조사하였으며, 최종적으로 실제 분석 에의 적용가능성을 확인하였다. 본 논문에는 총 세가지 주제의 연구를 실었다. 첫번 째 연구 주제는 그래핀 (graphene)을 도입한 티타니아-나피온(titania-Nafion) 복합막에 기반한 루테늄 착물 tris(2,2’-bipyridyl)ruthenium(II), Ru(bpy)3 2+의 전기화학발광 센서이다. 전극 표 면에 그래핀을 도입하여 Ru(bpy)3 2+ 전기화학발광 신호를 향상시키고, 전극을 제작하는 방법을 단일 단계로 고안하여 기존의 방법보다 간단하고 효율적인 센서를 제안하였다. 고안한 센서가 다른 Ru(bpy)3 2+ 전기화학발광 센서들과 비 슷한 성능을 가짐을 실험을 통해 확인하였다. 또한 생체 물질인 니코틴아마이 드 아데인 다이뉴클레오타이드 수소(NADH)에 대해 선택적인 반응을 보였으며, 이는 본 센서가 탈수소효소 기반 바이오센서로서 잠재력을 가지고 있음을 시 사한다. 두번 째는 캡사이신을 공반응물(co-reactant)로 하는 Ru(bpy)3 2+ 전기화 학발광 센서에 대한 연구이다. 지금까지 캡사이신을 전기화학적으로 검출하기 위한 다양한 연구가 발표되었다. 전기화학발광법을 사용한 검출 법은 본 연구 가 첫 시도라는 측면에서 학문적인 의의를 가진다. 본 연구에서는 여타의 연 구에서처럼 캡사이신이 전극 표면에서 직접적인 전기적 산화-환원 반응을 하 여 발생하는 전류를 발생하는 것이 아니라, 캡사이신이 Ru(bpy)3 2+ 전기화학발 광 반응에서 공반응물로 작용하여 발광 신호를 증가시키는 역할을 한다. 고안 한 센서는 유리탄소전극(glassy carbon electrode, GCE) 표면의 개질 및 캡사이신 의 사전 흡착 과정 없이 즉각적으로 쉽게 측정할 수 있는 장점을 가진다. 캡 사이시노이드의 대표 성분인 캡사이신, 다이하이드로캡사이신, 노르다이하이드 로캡사이신에 대해 실험을 하였다. 세 화합물은 구조적으로 작은 차이만을 가 지기 때문에 거의 비슷한 전기화학적 결과를 보였다. 그리고 실제 시료를 측정하여 센서의 정확도를 확인하였다. 마지막으로 맥신(Ti3C2Tx, MXene)을 티타 니아-나피온 복합막에 도입하여 캡사이신을 보다 민감하게 검출하는 전압 전 류 센서에 대한 연구를 진행하였다. 음전하를 띠는 맥신과 다공성의 티타니아 -나피온의 조합은 캡사이신의 검출에 더 효과적으로 작용한다. 그리고 실제 고추가 가지는 캡사이신의 농도를 측정하여 센서의 정확도를 확인하였다. 캡 사이신을 검출하는 것은 음식에서뿐만 아니라, 캡사이신이 가지는 의약학적 효과를 확인하는 데에도 유용하게 사용될 것이므로 그 검출 법을 개발하는 것 은 중요한 의미가 있다. 요약하면, 본 논문에서는 나노물질인 그래핀과 맥신을 도입한 티타니아-나 피온 복합막 기반의 전기화학적 센서를 제안한다. 이 센서들이 분석하고자 하 는 물질을 선택적으로 정확하고 정밀하게 검출해내는 우수한 전기화학적 성능 을 실험적으로 확인하였으며, 나아가 바이오센서로서의 실용 가능성을 보여주 었다. For the practical application of the chemical sensors and biosensors, a technique for measuring a target material with high sensitivity and selectivity is very important. As one of these detection technique, various electrochemical methods are being studied. In this dissertation, an effective sensor was devised for the substance to be analyzed, and it was investigated by electrochemical methods such as electrogenerated chemiluminescence (ECL), cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV), and finally the applicability of the actual analytes were confirmed. The research illustrated in this dissertation is categorized into three sections. The first section describes Ru(bpy)32+- ECL sensor based on graphene-titania-Nafion composite films. By introducing graphene into the titania (TiO2) sol-gel and Nafion composite on the electrode surface, the performance of the Ru(bpy)32+- ECL was improved, and a simple and efficient sensor was proposed by devising a single step electrode fabrication method. Experimental results showed comparable performance with other Ru(bpy)32+- ECL sensor. In addition, it showed selective response for nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen (NADH) suggesting that the present sensor has a potential as a dehydrogenase-based biosensor. Secondly, Ru(bpy)32+- ECL of capsaicin at bare glassy carbon electrode was investigated. So far, various studies have been published to detect capsaicin electrochemically. However, it is the first time that an ECL method was used capsaicin reacts with co-reactant to influence the improvement of Ru(bpy)32+- ECL. This capsaicin ECL sensor can be easily measured at a bare GCE without any surface modification and pre-accumulation process, its analytical performance is comparable to other electrochemical capsaicin sensors. Ru(bpy)32+- ECL was confirm for capsaicin, dihydrocapsaicin and nordihydrocapsaicin, which are major components of capsaicinoids. The electrochemical results were almost similar because the three compounds have only small structural difference. Then, the accuracy of application in actual sample was confirmed by recovery test. Lastly, new material, Ti3C2Tx, MXene was introduced into titania-Nafion composite to prepare a sensor with good sensitivity. The combination of negatively charged MXene and mesoporous titania-Nafion acts more effectively in the detection of capsaicin. The present voltammetric capsaicin sensor showed good performance toward capsaicin and it was successfully applied to determination of real pepper. Developing a method of detecting capsaicin is important because it is useful not only for food but also for identifying the pharmaceutical effects of capsaicin. In summary, this dissertation has proposed electrochemical and ECL sensors sensor based on titania-Nafion composite films with nanomaterials of graphene and MXene. These sensors exhibit good analytical performance, and shows promising practicability in food and pharmaceutical industries.

기능기가 도입된 산화철 자성나노입자(γ-Fe2O3)를 이용한 Tris(2,2'-bipyridyl)ruthenium(II) 전기화학발광센서

경규진 연세대학교 대학원 2008 국내석사

Electrochemical behavior and electrogenerated chemiluminescence(ECL) of Ru(bpy)32+(tris(2,2'-bipyridyl)ruthenium(II)) immobilized in the multilayers of poly(3-thiopheneacetic acid)-stbilized magnetic nanoparticles(γ-Fe2O3) coated on a Pt electrode have been investigated. The multilayers of poly(3-thiopheneacetic acid)-stbilized magnetic nanoparticles(γ-Fe2O3) can be easily formed on a Pt electrode by an external magnet. Ru(bpy)32+ can be immobilized in those multilayers through electrostatic interaction between Ru(bpy)32+ and carboxylate of 3-thiopheneacetic acid(3TA) at pH 7.0. However, Ru(bpy)32+ was not stably bound to the films because the electrostatic interaction between Ru(bpy)32+ and -COO- of 3TA is not so strong as Nafion widely used for the immobilization of Ru(bpy)32+. In order to overcome this shortcoming, the same amount of Ru(bpy)32+ has been re-immobilized at the surface of the electrode under the identical condition even though the multilayers-modified electrode surface already contains Ru(bpy)32+. The re-immobilization step was completed in a short period time within 5 min because of the fast diffusion rate of Ru(bpy)32+ into the multilayers of poly(3-thiopheneacetic acid)-stbilized magnetic nanoparticles(γ-Fe2O3). So in this research, the present solid-state Ru(bpy)32+ ECL sensor based on the magnetic nanoparticles has been evaluated in terms of sensitivity, detection limit and long-term stability.The present Ru(bpy)32+ ECL sensor with the re-immobilization approach showed improved ECL sensitivity for TPrA compared to pure Nafion films. The sensor showed that the limit of detection was 49 nM TPrA and linear range was 0.5×10-3 ~ 1 mM. In addition, it its expected that the present ECL sensor exhibit good long-term stability as long as the magnetic nanoparticles stayed on the electrode surface because magnetic nanoparticles are quite stable under any circumstances compared to other materials. 본 연구에서는 입자표면에 기능기를 도입한 자성나노입자와의 정전기적 인력을 통해 전기화학발광 물질인 Ru(bpy)32+(tris(2,2'-bipyridyl)ruthenium(II))를 전극표면에 고정시켰으며, 이러한 Ru(bpy)32+ 고정시스템의 분석물질에 대한 전기화학발광 특성을 알아보았다.전기화학발광법에서 많이 사용되는 Ru(bpy)32+는 전기화학발광 결과 원래의 상태로 되돌아올 수 있는 재생성을 가지고 있다. 따라서 이것을 전극표면에 고정시키게 되면 반영구적인 Ru(bpy)32+의 재사용이 가능해지며, 값비싼 Ru(bpy)32+의 소모를 줄임으로써 비용이 절감되고 실험 설계가 간단해질 수 있는 장점을 가지게 된다.본 연구에서는 Ru(bpy)32+를 전극표면에 고정시키기 위하여 넓은 표면적을 가진 자성나노입자를 사용하였다. γ-Fe2O3 자성나노입자(maghemite)는 유기용매 상에서 DDA(dodecylamine)를 계면활성제로 사용하여 합성하였고, 산화제 KMnO4를 이용하여 입자표면 위에 3TA(3-thiopheneacetic acid)의 중합체를 형성함으로써 기능기를 도입하였다. 상자성을 띠고 있는 γ-Fe2O3 자성나노입자는 외부자기장에 대한 유동성을 지니고 있다. 따라서 이러한 자성나노입자의 성질을 바탕으로 영구자석을 이용하여 기능기를 도입한 자성나노입자를 전극표면에 고정시키게 되면 자성나노입자와의 정전기적 인력을 통해 Ru(bpy)32+를 전극표면에 고정할 수 있게 된다.이러한 Ru(bpy)32+ 고정시스템에서 분석물질 TPrA(tri-n-propylamine)에 대한 전기화학발광 측정 결과, TPrA의 검출한계는 49 nM로 나타났다. 이는 기존의 Nafion막과 비교하여 약 20 배 낮은 검출한계를 가짐을 알 수 있었다. 또한 TPrA의 선형검출범위는 5.0×10-4 ~ 1.0 mM로서 Nafion/sol-gel 복합막과 비슷한 결과를 나타냈다. 이러한 결과들은 모두 자성나노입자의 넓은 표면적과 입자와 입자사이의 넓은 공간에 의해서 나타난 것임을 기대할 수 있다.