간섭적 효과를 회피하는 직접적 글루코즈 산화를 위한 다공성 금 양극 및 산소 환원을 위한 빌리루빈 옥시다제 음극에 관한 연구 = Studies on the porous gold anode for the direct glucose oxidation and the bilirubin oxidase cathode for the oxygen reduction avoiding interfering effects

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 PAA-PVI-[Os(dcl-bpy)2Cl]^(+/2+)와 BOD 효소가 전선연결된 BOD 음극에서의 촉매적 산소 환원반응의 비활성화를 초래하는 유레이트의 영향을 극복할 수 있는 새로운 전극수식법에 대하여 수행한 결과이다. BOD 음극과 수식층의 전하분위기를 조절하는 원리를 이용하여 양이온 분위기의 BOD 효소층 위에 음이온 유레이트와 전하반발력을 일으킬 수 있는 음이온막인 나피온을 도입하고자 하였다. 그 결과 나피온 코팅처리는 유레이트에 대한 차단은 효과적이었으나 음이온막인 나피온 자체로 인해 BOD 음극의 활성을 잃게 한다는 것을 확인하였다.
이를 보완하기 위하여 BOD 음극과 나피온막 사이에 양이온 분위기의 BOD 음극을 보호할 수 있도록 양이온 분위기의 양이온 중간막을 도입하였다. PAA-PVI가 적합한 후보 물질임을 확인하였으며, 이후 유레이트 영향을 최소화 하면서 최대의 산소 환원전류를 얻을 수 있는 PAA-PVI 층의 코팅부피를 결정하였다. 최종적으로 25 mg/mL PAA-PVI 15 μL와 1 wt% 나피온 6 μL 순으로 이중막 코팅처리한 BOD 음극을 사용하여 체내 조건과 유사한 pH 7.4, 0.15 M NaCl, 포스페이트 완충용액에서 유레이트의 부정적인 영향을 피한 성공적인 결과를 얻을 수 있었다.
한편 PAA-PVI/나피온-BOD 음극을 세룸에 적용할 경우 3시간 정도에 산소 환원 활성을 잃는 것을 확인하였으며, 이로 인하여 유레이트 이외에도 여러 방해물질의 존재 가능성을 제안하였다. 따라서 유레이트 이외에 세룸 구성 성분인 글루타티온, NADH, SCN^(-), Br^(-), 락테이트, 피루베이트, 하이드로부틸레이트, 아세토아세테이트, 타우린의 영향을 조사하였다. 그 결과 글루타티온, NADH, SCN^(-)이 추가적으로 BOD 음극의 비활성화를 초래하는 물질로 판명되었다. 이들 중 음이온인 NADH와 SCN^(-)은 PAA-PVI/나피온 이중막 코팅처리로 영향을 차단할 수 있었다. 하지만 중성인 글루타티온은 제안한 수식전극에서 50 %에 달하는 전류감소 현상을 야기시켰으며, 이는 글루타티온이 BOD 음극의 비활성에 책임이 있는 세룸 성분 중 하나임을 의심하게 한다. 현단계에서 PAA-PVI/나피온 수식 BOD 음극이 음이온 방해물질의 차단에 효과적임을 알 수 있었으며, 중성 방해물질의 손상 영향을 방지하기 위한 추가적인 연구가 이루어져야 할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The electrocatalytic glucose oxidation and oxygen reduction reactions have been studied extensively because of their potential applications to sensors and glucose-oxygen biofuel cells. For most results, enzyme electrodes were generally employed. Glucose oxidase or glucose dehydrogenase for the glucose anode, and laccase or bilirubin oxidase for the oxygen cathode have been used. The enzyme electrodes, however, have some disadvantages of a complicated fabrication and insufficient stability due to the instinct enzyme natures. Interfering effects of some electro-oxidizable biological components such as ascorbic acid, urate, and acet- aminophen should be also overcome. This dissertation includes the studies of the direct glucose oxidation at noN^(-)enzymetic porous gold electrodes in part I-1 through I-3 and an anioN^(-)excluding bi-layer protecting the wired-bilirubin oxidase cathode against anioic interfering species in part II.
In part I-1, glucose oxidations avoiding the interfering effect of ascorbate at porous gold electrodes after amalgamation treatments were studied. The amalgamation treatment produced a highly porous structure at a gold electrode surface and catalytic effects of reducing overpotential and increasing oxidation currents were resulted. With these effects, a good selectivity for glucose oxidation against ascorbate, which is a common interfering species, could be obtained. With a gold electrode with a 60s amalgamation treatment, an optimal condition was determined and two glucose calibration curves at different potentials were made in a normal human glucose concentration range in the presence of 0.1 mM ascorbate. Sensitivities of 16 Acm^(-2)mM and 32 Acm^(-2)mM at -0.1 V and +0.25 V, respectively, were evaluated.
In part I-2, EQCM studies were carried out during the glucose oxidations at a gold surface, on which gold nanoparticles were electrochemically deposited. In an open circuit potential condition, glucose was injected and mass change was detected by the QCM experiments. A spontaneous adsorption of glucose at the electrode surface with the gold nanoparticles attached was observed by the surface mass increase while no mass change was measured at a bare gold electrode. During the oxidation of the adsorbed glucose, the EQCM measurements indicated desorption of the product from the surface. As the surface became inactive, the glucose seemed not to adsorb on the surface any more.
In part I-3, an effect of different size of gold nanoparticles in the direct glucose oxidation was investigated. Gold nanoparticles of 7.2, 17.3, and 30.7 nm diameters were prepared and characterized by size distribution analyzer, uv-vis spectroscopy, and FE-SEM. They were spontaneously adsorbed on the EPG surface, which was employed for the glucose oxidation. In the comparison of the glucose oxidation current vs. the microscopic surface area of the gold nanoparticles among different sizes, size effect was observed. As the size of the gold nanoparticles became smaller, higher glucose oxidation current was measured.
In part II, studies regarding to the protecting bi-layer against biological components damaging the wired-BOD cathode for the electrocatalytic reduction of O₂ were carried out. The anioN^(-)excluding membrane, Nafion, can not be directly used because of its de-wiring effect in the electrostatic binding of the BOD enzymes with the redox polymer chains. An intermediate layer of cationic polyacrylamide-poly-N^(-)vinylimidazole between the BOD cathode and the anionic Nafion was introduced. With this bi-layer, the BOD in a phosphate buffer solution could be protected from the Nafion layer and influxes of anionic interfering species, such as urate, NADH, and SCN^(-), could be successfully prohibited. The bi-layer over-coated BOD cathode was also examined in a bovine serum, and its activity was still lost in a few hours, which suggests the existence of other damaging species in addition to the anionic interfering species.

목차 (Table of Contents)

• 용 어 설 명 iv
• 그 림 목 록 v
• 표 목 록 xvii
• 초 록 (English) xviii
• I. 비효소 금 수식전극의 글루코즈 산화반응에 대한 연구 1
• I-1. 방해제 아스코르브산의 간섭영향을 배제한 다공성 아말감 금전극의 글루코즈 산화반응 1
• 1. 서론 2
• 2. 실험 12
• 2.1. 시약 및 기구 12
• 2.2. 금전극의 다양한 표면처리법 12
• 2.3. 기기 14
• 3. 결과 및 고찰 15
• 3.1. 각 금전극에서의 글루코즈 및 아스코르브산 산화반응 비교 15
• 3.2. 각 금전극에서의 아스코르브산에 대한 글루코즈 선택성 비교 23
• 3.3. 아스코르브산, 아세트아미노펜, 유레이트등의 방해제가 글루코즈 산화 반응에 미치는 영향 43
• 3.4. 다공성 아말감 금전극의 글루코즈 검정곡선 49
• 4. 결론 54
• 5. 참고문헌 56
• I-2. 금입자가 전기화학적으로 흡착된 수식전극에서의 글루코즈 산화 표면반응에 대한 EQCM 연구 61
• 1. 서론 62
• 2. 실험 66
• 2.1. 시약 66
• 2.2. 전기화학 수정진동 미세저울 (EQCM) 실험 66
• 2.3. FE-SEM 측정 70
• 3. 결과 및 고찰 71
• 3.1. 전기화학적으로 금입자를 흡착시킨 수식전극의 제작 71
• 3.2. 금입자 수식전극 표면의 FE-SEM 이미지 73
• 3.3. 금입자 수식전극에서의 글루코즈 산화반응 75
• 3.4. 금입자 수식전극에서의 글루코즈 흡착에 따른 QCM 결과 77
• 3.5. 금입자 수식전극에서의 글루코즈 산화 EQCM 결과 82
• 4. 결론 90
• 5. 참고문헌 92
• I-3. 크기가 다른 금 나노입자를 흡착시킨 EPG 전극에서의 글루코즈 산화 반응 96
• 1. 서론 97
• 2. 실험 101
• 2.1. 시약 및 기구 101
• 2.2. 입자 크기가 다른 금 나노입자들의 합성법 101
• 2.2.1. 7.2±1.9 nm 크기의 금 나노입자 A의 합성 102
• 2.2.2. 17.3±7.3 nm 크기의 금 나노입자 B의 합성 102
• 2.2.3. 30.7±14 nm 크기의 금 나노입자 C의 합성 103
• 2.3. 금 나노입자로 수식한 EPG 전극의 제작 104
• 2.4. 기기 104
• 3. 결과 및 고찰 106
• 3.1. 금 나노입자의 크기 분석 106
• 3.2. 금 나노입자의 FE-SEM 이미지 106
• 3.3. EPG 전극에 흡착된 금 나노입자의 표면적 측정 115
• 3.4. 금 나노입자의 크기에 따른 글루코즈 산화감도 비교 118
• 4. 결론 125
• 5. 참고문헌 126
• II. 유레이트에 의한 BOD 음극의 촉매적 산소 환원반응의 비활성화 개선을 위한 연구 130
• 1. 서론 131
• 2. 실험 141
• 2.1. 시약 및 기구 141
• 2.2. 몇가지 폴리머로 수식된 BOD 음극의 제작법 144
• 2.3. 기기 149
• 3. 결과 및 고찰 150
• 3.1. BOD 음극에서의 유레이트의 영향 150
• 3.2. 나피온막이 입혀진 BOD 음극에서의 유레이트의 영향 152
• 3.3. 양이온 폴리머를 도입한 BOD 음극에서의 유레이트의 영향 158
• 3.4. 유레이트의 영향을 최소화 할 수 있는 수식 조건 모색 162
• 3.5. 세룸에서의 BOD 음극의 산소 환원 활성도 관찰 168
• 3.6. 다양한 세룸 구성물질이 BOD 음극의 산소 환원반응에 미치는 영향 관찰 171
• 4. 결론 179
• 5. 참고문헌 181
• 감사의 글