전기화학발광의 높은 효율과 신뢰성을 제공하는 새로운 고체 공반응물

국문 초록 (Abstract)

전기화학발광의 높은 효율과 신뢰성을 제공하는 새로운 고체 공반응물 심범준 화학과 숭실대학교 대학원 전기화학발광(Electrochemiluminescence, ECL)법은 임상 진단 분야 등 의 바이오센서(Biosensor)에 사용되는 강력한 분석법 중 하나이다. 그중 발광물질(Luminophore)과 공반응물(Co-reactant)을 함께 사용하는 공반응물 전기화학발광은 분석 신호량 및 감도를 향상시켰다. 대표적으로 사용되는 발광물질은 tris(bipyridine) ruthenium(II) ([Ru(bpy)3]2+)이며, 공반응물은 Tri-n-propylamine (TPrA)이다. 그러나 공반응물인 TPrA는 소수성(hydrophobic)을 가지며 쉽게 산화되는 성질과 함께 독성을 가지 고 있다. 이러한 성질은 생체분자를 사용하는 바이오센서에 있어서 효용성에 한계를 가지게 한다. 본 연구에서는 TPrA의 강력한 대체 공반응물 로서 4-(dimethylamino) pyridine (4-DMAP)에 대한 연구 성과를 보고하고자 한다. 4-DMAP은 친수성의 백색 고체 파우더로, 통상적인 환경에서 화학적으로도 안정한 성질을 가지고 있다. 이러한 4-DMAP은 [Ru(bpy)3]2+기반의 전기화학발광법에 정량 분석에서 TPrA 대비 400배 높은 감도를 나타내었다. 추가적으로, 4-DMAP의 공반응물 전기화학발광 반응의 메커니즘 제안하였고, 일련의 분석법을 통해 반응 중 생성될 것이라 예상한 중간체의 생성 여부를 실험적으로 증명함에 따라 제시한 내용을 뒷받침하였다. 결과적으로, 4-DMAP을 공반응물로 활용한 전기화학발광법은 감도가 높고 훌륭한 재현성을 나타내며, 이를 토대로 면역 진단 분석법등 다양한 종류의 임상 적용과 관련된 전기화학발광 기반 바이오센서에 사용될 새로운 공반응물로 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

New, solid compound coreactant providing highly reliable and efficient electrochemiluminescence SHIM, BEOM-JUN Department of Chemistry Graduate School of Soongsil University Electrochemiluminescence (ECL) is one of the powerful analytical methods used in biosensors for clinical diagnostics and other fields. Utilizing a co-reactant alongside a luminophore, co-reactant electrochemiluminescence enhances the analytical signal, thus improving the sensitivity of biosensing methods. A commonly used luminophore is tris(bipyridine) ruthenium(II) [Ru(bpy)3]2+, while the co-reactant is Tri-n-propylamine (TPrA). However, TPrA is hydrphobic, easily oxidized and toxic, These properties limit its utility in biosensors that use biomolecules. In this study, we report on 4-(dimethylamino)pyridine (4-DMAP) as a strong alternative co-reactant for TPrA. 4-DMAP is a white solid powder with hydrophilic properties and exhibits chemical stability under ambient conditions. Additionally, in the quantification analysis of [Ru(bpy)3]2+ by electrochemiluminescence, the sensitivity provided by 4-DMAP as a co-reactant was 400 times higher than TPrA. Furthermore, we proposed the mechanism of the co-reactant electrochemiluminescence reaction of 4-DMAP and experimentally validated the intermediates generated during the reaction, thus supporting our proposal. The electrochemiluminescence method utilizing 4-DMAP as a co-reactant exhibits high sensitivity and excellent reproducibility, suggesting its potential as a novel co-reactant for electrochemiluminescence-based biosensors applicable to various clinical detections, including immunoassay analysis.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 iv
• 영문초록 vi
• 제 1장 서론 1
• 1.1 전기화학발광 (Electrochemiluminescence, ECL) 1
• 1.1.1 전기화학발광 1
• 1.1.2 전기화학발광 공반응물 3
• 제 2장 실험 5
• 2.1 실험 재료 5
• 2.1.1 실험 재료 5
• 2.1.2 실험 기구 5
• 2.2 실험 7
• 2.2.1 전기화학 측정 7
• 2.2.2 전기화학발광 측정 7
• 2.2.3 Mass-spectroscopy (MS) 8
• 2.2.4 Electron paramagnetic resonance (EPR) 8
• 제 3장 결과 및 토의 9
• 3.1 ECL 공반응물 후보 물질의 선별 9
• 3.1.1 순환전압전류법 (Cyclic voltammetry) 9
• 3.1.2 전기화학발광 효율 분석 및 비교 12
• 3.2 4-DMAP 공반응물의 ECL 메커니즘 규명 14
• 3.2.1 4-DMAP 공반응물의 ECL 메커니즘 14
• 3.2.2 Mass-spectroscopy 분석 16
• 3.2.3 Electron-paramagnetic resonance 분석 17
• 3.3 4-DMAP 공반응물 ECL의 최적화 및 성능 비교 18
• 3.3.1 전기화학 분석 기술에 따른 ECL 발광효율 비교 18
• 3.3.2 전극물질 종류에 따른 ECL 측정 20
• 3.3.3 Buffer pH에 따른 ECL 측정 21
• 3.3.4 공반응물 농도에 따른 ECL 분석 22
• 3.3.5 발광물질 농도에 따른 ECL 분석 23
• 3.3.6 공반응물의 화학적 안정성에 따른 재현성 평가 24
• 제 4장 결론 25
• 참고문헌 27
• 부 록 29