Poly(3-methylthiophene)을 전기중합하여 제작한 요소센서의 특성

박수현, 진준형, 민남기* , 홍석인**

고려대학교 생명공학원, 고려대학교 제어계측공학과*, 고려대학교 화학공학과**

Characteristics of poly(3-methylthiophene)-based urea sensor

Soohyun Park, Joon Hyung Jin, Nam Ki Min*, Suk In Hong**

Graduate School of Biotechnology, Korea University

Department of Control and Instrumentation Engineering, Korea University*

Department of Chemical Engineering, Korea University**

서론

혈액 내의 요소의 농도는 신장병 진단의 척도로서 정확한 측정이 필요하다. 일반적인 요소 측정법은 조작이 복잡하고 장시간의 측정 시간을 요한다는 등의 문제점이 있다. 전극형 센서를 구성함으로써 이러한 단점을 보완할 수 있으며 센서 구성을 위하여 효소를 적절한 매트릭스(matrix)속으로 고정화한다. 전기 중합법에 의하여 효소를 전극 표면에 고정화한 연구가 최근에 많은 차례 보고 되었으며 이 방법은 지지전해질이나 단량체의 종류에 따라 필름의 성질을 변화시킬 수 있고 필름 두께를 전하량으로 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 전도성 고분자로 가장 많은 연구가 이루어진 것은 pyrrole이며 이것은 전기적 특성이 좋고 중합 및 효소의 고정화가 용이하며 중합 과정이 상대적으로 신속하고 비용도 저렴한 것으로 알려져 있다. 그러나 pyrrole은 undoped(reduced) neutral state에서 불안정한 것으로 보고되어 있다. pyrrole과 비교해 볼 때 3-methylthiophene은 전기 화학적으로 안정하다. 또한 pyrrole과 마찬가지로 고분자 필름이 전극위에 쉽게 deposition될 수 있는 장점이 있다.

본 연구에서는 Pt 전극 상에 3-methylthiophene가 산화적으로 중합되는 양상을 순환 전압 전류 곡선으로 관찰하고 그것에 효소를 고정화한 요소센서의 요소에 대한 응답과 안정성에 관하여 알아보았다.

이론

본 실험에서 구성한 요소 센서는 Pt 전극위에 전도성 고분자를 산화적으로 중합하여 효소의 고정화 매트릭스로 사용하였으며 전극 가까이에 고정화되어 있는 효소에 의해 일어나는 반응의 결과 생기는 전위차로서 측정 샘플(sample)속의 기질(analyte)의 농도를 측정하는 potentiometric sensor이다.

요소는 urease의 작용으로 가수 분해되어 암모늄 이온(NH4+)와 탄산 이온(HCO3-) 이 생성된다. 요소의 가수분해 반응식은 다음과 같다.

반응의 결과 pH 가 증가하게 되고 이것이 전위차를 일으키는 원인으로 요소의 농도가 증가할수록 전위차는 직선적으로 비례하게 된다. 요소 반응의 schematic diagram은 다음과 같다.

실험

전극 기질은 지름 3mm의 Pt RDE tip을 사용하였으며, 0.3□m 알루미나 파우더로 폴리싱한 다음 1M H2SO4 용액에서 특성 피크를 관찰하고 증류수로 여러차례 세척하여 건조시킨 후 실험을 하였다. P3MT(poly(3-methylthiophene)) film이 형성되는 과정을 cyclic voltammogram으로 관찰한 실험은 0.1M NaClO4을 지지전해질로 하여 0.1M 3-methylthiophene을 포함한 acetonitrile 용액에서 수행되었고, 요소센서는 urease 1 mg(/0.07cm2)을 전극 상에 loading하여 다시 건조시킨 후 이것을 작업 전극으로 하고 Pt wire를 보조전극, SCE를 기준전극으로 하여 0.05M의 NaClO4와 0.1M 3-methylthiophene을 포함한 acetonitrile을  용매로 하는 유기액상에서 전기 중합하여 구성하였다. 중합 조건은 전위 범위를 SCE에 대하여 -0.0442V~1.6558V로 하였고 1.6558V에서 10분간 유지시켰으며 scan rate은 20mV/sec로 하였다. 요소의 전위 응답은 요소를 농도별로 1mM phosphate buffer 용액(pH 7.0)에 용해시킨 후 15분간 N2 bubbling을 하고 질소 분위기에서 일정 전류를 가해 측정하였다.

결과 및 토론

Fig.1은 bare Pt 전극위에 3-methylthiophene이 산화적으로 중합되어 film이 형성되는 것을 보여준다. Cycle 횟수 3번 중에 처음과 마지막 cycle을 나타낸 것으로 두 번째 scan이후로부터 산화 전류는 급격히 감소하였고 이것은 전기적으로 비활성인 절연 필름이 Pt 전극위에 증착되었음을 나타낸다.

Fig.2(a)는 urease를 고정화하지 않은 전극의 요소 농도에 따른 전위차 변화를 나타내고 있고, fig.2(b)는 urease를 고정화한 P3MT-coated electrode의 요소 농도에 따른 전위차를 보여준다. Fig.2에서 urease를 고정화하지 않은 경우에는 요소 농도에 따른 전위차가 경향성이 없지만 urease의 고정화로 인해 농도와 전위차는 대략 직선 관계가 있음을 알 수 있다.

Fig.3는 반복적으로 전위를 scan하였을 때 나타나는 순환 전압 전류 곡선(CV)으로써 (a)PPy(polypyrrole)과 (b)P3MT(poly(3-methylthiophene)으로 만든 각 요소센서의 전기 화학적 안정성을 비교하였다. 0.05M phosphate buffer에 0.001M의 요소를 첨가한 시료 용액을 상대로 10번 scan하였고(결과는 첫 번째와 마지막 10 번째 scan만을 보인 것이다.), 이때 전위 범위는 -0.2V~1.5V, scan rate은 50mV/s로 하였다.  P3MT를 사용하여 센서를 구성하였을 때 보다 좋은 안정성을 보였고 이러한 안정성은 반응 생성물이 고분자 표면에 축척되지 않음을 의미하고,1 높은 안정성은 voltammetry에서 반복적인 표면 재생 계획(surface renewal scheme)의 필요성을 감소시킨다. 이러한 실험을 같은 농도의 시료에서 여러 번 수행하였고 그 결과를 표로 정리한 것이 Table.1이다. 첫 번째와 마지막 10번째의 순환 전압 전류 곡선의 산화 피크 전류 차(□ia,max)를 비교해 보았을 때 P3MT의 경우에는 작은 값으로 안정하였으나 PPy의 경우에는 비록 횟수가 증가함에 따라 다소 안정화되는 경향을 보이긴 하였으나 매우 큰 값으로 불안정함을 보였다.

참고 문헌

1. Adeloju, S.B., Shaw, S.J. and Wallace, G.G.: Analytica Chimica Acta, 281,611    (1993).

2. Adeloju, S.B., Shaw, S.J. and Wallace, G.G.: Analytica Chimica Acta, 281,621    (1993).

3. Joseph, W. and Ruiliang, L.: Anal.Chem., 61, 2809(1989).

4. Tourillon, G. and Garnier, F.: J. Electroanal.Chem., 135, 173(1982)

5. Tourillon, G. and Garnier, F.: J.Electrochem.Soc., 130, 2042((1983)

6. Komaba, S., Seyama, M., Momma, T. and Osaka, T.: Electrochimica Acta, 42,

383(1997).

Table 1 Comparison of stability between P3MT and PPy coated electrodes.  The value of □ia,max was the anodic peak current difference of the first cycle and the tenth cycle.

	□ia,max(□A)
	P3MT based sensor	PPy based sensor
1	0	226.15
2	6.52	79.41
3	11.54	46.04
4	3.85	46.04