나노 크기의 페닐렌디아민 필름을 사용한 전류 변환기 선택성 개선

결과 및 토론

과산화수소에 대한 선택성 향상을 위해 전류 변환기에 멤브레인을 추가로 증착하는 이유를 확인하려면 가능한 간섭에 대한 이 변환기의 감도와 선택성을 확인해야 했습니다.

바이오센서는 희석되지 않은 샘플과 희석된 샘플 모두에서 측정에 사용할 수 있습니다. 희석 옵션은 분석할 물질의 농도와 바이오센서 감도에 따라 다릅니다. 바이오센서가 샘플에서 실제 농도보다 수십 배 낮은 농도에서 표적 물질을 식별할 수 있으면 후자를 희석하여 감소시켜야 합니다. 간섭 요소의 내용을 제거하여 어레이 정확도를 향상시킵니다. 또한 측정에 필요한 기판 부피를 수십 배 줄일 수 있습니다.

때때로 분석된 물질의 농도가 너무 낮거나 희석이 기술적인 이유로 바람직하지 않습니다. 전류 측정 변환기의 기능을 더 잘 이해하기 위해 (1) 혈청과 관련, (2) (1)보다 20배 낮은, 즉 20배 희석, (3) 100배의 세 가지 농도의 전기 활성 물질이 사용되었습니다. 배 희석. 세 가지 농도의 전기 활성 물질에 대한 바이오 센서 응답은 PPD 필름 증착 전에 베어 변환기를 사용하여 수신하고 변환기 감도를 계산했습니다(표 2). 보시는 바와 같이 도파민과 아스코르브산에 대한 민감도가 가장 높았고 시스테인에 대한 민감도가 가장 낮았습니다. 그러나 아스코르브산과 요산은 생물학적 시료에서 본질적으로 더 높은 농도로 인해 주요 간섭 물질로 간주될 수 있습니다. 이러한 물질에 대한 변환기 응답은 대상 물질인 과산화수소에 대한 응답보다 10배 더 큽니다. 따라서 베어 변환기는 간섭 물질의 현저한 영향으로 인해 생물학적 샘플의 측정에 적합하지 않습니다. 반면에 100배 희석 후 시스테인과 도파민에 대한 반응은 무시할 수 있었고 모든 간섭 물질에 대한 총 반응은 과산화수소에 대한 반응의 약 20%에 불과했습니다. 추가 수정 없이 사용됩니다.

현재 변환기에 PPD 멤브레인을 증착하는 방법에 관한 단편적인 정보만 있습니다. 따라서 다음 작업 단계에서 가장 일반적이고 유망한 두 가지 방법 중 어느 것이 더 실현 가능한지 평가했습니다.

첫 번째 방법에서 PPD 멤브레인은 다양한 전위(순환 전압전류법)를 사용하여 단량체 페닐렌디아민 분자의 전기중합을 통해 백금 디스크 전극 표면에 증착되었습니다. 기준 전극과 보조 전극이 있는 변환기를 페닐렌디아민 용액이 있는 작업 셀에 배치하고 여러 순환 전압 전류계를 얻었습니다[7]. 실험의 예는 그림 1에 나와 있습니다. 첫 번째 CVA(Cyclic voltammogram) 동안 페닐렌디아민 산화로 인해 0.5~0.9V 범위의 전위에서 전류의 상당한 증가가 관찰되었습니다. 두 번째 및 후속 CVA 동안 전류가 크게 감소하여 전기 중합 속도가 더 낮음을 나타냅니다. 그러나 다음 실험에서 알 수 있듯이 PPD 막의 형성은 모든 CV에서 지속되었습니다.

변환기 표면의 페닐렌디아민 전기중합에서 얻은 순환 전압전류도

PPD 막 증착의 두 번째 방법은 고정된 시간(40분) 동안 + 0.7V의 일정한 전위에서 페닐렌디아민 산화로 구성됩니다[11]. 두 증착 방법을 모두 사용했을 때의 변환기 응답 비교는 표 3에 나와 있습니다. 이하 PPD 멤브레인이 없는 전기 활성 물질에 대한 응답을 100%로 취했습니다. 두 가지 방법에 의해 증착된 막은 간섭 물질을 매우 효과적으로 방해했습니다. 시스테인에 대한 약한 감도만 관찰되었습니다. 반면, 전압전류법 후 과산화수소에 대한 변환기 감도는 2.6배 증가했습니다. 이것은 전압전류법 동안의 백금 전기활성화에 의해 설명될 수 있지만 PPD 멤브레인의 효과에 의해 설명될 수 없습니다. 과산화수소에 대한 이러한 감도의 증가는 페닐렌디아민이 없는 인산염 완충액에서 순환 전압전류도를 얻은 후에도 관찰되었습니다. 일정한 전위에서 막 증착 후 전기 활성화가 나타나지 않았으며 과산화수소에 대한 반응은 변하지 않았습니다. 따라서 순환 전압전류법을 사용하는 것이 세 가지 이유로 선호되는 것으로 밝혀졌습니다. 한 번의 증착 시간 단축(20분 대 40분), 시스테인의 더 효율적인 방해, 과산화수소에 대한 반응 증가입니다.

그러나 순환 전압전류법에는 한 가지 단점이 있습니다. 즉, 전압전류도는 하나의 전극에서만 동시에(멀티플렉서를 사용하더라도) 얻을 수 있는 반면, 일정한 전위에서 막 증착은 8-16개의 작업 전극을 동시에 연결할 수 있습니다(멀티플렉서 유형에 따라 다름). 따라서 변환기 전처리 시간을 줄이기 위해 순환 전압전류도의 조건을 최적화하는 데 추가 작업이 집중되어야 합니다.

CV 및 정전위 전류법에 의한 PD 전기중합은 상당히 복잡한 메커니즘을 통해 다른 경로로 발생하는 것으로 추정됩니다[12]. 따라서 CV는 높은 인가 전위를 포함하여 PD의 덜 접합된 올리고머를 생성합니다. 이러한 이유로 CV에 의한 PD 중합에서는 일정한 전위에서의 중합에 비해 기공이 더 크고 PPD 층 투과도가 더 높다고 추정된다[8, 13]. 그러나 "배경" 섹션에서 언급했듯이 다른 저자들은 PD 증착의 우선적인 방법에 대해 모순된 결론에 도달했으며 많은 경우 CV가 좋은 결과를 보였습니다. 우리의 의견으로는 CV와 일정 전위 전류법 모두 우수한 투과성 특성을 가진 PPD 멤브레인 생성을 제공할 수 있으며 각 특정 경우에 최적화가 필요합니다.

PPD 멤브레인은 전극 표면에서 균일한 투명한 금갈색 필름으로 명확하게 볼 수 있었습니다. 실제로 PPD임을 확인하기 위해 분광법으로 PD 중합을 추가로 확인했습니다. 필름의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼(그림 2)은 222 및 315 nm에서 강한 흡광도 밴드를 나타내며, 이는 단량체 밴드와 유사하고 방향족 고리의 전자 전이와 관련이 있습니다[14]. 반면 특징이 없는 흡광도는 400–800 nm에서 파장에 따라 지속적으로 감소하며 π와 관련됨 − π * 전도성 PPD 폴리머의 고공액 방향족 시스템에서 전자 전이.

m의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼 -Pt 전극에 형성된 페닐렌디아민 및 PPD 멤브레인

얻어진 결과의 더 나은 해석을 위해 다양한 방법으로 생성된 PPD 막의 기공 크기를 추정하는 것이 유용할 것입니다. 그러나 PPD 막의 기공 크기를 직접 결정하는 것은 거의 불가능합니다. 막은 PD의 여러 층으로 구성되어 있고 바닥 층의 기공은 다른 크기를 가질 수 있기 때문입니다. Killoran과 O'Neill은 m에서 효과적인 막의 두께를 결정했습니다. -PD는 15nm이고 하나의 올리고머 폴리머 가닥의 단면적은 del Valle et al에 의해 추정되었습니다. 1nm[7, 15]였습니다. 따라서 PPD 멤브레인은 대략 15개의 폴리머 층을 포함합니다. PPD 멤브레인은 소수성 및 격리 특성을 갖기 때문에 멤브레인은 전극 표면으로 늘어나 과산화수소 분자의 우회를 허용하는 천공 나노포어를 가져야 합니다. 그렇지 않으면 H₂ O₂ 산화될 수 없고 전류 신호를 생성할 수 없습니다. 기공은 확실히 균일하지 않고, 기공의 최소 직경은 1nm 미만이어야 전기 활성 분자를 거부하므로 전자 또는 원자력 현미경으로도 기공을 분석하기가 상당히 어렵습니다. 이러한 기술적 이유 때문에 다른 분자에 대한 막 투과성을 평가하여 PPD 막의 효율성을 평가하는 것이 훨씬 쉽습니다. 이러한 간접 접근 방식은 널리 퍼져 있으며 서로 다른 멤브레인의 실제 특성을 비교할 수 있습니다.

다양한 수의 Cyclic voltammograms를 사용하여 증착된 PPD 멤브레인의 효율성을 테스트했습니다(그림 3).

다른 수의 CVA를 사용하여 증착된 PPD 멤브레인의 효율성

하나의 CVA에 의해 증착된 PPD 막은 간섭물질의 영향을 제거하기에 분명히 불충분했습니다. 그러나 여기에서 백금 전기 활성화의 효과가 가장 강력했습니다. voltammograms 수의 추가 증가에서 간섭에 대한 응답은 감소했지만 동시에 과산화수소에 대한 변환기 감도도 감소했습니다. 아마도 물질 확산을 방해하는 너무 두꺼운 PPD 층 때문일 것입니다. 3개의 CVA로 도파민과 요산에 대한 반응이 완전히 사라지고 아스코르브산과 시스테인에 대한 반응이 크게 감소했습니다. 따라서 최적의 CVA를 3개 취했고 간섭 영향이 완전히 제거될 때까지 페닐렌디아민 농도를 높였습니다(그림 4).

다양한 페닐렌디아민 농도에서 증착된 PPD 막의 효율성

특히, 5mM 페닐렌디아민의 사용은 샘플 희석 후 남아 있는 작은 농도의 간섭 물질에 대한 반응을 제거하기에 충분했지만 희석되지 않은 샘플로 작업하기에는 부족했습니다. 페닐렌디아민 농도를 20mM으로 증가시키고 3개의 CVA로 시스테인 영향을 완전히 제거하고 아스코르브산에 대한 반응을 최저 수준(PPD 막 없이 아스코르브산에 대한 반응의 0.1%)으로 감소시키는 데 충분한 것으로 나타났습니다. 더 높은(최대 100mM) 페닐렌디아민 농도를 사용하면 과산화수소에 대한 트랜스듀서 감도가 2배 감소했습니다. 아마도 너무 두꺼운 PPD 층 때문일 것입니다. 따라서 30mM 페닐렌디아민에 3개의 CVA를 사용하여 PPD 막을 증착하는 것이 최적의 절차입니다. 하나의 voltammogram이 약 2분 동안 지속되었으므로 하나의 센서에 멤브레인 증착이 6분이 걸렸습니다.

다음으로, PPD 멤브레인의 안정성을 연구하였다. PPD 막을 증착한 후 센서를 작업 완충액에 2시간 동안 두었고 과산화수소, 아스코르브산 및 시스테인에 대한 반응을 측정하여 막 투과선택성의 변화를 평가했습니다(그림 5). 작업 중 과산화수소에 대한 반응은 약간 증가한 반면 간섭 물질에 대한 작은 반응은 훨씬 작아지는 것으로 나타났습니다. 아마도 아스코르브산과 시스테인이 PPD 층에 있는 몇 개의 큰 기공을 점차적으로 막았기 때문일 것입니다. 이 실험은 PPD 멤브레인이 최소 2시간 동안 과산화수소에 대한 선택성에 큰 손실 없이 사용될 수 있음을 보여주었습니다.

2시간 동안 PPD 막의 안정성. 세 가지 물질에 대한 반응을 PPD 증착 후 해당 물질에 대한 초기 반응으로 정규화

PPD 멤브레인의 저장 안정성을 조사했습니다. 증착된 PPD 멤브레인이 있는 센서는 - 18°C에서 8일 동안 건조한 상태로 보관되었습니다. 주기적으로 센서를 고정 해제하고 과산화수소, 아스코르브산 및 시스테인에 대한 반응을 측정했습니다(그림 6). 이 기간 동안 과산화수소에 대한 센서의 감도는 2.5배 증가했습니다. 아스코르브산과 시스테인에 대한 민감도는 변하지 않았습니다. 이 효과는 PPD 층을 통한 과산화수소 확산의 개선으로 이어진 PPD 멤브레인의 느린 팽창으로 설명될 수 있습니다.

PPD 멤브레인의 저장 안정성. 응답은 H₂에 대한 응답으로 정규화되었습니다. O₂ 첫날

마지막으로, 실제 생물학적 시료의 분석에서 PPD 막의 유효성이 검증되었습니다. 멤브레인이 없는 변환기는 전기 활성 화합물의 존재로 인해 작업 세포에 혈청을 추가한 후 약한 신호를 나타냈습니다. 그러나 멤브레인을 증착한 후에는 응답이 없었습니다. 뉴런의 용해물에서도 유사한 결과가 얻어졌습니다. 이 실험은 백금 디스크 전극에 PPD 증착의 개발된 방법이 효과적이며 수정된 변환기가 복잡한 생물학적 샘플 작업에 사용될 수 있음을 보여줍니다.

이 작업에서 개발된 PPD 증착 방법을 이전에 보고된 방법과 비교하는 것이 유용합니다(표 4).

보시는 바와 같이, 제시된 방법이 가장 빠르며, 얻어진 막의 차단 특성은 다른 PPD 막보다 우수하거나 적어도 나쁘지는 않습니다.