층별 전기활성 염료/LDH 나노플레이트 필름을 이용한 고급 이중 전기-광학 센싱

초록

독성 Al³⁺ 이온이 인간 신경계와 알츠하이머병 등 관련 질환에 가장 파괴적인 영향을 미친다는 것이 입증되었다. Al³⁺ 센서 기반 검출 방법에서 고체 전극 개발은 아직 초기 단계에 있다. 따라서 본 연구에서는 새로운 유연한 ITO/PET 기반 전기화학적 고체 센서를 설계 및 제작하였다. 전극 표면은 층별(LbL) 조립법으로 Mg-Al LDH 나노플레이트와 알리자린 레드 S(ARS)를 상호 연결된 매트릭스 필름으로 수정하였다. 전극의 감지 기반 분자 설계에서, ITO/PET 층상 (ARS/LDHs)_n 매트릭스에 존재하는 전기활성 유기 단위(ARS 분자)는 표적 분자(Al³⁺ 이온)에 노출되면 전기화학 반응에 관여하므로, 새로 형성된 Al-킬레이트 시스템의 전기화학적 변화를 검출할 수 있다. 이 유형의 센서는 Al³⁺의 민감하고 선택적인 검출에 사용된다. LbL 조립 기술의 5번째 사이클에서 수정된 매트릭스 필름의 최소 시트 저항, 형태 및 높은 전기촉매 활성이 얻어졌다. 이 전기화학 센서에서는 전기화학적 방법과 광학 방법 모두로 Al³⁺을 높은 민감도와 선택성으로 검출하였으며, 순환 전압전류법에서는 형광 기반 광학 방법보다 낮은 검출 한계 10.1 nM, 선형 범위 [0.2–120 μM]를 얻었다.

서론

층상 이중 수산화물(LDH)은 음이온 점토의 일반적인 유형인 2차원 화합물로 광학, 생물학, 전자 응용 분야에서 널리 사용된다 [1,2,3,4]. LDH의 화학 구조는 [M^II_1−xM^III_x(OH)₂]⁻(Aⁿ⁻)_x/n·mH₂O로 표현된다(M^II와 M^III는 각각 2가 및 3가 금속, Aⁿ⁻는 층간 음이온) [1]. 2차원 구조 덕분에 LDH의 유연성과 이온 교환 특성은 새로운 층별(LbL) 조립법의 도움으로 적절한 유기 분자와 규칙적인 층상 배열로 결합되어 유/무기 복합체를 형성하며 다양한 과학 분야에서 광범위하게 사용된다 [5,6,7]. 이 배열에서 게스트 분자 중 하나는 전기활성 분자로, 전기화학 반응에 관여하는 종과 초기 전극 베딩 간의 직접적인 전자 전달 과정을 가속화한다 [8, 9]. LDH 나노플레이트와 표면 구조 개조는 전자 및 광전자 소자 개발에 널리 활용된다 [10]. 이 분야의 주요 연구로는 Chen 등 [11]의 초박막 다공성 나노시트를 이용한 단일 단계 Ni-Co LDH 하이브리드 필름 성장으로 특정 정전용량 대폭 향상, Li 등 [12]의 Mg-Al LDH 네트워크에 두 종류의 음이온을 다른 몰비로 삽입하여 청색 발광 하이브리드 소재 획득, Tian 등 [13]의 층별 조립으로 2차원 LDH 격자 내에 금 나노클러스터(Au NCs) 국소화로 형광 향상 및 Au NCs 기반 필름 제조 효율적 방법 제시 등이 있다. 층별 조립 구조는 높은 형광 효율을 가진 형광 센서 제조의 주요 새로운 방법으로 간주되었다. 따라서 전기화학 소자에서 전극 베이스의 정밀한 분자 및 구조 설계는 첨단 소재를 사용하여 설계된 네트워크 내에서 매우 우아한 전기화학적 및 광학적 변화를 허위 검출 및 표시함으로써 장비의 효율과 민감도를 크게 향상시킬 수 있다.

투명 전극은 광전자 소자의 핵심 구성 요소로 최근 더 많은 관심을 받고 있다. 최근 유연하고 신축성 있는 전자 및 광전자 기술 장치가 빠르게 성장하고 있으며, 특히 웨어러블 전자 및 고도의 휴대성 개발을 촉진하고 있다 [14]. 유연한 전자 연구가 급속히 확장되어 슈퍼커패시터, 이식형 센서, 유연한 압전 센서, 전자 종이, 태양전지, 터치 패널, 무선 웨어러블 기기, 유연한 디스플레이, 생체 통합 치료 장치, 표피 전자 등 이미 응용되고 있다. 인듐 주석 산화물(ITO)은 우수한 광전자 특성을 나타내며 현재 가장 널리 사용되는 투명 전극이다 [15,16,17]. 또한 현재까지 ITO 코팅 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판(ITO/PET)은 우수한 유연성과 높은 전기 전도성을 결합하여 수많은 응용 분야에 적용되어 왔다 [18].

최근 우리는 도파민 및 Fe(III) 검출을 위한 이중 증폭 전략의 LDH 기반 전기화학 센터를 보고하였다. 층별(LbL) 조립 과정에서 합성된 전기활성 나프탈리마이드 염료/LDH 나노플레이트 매트릭스(NALD-n)가 GO/ITO/PET 표면 전극에 연속적인 층으로 표시되었다. 이 구조 설계는 센서 베드에서 전기활성 염료의 형광 방출을 크게 증가시켰다 [19].

고감도 전자공학(나노센서 등)의 구조에서 이러한 분자 공학 분야가 본 연구에서 설계된 공정의 기초가 된다.

알리자린 레드 S(ARS)는 1,2-디하이드록시-9,10-안트라퀴논이라는 화학명을 가지며 평평한 헤테로고리 구조를 가지고 있어 생물학, 광화학, 유해 오염 물질 관련 환경 연구에서 널리 사용되어 왔다 [20, 21]. ARS는 높은 형광 강도로 인해 금속 이온 및 생체 분자 검출 센서로 널리 사용되어 왔다 [22, 23].

Al³⁺ 이온은 다양한 산업에서 수많은 응용 분야를 가진 무겁고 독성인 금속 이온이다. 알루미늄 이온의 인체 건강에 대한 독성 및 파괴적 영향은 여러 연구에서 조사되었다. 가장 파괴적인 영향은 알츠하이머병 등 인간 신경계에 미치는 영향으로 보고되었다 [24]. 생물학적 및 환경 시료에서 알루미늄 이온의 양을 결정하기 위해 여러 정밀 실험실 방법이 일반적으로 사용된다. 일반적으로 사용되는 방법에는 유도 결합 플라즈마 원자 발광 분광법(ICP-AES) [25, 26], 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS) [27], 흑연로 원자 흡수 분광법(GF-AAS) [28], 고분해능 연속 광원 화염 원자 흡수 분광계(HR-CS) [29], 화염 원자 흡수 분광법(FAAS) [30] 등이 있다. 이러한 방법은 표준적이고 기능적이지만, 심각한 매트릭스 간섭과 정확성 부족 등의 심각한 단점이 있다. 알루미늄 이온 결정 방법은 표 1에 나열되어 있다. 보다시피 검출 한계는 mg/L 또는 μg/L 범위이다. 일부 방법은 시료 전처리 및 분석에 긴 시간이 필요하다.

대부분의 경우 미량 분석을 위해 특정 흡착제에 대한 전농축 단계가 필요하다. 일부 분광 형광법은 낮은 검출 한계로 높은 민감도를 보이지만 반응 시간이 길다 [31,32,33,34,35,36,37]. 검출 시스템이 단순하더라도 민감도와 선택성에서 약점을 보인다. 광학 및 전기화학적 방법을 결합한 센서는 다른 방법보다 더 나은 이점을 제공할 것이다. 광전기화학 센서는 소형화에 적합하고, 저비용 및 사용 용이성에 우수한 선택성과 민감도를 결합하여 실시간 환경 모니터링에 필요한 조건을 갖춘다. 고체 감지 플랫폼은 센서 제작에 필수적이다. 화학 시약이 고체 매트릭스 내로 또는 위에 고정화되면 고정화 매체에서의 안정성이 향상되어 바람직하지 않은 간섭 및 오염에 대한 감수성을 피할 수 있다.

최신 연구에서는 Al³⁺ 이온의 더 정밀한 검출을 위해 전기화학 센서가 도입되었다 [38]. 3차원 무기 또는 2차원 유/무기 강성 네트워크로 구성된 센서는 이온 흡착을 위한 더 높은 계면적을 가지므로 센서에서 더 높은 전기촉매 반응성을 가지며, 이는 전기화학 센서의 더 높은 민감도와 선택성으로 이어진다 [39]. 우리의 지식으로는, 여기에 제시된 ITO/PET 층상 (ARS/LDHs)_n 매트릭스가 알루미늄 모니터링을 위한 최초의 전기-광학 플랫폼이다.

본 연구에서는 Al³⁺ 이온을 정확하게 검출하기 위한 새로운 전기화학적 고체 센서를 개발하였다. 이 전기화학 센서의 기초는 전기화학적 및 광학적 방법으로 신호를 동시에 측정하는 것이다. 이 유형의 센서에서, ITO/PET LbL 조립 (ARS/LDHs)_n 매트릭스에 존재하는 전기활성 유기 단위(ARS 분자)는 표적 분자(Al³⁺ 이온)에 노출되면 전기화학 반응에 관여하므로, 새로 형성된 Al-킬레이트 시스템의 전기화학적 변화를 검출할 수 있다. 표적 분자와의 접촉에 의해 전극 표면에서 방출되는 빛의 양과 질뿐만 아니라 전기화학적 변화도 평가된다.

재료 및 방법

재료

ITO/PET 시트(60 Ω cm⁻¹), 알리자린 레드 S(3,4-디하이드록시-9,10-디옥소-2-안트라센설폰산, 나트륨 염), 질산 알루미늄(III)(Al(NO₃)₃), 질산 코발트(II)(Co(NO₃)₂), 질산 니켈(II)(Ni(NO₃)₂), 질산 칼슘(II)(Ca(NO₃)₂), 질산 스트론튬(II)(Sr(NO₃)₂), 질산 구리(II)(Cu(NO₃)₂), 아세테이트/탄산나트륨 완충액, 염화칼륨(KCl)은 Sigma Aldrich Co.에서 구입하였다.

장치

수정된 전극의 시트 저항은 Fluke 옴미터(1550B)로 측정하였다. 흡수 측정은 단일 빔 UV-Vis 분광광도계(CECIL CE9200)를 사용하여 200-800 nm 범위에서 수행하였다. 주사 전자 현미경(SEM)과 원자 힘 현미경(AFM) 테스트는 각각 (LEO 1455VP)과 (Micro Photonics Inc/ Dual scope DS95-200E) 장비를 사용하여 준비된 시료에 대해 수행하였다. 형광 분광계(PerkinElmer LS55)를 사용하여 테스트 시료의 형광 강도를 측정하였다. 순환 전압전류(CV) 측정은 3전극 전기화학 셀에서 (Zahner PP211 포텐시오스탯)을 사용하여 전극에서 수행하였다. 이 테스트에서 준비된 전극 표면을 작동 전극으로 사용하고, 백금 대 전극과 Ag/AgCl 기준 전극을 사용하였다. KCl 용액(탈이온수 중 0.1 M)은 모든 테스트에서 표준 전해질로 사용되었다. 모든 CV 테스트에서 전위 스캔 단계는 0.005 V, 전위 스캔 속도는 0.05 V/s였다. 본 연구에서 제시된 각 순환 전압전류도는 각 실험에 대해 얻은 가장 대표적인 사이클이다.

ARS/LDH 필름 수정 전극 제작

Mg-Al LDH(질산 음이온 포함)는 ICRC 연구 그룹이 개발한 방법으로 합성하였다 [40]. 탈이온수 중 Mg-Al LDH 나노플레이트 콜로이드 현탁액(1.0 g/L)을 초음파 욕조(Bandelin electronic/510 h)에서 40 °C, 4시간 동안 초음파 처리하여 제조하였다. 아세테이트/탄산염 완충액으로 조절한 다양한 pH 값(3.5-11.5) 범위에서 LDH 나노플레이트와 ARS 염료 분자의 전극 표면 흡착에 대한 pH 효과를 조사하기 위해, ITO/PET 전극을 LDH 현탁액(서로 다른 조절 pH)에 10분간 담갔다. 전극을 꺼내 증류수로 헹군 후, 일정한 중성 pH(=7.0)에서 증류수 중 ARS 용액(1.0 g/L)에 담갔다. ARS 용액에 전극을 담근 후 헹구고 25 °C에서 질소 가스 흐름으로 2분간 건조시켰다. 이 LbL 공정을 5회 반복하였다. 5번째 LbL 사이클 후 전극 표면에서 UV-Vis 분광광도계 테스트를 수행하였다(그림 1a). LDH 분산의 최적 pH 선택 후 동일한 테스트를 수행하였다. 이때 한 단계에서 전극을 LDH 콜로이드 현탁액(최적 pH)에 10분간 담갔다. 헹구고 건조한 후, ARS 용액(다른 조건 동일)에서 서로 다른 pH(3.0-7.0)에 담갔다. 이후 전극 표면에서 UV-Vis 분광광도계 테스트를 수행하였다(그림 1b). 이후 LDH 현탁액(최적 pH)과 ARS 용액(최적 pH)에 대한 일련의 작업을 n회 반복하여 (ARS/LDHs)_n 다층 필름을 얻었다(그림 1c). LbL 침지 테스트 절차는 Scheme 1에 표시되어 있다. 준비된 전극의 특성과 코드는 표 2에 소개되어 있다.

층별 전기활성 염료/LDH 나노플레이트 필름을 이용한 고급 이중 전기-광학 센싱 — ARLD-n의 pH에 따른 흡광도 변화: a LDH 콜로이드 현탁액(1.0 g/L)의 서로 다른 조절 pH(ARS 용액 pH는 LbL 사이클에서 7로 고정), b ARS 용액(1.0 g/L)의 서로 다른 조절 pH(LDH 현탁액 pH는 LbL 사이클에서 5.5로 고정), c ARLD-5의 흡광도 변화(LDH 현탁액 pH 5.5, ARS 용액 pH 4.0으로 LbL 사이클 전반 고정)

결과 및 논의

고체 전극에서 최적의 ARS 흡착을 얻기 위해 LDH 나노플레이트의 흡착 거동에 대한 pH 효과를 연구하였다. UV-Vis 분광광도계법을 사용하였다. LDH와 ARS는 각각 [260-360] 및 [400-600] 영역에서 지수 흡수 피크를 보인다 [24]. LDH 콜로이드 현탁액과 ARS 용액에 대한 pH 최적화 결과는 그림 1에 나타나 있다.

결과에서 볼 수 있듯이, LDH 나노플레이트와 ARS 분자의 최소 및 최대 흡착은 각각 pH 3.5와 pH 5.5에서 관찰된다. LDH 결정망에서의 이성질체 치환 현상(Mg²⁺이 Al³⁺ 대신 치환)과 양성자화/탈양성자화로 인한 pH 의존적 전하 레벨로 인해, LDH의 금속 이온(LDH 기저 표면)은 강한 산성 조건(pH < 4)에서 용해되어 LDH 구조가 변한다. 다른 pH 값에서는 LDH 용해가 관찰되지 않는다 [41,42,43]. 영전하점(PZC)은 일정한 온도, 압력, 매질에서 반대 전하가 0이 되는 pH로 정의된다. 연구에 따르면 LDH에 PZC가 존재한다 [44]. LDH 표면의 양성자 전하 흡착은 매질의 pH를 변화시킬 수 있다. 그러나 시스템의 pH를 변경함에 따라 LDH 표면의 전하도 변할 수 있다. 또한 정전기 결합 효과로 인한 서로 다른 pH 조건에서 LDH 나노플레이트(기저면 및 프리즘면)의 배열은 염료 분자 흡착에 대한 경향이 다르다. 결과에 따르면, 강한 산성 조건(pH < 4)에서는 LDH 기저면의 금속 이온 용해로 인해 고체 전극 표면에 흡착되는 안정적이고 불용성인 LDH 나노입자의 양이 최소화된다.

반면, 완전히 알칼리성 조건으로 이동하면 LDH의 탈양성자화로 인해 LDH 표면에 흡착되는 ARS 분자의 양이 감소한다. 따라서 LbL 침지 테스트를 위한 LDH 콜로이드 현탁액의 최적 pH는 5.5로 간주된다. 그림 2b에 따르면, LDH 나노플레이트를 포함한 전극 표면에서 ARS의 최대 흡착은 pH 4.0에서 나타난다. LDH 표면에서 Al³⁺ 이온과 킬레이트를 형성할 수 있는 부적절한 매개체가 형성된 것으로 보인다. 상당한 산성 조건(pH 4.0)에서 중간 화합물(Scheme 2의 화합물 II)의 구조적 형태가 더 안정적이며, 이는 더 안정적인 조건에서 LDH 네트워크 내 Al³⁺ 이온과 킬레이트를 형성할 수 있다. 중성 pH에서는 LDH 표면에서 ARS의 상대적 흡착이 감소한다. Sathish [45]와 Supian 등 [24]도 ARS 시약이 pH 4.0 아세테이트 완충액에서 Al³⁺ 이온과 복합체를 형성한다고 보고하였다. 따라서 LbL 침지 테스트를 위한 ARS 용액의 최적 pH는 4.0으로 간주된다. LDH 현탁액(pH 5.5)과 ARS 용액(pH 4.0)의 최적 pH 조정을 모든 5번의 LbL 사이클 동안 수행한 ARLD-5 수정 전극의 흡광도 거동은 그림 1c에서 볼 수 있다.

Mg-Al LDH 나노플레이트가 전극 표면의 전기 전도도에 미치는 영향에 대해, 침지 사이클 수(n)를 결정해야 한다. 이를 위해 다양한 침지 사이클에서 전극 시트 저항 변화를 조사하였다. 그림 2는 (ARS/LDHs)_n으로 층층이 쌓인 ITO/PET 전극 시료의 시트 저항 결과를 보여준다.

그림 2의 결과가 명확하듯, 전극의 시트 저항은 5번째 사이클까지 약간 감소하다가, 5번째 사이클 이후 LDH 나노플레이트 밀도의 과도한 증가와 전자 전달 경로 길이 증가로 인해 시트 저항이 증가한다. LDH 나노플레이트의 LbL 조립이 전극 표면에서 이온 교환 기능과 견고한 전자 전달을 초래할 수 있다는 점이 중요하다. 따라서 5번째 사이클이 최적 사이클로 선택되어, 이 조건에서 수정된 전극이 최소 저항과 최고 전기 전도도를 가진다. 일반적으로 이 테스트 결과는 LDH 나노플레이트와 ARS 염료 분자의 LbL 조립 방법이 10번째 사이클까지 전극의 저항과 전기 전도도에 유의미한 영향을 미치지 않음을 보여준다.

그림 3과 4에는 각각 준비된 시료로부터 얻은 SEM 이미지와 위상 AFM 결과가 제시되어 있다.

준비된 전극의 형태학 및 위상 스캐닝 결과에서 볼 수 있듯이, LbL 사이클 수(n)가 증가함에 따라 전극 표면에서 ARS를 따라 LDH 층의 밀도가 지속적으로 증가하는 것이 관찰된다. 1번째 사이클부터 5번째 사이클까지 표면 거칠기(AFM 이미지)가 증가하였고, 흡착된 ARS와 함께 LDH 나노플레이트의 두께가 급격히 지속적으로 증가하였다.

LDH 나노플레이트 상의 ARS 분자 흡착을 조사하기 위해, 흡착된 층의 광학적 거동을 분광 형광법으로 연구하였다. 각 LbL 침지 사이클 후, 고체 전극 표면에서 분광 형광 테스트를 수행하였다. 준비된 전극의 분광 형광 테스트 결과는 그림 5에 제시되어 있다.

결과에서 볼 수 있듯이, 첫 번째 LbL 침지 사이클 후 전극 표면에 흡착된 ARS 분자와 LDH 나노플레이트의 양이 적어 형광 방출량이 미미하며 약한 형광 방출 피크는 약 666 nm이다. LbL 침지 사이클 수(n)를 증가시킴에 따라, 고체 전극 표면에서 ARS 층의 밀도가 LDH 나노플레이트와 함께 증가함에 따라 형광 방출률이 지속적으로 증가한다. 5번째 사이클에서 668 nm에서 가장 높은 형광 방출 피크가 관찰된다. 탈이온수 중 저농도(10⁻⁴ M) ARS 용액의 약한 방출 스펙트럼으로 인해, 고체 전극 기판에서 Mg-Al LDH 사이에 갇힌 이 화합물의 형광 방출 강도는 용액 상의 염료 분자보다 고체 상에서 염료 분자의 분자 회전이 적고 용매 효과가 감소하여 향상되었다 [46]. 층 수가 증가함에 따라 커플의 모양이 날카로워지고 피크 폭이 낮아지며, 이는 이를 확인시켜 준다. 응집 형태이거나 결정 격자로 조립된 분자의 형광 방출은 비복사 에너지 전달 효과와 분자 회전 감소가 크게 감소하거나 제거되어 향상된다. 그러나 고체 표면에서의 높은 응집은 현저한 자기 소광을 초래한다. 크로모포어 간의 분자간 상호작용을 줄이기 위해, 적층 구조 간의 분리를 증가시켜 방향족 코어 간의 π-중첩을 감소시킴으로써 형광 소광을 감소시키고 강한 방출을 초래하였다 [47].

ARS는 용액의 pH에 따라 세 가지 평형 구조를 가지는 것으로 밝혀졌으며, 이는 Scheme 2에 표시되어 있다 [48, 49]. 두 번째 탈양성자화는 pH > 12.1에서 청자색 디아니온(III)을 생성한다. 실험 조건에 따라 산화된 ARS 1과 환원된 ARS 7 종이 존재한다. 아래 pH 4에서는 ARS 1이 주요 종이고, ARS 2는 pH 5.5-10.5 영역에서 우세하며, ARS 3은 pH 12 이상에서 관련 종이 된다. ARS의 이온 형태는 토토머 구조를 가진다. Scheme 2는 각 종의 환원 형태와 토토머리즘을 보여준다.

알리자린(I)과 ARS는 Al³⁺과 안정한 복합체인 "레이크 피그먼트"를 형성하는 것으로 알려져 있다. V. Ya. Fain과 동료들은 알리자린과 알리자린 레드의 금속 복합체를 전자 흡수 스펙트럼 기반으로 깊이 연구하였다 [50]. 그들은 디하이드록시안트라퀴논의 착물화가 항상 페리-또는 오르토-하이드록시카르보닐 기에서 진행되며 토토머 안트라퀴노이드 형태를 포함한다고 결론지었다. 알리자린 착물화는 ARS의 모노아니온 형태인 화합물 II(Scheme 3)에서 C=O M-O 배위 결합과 6원 킬레이트 고리 형성을 통해 페리-하이드록시카르보닐 기에서 발생한다. 저자들은 알칼리 용액에서 알리자린이 금속 이온과 오르토-디페놀 화합물로 반응하여 구조 III을 생성한다고 제안하였다. 중성 매체에서의 착물화는 킬레이트 고리 복합체 I의 수소 원자가 금속 이온으로 치환된 후 M-O 결합의 이온화로 설명될 수 있다. 따라서 알리자린 모노아니온의 1위치 이온화된 하이드록시 기는 분자 내 수소 결합을 통해 결합된다. 또한 II를 형성하기 위해 이 복합체는 세 가지 더 많은 토토머 형태(IV-VI)를 가질 수 있다.

산성 매체에서 O-M 결합은 공유 결합으로 유지되며, 단일 금속 알리자이나트의 전자 흡수 스펙트럼은 비이온화 알리자린의 스펙트럼과 동일하다. 약알칼리 매체에서 알리자린은 모노아니온으로서 금속 이온과 착물화 반응에 들어간다. 모든 모노아니온 구조 중에서 9-하이드록시-2-옥소-1,10-안트라퀴논만이 인접한 카르보닐과 옥소 기를 포함한다. 따라서 알칼리 매체에서 형성된 단일 금속 알리자이나트는 5원 킬레이트 고리를 가진 1,10-안트라퀴노이드 구조 VII을 가져야 한다.

Scheme 2에서 볼 수 있듯이, ARS는 가역적인 레독스 거동을 보인다. 그 금속 복합체도 다른 레독스 특성을 가진 전기활성이어서 전기화학 기반 분석에 적용하기에 적합한 후보가 된다. 그 착물화 속도는 일부 일반적인 금속 이온 착물화 시약에 비해 빠르다. ARS와 ARS-Al은 서로 다른 레독스 피크 전위를 보인다. 따라서 자유 ARS에 알루미늄 이온을 첨가하는 동안 ARS-Al 레독스와 관련된 다른 전위에서 새로운 피크(ARS-Al)가 알루미늄 이온 농도에 비례하여 증가한다. ARS 기반 센서의 민감도와 적용성을 향상시키기 위해 다양한 안정한 플랫폼이 도입되었다. ARS와 그 복합체 모두 고체 상태에서 전기활성이다.

준비된 전극의 전기화학적 거동은 순환 전압전류 테스트로 연구하였다. 준비된 전극의 순환 전압전류도 결과는 그림 6에 표시되어 있다.

그림 6a 결과에 따르면, 베어 ITO/PET 전극의 형태는 낮은 전류 흐름과 얕은 폭을 가진 노이즈가 많은 그래프로, 전극의 약한 전기촉매 활성을 나타낸다. (ARS/LDHs)_n LbL 조립으로 전극 표면을 수정함에 따라, CV 그래프의 형태는 더 넓고 대칭적인 사이클로 변하며, 침지 사이클 수가 증가함에 따라 흐름 간격이 증가하고 커플 표면이 더 넓어지며, 5번째 사이클(n=5)에서 가장 높은 피크 유량과 가장 넓은 그래프를 보인다. 그림 6b 결과에 따르면, 알루미늄 이온이 없는 0.1 M KCl에서 ARLD-5 전극의 CV 테스트 결과 다소 "가역적인" 피크가 관찰된다. 이 피크에서 양극 및 음극 전류는 약 0.25 V(vs Ag/AgCl)에서 발생하며, 이는 수정 전극 표면의 자유 ARS 산화/환원에 기인한다. 알루미늄 이온 존재 시(그림 6c), 약 0.58 V(vs Ag/AgCl)에서 유사-가역적 피크 폭발이 검출되며, 이는 수정 전극 표면의 알리자린-알루미늄 복합체의 산화 피크와 관련되어 ARLD-5에서 산화 피크가 날카롭고 뚜렷하게 검출될 수 있다. 전압전류도 결과는 LbL 침지 층 수가 증가함에 따라 수정된 전극의 전기촉매 활성이 전극 외부 표면으로의 전자 전달과 관련하여 향상되었음을 보여준다. 또한 전극 표면에서 (ARS-Al) 복합체의 환원을 위한 다음 반응(Scheme 3)이 개선되었으며, 최상의 전기촉매 활성은 ARLD-5 전극에서 명백하다 [24].

염료의 구조 모델과 (ARS-Al) 복합체 형성에 대한 pH 효과의 중요성을 고려하여, 모든 CV 실험은 중성 pH(=7.0)(탈이온수 중 0.1 M KCl)에서 수행되어 전극 표면의 모든 전기화학적 및 광학적 변화를 Al³⁺ 이온 농도 변화만으로 제어하고 검출할 수 있도록 하였다.

Al³⁺ 전기화학적 검출

서로 다른 농도의 Al³⁺ 첨가 후 순환 전압전류도 변화는 그림 7에 표시되어 있다. 모든 결과는 알루미늄 이온을 전해질에 첨가한 후 10초 후에 얻어졌다.

그림 7 결과에 따르면, Al³⁺ 이온 농도 증가에 따라 피크 전위(E_pa) 0.58 V(vs Ag/AgCl)에서 산화 피크 전류 강도가 제어되고 지속적인 과정으로 점차 증가한다. 이는 ARLD-5 전극 표면에서 약 0.58 V(vs Ag/AgCl)의 산화 전위를 가진 ARS-Al³⁺ 복합체 형성을 나타낸다. A.R.S.와 Al³⁺ 사이의 복합체 형성 강도가 높기 때문에, 복합체 형성의 산화 피크는 유사-가역적이다 [51]. 본 연구에서 얻은 결과는 다른 연구들의 결과와 가깝다. 선형 스위프 스캔에서 0.27 V의 큰 피크는 자유 알리자린의 산화에 해당하며, Al 착물화 알리자린의 산화는 서로 다른 스캔 속도에서 0.58 V에서 피크를 준다 [52]. 그림 7b는 Al³⁺ 이온 검출을 위한 ARLD-5 전극의 전기촉매 거동을 보여준다. 양극 피크 전류 변화는 Al³⁺ 농도 증가에 따라 선형적으로 증가한다. 선형 응답 범위는 [0.2–120 μM]이며, 회귀 방정식은 i_pa(μA) = 0.0282C(10⁻⁶ M) + 0.0608, r² = 0.991, Al³⁺에 대한 검출 한계는 10.1 nM이었다.

또한, 간섭 이온으로 Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺를 동일한 조건(ARLD-5를 작동 전극으로, 0.1 M KCl 용액에서 120 μM 간섭 이온 농도로 CV 테스트)에서 조사하였다. 간섭 이온 첨가 후 ARLD-5 전극의 순환 전압전류도는 그림 8에 표시되어 있다.

그림 8은 수정된 전극의 Al³⁺에 대한 좋은 선택성을 보여준다. pH는 아세테이트/탄산나트륨 완충액, 0.1 M KCl(15 μM Al³⁺ 이온 포함)을 사용하여 2.0에서 12.0으로 변경하였다. 순환 전압전류도 결과는 그림 9에 표시되어 있다.

그림 9에서 볼 수 있듯이, pH 범위 5.0-7.5에서 그래프 모양과 산화 피크 전류에 큰 차이가 없다. 그러나 더 산성 조건(pH 범위 5-6.5)에서는 전해질에 더 높은 수소 이온이 존재함으로 인해 고체 전극 표면에서 화합물 II(Scheme 4)의 형성 확률이 증가하여 알루미늄 이온과 킬레이트를 형성하므로, ARS-Al 복합체의 산화 피크 전류가 증가한다 [38]. 전극 표면에 흡착된 LDH 나노플레이트의 구조적 변화로 인해 pH 5.0 미만(강한 산성 조건) 및 8.0 초과(강한 알칼리 조건)에서는 이 센서의 적용을 권장하지 않는다.

Al³⁺ 광학 검출

알리자린 레드 S(ARS)는 분광광도법 개발을 위한 발색 시약으로 사용되어 왔다. 안트라퀴논-금속 복합체는 강한 형광을 보인다. 금속-ARS 복합체의 형광은 양이온의 장 에너지에 의해 영향을 받는다 [53]. 따라서 Al-ARS 복합체의 최대 여기 형광 파장 쌍은 분광광도법에서 Al 결정에 대한 간섭 물질인 다른 금속 이온과 현저히 다르다. 여기에서 ARS는 LDH의 고체 플랫폼에 흡착되어 더 강직해지고 강도가 향상되어 더 높은 민감도를 초래하였다.

준비된 전극을 3전극 전기화학 셀에서 작동 전극으로 간주하였다. 사용된 전해질은 증류수 중 KCl 용액(0.1 M)이었다. 서로 다른 농도의 알루미늄 이온을 전해질에 첨가하였다. 각 CV 테스트 및 이 테스트 완료 후, 전극 표면에서 분광 형광 테스트를 정기적으로 수행하였다. 분광 형광 테스트 결과는 그림 10에 표시되어 있다.

(ARS/LDHs)₅ 매트릭스로 수정된 ITO/PET 전극은 Al³⁺ 이온 존재 시 강한 형광 방출 스펙트럼을 보인다. 그림 10은 Al³⁺ 첨가 후(농도 범위 0.2-120 μM) ARLD-5의 점진적 형광 증가를 보여주며, A.R.S.와 Al³⁺ 사이의 정적 첨가물 형성을 나타낸다. Al³⁺ 첨가 후 10초 이내에 ARLD-5 형광 강도가 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 ARLD-5의 형광 증가는 배양 시간과 상대적으로 무관하다. 위 결과로부터 ARLD-5는 Al³⁺ 이온에 대한 민감도와 높은 효율의 형광 방출을 가짐을 알 수 있다.

광학 센서에서 검출 한계와 보정 곡선을 계산하기 위해, 먼저 형광 강도 차이의 비율을 얻고, 이 비율을 표적 농도 역수에 대한 그래프로 그린다. 식 (1) [54]에 따라, 피팅된 선의 기울기를 사용하여 검출 한계를 결정하였다. 얻어진 결과는 그림 10c에 표시되어 있다.

$$(F_{\max} - F_{0})/(F_{c} - F_{0}) = 1 + (KC)^{-1}$$ (1)

그림 10b 결과에서 볼 수 있듯이, 형광 강도 변화는 Al³⁺ 농도 증가에 따라 선형 응답 범위 [0.2–120 μM]로 증가한다. 형광 강도를 농도 역수에 대해 플로팅하면, 회귀 방정식 Y = 0.6994X + 0.5445, r² = 0.986, Al³⁺에 대한 검출 한계 23 nM을 얻었다.

센서의 Al³⁺에 대한 선택성을 결정하기 위해, 120 μM 간섭 이온(Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺) 농도를 준비하였다. 간섭 이온을 전해질에 첨가한 후 전극 표면에서 분광 형광 테스트를 수행하였다. 그림 11 결과에서 볼 수 있듯이, 간섭 이온 첨가는 전극 표면의 형광 방출에 유의미한 차이를 보이지 않았으며, Al³⁺에 대한 형광 방출에서 가장 유의미한 차이가 관찰되어 이 유형 센서의 Al³⁺에 대한 높은 선택성을 나타낸다. 수정된 전극의 Al³⁺에 대한 선택성을 더 잘 결정하기 위해, 완전히 동일한 조건에서 탈이온수 중 10⁻⁴ M 농도의 ARS 용액 6개를 준비하였다. 따라서 120 μM Al³⁺ 이온과 간섭 이온을 각 용액에 할당하고 잘 혼합하였다. 그림 11b는 366 nm 여기 파장에서 UV 캐빈 하에 촬영한 각 용액의 이미지를 보여준다. 분광 형광 테스트 결과가 보여준 바와 같이, ARS 용액에 Al³⁺ 이온 첨가는 유의미한 형광을 보인 반면, 초기 ARS 용액과 간섭 이온을 포함한 다른 ARS 용액은 UV 캐빈 하에서 형광 방출이 없었다.

전극 표면의 전기화학적 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해, 120 μM Al³⁺ 이온 첨가 및 CV 테스트 수행 전후 전극 표면에서 UV-Vis 분광광도계 조사를 수행하였다. 탈이온수 중 ARS 용액(10⁻⁴ M)도 준비하였다. 120 μM Al³⁺ 이온을 용액에 첨가하고 잘 혼합하였다. 이후 두 용액에서 UV-Vis 분광광도계 테스트를 수행하였다. 시료로부터 얻은 UV-Vis 분광광도계 결과는 그림 12에 표시되어 있다.

그림 12 결과에 따르면, 알루미늄 이온을 ARS 용액에 첨가했을 때 최대 흡수 파장 577 nm에서 날카로운 피크가 나타나, ARS-Al³⁺ 복합체 형성 후 흡수 파장 적색 이동 및 크로모겐 흡광도 강도 증가를 나타낸다. Al³⁺ 이온이 ARS 분자와 반응할 때, ARS 분자의 하이드록실(-OH) 작용기가 보색단으로 작용하여 카르보닐(C=O) 크로모포어 피크를 577 nm의 더 긴 파장으로 이동시키고 크로모겐 흡광도 강도를 증가시켰다 [24]. 흥미로운 점은 알루미늄 이온을 전해질 용액에 첨가하고 CV 테스트 후 ARLD-5의 흡수 다이어그램에서 590 nm 흡수 파장에서 날카로운 피크가 나타나, 고체 전극 표면에서 ARS-Al³⁺ 복합체 형성이 확인된다는 것이다. Supian 등 [24]의 연구에서 ARS-Al³⁺ 복합체의 최대 흡수 파장은 488 nm에서 측정되었다.

센서 안정성

또한, 수정된 전극에서 0.2 μM Al³⁺에 대한 10회 반복 측정은 각각 2.5%와 2.6%의 상대 표준 편차(R.S.D.)로 재현 가능한 전류와 최대 형광 강도를 산출하였다; 또한 동일한 절차로 6개의 독립적인 수정된 전극을 준비하여 Al³⁺ 결정(0.2 μM)에 사용하였으며, (RSD) 1.9%로 전기화학 센서의 우수한 반복성과 재현성을 입증하였다. 장기 및 높은 유연성은 수정된 ITO/PET 전극의 굽힘 테스트(원통형으로 90° 각도) 1개월 동안 90회 수행 후 0.2 μM Al³⁺의 전류 응답을 측정하여 조사하였으며, 회수율은 96%로 수정된 유연한 전극의 긴 수명 안정성을 나타낸다.

그림 13 결과는 알루미늄 이온 농도 변화에 대한 전기화학 센서의 전기화학적/광학적 응답 변화를 나타내며, 이 유형 센서가 표적 분자에 대해 전기화학적 및 광학적 응답 간에 완벽하고 유의미한 적합성을 보임을 보여준다.

본 연구의 검출 한계는 이전 연구들과 비교하여 표 3에 상세히 제시되어 있다.

표 3에 요약된 다른 방법들은 ASV 기술 기반으로 일반적으로 더 긴 검출 시간과 각 측정에서 반복적인 전극 연마 단계를 필요로 한다. 반면, 본 연구에서 설계된 전기화학 센서는 단순한 설계 시스템을 가지며, 미량 표적 분자를 정량적으로 정확하게 검출하는 전기화학적 신호 외에도 광학 신호를 가진다. 분광 형광 테스트에서 광학 신호가 변화하므로, 센서의 적용이 생물학자들에게 매우 편리하다. 이 설계 구조는 미래 생명공학 응용 분야에 매우 적합하다고 간주된다.

결론

본 연구에서는 새로운 유연한 ITO/PET 기반 전기화학 센서를 설계 및 제작하였으며, LbL 조립 기술로 (ARS/LDHs)_n 매트릭스 격자로 표면을 수정함으로써 Al³⁺ 검출을 위한 민감하고 선택적인 센서를 얻었다. 본 연구 결과는 LDH 나노플레이트와 전기활성 염료 분자(ARS)의 LbL 조립이 최대 5사이클까지 균일한 형태학과 위상학을 가진 전도성 매트릭스 네트워크를 형성함을 보여주었다. 최소 시트 저항과 높은 전기촉매 기능은 LbL 조립의 5번째 사이클에서 얻어졌다. 이 전기화학 센서에서는 전기화학적 및 광학적 방법 모두로 Al³⁺을 높은 민감도로 검출하였으며, CV 기반 전기화학 방법에서 형광 기반 광학 방법보다 낮은 검출 한계 10.1 nM, 넓은 선형 범위 [0.2–120 μM]를 얻었다. 이 센서에서 전기화학 기술이 광학 방법보다 약 2.27배 더 민감하지만, Al³⁺의 서로 다른 농도에서 뚜렷한 광학 응답 해상도로 인해 광학 응용은 생물공학 진단을 위한 생물학자들의 관심사가 될 것이다.