다공성 탄소 기판 위의 구리 나노입자: 고성능 포도당 센서 구현

초록

전 세계적으로 당뇨병 발생률이 높아짐에 따라 포도당 농도를 빠르고 정확하게 측정하는 센서는 인체 건강에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 구리 이온을 함침시킨 여과지를 고온에서 소성하여 합성한 다공성 탄소 기판에 수용된 구리 나노입자(Cu NP@PC)를 포도당 전기화학 센싱용 전극 활성 물질로 설계했습니다. 다공성 탄소 형성 과정에서 구리 나노입자가 자발적으로 형성된 공극에 수용되어 반피복 복합체를 구성했습니다. 전기화학적 포도당 산화에서 제조된 Cu NP@PC 복합체는 0.2 mM 포도당 존재 하에서 0.55 V 전위에서 0.31 mA/cm²의 전류 밀도로 우수한 촉매 활성을 보였습니다. 이러한 높은 전기화학적 산화 활성을 바탕으로 Cu NP@PC 복합체는 우수한 포도당 센싱 성능도 나타냈습니다. 감도는 84.5 μA/(mmol·L), 선형 범위는 0.01~1.1 mM, 낮은 검출 한계(LOD)는 2.1 μmol/L로 결정되었습니다. 비다공성 탄소 지지 구리 나노입자(Cu NP/C)와 비교할 때, 이는 다공성 탄소 기판과의 향상된 물질 전달 및 강화된 시너지 효과로 설명할 수 있습니다.

서론

최근 당뇨병이 전 세계적으로 큰 주목을 받으면서 포도당 농도의 빠르고 정확한 측정이 요구되고 있습니다[1]. 다양한 기술이 개발되었습니다[2]. 간편한 조작, 빠른 응답, 높은 감도 덕분에 전기화학적 방법은 포도당 센싱에 특히 관심이 높으며, 전극 활성 물질이 센서의 핵심입니다[3, 4]. 지금까지 포도당 반응 활성이 좋은 물질로는 귀금속(금[4], 은[5], 백금[6], 팔라듐[7]), 비귀금속(구리[8], 니켈[9]), 금속 산화물(산화아연[10], 산화망간[11], 산화니켈[12], 산화철[13]), 탄소 물질(탄소나노튜브[14], 탄소나노도트[15], 중기공 탄소[16]) 등이 보고되었습니다. 이 중 구리 기반 복합체는 저렴한 비용[3], 좋은 전기 전도도[17], 제어 가능한 비표면적 덕분에 효율적인 포도당 센싱 플랫폼 구축에 큰 잠재력을 보입니다. 한편, 그래핀[18, 19], 탄소나노파이버[20], 탄소나노튜브[21], 중기공 탄소[22] 같은 탄소질 기판과 복합체를 형성하면 구리 기반 물질의 전기화학적 성능이 크게 향상된다고 보고되었습니다. 예를 들어, Zhang 등은 구리 나노입자/레이저 유도 그래핀 복합체를 제조하여 유연한 효소 프리 포도당 앰페로메트릭 바이오센서를 성공적으로 개발했습니다. 단순성과 높은 감도 덕분에 이 센서는 착용형 또는 이식형 바이오센서로 활용될 것으로 기대됩니다[23]. Wang 그룹은 아크 방전법으로 CuO와 단일벽 탄소나노튜브 복합체를 합성했습니다. 탄소나노튜브가 촉진한 높은 전도성 네트워크는 포도당 센싱에서 높은 감도와 좋은 선택성을 이끌었습니다[21]. 구리 나노와이어의 좋은 전도성과 2차원 환원 그래핀 산화물(rGO) 층에서의 빠른 전자 전달 덕분에 Ju 등은 1차원 구리 나노와이어와 2차원 rGO 나노시트 복합체를 합성하여 포도당 검출에서 1625 μA/(mM·cm²)의 감도와 0.2 μM의 검출 한계를 보였습니다[3]. 구리 기반 물질의 성능이 크게 향상되었으나, 휴대용 기기의 실제 응용에는 아직 부족합니다. 즉, 구리 나노입자를 위한 새로운 템플릿이나 짝을 찾는 것이 필요합니다.

특수한 3차원 골격 구조[24]를 가진 다공성 탄소는 금속 활성 중심의 분산을 촉진하는 풍부한 결합 부위를 가질 뿐만 아니라, 전자와 반응 물질의 접근성을 높이는 더 큰 비표면적을 제공합니다[25-27]. 최근 다공성 탄소는 금속 물질의 전기화학적 센싱 활성을 크게 향상시킬 수 있는 유망한 수정 및 기판 물질로 인식되었습니다. 예를 들어, Li 등은 다공성 탄소 나노시트에 내장된 Co₇Fe₃ 합금 나노입자 복합체(Co₇Fe₃/NPCSs)를 조사했습니다. 다공성 탄소의 나노구속 효과 덕분에 포도당 검출을 위한 매우 넓은 선형 범위(0.001~14.00 mM)를 보였습니다[28]. 금속-유기 골격(MOF)을 자기 희생 템플릿으로 사용하여 다공성 탄소 물질을 제조한 Jia 그룹의 니켈 나노입자 내장 나노다공성 탄소 나노로드는 1.6초 이내의 빠른 응답 시간으로 좋은 포도당 센싱 특성을 보였습니다[29]. Song 등은 Cu MOF를 원료로 사용하여 구리 나노입자가 균일하게 내장된 다공성 탄소 베드 복합체(Cu@C-500)를 구축했습니다. 계층적 기공성 덕분에 높은 감도와 낮은 검출 한계를 보이며 포도당 센서 소자로서 큰 잠재력을 보였습니다[30]. 따라서 독특한 구조적 및 전자적 효과로 다공성 탄소 물질은 포도당 센싱에서 구리 나노물질의 전기화학적 성능을 더욱 향상시키는 훌륭한 파트너가 될 것으로 기대됩니다.

본 연구에서는 저렴한 여과지에 구리 이온을 함침시켜 고온에서 소성함으로써 다공성 탄소 기판에 수용된 구리 나노입자 복합체를 설계 및 합성했습니다. 합성 과정에서 다공성 탄소의 형성과 구리 나노입자의 수용이 동시에 발생했으며, 이는 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경으로 입증할 수 있습니다. 전기화학적 측정 결과, 제조된 시료(Cu NP@PC)는 0.1 M KOH에서 0.2 mM 포도당 존재 하 0.55 V 전위에서 0.31 mA/cm⁻²의 전류 밀도로 포도당 산화에 대한 높은 전기촉매 활성을 보였으며, 이는 Cu NP/C보다 훨씬 우수했습니다. 포도당 센싱에서 감도는 84.5 μA (mmol/L)⁻¹, 검출 한계는 2.1 μmol/L로 계산되어 이전에 보고된 대부분의 물질보다 월등히 우수했습니다. 또한 간섭 방지 실험을 통해 현재 물질의 좋은 선택성도 입증되었습니다.

실험

시약

질산구리(Cu(NO₃)₂·3H₂O, AR), 에탄올(C₂H₅OH, 99.8%), 포도당(C₆H₁₂O₆, 96%), 요소(CH₄N₂O, AR, 99%), 구연산(C₆H₈O₇, AR, 99.5%), 아세트산암모늄(CH₃COONH₄, AR), 염화나트륨(NaCl, AR, 99.5%), 수산화칼륨(KOH, AR, 85%). 위 모든 시약은 Aladdin에서 구매했습니다. 5% D520 나피온 용액은 DuPont에서, 여과지는 Hangzhou Fuyang BEIMU Pulp Co., Ltd.에서 구매했습니다. 탄소지는 일본 Toray 전도성 탄소지(TGP-060)를 사용했습니다. 실험 전반에 사용된 물은 전도도 18.25 MΩ·cm의 초순수입니다.

기기

X선 회절(XRD) 스펙트럼은 X'Pert PRO MPD 다목적 분말 X선 회절계에서 얻었습니다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 스펙트럼(1000~4000 cm⁻¹ 범위)은 IS50 FT-IR 분광계에서 기록했습니다. 라만 스펙트럼은 532 nm 파장에서 inVia Qontor(Renishaw, UK) 시스템으로 측정했습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 측정은 120 W에서 작동하는 Thermo ESCALAB 250XI 분광계로 수행했습니다. 시료의 형태는 20 kV 가속 전압의 Hitachi S4800 주사 전자 현미경(SEM)으로 특성화했습니다. 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 Tecnai G2 F20에서 수집했습니다. 브루나우어-에멧-텔러(BET) 측정은 비표면적 물리 흡착 장치(ASAP2020M)에서 수행했습니다.

Cu NP@PC 및 Cu NP/C 합성

일반적으로 Cu NP@PC의 합성은 2단계 고온 열분해로 완료했습니다. 먼저, 상용 여과지를 질소 분위기에서 튜브 퍼니스에서 250°C로 1시간 예비 처리했습니다. 다음, 10 mm × 50 mm 크기의 처리된 연노랑 여과지를 0.1 M 농도의 투명한 청색 질산구리 용액에 담그고 10분 후 꺼냈습니다. 실온에서 건조한 후, 여과지를 깨끗한 도가니에 넣고 질소 보호 하에서 튜브 퍼니스에서 180°C, 240°C, 900°C로 각각 2시간, 2시간, 1시간 연속 처리했습니다. 마지막으로 시스템이 실온으로 냉각되면 Cu NP@PC 생성물을 수집하고 전기화학적 테스트 전에 분쇄했습니다. 대조 시료인 Cu NP/C와 순수 탄소는 질산구리 농도를 각각 0.2 M과 0 M으로 한 것을 제외하고 동일한 절차로 합성했습니다.

전기화학 측정

본 연구에서 모든 전기화학 테스트는 실온에서 표준 3전극 시스템으로 CHI 760E 전기화학 워크스테이션에서 수행했습니다. 실험 전, 집전체로 사용할 여러 조각의 탄소지(5 mm × 5 mm)를 물, 에탄올로 세척하고 60°C에서 하룻밤 건조했습니다. 촉매 잉크 제조를 위해 10 mg 시료(Cu NP@PC, Cu NP/C 또는 순수 탄소 분말)를 에탄올, 물, 나피온(5%) 용액과 10:10:1 비율로 혼합하여 균일하게 분산시켰습니다. 그런 다음 40 μL 촉매 잉크를 1.6 mg/cm² 부하량으로 깨끗한 탄소지에 떨어뜨려 작업 전극으로 사용했습니다. Ag/AgCl(포화 KCl) 전극과 흑연 봉을 각각 기준 전극과 대향 전극으로 사용했습니다. 전기화학 실험에는 순환 전압전류법과 선형 스위프 전압전류법을 사용하여 제조된 물질의 포도당 산화 잠재 성능을 정성적으로 조사했습니다. 크로노앰페로메트리를 사용하여 제조된 물질의 센싱 성능을 정량적으로 평가했습니다. 전체 과정에서 0.1 M KOH 용액을 전해질로 선택했습니다.

결과 및 고찰

그림 1a와 같이 목표 물질 합성을 위해 예비 가열 처리를 통해 여과지에서 불안정한 불순물과 수분을 제거하여 색이 연한 노란색으로 변했습니다. 그런 다음 처리된 여과지를 구리 이온 용액에 침투시켜 금속 나노입자를 지지했습니다. 튜브 퍼니스에서의 고온 소성 과정에서 구리 원자와 미세 결정이 형성되었습니다. 구리 나노입자의 핵 생성 및 성장 속도가 탄소의 열분해 속도보다 낮기 때문에, 이러한 초기 구리 미세결정은 탄소의 분해와 증발을 촉매하여 구멍 형성을 유도합니다[31]. 최종적으로 갈색-검은색 Cu NP@PC 시료가 제조되었습니다. 구리 이온 농도가 과도하면 핵 생성 속도가 증가하여 비다공성 탄소 물질이 형성됩니다. 제조된 시료의 성분을 확인하기 위해 X선 회절(XRD) 패턴을 수집했습니다(그림 1b). Cu NP@PC와 Cu NP/C 시료 모두 구리와 탄소의 회절 피크를 보입니다. 43.2°, 50.3°, 73.9°의 회절 각도에 위치한 세 개의 날카로운 특성 피크는 각각 구리 나노입자의 (111), (200), (220) 격자면에 기인합니다(PDF#04-0836)[32, 33]. 25° 부근에 중심이 있는 넓은 피크는 흑연화 탄소의 (002) 결정면에 해당하며, 이는 후속 전기화학 반응에서 전자 전달을 촉진합니다[3, 25, 34]. 탄소의 구체적 조성을 분석하기 위해 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 라만 스펙트럼을 수집했습니다(그림 1c). 약 1350 cm⁻¹과 1600 cm⁻¹ 부근의 피크로 D-밴드와 G-밴드를 명확히 확인할 수 있습니다[35]. 보고에 따르면 G-밴드는 sp² 탄소 원자의 상대적 운동에 의해 발생하고, D-밴드는 탄소 고리의 호흡 모드와 관련됩니다[36]. 본 연구에서 Cu NP@PC의 계산된 D/G 밴드 비율은 0.899로 Cu NP/C의 값과 동일했습니다. 따라서 두 시료에서 비정질 탄소와 나노결정질 흑연의 분포가 유사합니다. 이는 두 제조 물질의 성분이 거의 동일함을 나타내며, 즉 Cu NP@PC와 Cu NP/C 모두 구리 나노입자와 탄소 골격으로 구성됩니다. 미세 구조 정보를 더 밝히기 위해 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 FTIR 스펙트럼을 조사했습니다(그림 1d). 1734 cm⁻¹과 1628 cm⁻¹의 신호가 Cu NP@PC에서 나타나는데, 각각 C=O[39]의 신축 진동과 C-O[40]의 신축 진동에 기인합니다. Cu NP/C와 비교하여 Cu NP@PC의 2363 cm⁻¹ 밴드는 공기 중 이산화탄소에 기인합니다. Cu NP@PC와 Cu NP/C에서 3466 cm⁻¹에서 관찰된 약한 흡수 밴드는 물 분자의 O-H 결합 신축 진동에 할당될 수 있습니다[37].

a Cu NP@PC와 Cu NP/C 시료 제조 개략도; b Cu NP@PC와 Cu NP/C의 XRD 패턴; c Cu NP@PC와 Cu NP/C의 라만 스펙트럼; d Cu NP@PC와 Cu NP/C의 FTIR 스펙트럼

제조된 물질의 형태와 구조를 관찰하기 위해 주사 전자 현미경(SEM) 실험을 수행했습니다. Cu NP@PC 시료의 경우 그림 2a의 SEM 이미지에서 탄소 층 표면에 풍부한 구멍이 무작위로 분포하고 구리 나노입자가 이 구멍에 위치함을 볼 수 있습니다. 그림 2b는 거의 모든 구리 나노입자가 반은 안쪽, 반은 바깥쪽에 위치함을 보여줍니다. 보고에 따르면 전기화학적 반응은 보통 전자와 물질 전달을 포함합니다. 따라서 안쪽 반은 탄소 기판과의 전자 전달에 유리하고, 바깥쪽 반은 활성 부위로 작용하여 물질과 상호작용합니다. 이는 궁극적으로 전기화학 반응의 효율을 향상시킵니다. 그림 2c에서는 다공성 탄소가 발견되지 않고 모든 구리 나노입자가 Cu NP/C 시료에서 탄소 표면에 지지되어 있습니다. 그림 2d에서는 일부 응집도 발생합니다. 또한 두 시료의 구리 나노입자 크기는 각각 100개 금속 나노입자 기준으로 0.406 μm와 0.398 μm로, 두 가지 다른 구리 이온 농도에서 성장한 구리 나노입자 크기는 크게 다르지 않으며, 구리 이온 농도 증가는 탄소의 형태만 제어할 수 있음을 나타냅니다. 또한 그림 2e의 TEM 이미지에서 확대된 구리 나노입자가 이 구멍들과 크기가 비슷하고 부분적으로 캡슐화되어 있어 목표 복합체의 성공적 형성을 다시 입증합니다. 제조된 물질의 다공성 특성을 더 밝히기 위해 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 질소 흡착 등온선을 연구했습니다. 그림 2f와 같이 Cu NP@PC 나노물질의 계산된 BET 비표면적은 309.95 m²/g로 Cu NP/C보다 훨씬 높습니다. 이는 SEM과 TEM 결과와 일치합니다.

a, b Cu NP@PC의 서로 다른 배율 SEM 이미지; c, d Cu NP/C의 서로 다른 배율 SEM 이미지; e Cu NP@PC의 TEM 이미지; f Cu NP@PC와 Cu NP/C의 BET 비표면적 분석

시료의 전자 구조를 조사하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 수행했습니다. 그림 3a와 3b는 각각 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 전체 XPS 서베이 스펙트럼으로 Cu, C, O의 존재를 보여줍니다. Cu 원소의 경우 그림 3c는 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 디콘볼루션된 Cu 2p XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 두 신호 모두 같은 피크 위치에서 생성되어 두 시료의 구성이 동일함을 암시합니다. 952.5 eV와 932.8 eV의 두 명확한 피크는 각각 Cu(0)의 Cu 2p₃/₂와 Cu 2p₁/₂에 기인하여 금속 구리의 존재를 시사합니다[38]. 953.7 eV와 934.8 eV의 결합 에너지는 각각 Cu(II)의 Cu 2p₃/₂와 Cu 2p₁/₂에 할당됩니다[39-41]. Cu(II)의 존재는 944.2 eV와 941.4 eV의 약한 위성 피크로도 확인됩니다[10]. Cu(0)과 Cu(II)에 해당하는 피팅 피크로부터 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 Cu(0)/Cu(II) 비율은 각각 2.2와 1.8로 추정됩니다. 이는 Cu NP@PC의 표면 구리 원자가 다공성 탄소 층의 캡슐화로 인해 산화되기 어렵기 때문으로 설명할 수 있습니다. 한편, 더 많은 금속 구리 원자가 포도당 센싱에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 그림 3d의 두 시료 C1s 스펙트럼에서 289 eV, 286 eV, 284.8 eV에 위치한 세 신호는 각각 C=O, C-O, C-C/C-H에 해당하며, 카르복실기 같은 산소 함유 작용기의 존재를 나타내며 FTIR 결과와 일치합니다[42, 43].

a Cu NP@PC의 XPS 서베이 스펙트럼; b Cu NP/C의 XPS 서베이 스펙트럼; c Cu NP@PC와 Cu NP/C의 Cu 2p XPS 스펙트럼; d Cu NP@PC와 Cu NP/C의 C 1s XPS 스펙트럼

다공성 탄소의 장점을 기반으로 0.1 M KOH 용액에서 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 포도당 전기화학적 센싱 특성을 조사했습니다. 구리 나노입자가 없는 순수 탄소 물질을 기준 시료로 사용했습니다. 그림 4a와 같이 순환 전압전류 곡선(CV)은 전해질에 0.2 mM 포도당 존재 시 Cu NP@PC에서 가장 큰 전류 응답을 보였으며, Cu NP/C와 순수 탄소 시료보다 우수했습니다. 구체적으로 0.55 V 전위에서 0.31 mA/cm⁻²의 전류 밀도를 얻었습니다. 이는 제조된 Cu NP@PC가 포도당 산화를 위한 최상의 촉매임을 나타내며, 이는 다공성 구조 덕분으로 설명할 수 있습니다. 보고에 따르면 기공성은 물질 전달을 촉진합니다[29]. 여기에서 Cu NP@PC 수정 전극에서 스캔 속도가 포도당 산화에 미치는 영향을 조사하여 향상된 물질 전달을 입증했습니다. 그림 4b와 같이 스캔 속도가 20, 40, 60, 80 mV/s로 변함에 따라 전류 밀도가 점진적으로 증가합니다. 그림 4c는 전류 밀도(J_p)와 스캔 속도의 제곱근(v¹ᐟ²) 사이의 피팅 곡선을 보여줍니다. 선형 관계는 J_p = 0.00254 v¹ᐟ² - 0.00359 (상관 계수: R² = 0.995)로 표현되며, Cu NP@PC 수정 전극에서 포도당 산화의 확산 제어 과정을 나타냅니다[44]. 또한 그림 4d에서 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS)은 Cu NP@PC의 전하 전달 저항이 Cu NP/C보다 낮음을 보여줍니다. 따라서 촉진된 물질 전달과 향상된 전자 전달 과정을 결합하여 Cu NP@PC 수정 전극에서의 포도당 촉매 산화 메커니즘을 그림 4e에 개략적으로 나타냈습니다. Cu(II)가 먼저 Cu(III)로 산화된 후 전자를 받아 Cu(II)로 환원됩니다. 이 과정에서 포도당 분자가 전자를 내어주어 글루코노락톤으로 산화됩니다. 물질의 기공성 덕분에 형성된 글루코노락톤이 용액으로 빠르게 전달된 후 글루콘산으로 가수분해됩니다[3, 45].

a 포도당 산화 반응에 대한 Cu NP@PC, Cu NP/C, 순수 탄소 시료의 CV 곡선(0.2 mM 포도당, 0.1 M KOH, 스캔 속도: 100 mV/s); b 0.1 M KOH에서 서로 다른 스캔 속도(20, 40, 60, 80 mV/s)에서 Cu NP@PC의 CV 곡선; c 0.4 V에서 전류 밀도와 스캔 속도 제곱근의 관계 플롯; d Cu NP@PC와 Cu NP/C의 전기화학적 임피던스 스펙트럼; e Cu NP@PC에서 포도당 전환 메커니즘 공정 개략도

우수한 전기화학적 촉매 산화 성능을 바탕으로 Cu NP@PC의 포도당 센싱 잠재 성능을 조사했습니다. Cu NP@PC의 포도당 농도에 대한 전류 응답을 정성적으로 연구하기 위해 2, 4, 6, 8, 10 mM 농도에서 순환 전압전류법을 수행했습니다. 그림 5a와 같이 Cu NP@PC 수정 전극의 전류 밀도는 포도당 농도 증가에 따라 점진적으로 증가하여 잠재적으로 우수한 센싱 성능을 암시합니다. Cu NP@PC의 포도당 센싱 특성을 정량적으로 밝히기 위해 0.55 V 전위에서 크로노앰페로메트리(I-t)를 수행했습니다. 그림 5b와 같이 Cu NP@PC 수정 전극의 전류 밀도는 포도당 농도가 0.01에서 1.1 mM로 증가함에 따라 단계적으로 증가합니다. 그림 5d의 I-t 곡선에서 포도당 농도와 응답 전류 사이의 피팅된 보정 곡선은 y = 0.3378 x + 0.0077 (상관 계수: R² = 0.997)로 표현됩니다. 한편 감도는 84.5 μA (mmol/L)⁻¹로 결정되었습니다. LOD = 3σ/q 공식[46]에 따라(σ는 블랭크 응답의 표준편차, q는 선형 회귀 곡선의 기울기), 검출 한계는 2.1 μmol/L로 계산되었습니다. 이 두 지표는 그림 6b와 같이 이전 보고들의 대부분보다 훨씬 우수합니다[47-52]. 비교를 위해 Cu NP/C 수정 전극의 I-t 곡선 전류 밀도도 포도당 농도 증가에 따라 점진적으로 변화하지만(그림 5c), 변화의 크기는 현저히 감소했습니다. 그림 5d와 같이 포도당 농도와 응답 전류 사이의 피팅 선형 곡선은 y = 0.007 x + 0.0017 (상관 계수 R² = 0.998)로 표현되었습니다. 감도는 1.75 μA (mmol/L)⁻¹, 검출 한계는 10 μmol/L로 추정되었습니다. 따라서 Cu NP/C 결과와 비교할 때 Cu NP@PC 시료의 센싱 성능도 다공성 탄소 기판에 의해 향상되었습니다.

a 0.1 M KOH에서 2, 4, 6, 8, 10 mM의 서로 다른 포도당 농도 존재 시 Cu NP@PC의 CV 곡선. 스캔 속도: 100 mV/s; b 0.1 M KOH에서 0.55 V(vs Ag/AgCl)에서 포도당 용액 연속 첨가에 따른 Cu NP@PC의 앰페로메트릭 응답; c 0.1 M KOH에서 0.55 V(vs Ag/AgCl)에서 포도당 용액 연속 첨가에 따른 Cu NP/C의 앰페로메트릭 응답; d 포도당 센싱을 위한 Cu NP@PC와 Cu NP/C의 해당 보정 곡선. 오차 막대는 실험 3회 반복 기준

a 0.01 mM 포도당 용액, 0.01 mM 아세트산암모늄(NH₄OAc), 0.01 mM 염화나트륨(NaCl), 0.01 mM 요소(UA), 0.01 mM 구연산(CA) 순차 주입 후 Cu NP@PC의 응답 전류; b Cu NP@PC와 이전에 보고된 물질 간의 LOD와 감도 비교

잘 알려진 바와 같이 항간섭 능력은 물질의 센싱 성능을 평가하는 또 다른 핵심 요소입니다. 본 연구에서 Cu NP@PC 수정 전극의 포도당에 대한 선택성을 조사하기 위해 아세트산암모늄(NH₄OAc), 염화나트륨(NaCl), 요소(UA), 구연산(CA) 등 0.01 mM 농도의 여러 간섭 물질을 선택하여 전해질에 순차적으로 주입했습니다[53]. 분명히 간섭 물질에 의한 전류 밀도 변화는 무시할 수 있습니다. 오직 0.01 mM 포도당이 주입되었을 때만 위 간섭 물질들과 관계없이 전류 밀도가 유의미하게 증가했습니다(그림 6a). 또한 소변을 기질로 사용하여 이 제안된 시스템이 여전히 포도당의 민감한 검출을 달성할 수 있으며, 상용 시험지와 비교 가능합니다(추가 파일 1: Figure S3 및 S4). 따라서 Cu NP@PC 물질은 포도당에 대해 우수한 전기화학적 촉매 산화 및 센싱 능력을 가집니다.

결론

구리 이온을 함침시킨 상용 여과지를 소성하여 구리 나노입자와 다공성 탄소 기판으로 구성된 복합체를 설계 및 합성했습니다. 기공성의 장점으로 제조된 Cu NP@PC는 전기화학적 포도당 산화와 센싱에 우수한 능력을 보였습니다. 감도는 84.5 μA mM⁻¹, 검출 한계는 2.1 μM로 계산되어 이전 보고들의 대부분보다 월등히 우수했습니다. 또한 Cu NP@PC 수정 전극은 포도당에 대한 좋은 선택성도 보였습니다. 따라서 본 연구에서 제조된 복합체는 휴대용 포도당 센서 구축을 위한 새로운 후보일 뿐만 아니라 다공성 탄소 물질 제조를 위한 새로운 사고를 제공합니다.

데이터 및 재료 가용성

이 연구의 데이터와 결론은 모두 이 논문에 제시되어 있습니다.

약어

LOD:

검출 한계

rGO:

환원 그래핀 산화물

MOF:

금속-유기 골격

XRD:

X선 회절

SEM:

주사 전자 현미경

TEM:

투과 전자 현미경

BET:

브루나우어-에멧-텔러

XPS:

X선 광전자 분광법

CV:

순환 전압전류 곡선

I-t:

크로노앰페로메트리

UA:

요소

CA:

구연산