전위차법을 이용한 이온선택성 마이크로플루이딕 전기화학센서의 개발

Abstract

용액 내에서 특정 이온을 정성적, 정량적으로 검출하는 것은 임상 진단, 환경 관찰, 그리고 식품 산업에서의 품질 관리에서 중요하다. 이 논문에서는 single-walled carbon nanotubes에 기반한 solid contact 이온선택성 전극을 제작하였고, 이를 통해 스트립 형태의 전극과 종이-플루이딕 센서를 개발하였다. 이 전극들의 전위차 신호를 측정하기 위해 Open circuit potential법을 사용하였다. 스트립 형태의 전극의 성능은 용액에 전극을 담근 상태에서 전위차 신호를 측정하였다. 전위차 신호와 포타슘 이온의 활동도(농도)의 로그값 사이에서 선형성과 높은 상관관계를 보였다. 이 전극은 선형 범위 내에서 super-Nernstian 반응을 보였고, 검출한계는 4.80 μM로 계산되었다. 이 전극은 또한 빠른 반응 시간과 안정성을 보였다. 전극의 선택성 계수는 칼슘, 마그네슘, 소듐, 리튬, 암모늄, 은 이온과 같은 방해 이온들에 대하여 좋은 선택성을 보였다. 그 다음에는 왁스 패턴이 된 종이와 SWCNT 필름을 이용해 종이-플루이딕 센서를 제작하여 플루이딕 상에서 적용했다. 플루이딕 상에서 피분석용액은 종이-플루이딕 센서에 있는 왁스 패턴이 된 종이에 떨어진 후 종이 채널을 통해 흐르게 된다. 플루이딕 센서 또한 같은 범위의 포타슘 이온 농도에서 super-Nernstian 반응을 보였다. 검출한계는 9.25 μM로 계산되었다. 종이-플루이딕 센서에서 민감도는 스트립 형태의 전극보다 약간 감소하였고, 검출한계는 약간 증가하였다. 이는 곧 센서의 효율이 조금 감소한다는 것을 뜻하지만, 종이-플루이딕 센서는 비용 절감, 일회용성, 빠른 검출 등의 실용적인 장점을 가진다. 이러한 점에서 종이-플루이딕 센서는 표적 이온의 미세 검출 및 경제적 효율성으로 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 것이라고 기대된다.; The qualitative and quantitative detection of specific ions in solution is important in clinical diagnosis, environmental monitoring, and quality control in the food industry. In this work, we fabricated a solid contact ion-selective electrode (SC-ISE) based on single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and both strip type of SC-ISE and paper-fluidic device were developed. An open circuit potential technique was employed to measure potentiometric response of these electrodes. The performance of strip type of SC-ISE was investigated in the bulk system and the potentiometric response was measured by immersing the electrode in the solution. There was a linear dependence and a good correlation between potentiometric response and logarithm of potassium ion activity (10-5 to 1 M). This electrode showed a super-Nernstian response (112.1 ± 2.9 mV / decade aK+) in the linear range, and the limit of detection (LOD) was 4.80 μM. It also showed a rapid response time and stability. The selectivity coefficients of this electrode revealed good selectivity against common interfering ions such as calcium, magnesium, sodium, lithium, ammonium, and silver ions. Then, we developed a paper-fluidic device with a modified wax-patterned paper using the SWCNT film and applied it to a fluidic system. In the fluidic system, the analyte solution was dropped onto the wax-patterned paper on a paper-fluidic device and flowed laterally through the paper channel. The device also showed a super-Nernstian response (107.2 ± 3.5 mV / decade aK+) in the same range of potassium ion concentration, and LOD was 9.25 μM. There were a slight decrease in device sensitivity compared to that in the bulk system and a small increase of LOD. Although it means that the efficiency of paper-fluidic device slightly decreased, the device has several advantages of low-cost, disposability and rapid detection. For these reasons, paper-fluidic device will be useful in many fields widely with micromolar detection of target ion and cost-effectivity.