2.2.1 PdCl2와 CuCl2의 최적 조건 비율

촉매역할을 하는 Pd와 Cu가 W.E.의 LIG 위에 도금되는 비울에 따라 에탄올 센서의 출력이 변할 것이 예상되어서, 동일한 에탄올 농도에서 센서의 출력이 최대가 되는 조건을 찾는 실험을 수행했다. W.E.의 LIG 위에 전기도금되는 Pd와 Cu의 최적 비율을 얻기 위해 전기도금 용액 내 PdCl와 CuCl의 비율을 1:9, 3:7, 5:5, 7:3, 9:1 (단위: mM)인 조건에서 전기도금한 센서들의 출력을 비교하였다. 그림 2에서 PdCl와 CuCl의 비율이 7:3인 경우 출력값이 가장 높았고, 이는 PdCu를 전기도금한 과산화수소 센서 연구와 동일한 비율이다^(26,27).

2.2.2 AOx 도포 양 최적 조건 실험

W.E 전극에 도포하는 AO의 최적 양을 찾기 위해 AOx의 도포 양을 1, 2, 3, 4, 5 μL로 다르게 도포한 센서들로 동일한 10 mM 에탄올 용액을 이용하여 측정하였고 그 가운데 가장 높은 출력 신호를 얻은 AOx 도포 양을 최적의 양으로 설정하였다. 그림 2는 AOx 도포 양에 따라 측정된 전류값을 가장 높은 측정값으로 정규화(normalization)하여 비교한 그래프인데, AOx가 3 μL일 때 가장 높은 출력 전류값이 측정되었고, 3 μL 이상에서는 전류가 감소함을 보인다. 그 원인은 전극에 3 μL보다 더 많은 양의 AOx를 전극에 도포하면 효소층이 최적의 두께보다 더 두꺼워져서 에탄올과 AOx의 반응 생성물인 과산화수소가 전극으로의 확산을 방해하는 것으로 판단된다.

2.2.3 PBS pH에 따른 실험

효소는 pH 값에 의해 영향을 받는다고 알려져서⁽²⁸⁾, 에탄올 효소 센서 실험 시 PBS의 pH를 6.0, 6.5, 7.0, 7.5, 8.0으로 바꿔가며 실험을 진행하였다. 그림 2를 보면 PBS의 pH가 7.0일 때 가장 높은 출력값을 얻었고, 이는 다른 탄소기반 전극의 에탄올 효소 센서^(11,19,29)의 연구 결과와 일치한다.

그림. 2. 작업 전극 최적화 실험 결과 (Pd와 Cu 비율, AOx 도포 양, PBS pH, 에탄올 농도: 10 mM, 인가전압: -0.05 V, n=5)

Fig. 2. W. E. optimization experiment results (Pd:Cu ratio, AOx drop-casting volume, PBS pH, ethanol concentration: 10 mM, applied potential: -0.05 V, n=5)

2.3.1 LIG 전극 성분 및 구조 분석

LIG 전극의 성분 및 구조를 확인하기 위해 라만 분광기(HORIBA社, LabRam ARAMIS IR2)를 사용하여 분석하였다. 그림 3은 1350 cm, 1580 cm, 2700 cm에서 총 세 개의 뚜렷한 D 피크, G 피크, 2D 피크를 보인다. D 피크는 결함이나 구부러진 sp2 탄소 결합에 의해 발생되며⁽²⁰⁾, G 피크는 graphite의 G 피크이며⁽³¹⁾, 2D 피크는 2차 영역 경계 (second order zone-boundary)에 의해 발생한다⁽²⁰⁾. 제작된 LIG의 그래핀 층수의 식별은 2D 피크와 G 피크의 강도의 비율을 통해 확인할 수 있는데, I/I가 1.8 이상이면 단층 그래핀, 1.8과 0.8 사이이면 이중 그래핀, 0.8 이하이면 다층 그래핀이라고 알려져 있다⁽³²⁾. 제작한 LIG 전극의 I/I는 0.61로 다층 그래핀의 형태임을 확인하였다. 따라서 제작한 LIG 전극은 3차원의 다공성 구조를 가지며 다층 그래핀으로 이루어져 있음을 확인하였다.

그림. 3. PI 필름과 LIG의 라만 스펙트럼

Fig. 3. Raman spectrum of the PI film and the LIG

2.3.2 LIG 전극 위 PdCu 전기도금 결과 분석

PdCu 전기도금 전후의 LIG 전극 표면의 형태를 비교하기 위해 FE-SEM(HITACHI社, S-4300)으로 전극을 촬영하고 전기도금된 Pd와 Cu의 비율을 확인하기 위해 EDS 분석을 진행하였다. 그림 4(a)는 PdCu 도금 전의 LIG의 다공성 FE-SEM 이미지이다. PI 필름에 CO 레이저를 조사하면 LIG 형성 시 발생하는 기체의 방출로 인해 다공성 구조가 형성된다고 보고된 바 있다⁽³⁰⁾.

그림 4(b)에서는 PdCu를 전기도금한 후 구 형태의 모습이 LIG에 붙어있음을 확인할 수 있다. 이를 통해 PdCu가 LIG에 전기도금 된 것을 확인할 수 있다. 그림 4(c)의 EDS 분석 결과 LIG에 전기도금 된 Pd와 Cu의 비율이 약 7:3인 것으로 측정되었다.

그림. 4. PdCu 전기도금 전후의 LIG FE-SEM 및 EDS 분석 결과 (a) PdCu 전기도금 전 (b) PdCu를 7:3으로 전기도금한 후 (c) EDS 분석 결과

Fig. 4. FE-SEM and EDS analysis result (a) Before PdCu electrodeposition (b) After PdCu electrodeposition (c) Results of EDS analysis

2.5.1 에탄올 농도에 따른 센서의 전류법 측정 결과

제작한 에탄올 효소 기반 전기화학 센서의 W.E. 구조를 LIG/PdCu/Chit/GA/AOx의 다층 구조로 형성했고, 에탄올 농도에 따른 출력 전류를 상용 포텐쇼스탯(IVIUM TECHNOLOGIES社, Ivium-n-Stat)을 이용해서 전류법으로 측정하였다. 그림 6은 측정한 결과 그래프를 나타내었고, 우측 하단에 실험 셋팅 모식도를 나타내었다. 측정은 상온에서 진행되었다. 측정 결과 0-12 mM의 에탄올 농도 범위에서 17.99 μAmMcm의 민감도를 보이며 선형 범위는 0-12 mM임을 보인다. 14 mM 이상의 농도에서 선형성을 잃는 원인으로는 에탄올 농도가 높아지면 더 많은 양의 과산화수소가 발생하고, 과도한 과산화수소의 농도가 센서의 효소 활성화를 억제하는 효과를 유발할 수 있다고 발표된 바 있다⁽²⁹⁾.

그림. 6. 에탄올 농도 별 전류값 상관관계 결과 그래프. 우측 하단의 작은 그래프는 측정 셋업을 나타내고 있음.

Fig. 6. A graph of correlation by ethanol concentration. The small graph in the lower right shows the measurement setup.

2.5.2 타 연구 결과와의 특성 비교

제작한 에탄올 센서의 특성을 타 에탄올 센서의 특성과 비교하여 표 1에 정리했다. 이전에 발표된 에탄올 효소 센서 연구 결과와 비교하여, 본 연구에서 제작한 LIG/PdCu/Chit/GA/AOx는 LIG의 다공성 구조와 에탄올과 효소의 반응 생성물인 과산화수소의 촉매역할을 하는 PdCu로 인해 넓은 선형범위와 높은 민감도를 가짐을 확인하였다.

2.5.3 선택성 실험 결과

술에는 에탄올 성분 외에 포도당, 아세트산, 아스코르브산 등이 존재할 수 있고⁽³⁵⁾ 체액 속에는 젖산과 요산 등이 존재할 수 있는데⁽³⁶⁾, 이들에 대한 선택성 확인을 위한 실험을 진행하였다. 제작한 에탄올 센서를 PBS 용액에 넣은 후 간섭물질을 순서대로 0.5 mM 씩 첨가하며 전류를 측정하다가 에탄올 2 mM 첨가 후의 전류를 측정하여 결과를 비교하였다. 그림 7을 보면 에탄올을 제외한 6가지 물질에서는 전류가 매우 적은 값들이 측정됨을 확인할 수 있고, 에탄올에서만 전류가 상당히 증가함을 확인하였다. 이를 통해 제작한 에탄올 센서가 에탄올에만 선택적으로 반응하는 것을 확인할 수 있다.

그림. 7. 제작한 에탄올 센서의 선택성 실험 결과 그래프 (PBS pH: 7.0, Pd와 Cu의 비율: 7:3, AOx 도포 양: 3 uL, 인가전압: -0.05 V, n=5)

Fig. 7. Graph of the result of the selectivity experiment of the fabricated ethanol sensor (PBS pH: 7.0, ratio of Pd and Cu: 7:3, amount of AOx drop-casting: 3 uL, applied potential: -0.05 V, n=5)