Non-enzymatic electrochemical sensing of hydrogen peroxide based on Polyaniline-MnO2 nanofibers modified electrode

Abstract

본 연구에서는 폴리아닐린(Polyaniline, PANI) 분산액과 과망가니즈산 칼륨(KMnO4) 수용액을 혼합하는 방법으로 폴리아닐린-이산화망가니즈 (PANI-MnO2) 나노섬유를 합성하였고, 폴리아닐린-이산화망가니즈 나노섬유가 전기화학적 과산화수소 검출에 효과적으로 응용될 수 있음을 보였다. 합성된 폴리아닐린-이산화망가니즈 나노섬유의 구조적 특성과 화학적 구성은 전계방사형 주사전자현미경 (Field-emission scanning electron microscopy

FE-SEM), X-선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), X-선 회절 (X-ray diffraction, XRD) 등을 이용하여 분석하였으며, 폴리아닐린-이산화망가니즈 나노섬유 분산액을 유리탄소전극 (Glassy carbon electrode) 표면에 떨어뜨려 말리는 드롭-캐스팅 (Drop-casting) 방법으로 폴리아닐린-이산화망가니즈로 수정된 유리탄소전극 (PANI-MnO2/GCE)을 제작하였다. 이렇게 제작한 폴리아닐린-이산화망가니즈/유리탄소전극이 과산화수소 검출에 대한 비효소적 전기화학 센서로 응용될 수 있는지 알아보고자 전기화학적 임피던스 분석법 (Electrochemical. impedance spectroscopy, EIS), 순환전압전류법 (Cyclic voltammetry, CV), 시간전류법 (Amperometry) 등의 분석 방법을 이용하여 전기화학적 특성을 조사하였다. 연구 결과, 폴리아닐린-이산화망가니즈로 수정된 유리탄소전극은 pH 7.4 인산완충용액 (Phosphate buffer soltution, PBS)에서 과산화수소 환원에 우수한 전기화학적촉매 특성을 나타냈다. 이 비효소적 과산화수소 센서는 넓은 선형 구간 (5-50 μM 과 0.05-10 mM), 낮은 검출 한계 (0.8 μM at S/N=3), 높은 감도 (낮은 농도 구간: 403.3 μA mM-1 cm-2, 높은 농도 구간: 152.1 μA mM-1 cm-2) 등 기존의 이산화망가니즈를 응용한 비효소적 전기화학 센서에 비해 우수한 특성을 보여주었다. 또한 본 센서는 –0.4 V (vs. 은/염화 은 전극)의 작동 전압 조건에서 과산화수소의 환원전류를 측정하므로 혈액 속에 존재할 수 있는 아스코르브산 (Ascorbic acid), 요산 (Uric acid), L-시스테인 (L-cysteine), 포도당 (Glucose) 등의 산화에 의한 과산화수소 검출 방해를 받지 않는 장점을 보였다. 본 연구에서 제작한 폴리아닐린-이산화망가니즈로 수정된 전극은 간편한 제작 방법과 저렴한 가격, 그리고 우수한 센서 성능을 나타냈으므로, 비효소 전기화학적 과산화수소 검출의 실제적 응용 측면에서 유용한 함의를 제공할 것으로 기대한다.

In this study, we synthesized polyaniline-manganese dioxide (PANI-MnO2) nanofibers and investigated an electrochemical application of the determination of the hydrogen peroxide (H2O2) level. PANI-MnO2 nanofibers were synthesized by a one-step mixing process from a prepared PANI nanofibers aqueous dispersion and a KMnO4 aqueous solution. The morphology and chemical composition of the synthesized PANI-MnO2 nanofibers were characterized by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and X-ray diffraction (XRD). Subsequently, we fabricated a facile electrochemical hydrogen peroxide sensor based on a PANI-MnO2 modified glassy carbon electrode (PANI-MnO2/GCE) by a drop-casting method, and its electrochemical behavior was investigated using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), and amperometry. The results clearly exhibited the good electrocatalytic activity of the PANI-MnO2/GCE toward H2O2 reduction in pH 7.4 phosphate buffer solution (PBS). The non-enzymatic H2O2 sensor displayed a wide linear range (5-50 μM and 0.05-10 mM), a low detection limit (0.8 μM at S/N=3), high sensitivity (403.3 and 152.1 μA mM-1 cm-2), and negligible interference from ascorbic acid, uric acid, L-cysteine and glucose at an applied potential of -0.4 V (vs. Ag/AgCl).