Rapid Determination of Caffeine Using a Graphene-Nafion Composite Film Modified Electrode by Square-Wave Stripping Voltammetry

Abstract

A graphene-Nafion composite film modified glassy carbon electrode was developed to determine the caffeine concentration in several beverage samples by square-wave stripping voltammetry. The graphene sheet was produced chemically by the Hummers method and characterized by energy-filtered transmission electron microscopy. The modified electrode showed a significant improvement in the voltammetric response versus a bare glassy carbon electrode. Under optimal conditions, the peak current was proportional to concentration from 1.0 × 10-6 M to 5.5 × 10-4 M caffeine with a detection limit of 4.6 × 10-7 M. This sensitive method was successfully applied to the determination of caffeine in real beverage samples.

카페인은 수백 가지의 식물에 함유되어 있으며 커피, 홍차, 탄산음료 등을 통해 가장 일반적으로 섭취되는 흥분제이다. 카페인은 알칼로이드 중에서는 독성이 적은 물질이지만, 체내에서 분해되는 반감기가 2~5시간 가량으로 길며 체내에 존재하는 동안 수면, 중추신경계 자극, 심장 근육 자극, 이뇨작용, 위산 분비 등에 영향을 미치게 된다. 그러므로 카페인을 검출하기 위한 다양한 방법들이 개발되어 왔는데, 그 중에서도 전기화학적인 검출은 가장 쉽고 빠르며 저렴한 방법이다. 본 연구는 카페인을 적은 농도까지 선형적으로 검출하기 위해 그래핀(Graphene)-나피온(Nafion) 전극을 통한 네모파 벗김 전압전류법(Square-wave stripping voltammetry)을 개발하였다. 그래핀은 탄소 원자가 벌집모양으로 연결된 평면적인 구조를 지닌 나노 물질로서 높은 전기전도성과 안정성으로 인해 다양한 분야에서 각광받고 있는 신물질이다. 또한 양이온 선택적 투과성을 지닌 나피온은 그 독특한 구조로 인해 그래핀의 뭉침 현상을 막아주는 동시에 카페인의 농축을 도와 센서의 검출한계를 감소시킨다. 본 연구에서는 그래핀을 화학적 제조법인 Hummers 법으로 제조한 후 에너지 여과 투과 전자 현미경으로 그 구조를 확인하였다. 벗김 전압전류법은 전극에 일정 전압을 걸어주어 검출하고자 하는 물질을 농축시킨 후 해당 물질을 산화/환원시키며 발생하는 전류를 측정하는 방법이다. 빠르고 충전 전류의 영향을 효과적으로 제거할 수 있는 네모파 전압전류법에 벗김 전압전류법을 적용시킨 네모파 벗김 전압전류법은, 더 작은 농도의 금속 이온과 전기화학적으로 활성화 되어있는 유기물을 검출하는 데에 다양하게 활용되고 있다. 본 연구에서는 네모파 벗김 전압전류법의 다양한 변수를 변화시켜가며 카페인 검출의 최적 조건을 확인하였다. 본 연구에서 제조한 전극은 탄소 유리 전극과 비교하여 전기화학적 신호가 매우 크고 분명하게 증가하였다. 또한 본 연구에서 제시한 방법은 일반적인 순환 전압전류법보다 더욱 빠르며 감도가 좋았다. 최적조건 하에서, 피크의 전류 값은 카페인 농도 1.0 × 10-6 M ~ 5.5 × 10-4 M의 범위 내에서 농도에 선형적으로 비례하였으며, 검출 한계는 4.6 × 10-7 M이었다. 마지막으로, 본 연구에서 개발한 방법은 실제 음료 샘플 내에 있는 카페인 농도를 검출하는 데에도 성공적으로 적용할 수 있었다. 이 방법을 다양한 음료 내의 카페인 존재 확인 및 그 양을 빠르고 쉽게 검출하는 데에 이용할 수 있을 것이라 기대한다.