광운대 이지훈 교수 연구팀, 초민감도 과산화수소 감지 센서 개발

중앙일보

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(좌) 루투자 박사과정 연구원 (우) 이지훈 교수

광운대학교 이지훈 교수(전자공학과) 연구팀은 전자공학과 루투자 박사과정 연구원(제1저자)과 함께 3차원 다공성 Au/CuO/Pt 하이브리드 프레임워크를 사용한 초민감도 과산화수소 (Hydrogen peroxide, H2O2) 감지 센서 개발에 성공하였다.

이 연구에서 이지훈 교수 연구팀은 비효소적 과산화수소 감지 센서의 단점을 극복하기 위해 3차원 다공성 Au/CuO/Pt 하이브리드 센서 플랫폼을 제안하고, Au/CuO/Pt 하이브리드 센서 개발 및 3전극 온칩 바이오센서 키트 개발등에 성공하였다.

3차원 다공성Au/CuO/Pt 하이브리드 센서는 25,836μA mM-1cm-2의 초고감도와 1.8 nM (S/N = 3)의 우수한 검출 한계를 나타내었다. 또한, 염화나트륨 (NaCl), 과당 (fructose), 아스코르브산 (ascorbic acid), 구연산 (citric acid), 도파민 (dopamine) 및 포도당 (glucose)에 대해 탁월한 항간섭 능력 (anti-interference ability)을 보여주었다. 하이브리드 Au/CuO/Pt 센서는 다양한 몰농도 (molarity)에서 탁월한 안정성을 제공할 뿐만 아니라, 30시간 동안 안정적인 연속 전류를 제공하였다.

신속한 산화환원 반응은 높은 다공성 및 금속성 나노-마이크로-NP 장식의 독특한 구성이 제공하는 우수한 촉매 반응, 넓은 전기화학적 활성 표면적, 높은 전도성 및 향상된 전자 전달 경로의 시너지 효과로 센싱 능력이 크게 향상되었다. Au/CuO/Pt 프레임워크는 최고의 성능을 발휘하는 비효소 과산화수소 센서 중 하나로 평가된다.

과산화수소 (Hydrogen peroxide, H2O2)는 화학 합성, 표백 및 수처리에 자주 사용되는 무기 화합물로, 불완전한 산소 환원의 결과로 생물학적, 화학적, 환경적 과정에서 생성될 수 있으며, 일정 농도 이상에서 인체와 동물에 해롭고 독성이 있을 수 있다. 따라서 다양한 조건에서 과산화수소를 감지하는 것은 제약, 연료전지, 임상 및 환경 산업의 안전진단에 중요하다. 효소 센서 (Enzymatic sensors)는 과산화수소의 농도에 비례하는 전기 신호를 생성하기 위해, 여러 효소를 통합할 수 있기 때문에 상당한 감도로 빠른 반응을 보일 수 있다. 그러나 높은 가격, 힘든 효소 고정화 (enzyme immobilization) 과정 및 저장의 제한으로 인해 보편적 사용에 한계가 있다.

비효소 센서 (non-enzymatic sensors)는 상대적으로 저렴한 비용으로 제조상의 이점과 함께 넓은 선형 범위와 저장 문제가 없는 특성이 있다. 특히, 비효소 기반의 전기화학 센서는 뛰어난 안정성과 넓은 선형 범위와 작은 크기로 인해 과산화수소 감지에 매력적이다. 그러나 비효소 센서의 광범위한 적용을 위해서는 상대적으로 낮은 감도와 선택성이 해결되어야 할 과제이다. 이번 연구에서, 이지훈 교수 연구팀이 개발한 3차원 다공성 Au/CuO/Pt 하이브리드 전기화학 센서는, 우수한 감도와 선택성을 나타내어, 비효소 센서의 저변화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구의 연구진은 Rutuja Mandavkar (박사과정, 광운대 제1저자), Shusen Lin (석박통합과정, 광운대), Md Ahasan Habib (박사과정, 광운대), Shalmali Burse (박사과정, 광운대), Mehedi Hasan Joni (석박통합과정, 광운대), Sundar Kunwar (박사과정, 광운대), Jae-Hun Jeong (연구교수, 광운대- 교신저자), Jihoon Lee (교수, 광운대 교신저자) 및 Adel Najar (United Arab Emirates University, 아랍 에미리트) S. Assa Aravindh (University of Oulu, 핀란드 - 교신저자)와 국제공동 연구로 진행되었다.

제1저자인 루투자 (Rutuja Mandavkar) 연구원은 2020년 광운대 전자공학과 박사과정으로 입학하였으며, 현재까지 다수의 주저자 및 공저자 논문을 출판하였으며, 곧 졸업을 앞두고 있다. 루투자 연구원은 광운대 전자공학과 입학후 열심히 학업/연구에 임하고 있으며, 산화수소 감지 센서관련 연구가 우수한 저널에 출판되어 기쁘며, 졸업후에는 유수 연구기관에서 계속 연구를 이어가고 싶다는 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 교육부가 추진하는 Brain Korea 21 Plus (BK-21+), 중점연구소 사업과 광운대학교의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Sensors and Actuators B: Chemical (JCR 카테고리 INSTRUMENTS & INSTRUMENTATION 분야 1위, IF: 8.4) 2023년 8월자 온라인 판에 “Ultra-sensitive H2O2 sensing with 3-D porous Au/CuO/Pt hybrid framework”의 제목으로 게재되었다.

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