새로운 크롬과 구리 전극의 선택성과 감도에 대한 비교 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13400(2022) 이 기사 인용

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4-Methylcoumarin-7-yloxy-N-phenyl acetamide와 4-methylcoumarin-7-yloxy-N-4-nitrophenyl acetamide가 합성되어 탄소 페이스트 매트릭스의 새로운 이온 운반체로 사용되어 두 개의 새로운 전위차 변형 전극을 생성했습니다. 이온 운반체의 페닐 고리에 니트로 그룹을 추가하면 전극의 선택성이 구리(II)에서 크롬(III)으로 변경되었습니다. 이온 운반체의 이온 경향은 UV-가시광선 분광 광도법으로 확인되었습니다. 두 전극 모두 탄소 페이스트 전극(CPE)의 우수한 변형제인 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)로 변형되었습니다. 구리(II) 선택적 CPE의 경우 최고의 센서 반응은 5% 이온 운반체, 65% 흑연 분말, 5% MWCNT 및 25% 파라핀 오일에서 얻어졌습니다. 또한 크롬(III) 선택적 CPE의 경우 이 조건은 이오노포어 20%, 흑연분말 50%, MWCNT 5%, 파라핀오일 25%이다. 구리(II) 선택적 CPE는 1.0 × 10–10–1.0 × 10–1 mol L−1 농도 범위 내에서 32.15mV/decade의 Nernstian 기울기를 보인 반면, 크롬(III) 선택적 CPE는 19.28의 Nernstian 기울기를 나타냈습니다. 1.0 × 10–10–7.0 × 10–3 mol L−1의 농도 범위에서 mV/decade. 전극은 5초 미만의 짧은 응답 시간을 가지며 폐수에서 구리(II)를 결정하고 크롬(III)과 크롬(VI)의 종분화에 성공적으로 사용되었습니다.

글로벌 산업화로 인해 독성 금속이 환경으로 배출되었으며 인류 건강에 영향을 미쳐 전 세계적으로 심각한 우려를 불러일으켰습니다1,2. 예를 들어, 몇몇 중요한 효소 시스템의 적절한 기능을 위해서는 구리가 필요합니다. 구리를 함유한 효소는 시토크롬-C 산화효소, 세룰로플라스민, 모노아민 산화효소, 티로시나제, 페닐알라닌 수산화효소, 리실 산화효소입니다. 반면, 구리의 과잉량으로 인해 독성이 발생합니다. 예를 들어, 윌슨병은 눈, 간, 뇌에 구리가 축적되어 발생하는 상염색체 열성 질환입니다. 윌슨병은 구리의 간세포내 수송과 그에 따른 담즙 및 세룰로플라스민에의 포함에 영향을 미칩니다3. 또한 자연수에서 일반적으로 발견되는 크롬의 두 가지 다양한 산화 상태는 Cr(III)과 Cr(VI)입니다. 두 가지 크롬 유형 모두 전기도금, 태닝 산업, 냉각수 발전, 산화 염색, 제철소 및 화학 산업의 폐수 배출 시 다양한 출처에서 환경에 유입됩니다4. 크롬은 산화 상태와 관련하여 생물학적 시스템에 완전히 반대되는 생리학적 영향을 미칩니다. 크롬(III)은 포유류에서 지질, 포도당, 단백질 대사를 유지하는 핵심 요소입니다. 그러나 Cr(VI)은 다른 종을 산화시킬 수 있고 폐, 신장, 간에 악영향을 미칠 수 있는 독성 물질입니다. 따라서 이러한 두 가지 상반된 영향을 정확하게 고려하여 두 종을 결정하는 것이 필수적입니다. 크롬의 화학적 형태의 다양한 특징과 독성에 대한 여러 종분화 연구가 수행되었습니다4,5,6. 따라서 독성과 본질적인 것 사이의 경계가 좁기 때문에 이러한 이온을 측정하는 것은 중요한 문제입니다.

원자 흡수 분광법(AAS)7,8,9, X선 형광(XRF)10,11, 유도 결합 플라즈마-원자 방출 분광법(ICP-AES)12,13,14과 같은 분석 방법을 수행하여 구리 및 크롬과 같은 미량 금속. 그럼에도 불구하고 이러한 절차에는 일상적인 분석의 비용과 시간, 지루한 시료 준비 과정으로 인해 몇 가지 단점이 있습니다. 따라서 중금속 측정을 위한 새롭고 간단하고 빠른 방법을 찾는 것은 어려운 목표입니다.

전기화학 센서는 원하는 선택성과 반응의 높은 감도와 관련하여 다양한 종을 결정하는 데 광범위하게 사용됩니다. 이와 관련하여 전위차 탄소 페이스트 전극(CPE)은 손쉬운 구조, 높은 신호 대 잡음비, 표면의 쉬운 재생성, 반응 안정성, 저비용 방법, 낮은 비용과 관련하여 다양한 분석물을 검출하기 위한 간단한 도구로 광범위하게 사용됩니다. 옴 저항이 있으며 내부 솔루션이 필요하지 않습니다29,30. 더욱 두드러진 점은 페이스트 준비 단계에서 개질제를 바인더 및 탄소와 혼합하는 것만으로 다양한 종류의 무기 또는 유기 개질제로 카본 페이스트 전극을 간단하게 개질할 수 있다는 것입니다. 전극의 표면 상태는 수정을 통해 개선될 수 있으며, 이는 목표 신호를 크게 증가시킵니다. 전위차 CPE의 이온 감지 기능은 주로 활용되는 감지 재료의 특성을 기반으로 합니다. 최근 탄소 기반 나노물질은 더 높은 비표면적, 우수한 소수성, 화학적 안정성 및 전기 전도성으로 인해 전극 성능을 향상시키기 위한 전자-이온 교환체로 널리 활용되고 있습니다. ,24,25,26,27,28,29.