Im-SH 자기조직화 박막의 전기 화학적 특성분석

김 종민, 송 성훈, 장 상목, H. Muramatsu*

동아대학교 공과대학 화학공학과

Adv. Tech. Center, Seiko Inst Inc., Japan*

In situ analysis of the electrochemical characteristics of Im-SH self-assembly monolayer by QCA

Jong-Min Kim, Seung-Hun Song, Sang-Mok Chang, Muramatsu. Hiroshi*

Dept. of Chem. Eng., Dong-A Univ., Pusan, Korea

Adv. Tech. Center, Seiko Inst Inc., Chiba 271, Japan*

서론

Im-SH(N-[2-(4-imidazolyl)ethyl]11-mercaptoundecanamide)는 이미다졸 유도체로서 헤모글로빈과 유사한 구조를 갖으며, 생체내 Fe++ 및 Zn++와 결합하여 산소와 이산화탄소의 전달기능을 하는 물질이다. 본 실험은 수정진동자 금표면에 Im-SH를 자기조직화 단분자막을 형성하여 피막한 수정진동자의 한쪽 전극을 작용전극으로 사용하여 Fe++, Zn++이온 존재 하에서 전위 주사하여 전류값과 공진주파수를 측정하여 Im-SH 박막에 대한 Fe++, Zn++의 흡착특성을 분석하였다.

시약 및 장치

Im-SH 단분자를 피막한 AT-cut 수정진동자의 한쪽 전극을  작용전극으로, Ag/AgCl 전극을 기준전극으로, 1.5×4.5 cm2 의 백금판을 대극으로 사용하였다.

DMF와 그 밖의 다른 시약은 모두 Wako Pure Chemical의 특급시약을 사용하였고 증류수는 2차 증류수를 사용하였다.

실험장치로는 포텐시오스타트 (Solartron, Model 1286), 수정진동자분석기 (Q.C.A. 917 Seiko Eg&G)를 사용하였으며 분석결과는 IEEE 488 인터페이스로 연결된 마이크로 컴퓨터 (NEC, Model PC-9801)로 처리하였다.

실험방법

Im-SH를 자기조직화하면서 수정진동자의 공진주파수와 공진저항을 동시에 측정하는 분석장치와 원리도를 Fig. 1에 도시하였다.

0.03g의 Im-SH를 DMF 20 ml에 용해시킨 후 30℃에서 300rpm의 속도로 24시간 교반시킨 수정진동자를  담구어 Im-SH를 수정진동자의 금전극 표면에 약 1시간 자기조직화하여 단분자막을 형성하였다. Im-SH를 피막한 수정진동자를 작용전극으로 사용하여 0.1M NaClO4,, 1mM FeCl2, 1mM ZnCl2 phosphoric buffer (PH 7)에서 50 mV/sec로 전위주사하여 Im-SH 자기조직화 박막의 전기 화학적 특성을 분석하였다.

결과 및 토론

Fig. 2는 NaClO4 전해질 용액에서 전위주사한 결과 Im-SH 박막이 NaClO4 전해질 용액에서 비활성 내지는 안정하다는 것을 알 수 있다. Phosphoric buffer(PH 7)용액에서 Fe++, Zn++와 Im-SH의 결합을 비교하였다. 초기 약 400초 동안 공진주파수가 증가하다가, 그 이후 점점 감소함을 알 수 있다.  이는 초기에 Im-SH와 Zn++ 이온이 결합함에

Fig. 1 Schematic diagram of experimental system measuring resonant frequency and resonant resistance for electrochemical experiment

따라서 주파수가 감소하지만 중량 증가에 의해 수정진동자와 Im-SH와의 흡착력이 약해져서 Im-SH와 Zn++ 결합체가 수정진동자에서 박리되기 때문이라고 생각된다. Fe 보다 Zn의 분자량은 더 크지만 Zn++의 경우 55 Hz 감소하여 25 Hz 감소한 Fe++에 비하여  Im-SH에 더 친화력이 있음을 알 수 있다.

Fig. 2  Resonant frequency response of combine with Zn and Fe for Im-SH coated quartz crystal.

Fig. 3은 (Im-SH)-Fe++의 형태를 1mM FeCl2에서 5회 전위 주사한 결과이다. Fig. 3을 보면 전위주사함에 따라 환원 피크가 점점 작아지고 공진주파수도 감소하고 있다. 이것은 (Im-SH)-Fe++에 이온이 흡착하여 막의 질량은 증가하고 이온 이동율은 저하하기 때문으로 생각된다.

Fig. 3  Cyclic voltamogram for electrochemical deposition of (Im-SH)-Fe++ in 1 mM FeCl2: (a)current response, (b) resonant frequency change.

Fig. 4는 (Im-SH)-Zn++의 형태를 1mM ZnCl2에서 10회 전위 주사한 결과이다. Fig. 3과 비교하면 산화 환원피크가 감소함을 보이지만 보다 더 안정되어 있는 것을 알 수 있다. Fig. 4(b)에서도 공진주파수가  전위주사초기에 급격히 감소하다가 정상체에 도달함을 알 수 있다.

Fig. 4  Cyclic voltamogram for electrochemical deposition of (Im-SH)-Zn++ in 1 mM ZnCl2: (a)current response, (b) resonant frequency change.

Fig. 5는 (Im-SH)-Fe++ 인 상태의 막을 1mM ZnCl2 용액에 넣어 10회 전위주사한 결과이다. 약 - 0.2 V에서 공진주파수가 급격히 감소하는데 이는 Im-SH 막으로 Fe++가 분리되고 Zn++로 치환되기 때문이라고 생각된다.

Fig. 6는 (Im-SH)-Zn++의 형태의 막을 1 mM FeCl2 중에서 10회 전위주사한 결과이다. 그림이 잘 구별되지는 않지만 1회 전위주사에서 주파수 변화가 약 4Hz 정도이다. Fig. 6에서는 동일한 P-F 이력곡선을 그리면서 반복하는 것을 알 수 있다. 이는 Zn++이

Im-SH 막에 강하게 흡착하여 분리되어지지 않기 때문이라고 생각되어진다. 즉 Im-SH 분자에 대한 친화력이 Fe++ 보다 Zn++이 강하기 때문이다. 왜냐하면 Zn이 Fe 보다 이온화 경향이 크기 때문에 자연스런 상태라면 Zn이 이온으로 분리되어져 나와야 하기 때문이다.

Fig. 5 Cyclic voltamogram for electro-   Fig. 6 Cyclic voltamogram for

chemical deposition of (Im-SH)        electrochemical deposition

-Fe++ in 1 mM ZnCl2                of (im-SH)-Zn++ in 1 mM                                               FeCl2

이상의 결과에서 Im-SH 박막에 Fe++, Zn++ 이온을 흡착시켰을 때 Fe++ 보다 Zn++이온이 Im-SH 박막에 보다 잘 흡착한다는 사실을 알 수 있었다.

참고문헌

1) 장 상목, 김 영한, 村松 宏 □압전소자를 이용한 범용성 센서 시스템의 이론과     응용□ 화학공업과 기술, 제 14권, 제5호, pp.457, 1996

2) G. Sauerbrey, "Use of a quartz vibrator from weighing thin film on a     microbalance, Z.phyzik, 155, pp.206, 1959.

3) 장 상목, 村松 宏, □수정진동자를 이용한 계측기술□, 생물공학 News, 2(1),       pp.60, 1995.