염소 용액에서 양극 산화에 의한 나노다공성 금 구조 형성 메커니즘과 전기화학적 글루코오스 검출에 관한 응용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Because nanoporous gold (NPG) structures can provide useful applications based on unique physical and chemical properties, the development of preparation methods of NPG have been a subject of extensive research. Recently, an anodization of Au surfaces was suggested as an efficient method to prepare porous gold structures. In this work, the mechanistic aspect of anodization of Au in Cl-containing solutions to prepare NPG layers was investigated. Effect of experimental parameters during the anodization reaction on the porosity of NPG layers in terms of roughness factor (Rf) were examined. Compared to the unbuffered electrolytes, the anodic formation of NPG was effectively performed in buffered solutions. The Rf of NPG layers was sensitively dependent on the pH, temperature of electrolytes and concentration of KCl, which was ascribed to the efficiency of the formation of Au oxide as protecting layers of newly-formed NPG structures. In buffer solutions at pH 8, ultrahigh porous NPG layers with Rf of 1300 was obtained within 15 min. The ultrahigh porous NPG layers could be efficiently utilized for electrochemical detection of glucose, wherein a high sensitivity of 135 μA mM−1 cm−2 was achieved in the presence of 0.1 M Cl−. More detailed mechanism on the anodic formation of NPG was proposed based on the the temperature of the electrolytes and concentration of KCl associated with the Au dissolution and Au oxide formation, and the electrochemical oxidation of glucose at NPG surfaces prepared by anodization in each condition is conformed. The straightforward and time-saving preparation of NPG surfaces will provide new opportunities for the applications of NPG structures.

국문 초록 (Abstract)

나노다공성 금 구조들은 독특한 물리, 화학적 성질을 기초로 하여 유용하게 응용되고 있고, 나노다공성 금의 준비 개발 방법은 넓게 연구되어 오고 있다. 최근에, 금 표면의 양극 산화는 다공성 금 구조를 준비하기 위한 효과적인 준비 방법으로 알려지고 있다. 이번 연구에서는 나노다공성 금을 준비하기 위해 염소 이온이 포함된 용액 하에서 금의 양극 산화에 관한 메커니즘적 양상을 조사하였다. 양극 산화 반응을 하는 동안 표면의 거친 정도(Rf)를 나타내는 나노다공성 금의 다공성에 영향을 주는 실험적 변수들을 알아보았다. 증류수 조건과 비교해 보면, 나노다공성 양극 산화는 완충 용액 하에서 효과적으로 나타났다. 나노다공성 금 층의 거친 정도는 전해질의 pH 와 온도, 그리고 염화 칼륨의 농도에 민감하게 변하였다. 이는 새롭게 형성된 나노다공성 금 구조의 보호막인 금 산화막 형성의 영향을 받는다. 완충 용액의 pH 8 조건에서는 15 분 이내에 거친 정도가 1300 이 되는 매우 큰 나노다공성 층을 형성한다. 형성된 매우 큰 나노다공성 층은 0.1 M 염소 이온이 존재할 때, 높은 민감도인 135 μA mM−1 cm−2 를 가지므로 글루코오스 전기화학적 검출에 효과적으로 이용이 될 수 있다. 또한, 나노다공성 금의 양극 산화 형성에 좀 더 상세한 메커니즘을 전해질의 온도와 염화 칼륨의 농도에 근거하여 금 해리와 금 산화막 형성과 관련하여 설명하였다. 그리고, 각 조건에서 생성된 나노다공성 금 구조에 따른 글루코오스 활성도 확인하였다. 이번 실험을 통해, 시간을 절약할 수 있는 간단한 나노다공성 금 표면의 제조 방법을 연구하여 나노다공성 금 구조의 응용에 관련하여 새로운 기회를 제공할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• II. Experimental 3
• II.1. Reagents and instruments 3
• II.2. Preparation of NPG electrodes by anodization 3
• III. Results and Discussion 5
• III.1. Effect of pH on the anodic formation of nanoporous gold films in chloride solutions: optimization of anodization toward ultrahigh porous structures 5
• III.1.1. Optimizing anodizing potential for NPG formation 5
• III.1.2. Effect of electrolytes on the NPG formation 9
• III.1.3. pH dependence on the anodic formation of NPG 12
• III.1.4. Ultrahigh porous NPG for amperometric detection of glucose 22
• III.2. Effect of temperature and concentration on the anodic formation of nanoporous gold films in chloride solutions: effect of NPG structure on glucose activity 31
• III.2.1. Temperature dependence of the anodic formation of NPG 31
• III.2.2. Concentration of KCl dependence of the anodic formation of NPG 36
• III.2.3. Effect of NPG structure on glucose activity 44
• IV. Conclusions 49
• V. References 50