Fabrication of Amperometric Sensors for Measurements of Nitric Oxide, Carbon Monoxide, and Hydrogen Sulfide

Abstract

In this thesis, various electrode conditions of the electrochemical sensors for the measurements of gasotransmitters, nitric oxide (NO), carbon monoxide (CO), and hydrogen sulfide (H_(2)S) were studied, and the performances of the sensors were investigated. Chapter Ⅰ represents the fabrication and improvement of NO/CO/H_(2)S triple microsensor. Chapter Ⅱ deals with the development of CO sensor with enhanced selectivity by controlling the morphology of an electrode surface. In chapter Ⅰ, a NO/CO/H_(2)S amperometric triple sensor was developed for selective and simultaneous detections of NO, CO, and H_(2)S gases. To improve the selectivity and sensitivity of the sensor, the fabrication conditions of the triple sensor were modified from that of the previous one which was developed for the first time. The improved triple sensor possessed three working electrodes in a single body that were fabricated by different manufacturing processes for optimal measurements of respective target gases. The measurements of NO, CO, and H_(2)S with high sensitivity to each target gas and high selectivity against the other target molecules and typical biological interfering substances were exhibited via the optimized conditions of each working electrode by adjusting electrode disk size, deposited metals, membranes, and measuring potentials. The NO/CO/H_(2)S triple sensor was fabricated with the working electrodes optimized for studying real-time changes of the levels of NO, CO, and H_(2)S simultaneously with outstanding performances containing low detection limits, high sensitivity, high selectivity, and great stability. In chapter Ⅱ, an amperometric CO sensor composed of Au nanostructured electrode surface with improved selectivity was developed. The Au nanostructures on Au disk electrodes were synthesized by electrodeposition from a deposition solution containing 7 mM HAuCl_(4) with total deposition charge of 0.04 C. The various morphologies of the Au deposits were obtained by changing the deposition potentials from 0.05 to 0.45 V (vs. Ag/AgCl). The less sharp morphologies were observed at the Au structure deposited with the more positive deposition potential. The sharpest nanostructure was constructed with the most negative deposition potential of 0.05 V, and showed the greatest hydrophobicity and sensitivity to CO because the surfaces with the sharper shapes have more hydrophobic natures and hydrophobic CO gas molecule is more favorably accessible to the inner part of the more hydrophobic structure. The higher sensitivity to CO was exhibited at the Au surface having more hydrophobic property, whereas the current responses to most of typical biological interferents tested did not appear. Consequently, the enhanced selectivity for CO was obtained simply by the electrodeposition, which can control the shape of the electrode surface without additional treatments.;본 학위논문에서는, 생체신호전달기체인 일산화질소, 일산화탄소, 및 황화수소의 측정을 위한 전기화학적 센서의 다양한 전극 조건을 연구하였고, 그 센서의 성능을 조사하였다. 제 1 장은 일산화질소/일산화탄소/황화수소 삼중 마이크로 센서의 제작과 개선에 대해 서술한다. 제 2 장에서는 전극 표면의 형태를 제어하여 선택성이 향상된 일산화탄소 센서의 개발에 대해 다룬다. 제 1 장에서는 일산화질소, 일산화탄소, 황화수소 기체를 선택적으로 동시에 측정하기 위한 일산화질소/일산화탄소/황화수소 전류 측정 삼중 센서를 개발하였다. 센서의 선택성 및 민감도를 향상시키기 위해 삼중 센서의 제작 조건이 처음으로 개발된 이전 센서의 제작 조건으로부터 수정되었다. 개선된 삼중 센서는 단일 본체에 각 대상 기체의 최적 측정을 위해 서로 다른 제조 공정으로 제작된 3개의 작동전극으로 이루어졌다. 전극의 크기, 증착된 금속, 막, 및 측정하는 전압을 조절하여 얻어진 각 작동 전극의 최적화된 조건을 통해 각 표적 기체에 대한 높은 민감도와 다른 표적 분자 및 대표적인 생물학적 간섭 물질에 대한 높은 선택성으로 일산화질소, 일산화탄소, 황화수소를 측정하였다. 일산화질소/일산화탄소/황화수소 삼중 센서는 낮은 검출 한계, 높은 감도, 높은 선택성, 및 우수한 안정성을 특징으로 하는 뛰어난 성능으로 일산화질소, 일산화탄소, 및 황화수소의 실시간 변화를 동시에 연구하기에 최적화된 조건으로 제작되었다. 제 2 장에서는 개선된 선택성을 가진 금 (Au) 나노 구조의 전극 표면으로 구성된 일산화탄소 전류 측정 센서를 개발하였다. 금 디스크 전극 위에 금 나노 구조들은 7 mM HAuCl_(4)를 포함한 증착 용액을 사용하여 총 증착 전하가 0.04 C인 조건으로 전기 증착에 의해 합성되었다. 증착된 금의 다양한 형태는 증착 전위를 0.05 V에서 0.45 V (vs. Ag/AgCl)로 변화시킴으로써 얻어졌다. 보다 양의 값의 증착 전위에서 증착된 금 구조에서 덜 날카로운 형태가 관찰되었다. 가장 날카로운 나노 구조는 0.05 V의 가장 낮은 증착 전위 조건에서 합성되었고, 가장 큰 소수성을 가지며 일산화탄소에 대해 가장 큰 민감도를 나타냈다. 이는 더 날카로운 형태의 표면이 더 소수성의 성질을 가지며 소수성인 일산화탄소 기체 분자는 보다 소수성인 구조의 안쪽 부분에 더 접근하기 쉽기 때문이다. 일산화탄소에 대한 더 높은 감도는 보다 소수성의 성질을 띄는 금 표면에서 나타났으나, 실험된 대표적인 생물학적 간섭 물질에 대한 전류 반응은 나타나지 않았다. 결과적으로, 일산화탄소에 대해 향상된 선택성은 추가적인 처리없이 전극 표면의 형태를 제어할 수 있는 전기 증착에 의해 간단하게 얻어졌다.