처음으로 하이드로겔 매질에서 단일-개체 전기화학(SEE)이 시연되었다. SEE는 수용액에 현탁된 단일 나노입자(NP)가 전극과 충돌하여 촉매 반응을 유발할 때 발생하는 신호를 관찰함으로써 개별 NP의 전기화학적 특성을 조사하는 기법이다. NP 응집으로 인한 신호 변동과 대류 현상에 의해 유발되는 잡음 변동 등, 전해질을 포함하는 용액에서 SEE와 관련된 과제는 하이드로겔 매질을 사용함으로써 해결할 수 있다. 고분자 하이드로겔 매질은 분자 체(molecular sieve) 역할을 하여 응집된 NP에 의해 예기치 않게 생성되는 신호를 효과적으로 걸러내며, 용액에서의 경우에 비해 보다 균일한 신호 관찰이 가능하게 한다. 또한 하이드로겔 환경은 자연 대류 및 불순물과 같은 다른 요인으로 인한 배경 전류 변동을 감소시켜 신호 분석을 보다 용이하게 한다. 구체적으로, 우리는 아가로오스 하이드로겔 내에서 하이드라진 산화를 위해 백금(Pt) NP에 대한 SEE를 수행하여 단일 NP 수준에서 전기촉매 반응을 관찰하였다. 아가로오스 하이드로겔의 일관된 다공성 구조는 개별 NP와 반응물 사이의 확산 속도 차이를 유발하며, 그 결과 신호의 크기, 형상 및 주파수에 변이가 나타난다. 이러한 신호 변화는 겔 농도 변화에 대한 반응으로 분석되었다.

처음으로 하이드로겔 매질에서 단일-개체 전기화학(SEE)이 시연되었다. SEE는 수용액에 현탁된 단일 나노입자(NP)가 전극과 충돌하여 촉매 반응을 유발할 때 발생하는 신호를 관찰함으로써 개별 NP의 전기화학적 특성을 조사하는 기법이다. NP 응집으로 인한 신호 변동과 대류 현상에 의해 유발되는 잡음 변동 등, 전해질을 포함하는 용액에서 SEE와 관련된 과제는 하이드로겔 매질을 사용함으로써 해결할 수 있다. 고분자 하이드로겔 매질은 분자 체(molecular sieve) 역할을 하여 응집된 NP에 의해 예기치 않게 생성되는 신호를 효과적으로 걸러내며, 용액에서의 경우에 비해 보다 균일한 신호 관찰이 가능하게 한다. 또한 하이드로겔 환경은 자연 대류 및 불순물과 같은 다른 요인으로 인한 배경 전류 변동을 감소시켜 신호 분석을 보다 용이하게 한다. 구체적으로, 우리는 아가로오스 하이드로겔 내에서 하이드라진 산화를 위해 백금(Pt) NP에 대한 SEE를 수행하여 단일 NP 수준에서 전기촉매 반응을 관찰하였다. 아가로오스 하이드로겔의 일관된 다공성 구조는 개별 NP와 반응물 사이의 확산 속도 차이를 유발하며, 그 결과 신호의 크기, 형상 및 주파수에 변이가 나타난다. 이러한 신호 변화는 겔 농도 변화에 대한 반응으로 분석되었다.

4.82 µM로 확인되었으며, 동적 범위는 1–500 µM였다. 본 연구에서 제안한 나노입자 합성 플랫폼은 다른 금속/비금속 나노입자의 합성에 적극적으로 활용될 것으로 기대된다.

키토산- Cu 하이드로젤을 이용한 비효소적 포도당 센서를 간단한 단일 단계, 배위 유도(in situ) 전극침착 방법으로 제조하였다. 이 방법은 전기화학적으로 생성된 Cu2+ 이온을 활용하며, 이는 키토산 사슬의 아민(-NH) 및 하이드록실(-OH) 기능기와 직접 배위하여 균일하고 촉매 활성을 갖는 매트릭스를 형성한다. Lingane 방정식을 이용한 전기화학적 분석으로 배위 환경을 정량하였으며, 그 결과 높은 안정도 상수(Ks = 7.04 10 4)와 분획 배위수(j = 0.67)를 얻었다. 원자힘 현미경(AFM) 결과 하이드로젤의 기공성은 키토산 농도에 따라 달라졌고, 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR)은 키토산의 기능기와의 Cu 배위가 강함을 확인하였다. 그 결과로 얻어진 하이드로젤은 견고한 지지체(scaffold) 역할을 하며, Cu2+/Cu3+ 레독스 커플을 효과적으로 고정화하여 포도당 전기산화의 활성 중심으로 작동한다. 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 통합하여 전하 수송을 향상시킨 최적화 센서는 우수한 분석 성능을 보였으며, 검출한계 11.9 M의 낮은 값과 높은 선택성을 달성하였다. 본 연구는 비효소적 진단을 위한 상당한 잠재력을 지닌 단순하고 저비용이며 안정적인 전기화학적 감지 플랫폼을 제시한다.

원자힘현미경(atomic force microscopy, AFM)과 하이드로겔을 사용하여 나노전극의 비전통적 제조 기법을 개발하였다. 지금까지 전기활성 면적을 수 nm² 수준까지 정밀하게 제어하는 것은 항상 하나의 장애물로 남아, 나노전극의 광범위한 적용을 제한해 왔다. 여기서는 전도성 AFM 팁으로서의 붕소 도핑 다이아몬드(boron-doped diamond, BDD)와 고체 전해질로서의 한천(agarose) 하이드로겔 사이의 나노미터 크기 접촉이 AFM의 비접촉 모드에서 진동의 피드백 진폭에 의해 잘 조절되었다. 그 결과, 저비용이면서 실현 가능한 이 접근법은 나노전극 제조에 대한 새로운 가능성을 제공한다. AFM의 설정점(set point)에 의해 제어되는 전기활성 면적을, 전해질로서 준고체( quasi-solid ) 한천 하이드로겔과 결합한 철센메탄올(ferrocenmethanol, FcMeOH)의 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)으로 조사하였다. 이 플랫폼을 이용하여 AFM 팁의 첨단(apex)에 단일 구리(copper, Cu) 나노입자를 증착하였고, 이후 질산염 환원을 위한 전기촉매 활성은 각각 CV와 전계방출 주사전자현미경(field emission-scanning electron microscopy, FE-SEM)으로 조사하였다.

고체 전해질로서 한천(agarose) 하이드로젤을 사용하고 산화환원 프로브로 페로시아나이드를 사용하는 전기화학적 측정을 수행하여 수송 특성과 자연대류 효과를 분석하였다. 순환전압전류법을 통해 다양한 매크로 전극과 울트라마이크로 전극을 사용하여 페로시아나이드의 물질수송 특성과 확산계수를 조사하였다. 실험 결과는 한천에서의 물질이동 거동이 용액에서의 거동과 유사함을 확인하였다. 스캔 속도 의존성 피크 전류의 제곱근에 대한 우수한 선형성은, (즉, 이동(migration)과 대류(convection)와 같은) 다른 물질수송 효과의 감소로 인해 한천 하이드로젤에서 물질이동 동안 확산이 지배적임을 보여주었다. 또한 자연대류의 영향을 추정하기 위해 연속전류전류법(chronoamperometry; CA)을 수행하였으며, 용액과 한천 하이드로젤 모두에서 평가하였다. CA 곡선과 전류를 시간의 역제곱근에 대한 함수로 나타낸 도표는, 비교적 장시간의 전기화학에서 용액에서는 불규칙하고 재현성 없는 반응을 나타내었다. 그러나 한천 하이드로젤에서는 코틀렐(Cottrell) 이론에 기반하여 자연대류가 감소함으로써 > 300 s에서 CA 반응이 보다 규칙적이고 재현 가능하였다.