단일 개체 전기화학(Single-entity electrochemistry)의 한 분야인 초미세전극(ultramicroelectrode)을 이용한 나노/마이크로(nano/micro) 수준의 단일 입자 분석법은 전극 충돌 시 발생하는 현상을 분석하는 연구로 기존 벌크 수준에서는 파악할 수 없었던 개별 입자들의 여러 가지 중요한 물리화학적 특성[크기, 농도, 제타 전위, 확산 계수, 이온 및 전자 이동, 산화-환원 반응, 촉매 활성 및 지속 시간 등]을 이해하는 중요한 연구이다. 이 연구는 단일 개체의 거동을 파악한다는 점에서 그 자체로써 중요성을 가지며, 연구 결과로 도출된 다양한 물리화학적 특성을 반영하여 초고감도 전기화학 센싱 플랫폼 개발 기술에 응용할 수 있는 매우 중요한 기초 연구이다. 먼저, 야누스 에멀션의 상변이에 따른 에멀션 내 산화-환원종의 신호 유무를 분석하는 방법을 소개한다. 야누스 에멀션은 에멀션 자체에 두가지의 분산상이 존재하는 입자로써 각각의 상에 존재하는 계면활성제의 비율을 조절함에 따라 다양한 구조의 변화가 관찰되는 에멀션이다. 이러한 에멀션 입자에 대한 연구는 서로 다른 계면 사이의 전자전달 및 이온과 입자의 이동 현상을 고찰함과 동시에 약물 전달 시스템과 같은 체내 거동 제어 현상을 모방한 연구로 그 자체로도 중요하다.두번째로, 본 연구에서는 추가적인 산화-환원종을 추가하지 않는 조건에서 시간대전류법 실험을 진행하여, 초미세전극에 부딪히는 혈소판 내 세로토닌의 산화 반응에 의한 전류를 측정하는 방법을 소개한다. 이를 통해 나타난 전극에 부딪힌 혈소판의 충돌 신호를 통해 시료 내 존재하는 혈소판의 농도를 보고하였으며, 이때 발생한 충돌 전류 신호의 적분한 전하량을 통해 혈소판 내 평균 세로토닌 농도를 동시에 분석하는 방법을 개발하였다. 특히 인체 내 세로토닌은 주로 소장의 신경 내분비 세포에서 생산 및 신경 세포로 흡수되며, 인체 내에서 이동 시에는 혈액의 혈소판에 흡수 및 저장되기 때문에 혈중 세로토닌의 대부분이 혈소판 내에 존재하게 된다. 이러한 점을 고려할 때, 기존의 혈소판 특이 항체에 형광 프로브를 부착한 후 고가의 장비로 측정하는 분석 방법을 대체할 수 있는 혈소판 및 세로토닌을 듀얼 센싱하는 기술로 응용 가능성 할 것으로 기대된다. 마지막 연구에서는 과량의 산화-환원종이 존재하에 강한 전기장을 인가하였을 때 선택적인 바이오 입자를 검출하는 전기장 감응 탐침을 도입한 새로운 전기화학 센싱 플랫폼을 제안한다. 초미세전극 기반의 전기화학적 분석 시스템에서 전기장 감응 탐침의 효과를 검증하기 위해, 단핵구 특이 전기장 감응 탐침을 개발하여 단핵구만을 선택적으로 고감도로 검출하는 모델 시스템을 검증하였다. 용액의 pH, 전기장 감응 탐침의 농도 및 인가 전압과 같은 다양한 변수를 고려하여 최적화한 시스템을 보고하는 동시에, 이 최적 조건에서 전기장 감응 탐침을 도입하게 되면 기존의 검출 한계와 비교하여 대략 10배 이상의 검출 한계를 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 동시에 타겟 물질과 선택적으로 결합하는 전기장 감응 탐침의 도입으로 인해 선택적으로 고감도 검출이 가능하기 때문에 전기화학적 검출 시스템의 획기적인 개선 및 기존의 패러다임을 극복할 수 있는 새로운 검출 시스템으로의 확장이 가능할 것으로 생각된다. 본 연구를 통해 제시된 단일 개체 전기화학 기반의 다양한 단일 입자 연구는 에멀션 입자의 상변이에 대한 새로운 접근법을 제시하고, 혈구 세포 및 혈구 세포내 산화-환원종을 동시 정량 분석이 가능한 시스템을 통해 기존의 검출 시스템의 응용 가능성의 확장을 보여주며, 강한 전기장에서 목표 물질만을 선택적으로 물질 이동을 증폭시키는 전기장 감응 탐침을 도입한 새로운 시스템은 검출한계를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 패러다임에 기반을 둔 기술 혁신이다. 이러한 결과들은 최근 활발하게 진행되고 있는 단일 개체 전기화학 기반 기술의 실시간 및 동시 분석 기술로의 활용 및 응용 가능성이 높을 것으로 기대된다.
Single-entity electrochemistry (SEE), research that analyzes the phenomenon that occurs when a single particle at the nano/micro level collides with an electrode, is an important study to understand important physicochemical properties [size, concentration, zeta potential, diffusion coefficient, ion and electron transfer, redox reaction, catalytic activity, and lifetime, etc.] of individual particles that could not be identified at the conventional bulk level. This study is crucial in that it understands the behavior of a single entity itself, and it is very decisive basic research that can be applied to the development of ultra-sensitive electrochemical sensing platform by deliberating the various physicochemical properties. First, the research presents an electrochemical collision technique by signal switching (transition) of single Janus emulsion droplets due to phase inversion on an ultramicroelectrode (UME). The experiment to detect the Janus emulsion is conducted based on a system in which an emulsion consisting of two phases, hydrocarbon/fluorocarbon, is dispersed in an aqueous solution. An electrochemical collision signal is observed when the ferrocene-containing hydrocarbon phase forms the Janus phase or the engulfing phase surrounding the fluorocarbon phase, and an appropriate potential is applied. Only when the Janus emulsion is formed by the addition of an appropriate concentration of hydrocarbon-philic (favor or like) surfactant, the resulting phase inversion of the Janus emulsion and the on-off change of the electrochemical collision signal are observed. Comparing the integral current spike and dynamic light scattering (DLS) method, the concentration of the Janus emulsion in the aqueous solution and the concentration of ferrocene present therein are determined. This research is expected to provide insights into electrochemical fields of the interface between two or more immiscible electrolyte solutions as well as emulsion droplets applicable to drug delivery systems. Second, the research introduces a method for the direct detect of serotonin in a single platelet based on ultramicroelectrode (UME) through single-entity electrochemistry. Platelets isolated from human blood were analyzed by cyclic voltammetry and current−time measurements. When a single platelet collides with a UME, serotonin inside the platelet is oxidized at the electrode surface, and an anodic current peak is consequently observed during measurement. The concentration of serotonin can be determined by integrating these peak currents. In addition, this method can be used to determine the platelet concentration in the blood information by analyzing the collision frequency of platelets. As a result, platelet levels and serotonin concentrations in single platelets can be measured quickly and easily. Third, the research introduces a state-of-the-art method to directly quantify the specific biomolecule (monocytes, MNCs) coexisting with interfering species (various leukocytes, etc.) as a model system introducing electric field active probe (EP) through single-entity electrochemistry (SEE). Here, we proposed EP which connects a head that specifically combines with the biomolecule to be targeted to a tail that maximizes the attraction at the electrode in an electric field. The feasibility of detecting a single blood entity with EP has been demonstrated by examining various conditions such as pH of the solution, the applied potential of electrode, the ratio of EP to MNCs, and the concentration of MNCs under the optimized EP ratio. Using an additional electrophoretic migration by introducing a target-specific EP, it was successfully demonstrated that the correlation between the collision signal corresponding to the concentration of target biomolecules and the selective detection of target biomolecule (MNCs) at a concentration that could not be detected in the system depending on the diffusion only. Our EP-based SEE platform offers a promising method for the simple discovery of individual bio-entity with significant improvements in selectivity and sensitivity. It is a technological innovation based on a new paradigm that various single particle analysis based on a SEE (1) to suggest a new approach to the phase inversion of emulsion droplets, (2) to show the expansion of the application potential of the existing detection system through a system capable of simultaneous quantitative analysis of both cell and redox species inside cells, and (3) to introduce an electric field active probe that selectively amplifies the electrophoretic migration of only the target in an electric field, dramatically improving the detection limit. These results are expected to have high utilization and application potential as a real-time and simultaneous analysis technology of a SEE-based technology, which is being actively conducted recently.