KR100799566B1 - 상대적으로 수분에 둔감한 금속 나노입자 화학 센서 물질및 그를 포함하는 화학 센서 - Google Patents
상대적으로 수분에 둔감한 금속 나노입자 화학 센서 물질및 그를 포함하는 화학 센서 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100799566B1 KR100799566B1 KR1020060034653A KR20060034653A KR100799566B1 KR 100799566 B1 KR100799566 B1 KR 100799566B1 KR 1020060034653 A KR1020060034653 A KR 1020060034653A KR 20060034653 A KR20060034653 A KR 20060034653A KR 100799566 B1 KR100799566 B1 KR 100799566B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- chemical sensor
- metal
- metal nanoparticle
- sensor material
- ligand
- Prior art date
Links
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 63
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 239000003446 ligand Substances 0.000 claims abstract description 64
- 150000001338 aliphatic hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 30
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 8
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 23
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 claims 4
- 229930195735 unsaturated hydrocarbon Natural products 0.000 claims 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 28
- 201000010099 disease Diseases 0.000 abstract description 11
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 abstract description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 11
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 abstract description 9
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 abstract description 6
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 abstract description 2
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 45
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 23
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 6
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N octane Chemical compound CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 5
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- WQAQPCDUOCURKW-UHFFFAOYSA-N butanethiol Chemical compound CCCCS WQAQPCDUOCURKW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- LDDCTEIBGPJUOA-UHFFFAOYSA-N gold toluene Chemical compound [Au].CC1=CC=CC=C1 LDDCTEIBGPJUOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- KZCOBXFFBQJQHH-UHFFFAOYSA-N octane-1-thiol Chemical compound CCCCCCCCS KZCOBXFFBQJQHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 2
- WLHCBQAPPJAULW-UHFFFAOYSA-N 4-methylbenzenethiol Chemical compound CC1=CC=C(S)C=C1 WLHCBQAPPJAULW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- XMYHEVIZEOUZJJ-UHFFFAOYSA-N butane octane Chemical compound CCCC.CCCCCCCC XMYHEVIZEOUZJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 carbon chain hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000007791 dehumidification Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 210000001331 nose Anatomy 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 230000002468 redox effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 210000002345 respiratory system Anatomy 0.000 description 1
- 230000028327 secretion Effects 0.000 description 1
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- QBVXKDJEZKEASM-UHFFFAOYSA-M tetraoctylammonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCC[N+](CCCCCCCC)(CCCCCCCC)CCCCCCCC QBVXKDJEZKEASM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
- G01N33/4975—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath other than oxygen, carbon dioxide or alcohol, e.g. organic vapours
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Hematology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
본 발명은 금속 나노입자 화학 센서 물질 및 그를 포함하는 화학 센서를 제공한다. 본 발명에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질은 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자 표면에 결합되어 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 있는 소수성 및 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고, 상기 리간드 분자는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 지방족 또는 방향족 하이드로카본인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질 및 화학 센서는 습기에 대한 감도는 적고 표적 가스 시료에 대한 감도는 우수하므로, 습기가 많은 환경에서도 낮은 농도의 표적 가스 시료를 용이하고 정확하게 검출할 수 있다. 구체적으로, 다량의 수분을 포함하는 인체 호흡 가스에 존재하는 특정 질병 가스를 유효하게 검출함으로써 상기 특정 질병의 진단에 이용될 수 있다.
나노입자, 화학 센서, 소수성, 센서, 하이드로카본, 습기
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질을 나타내는 도면이다.
도 2는 지방족 하이드로카본 리간드를 포함하는 센서 물질 및 방향족 하이드로카본 리간드를 포함하는 센서 물질의 톨루엔과 물에 대한 상대적 감도 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 짧은 사슬의 하이드로카본 리간드 분자
12 : 금속 나노입자
13 : 긴 사슬의 하이드로카본 리간드 분자
본 발명은 금속 나노입자 화학 센서 물질 및 그를 포함하는 화학 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 습기에 대한 감도는 적고 비극성의 휘발성 유기 화합 물(VOC)에 대한 감도는 우수한 금속 나노입자 화학 센서 물질 및 그를 포함하는 화학 센서에 관한 것이다.
다양한 센서로 구성된 센서를 이용한 감지는 패턴 형식의 감지를 가능하게 하므로 종래의 단일 분자로 구성된 분석 대상에 대한 감지능에 국한된 단일 화학 센서의 감지 한계를 넘어서 다분자로 구성된 분석 대상의 감지를 가능하게 하는 포유동물 수준의 기능을 가능하게 한다[Julian W. Gardner and Philip N. Bartlett, Electronic Noses: Principles and Applications Oxford University Press: Oxford, U.K., (1999)]. 이러한 감지 기술은 그 대상이 가스상 또는 액상인지에 따라 전자 후각 혹은 전자 미각으로 구분된다.
상기 패턴 형식의 고기능 감지를 위해서는 다양한 센서가 필요하며 종래에는 금속 산화물 센서가 주로 사용되어져 왔다. 이 경우에는 센서의 다양화를 이루는 주요 방법으로 금속 산화물에 서로 다른 촉매 금속을 첨가함으로써 금속산화물 센서의 기본 감지 기구인 산화-환원 성질을 변화하여 그 다양성을 이루었다[Keith J. Albert, Nathan S. Lewis, Caroline L. Schauer, Gregory A. Sotzing, Shannon E. Stitzel, Thomas P. Vaid, and David R. Walt "Cross-Reactive Chemical Sensor Arrays" Chem. Rev. 100 (2000) 2595-2626]. 금속 산화물 센서는 가장 널리 오래 사용된 센서이긴 하지만 촉매를 이용한 센서 특성의 다양화를 통한 감지 대상물의 확대의 한계 및 고온 가동에 따른 전력의 필요 등이 센서 기술, 특히 소형화된 센서 기술로의 응용에 주요 어려움으로 인식되고 있다.
센서 기술에 있어서 이러한 종래 기술의 한계를 극복하기 위한 다양한 센서 또는 센서 기술 개발이 최근 이루어지고 있으며 그중에 특히 카본블랙-고분자 복합체와 분자 모노레이어(monolayer)로 둘러싸인 금속 나노입자는 금속산화물 센서가 갖는 한계를 극복할 수 있는 센서 물질로 최근 그 연구가 증가하고 있다. 예를 들면 카본 블랙 고분자 복합체 센서는 전도성 카본 블랙입자를 비전도성 고분자 매트릭스에 분산함으로써 센서막을 형성시키며 이러한 센서막에 분석 대상 분자가 주어지면 고분자 매트릭스를 팽윤시킴으로써 전도성 입자인 카본 블랙간의 거리를 멀게 하여 저항이 증가하게 되며 이러한 저항 변화의 정도에 따라 감지가 이루어진다[Mark C. Lonergan, Erik J. Severin, Brett J. Doleman, Sara A. Beaber, Robert H. Grubbs, and Nathan S. Lewis "Array-Based Vapor Sensing Using Chemically Sensitive, Carbon Black-Polymer Resistors" Chem. Mater. 8 (1996) 2298-2312]. 이 복합 센서는 다양한 고분자를 사용함으로써 화학적 선택성을 쉽게 부여할 수 있으며 카본블랙이 분산된 고분자 용액을 이용하여 다양한 방법, 예컨대 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 분산법 등으로 막을 형성할 수 있다는 것이 주요 장점으로 센서 기술에 매우 유용한 물질로 인식된다.
최근 이러한 센서 기술을 질병 진단에 이용하려는 시도가 시작 되고 있다. 이러한 질병 진단은 인간 인체의 호흡 또는 분비물에 대한 분석을 통하여 질병 진단을 비침습적 실시간 진단을 가능하게 한다는 것이 주요 장점으로 인식되고 있다.
현재 이러한 기술의 응용에 가장 큰 어려움은 센서의 감도의 한계와 인체 내의 호흡가스의 성분비에 있다. 예를 들면 호흡기체 관련 질병 인자 가스의 농도는 수 ppm에서 수 ppb에 이른다[Maximilian Fleischer, Elfriede Simon, Eva Rumpel, Heiko Ulmer, Mika Harbeck, Michael Wandel, Christopher Fietzek, Udo Weimar, hans Meixner "Detection of volatile compounds corrected to human disease through breath analysis with chemical sensors" Sensors and Actuators B 83 (2002) 245-249]. 따라서 고감도의 센서를 필요로 하게 된다. 둘째로는 호흡기 내의 주성분은 습기로서 인체의 정상온도에서의 포화 상대습도는 5000 ppm 정도 수준이다. 따라서 습기의 영향을 최소화할 수 있는 시스템이 필요하다. 습기제거제를 사용한 시스템에서는 습기제거 정도에 한계가 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 습기에 대한 감도는 적고 표적 가스 시료에 대한 감도는 우수한 금속 나노입자 화학 센서 물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 습기에 대한 감도는 적고 표적 가스 시료에 대한 감도는 우수한 화학 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자 표면에 결합되어 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 있는 소수성 및 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고, 상기 리간드 분자는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 지방족 또는 방향족 하이드로카본인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 화학 센서 물질을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 금속은 금, 은, 백금 및 구리로 이루 어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 금속 나노입자의 직경은 1~20 nm일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리간드 분자는 선형 또는 분지형의 포화의 지방족 하이드로카본일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리간드 분자는 주쇄의 탄소 수가 3~18개인 지방족 하이드로카본일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리간드 분자는 두 종류 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 기판, 및 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자 표면에 결합되어 있는 소수성 및 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고 상기 리간드 분자는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 지방족 또는 방향족 하이드로카본인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 화학 센서 물질을 포함하고, 상기 금속 나노 입자 화학 센서 물질은 상기 기판 상에 필름 형태로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 센서를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 금속은 금, 은, 백금 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 금속 나노입자의 직경은 1~20 nm일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리간드 분자는 선형 또는 분지형의 포화의 지방족 하이드로카본일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리간드 분자는 주쇄의 탄소 수가 3~7개인 한 종류 이상의 지방족 하이드로카본일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 리간드 분자는 주쇄의 탄소 수가 8~18개인 두 종류 이상의 지방족 하이드로카본일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면은 습기에 대한 감도는 적고 표적 가스 시료에 대한 감도는 우수한 금속 나노입자 화학 센서 물질에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금속 나노입자는 금속 나노입자(12) 및 리간드 분자(11,13)로 구성된다.
상기 금속 나노입자(12)에 있어서, 상기 금속은 특별히 한정되지 않지만, 금, 은, 백금 또는 구리가 바람직하다. 상기 금속 나노입자의 직경은 1~20 nm일 수 있다.
상기 리간드 분자(11,13)는 상기 금속 나노입자(12) 표면에 결합되어 상기 금속 나노입자(12)를 둘러싸고 소수성 및 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 것을 특징으로 하며, 구체적으로 상기 리간드 분자(11,13)는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 지방족 또는 방향족 하이드로카본인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 리간드 분자(11,13)는 선형 또는 분지형의 포화의 지방족 하이드로카본일 수 있다. 또한, 상기 리간드 분자(11,13)는 주쇄의 탄소 수가 3~18개인 지방족 하이드로카본일 수 있다.
또한, 상기 리간드 분자(11,13)는 두 종류 이상인 것이 바람직하다. 다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질의 리간드 분자는 서로 다른 두 종류로 구성되고, 구체적으로 짧은 사슬의 하이드로카본 리간드 분자(11) 및 긴 사슬의 하이드로카본 리간드 분자(13)를 포함한다. 두 종류 이상의 리간드 분자를 이용하는 경우 화학 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다.
탄소 수가 많은 긴 사슬의 하이드로카본만으로 화학 센서를 제작할 경우 저항 값이 커지게 되어 실질적으로 사용 또는 감지 특성을 측정하는 데 여러 어려움이 따른다. 이 경우 탄소 수가 적은 짧은 사슬의 하이드로카본 리간드와 적당히 혼합하여 나노입자를 제조하면 제작되는 센서 저항의 크기를 조절할 수 있게 되어 사용하기에 적당한 수준의 저항 값을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질은 종래 알려진 나노입자 합성방법으로 합성될 수 있다[M. Brust, M. Walker, D. Bethell, D. J. Schiffrin, R. Whyman, J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1994) 801-802.; Michael J. Hostetler, Stephen J. Green, Jennifer J. Stokes, and Royce W. Murray "Monolayers in Three Dimensions: Synthesis and Electrochemistry of omega-Functionalized Alkanethiolate-Stabilized Gold Cluster Compounds" J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 4212-4213].
본 발명의 실험예에서는 지방족 하이드로카본계의 리간드로서 옥탄 및 부탄을 이용한 센서 물질 및 방향족 하이드로카본계 리간드로서 톨루엔 분자를 이용한 센서 물질의 감도를 비교하였다.
도 2는 지방족 하이드로카본 리간드를 포함하는 센서 물질 및 방향족 하이드로카본 리간드를 포함하는 센서 물질의 톨루엔과 물에 대한 상대적 감도 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 지방족 하이드로카본 계통의 금속 나노입자 센서 물질이 방향족 하이드로카본 계통의 금속 나노입자 센서 물질 보다 비극성분자 대 극성분자의 상대적 감도 특성이 더 우수였다. 또한, 금속 나노입자 센서 물질의 비극성 대 극성 분자의 상대적 감도는 시료 가스의 농도가 증가함에 따라 선형으로 증가하였다.
본 발명에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질 및 화학 센서는 습기에 대한 감도는 적고 표적 가스 시료에 대한 감도는 우수하므로, 습기가 많은 환경에서도 낮은 농도의 표적 가스 시료를 용이하고 정확하게 검출할 수 있다. 구체적으로, 다량의 수분을 포함하는 인체 호흡 가스에 존재하는 특정 질병 가스를 유효하게 검출함으로써 상기 특정 질병의 진단에 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 습기에 대한 감도는 적고 표적 가스 시료에 대한 감도는 우수한 화학 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 화학 센서는 기판, 및 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입 자 표면에 결합되어 있는 소수성 및 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고, 상기 리간드 분자는 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 지방족 또는 방향족 하이드로카본인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 화학 센서 물질을 포함하고, 상기 금속 나노입자 화학 센서 물질은 상기 기판 상에 필름 형태로 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 나노입자 및 리간드 분자에 관하여 상기 금속 나노입자 화학 센서 물질의 설명 부분을 참조할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질을 기판 상에 필름 형태로 코팅하는 과정은 금속 나노입자를 적당한 용매에 분산시켜서 전극 기판을 상기 용액에 침적시켰다 빼어줌으로써 센서막을 형성하는 딥 코팅(dip-coating) 방법, 나노입자 분산액을 직접 전극판 위에 떨어뜨린 후 막을 형성시키는 방법, 또는 분산액을 기판 위에 스프레이 시켜서 막을 형성 시키는 방법 등에 의해 수행될 수 있다.
상기 리간드 분자로서 주쇄의 탄소 수가 8개 이상의 한 종류의 지방족 하이드로카본을 사용하여 금속 나노입자 화학 센서 물질을 제조하고, 이를 이용하여 딥 코팅 방법으로 화학 센서를 제작하는 경우 상기 리간드의 결정화에 의해 필름의 균일성 또는 안정성이 확보되지 못하였다.
한편, 주쇄의 탄소 수가 7개 이하의 한 종류의 지방족 하이드로카본을 사용하는 경우 형성되는 필름의 균일성 또는 안정성이 보장되었다.
또한, 상기 주쇄의 탄소 수가 8개 이상의 한 종류의 지방족 하이드로카본 및 주쇄의 탄소 수가 7개 이하의 한 종류의 지방족 하이드로카본을 사용하는 경우 형성되는 필름의 균일성 또는 안정성이 보장되었다.
따라서, 상기 리간드 분자의 주쇄의 탄소 수가 3~7개인 경우 한 종류 이상의 지방족 하이드로카본을 사용할 수 있는 반면, 리간드 분자의 주쇄의 탄소 수가 8~18개인 경우 두 종류 이상의 지방족 하이드로카본을 사용하는 것이 필름 형성의 측면에서 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
<실시예 1>
톨루엔의 단일 리간드 금 나노입자 화학 센서 물질의 제조
HAuCl4(1.7 g)를 증류수에 넣고 테트라옥틸암모늄 브로마이드(tetraoctylammonium bromide)(10 g)을 톨루엔에 녹인 후 HAuCl4 수용액과 합한다. HAuCl4와 같은 몰 비로 파라 톨루엔 싸이올을 톨루엔에 녹여서 반응 혼합액에 더한 후 소듐 보로하이드라이드(Sodium borohydride)(1.9g) 수용액을 넣고 3시간 교반하고 에탄올에서 침전한 후 필터 하여 감압 하에서 용매를 증발 시킨 후 나노입자 생산물을 얻는다(96 % 수율).
<실시예 2>
옥탄 및 부탄의 혼합 리간드 금 나노입자 화학 센서 물질의 제조
상기 실시예 1에서 제조한 톨루엔 리간드 금속 나노입자에 다양한 양의 비로 옥탄티올 및 부탄티올을 혼합하여 반응하여 금 나노입자 화학 센서 물질을 제작하였다. 구체적으로, 100 mg의 톨루엔 금 나노입자를 클로로포름에 녹인 후 0.5 ml의 옥탄티올 및 부탄티올을 혼합하여 상온에서 48시간 교반하여 생성물을 얻는다. 반응이 종료되면 과량의 클로로포름을 감압 하에서 증발시키고 에탄올에 분산하여 초음파로 1분간 처리한 후 필터하고 용매를 증발 시킨 후 최종 혼합 리간드 금 나노입자 화학 센서 물질을 얻었다.
<실시예 3>
화학 센서의 제조
실시예 1 및 실시예 2에서 각각 제조된 금 나노입자 화학 센서 물질을 클로로포름에 녹여서 2 분간 초음파 처리한 금 나노입자 분산액을 만들었다. interdigitated 형의 금 전극이 올려진 유리 기판을 퍼로나 용액(H2SO4/H2O2 = 3:1 v/v)에 1분 침적 후 아세톤과 증류수로 세척한 후 건조 하여 나노입자 분산액에 담가서 딥 코팅법(dip-coating)을 이용하여 센서막을 형성하다. 이때 형성된 막은 감도 측정하기 전 24 시간 공기 중에서 건조시켰다.
<실험예 1>
실시예에서 제조한 단일 리간드 금 나노입자 화학 센서 및 혼합 리간드 금 나노입자 화학 센서를 가스 유량 제어 시스템(Flow-control system)이 갖추어진 가스 감지 측정 장치를 이용하여 감지 특성을 조사하였다.
구체적으로, 가스 측정 장치 내에서 실시예 3에서 각각 제조한 톨루엔의 단일 리간드 금 나노입자 화학 센서 및 옥탄 및 부탄의 혼합 리간드 금 나노입자 화학 센서를 배치하였다. 다음으로, 상기 가스 측정 장치 내의 톨루엔 가스 및 수증기 농도를 동일하게 500 ppm, 700 ppm, 100 ppm 및 1500 ppm으로 조정한 다음, 각 농도에서의 센서의 저항 값 변화를 측정하였다.
상기 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2의 그래프에 있어서, 가로축은 톨루엔 가스의 농도를 나타내고, 세로축은 수증기의 최대 저항 값에 대한 톨루엔의 최대 저항 값의 최대 상대 저항 비율을 나타낸다. 또한, 사각형의 점(AuNP-(PhMe))은 톨루엔의 단일 리간드 금 나노입자 화학 센서에 대한 결과를 나타내고, 원형의 점(AuNP-(Ot/Bt))은 옥탄 및 부탄의 혼합 리간드 금 나노입자 화학 센서에 대한 결과를 나타낸다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 시료 가스의 농도가 증가함에 따라 두 종의 센서의 톨루엔 대 물의 상대적 감도는 선형적으로 증가는 경향을 보이며, 그 기울기에 있어서는 옥탄 및 부탄의 혼합 리간드 금 나노입자 화학 센서가 더 큰 값을 가졌다.
한편, 상대적 감도 비는 옥탄 및 부탄의 혼합 리간드 금 나노입자 화학 센서가 톨루엔의 단일 리간드 금 나노입자 화학 센서에 비해 더 우수하였다. 예컨대, 1500 ppm에서 톨루엔 대 물의 상대적 감도 비는 톨루엔 금 나노입자 센서의 경우 약 10 배 정도 수준이지만 옥탄-부탄의 금 나노입자 센서의 경우 약 45 배로 매우 높았다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 나노입자 화학 센서 물질 및 화학 센서는 습기에 대한 감도는 적고 표적 가스 시료에 대한 감도는 우수하므로, 습기가 많은 환경에서도 낮은 농도의 표적 가스 시료를 용이하고 정확하게 검출할 수 있다. 구체적으로, 다량의 수분을 포함하는 인체 호흡 가스에 존재하는 특정 질병 가스를 유효하게 검출함으로써 상기 특정 질병의 진단에 이용될 수 있다.
Claims (14)
- 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자 표면에 결합되어 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 있는 소수성 및 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고,상기 리간드 분자는 주쇄의 탄소 수가 3~18개인 지방족 하이드로카본으로서, 주쇄의 탄소수 3-7개의 지방족 하이드로카본인 것을 포함하고,상기 리간드 분자는 치환되거나 치환되지 않고 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 하이드로카본인 것을 특징으로 하는 다습 환경용 금속 나노입자 화학 센서 물질.
- 제 1항에 있어서,상기 금속은 금, 은, 백금 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다습 환경용 금속 나노입자 화학 센서 물질.
- 제 1항에 있어서,상기 금속 나노입자의 직경은 1~20 nm인 것을 특징으로 하는 다습 환경용 금속 나노입자 화학 센서 물질.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 리간드 분자는 두 종류 이상인 것을 특징으로 하는 다습 환경용 금속 나노입자 화학 센서 물질.
- 기판, 및 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자 표면에 결합되어 있는 소수성 및 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고 상기 리간드 분자는 주쇄의 탄소 수가 3~18개인 지방족 하이드로카본으로서, 주쇄의 탄소수 3-7개의 지방족 하이드로카본인 것을 포함하고, 상기 리간드 분자는 치환되거나 치환되지 않고 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 하이드로카본인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 화학 센서 물질을 포함하고,상기 금속 나노 입자 화학 센서 물질은 상기 기판 상에 필름 형태로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 다습 환경용 화학 센서.
- 제 7항에 있어서,상기 금속은 금, 은, 백금 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다습 환경용 화학 센서.
- 제 7항에 있어서,상기 금속 나노입자의 직경은 1~20 nm인 것을 특징으로 하는 다습 환경용 화학 센서.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자 표면에 결합되어 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 있는 소수성 및 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고,상기 리간드 분자는 주쇄의 탄소 수가 3~18개인 지방족 하이드로카본으로서, 주쇄의 탄소수 3-7개의 지방족 하이드로카본인 것을 포함하고,상기 리간드 분자는 치환되거나 치환되지 않고 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 하이드로카본인 것을 특징으로 하는 호흡기 진단용 금속 나노입자 화학 센서 물질.
- 기판, 및 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자 표면에 결합되어 있는 소수성 및 상기 금속 나노입자를 둘러싸고 상기 금속에 비하여 상대적으로 낮은 전도도를 갖는 한 종류 이상의 리간드 분자를 포함하고 상기 리간드 분자는 주쇄의 탄소 수가 3~18개인 지방족 하이드로카본으로서, 주쇄의 탄소수 3-7개의 지방족 하이드로카본인 것을 포함하고, 상기 리간드 분자는 치환되거나 치환되지 않고 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화의 하이드로카본인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 화학 센서 물질을 포함하고,상기 금속 나노 입자 화학 센서 물질은 상기 기판 상에 필름 형태로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 호흡기 진단용 화학 센서.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20050120097 | 2005-12-08 | ||
| KR1020050120097 | 2005-12-08 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070061032A KR20070061032A (ko) | 2007-06-13 |
| KR100799566B1 true KR100799566B1 (ko) | 2008-01-30 |
Family
ID=38356970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020060034653A KR100799566B1 (ko) | 2005-12-08 | 2006-04-17 | 상대적으로 수분에 둔감한 금속 나노입자 화학 센서 물질및 그를 포함하는 화학 센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100799566B1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000000808A2 (en) | 1998-06-09 | 2000-01-06 | California Institute Of Technology | Colloidal particles used in sensing arrays |
| US6458327B1 (en) | 1999-01-21 | 2002-10-01 | Sony International (Europe) Gmbh | Electronic device, especially chemical sensor, comprising a nanoparticle structure |
| KR20030035206A (ko) * | 2001-10-30 | 2003-05-09 | 한국과학기술원 | 구, 막대, 별모양을 포함한 다양한 형태의 무기 나노결정의 화학적 합성방법 |
| US6773926B1 (en) | 2000-09-25 | 2004-08-10 | California Institute Of Technology | Nanoparticle-based sensors for detecting analytes in fluids |
| KR20050065904A (ko) * | 2003-12-26 | 2005-06-30 | 한국전자통신연구원 | 혼합 리간드에 의해 캡슐화된 금속 나노입자 화학 센서 및센서 어레이 |
-
2006
- 2006-04-17 KR KR1020060034653A patent/KR100799566B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000000808A2 (en) | 1998-06-09 | 2000-01-06 | California Institute Of Technology | Colloidal particles used in sensing arrays |
| US6458327B1 (en) | 1999-01-21 | 2002-10-01 | Sony International (Europe) Gmbh | Electronic device, especially chemical sensor, comprising a nanoparticle structure |
| US6773926B1 (en) | 2000-09-25 | 2004-08-10 | California Institute Of Technology | Nanoparticle-based sensors for detecting analytes in fluids |
| KR20030035206A (ko) * | 2001-10-30 | 2003-05-09 | 한국과학기술원 | 구, 막대, 별모양을 포함한 다양한 형태의 무기 나노결정의 화학적 합성방법 |
| KR20050065904A (ko) * | 2003-12-26 | 2005-06-30 | 한국전자통신연구원 | 혼합 리간드에 의해 캡슐화된 금속 나노입자 화학 센서 및센서 어레이 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20070061032A (ko) | 2007-06-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6759010B2 (en) | Use of an array of polymeric sensors of varying thickness for detecting analytes in fluids | |
| US8394330B1 (en) | Conductive organic sensors, arrays and methods of use | |
| KR100578747B1 (ko) | 혼합 리간드에 의해 캡슐화된 금속 나노입자 화학 센서 및센서 어레이 | |
| US7122152B2 (en) | Spatiotemporal and geometric optimization of sensor arrays for detecting analytes fluids | |
| US8153439B2 (en) | Chemical sensors for detecting volatile organic compounds and methods of use | |
| Arshak et al. | A review of gas sensors employed in electronic nose applications | |
| JP3541355B2 (ja) | 化学物質種を検出及びモニターするための物質、方法及び装置 | |
| US20050263394A1 (en) | Sensors and sensor arrays of conducting and insulating composites and methods of use thereof | |
| US20050150778A1 (en) | Use of basic polymers in carbon black composite vapor detectors to obtain enhanced sensitivity and classification performance for volatile fatty acids | |
| KR20030009201A (ko) | 나노입자/덴드리머 복합재를 포함하는 화학 센서 | |
| Suematsu et al. | Selective detection of toluene using pulse-driven SnO2 micro gas sensors | |
| EP2067532A1 (en) | A method of producing a nanoparticle film on a substrate | |
| André et al. | Porous materials applied to biomarker sensing in exhaled breath for monitoring and detecting non-invasive pathologies | |
| US20190187135A1 (en) | Gas sensor using metal nanoparticles | |
| Kim et al. | Mixed-ligand nanoparticles of chlorobenzenemethanethiol and n-octanethiol as chemical sensors | |
| WO2001013087A2 (en) | Sensors and sensor arrays of conducting and insulating composites and methods of use thereof | |
| Niu et al. | Electrochemical sensor for ultrasensitive detection of paraquat based on metal-organic frameworks and para-sulfonatocalix [4] arene-AuNPs composite | |
| EP1281047A1 (en) | Spatiotemporal and geometric optimization of sensor arrays for detecting analytes in fluids | |
| KR100799566B1 (ko) | 상대적으로 수분에 둔감한 금속 나노입자 화학 센서 물질및 그를 포함하는 화학 센서 | |
| Liu et al. | Water-selective nanostructured dehumidifiers for molecular sensing spaces | |
| Zor et al. | QCM humidity sensors based on organic/inorganic nanocomposites of water soluble-conductive poly (diphenylamine sulfonic acid) | |
| Golshadi et al. | Metal organic and covalent organic framework-based QCM sensors for environmental pollutant detection and beyond | |
| RU2814054C1 (ru) | Газоаналитический мультисенсорный чип на основе фосфорилированного графена и способ его изготовления | |
| CN113967489B (zh) | 甲基对硫磷微流控纸基检测芯片、制备及检测方法、应用 | |
| Chang et al. | Gas Sensing Ionic Liquids on Quartz Crystal Microbalance |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| AMND | Amendment | ||
| B701 | Decision to grant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| G170 | Re-publication after modification of scope of protection [patent] | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20110104 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20111208 Year of fee payment: 20 |