KR100973931B1 - 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법 및 이를이용하여 형성한 혈당 센서 - Google Patents

카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법 및 이를이용하여 형성한 혈당 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화아연 카드뮴셀레나이드/황화아연 제조 방법 및 이를 이용하여 형성한 혈당 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 먼저 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 합성하고, 클로로폼(chloroform)에 분산되어 있는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 바이오 물질 검출에 응용하기 위해 극성 용매에 분산될 수 있는 리간드로 표면을 치환 시키고, 포도당 산화효소를 고정화 시키고 여기에 포도당을 떨어뜨려 그에 따른 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점의 발광이 증가하는 것으로 혈당치를 측정함으로써, 혈당 수치를 용이하게 측정할 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법 및 이를 이용하여 형성한 혈당 센서{Method of Fabricating CdSe/ZnS quantum dot and Glucose Sensor Using The Same}
본 발명은 독성이 없고 생화학적으로 안정한 물질로 생체 라벨(label) 및 전기화학적 응용분야에서 이용가치가 높은 산화아연에 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA) 물질로 표면 처리하고 바이오물질과 쉽게 결합 할 수 있도록 하여 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 용이하게 제조하고 및 이를 이용한 혈당센서를 형성하는 기술에 관한 것이다.
최근 의약분야에서 혈액을 포함한 생체 시료를 분석하기 위한 것으로 전기화학적 바이오센서의 사용이 증가하고 있다.
바이오센서란 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때 생물학적 요소를 이용하거나 또는 생물학적 요소를 모방하는 것을 사용하여 색, 형광, 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 유용한 신호로 변환시켜주는 시스템이라 할 수 있다.
이러한 바이오센서는 불과 몇 년 전까지만 하더라도 주로 임상적인 수요가 큰 혈당(blood glucose) 센서에 집중되었으나, 최근 분자생물학, 나노테크놀로지(NT) 및 정보통신기술(IT)의 급격한 발달로 다분야의 특성을 접목한 다양한 센서의 개발이 시도되고 있고, 단순한 생화학적 측면의 목적에 더하여 대량검색과 다중측정 또는 다중진단이라는 관점에서 많은 관심을 끌고 있다.
바이오센서에 대한 수요가 가장 많은 분야는 알려진 바와 같이 의료부문으로, 자유로운 이동이 가능하면서 즉각적인 감지가 가능하여 의료분야에서 위험도가 높은 약품의 사용을 용이하게 하고, 중환자에 대한 신속한 진료도 가능하게 하므로, 의료분야에서 지속적인 수요 확대가 예상되고 있다.
상기와 같이 의료분야에 적용되는 것으로는 생체 시료에 있는 특정 물질, 예컨대 혈액 중의 혈당, 콜레스테롤 등을 선택적으로 정량 분석할 수 있는 바이오센서를 들 수 있으며, 전세계 각 제조사들을 중심으로 성능 개선 및 신기술 개발을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
현재까지 가장 많이 쓰고 있는 바이오센서로는 혈당 측정을 위한 혈당센서(glucose sensor)를 들 수 있는 바, 혈당센서의 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
혈당센서는 포도당을 산화시키는 글루코스 산화제(glucose oxidase)를 폴리아크릴아미드의 겔막에 포괄고정화시켜 이 막을 격막 센서 전극 위에 부착시켜서 만든 최초의 센서를 바탕으로 현재까지 끊임없이 발전되어 왔다.
혈당센서에 사용되는 효소인 글루코스 산화제는 쉽고 값싸게 구할 수 있고, 다른 효소보다 pH, 이온강도, 온도에 대해 안정하며, 글루코스 산화제가 글루코스를 산화시키는 최적조건이 사람 혈액 속의 글루코스 농도와 일치한다는 이유로 널리 사용되고 있다.
상기와 같은 혈당센서의 분석법은 크게 광도법(photometeric method)과 전기화학법(electrochemical method)으로 나눌 수 있으며, 광도법과 전기화학법 모두 기본적으로는 글루코스와 반응하여 글루코스를 산화시킬 수 있는 산화효소를 사용한다.
광도법에서는 글루코스가 산화될 때 색의 변화를 가져오는 색소원을 사용하여 색의 변화 정도를 광도계(photometer)를 사용하여 빛의 반사도 또는 투과도를 측정함으로써 정량화한다.
이에 비해서 전기화학법은 글루코스가 산화될 때 산소 또는 산화된 매개체가 과산화수소 또는 환원된 매개체로 바뀌고 다시 산화되어 원래의 산화된 형태로 되돌아올 때 발생하는 전자를 전극을 이용해 흐르는 전류 형태로 측정하여 글루코스를 정량화한다.
광도법은 일반적으로 전기화학법에 비해 측정시간이 길고, 상대적으로 많은 양의 혈액을 필요로 하며, 생체 시료의 혼탁도에 기인한 측정오차 등으로 인해 중요한 생체물질을 분석하는데 어려움이 수반된다.
따라서, 최근에는 전극을 형성한 뒤 스크린 프린팅(screen printing) 방법, 필름접착방법 등을 이용하여 분석시약이 고정되는 부분만을 노출시키고 나머지 부분을 차단시킨 상태에서 시료 내 측정 성분과 반응하는 분석시약을 노출된 부분에 도포 및 고정시키고, 혈액 등 생체 시료가 도입된 후 일정 전위를 적용하여 생체 시료 중의특정 물질을 정량적으로 측정하는 전기화학법이 바이오센서에 많이 응용되고 있다.
전기화학법은 절연기판상에 직사각형 모양의 작업전극(working electrode)과 기준전극(reference electrode)이 길게 형성되고, 절연기판의 타측에는 인식전극이 형성된 혈당센서를 이용한다.
여기서, 인식전극은 작업전극과 기준전극을 가로질러 고정된 시약이 어떤 물질을 검출하기 위한 것이냐에 따라 결정된 테스트 스트립상의 소정 위치에 형성되며, 이러한 테스트 스트립이 바이오센서 측정기에 삽입되면 바이오센서 측정기는 테스트 스트립상에서의 인식전극 위치를 식별하므로 테스트 스트립이 어떤 물질을 분석하기 위한 것인가를 식별할 수 있게 된다.
상기와 같은 테스트 스트립을 제조하기 위해서는 절연기판상의 소정 영역에 전극물질을 스퍼터링하여 전극을 형성시킨 뒤, 분석시약이 고정되는 부분만을 노출시키고 나머지 부분을 차단시킨 상태에서 시료 내 측정 성분과 반응하는 분석시약을 노출된 부분에 도포 및 고정시키는 과정을 거치게 된다.
한편, 상기와 같이 작업전극을 통하여 전자 전달이 이루어지는 바이오센서에서, 시료 투입 후에 작업전극에서 나타나는 반응을 통해 전자가 생성되면서 일정 시간 동안 전류신호가 발생하며, 이 전류신호를 측정기가 읽어서 시료 내 해당 성분을 정량 분석하게 된다.
이때, 작업전극에서 동일한 반응이 일어날 경우 동일한 전류신호가 발생해야 한다.
즉, 여러 개의 테스트 스트립을 이용해 측정을 하더라도 같은 성분의 동일한 시료(측정 대상이 되는 성분이 동일)에 대해서는 작업전극에서 시료 내 성분과 시약의 반응이 동일하므로, 동일한 전류신호가 출력되어야 하는 것이다.
하지만, 이는 제작된 모든 테스트 스트립에 대하여 시약이 고정되는 작업전극 부분(반응부)의 면적, 즉 작업전극에서 시약이 고정되는 부분의 면적(작업전극의 반응부 면적) 및 테스트 스트립 마다 모두 동일해야 하는 것을 전제로 한다.
만약, 제조공정상에서 테스트 스트립 마다 시약고정부 내 작업전극 부분(반응부)의 면적에 차이가 발생하도록 제작된다면, 작업전극에서 시료 내 성분과 시약 간 반응부의 면적이 달라지는 것이므로, 동일한 시료라 하더라도 출력되는 전류신호에는 차이가 발생할 수밖에 없다.
따라서, 측정오차를 줄이고 신뢰도를 높이기 위해서는 모든 테스트 스트립에서 작업전극의 반응부면적, 즉 작업전극에서 시약이 고정되는 부분의 면적이 미세한 오차 없이 동일한 면적이 되어야 함은 당연하다.
하지만, 실제 제조공정에서 테스트 스트립 마다 작업전극의 반응부(시약이 고정되는 부분) 면적을 미세 오차 없이 완전히 동일하게 제조하기란 어려운 일이며, 따라서 공정오차를 최대한 줄여 작업전극에서의 반응부 면적 오차를 줄이고, 이를 통해 측정오차를 최대한 줄이는데 초점을 맞추고 있다.
이를 위해서는 제조공정 동안 테스트 스트립 마다 스크린 프린팅 또는 필름접착 등 방법에 의한 인슐레이팅 실시 시에 노출되는 시약고정부의 면적, 특히 작 업전극에서 시약이 고정되는 부분의 면적을 공정오차를 줄여서 가능한 한 동일하게 하여야 하나, 아직 개선을 위한 연구나 노력이 미흡한 실정이다.
본 발명은 여러 단계를 거치지 않고 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)를 계면활성제로 이용하여 바이오 물질과 쉽게 결합할 수 있는 상태의 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 한 번에 합성하고, 그 표면에 포도당 산화효소 고정화시킴으로써, 기존의 전기화학으로 포도당의 농도를 검출하는 방법보다 더 효율적인 혈당 센서를 제공할 수 있도록 하는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법 및 이를 이용하여 형성한 혈당 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법은 산화 카드뮴 소스 및 스태릭 에시드 (stearic acid)를 플라스크에 넣고 질소분위기에서 100 ~ 150℃의 온도로 가열한 후, 상기 플라스크에 트라이옥틸포스파인 옥사이드 및 핵사데실아민을 1:1의 비율로 첨가하고 250 ~ 310℃의 온도로 재가열하여 카드뮴을 이온화시킨 제 1 용액을 형성하는 단계와, 셀레늄 소스 및 트라이부틸포스파인 용액을 혼합하여 1M로 제조하고, 울트라소닉(ultrasonic)을 이용하여 셀레늄 소스를 용해시켜서 셀레늄을 이온화시킨 제 2 용액을 형성하는 단계와, 250 ~ 310℃의 온도 가열된 상기 제 1 용액에 상기 제 2 용액을 주사기를 이용하여 주입하고, 교반 공정을 수행하여 형성되는 카드뮴셀레나이드 양자점을 포함하는 제 3 용액을 형성하는 단계와, 상기 제 3 용액을 200 ~ 250℃의 온도까지 냉각시키는 단계와, 아연 및 황 소스를 트라이부틸포스파인 용액에 이온화시킨 제 4 용액을 형성하는 단계와, 상기 제 3 용액에 상기 제 4 용액을 첨가시켜 표면에 황화아연 껍질이 형성된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 포함하는 제 5 용액을 형성하는 단계와, 상기 제 5 용액을 1시간30분 ~ 2시간 동안 교반하면서 100 ~ 130℃ 까지 냉각시키는 단계와, 상기 제 5 용액을 제 1 세척한 후 버퍼용액에 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 분산시킨 제 6 용액을 형성하는 단계와, 상기 제 6 용액에 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)를 첨가하여 상기 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점의 표면 리간드를 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)로 치환시키는 단계와, 상기 제 6 용액을 제 2 세척한 후 버퍼용액에 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 분산시킨 제 7 용액을 형성하는 단계와, 상기 제 7 용액에 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA), n-hydroxysulfo-succinimide(Sulfo-NHS), 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide(EDC) 및 포도당 산화효소를 첨가하여 상기 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 포도당 산화효소를 고정화를 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 혈당 센서는 상술한 방법으로 제조되어 포도당 산화효소가 고정화된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)로 표면처리 되어 생체 친화적인 계면활성제로 다시 치환하지 않고 생체 물질과 잘 결합 할 수 있는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점의 제조 방법과 그 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 포도당 산화효소를 고정화시킨후에 광루미네센스 강도에 따른 당수치의 측정하는 혈당 센서를 제공함으로써, 기존의 광도법 또는 전기화학 방법에서의 여러 가지 문제점들을 해결할 수 있고, 당 만이 아닌 다른 바이오 물질들의 검출할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
카드뮴셀레나이드/황화아연 (CdSe/ZnS)는 1.74 eV 의 전자띠 간격을 가지는 물질로 생체라벨(label) 및 전기화학적 응용분야에서 이용가치가 높아 많은 연구가 이루어지고 있다. 대부분의 응용은 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 빛을 쪼여준 후 방출되는 빛의 파장 및 강도에 의존한다. 또 분말의 크기가 작아짐에 따라 양자구속효과(quantum confinement effect)가 일어나는 것을 이용하여 모든 가시광선 대의 빛을 방출할 수 있기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 여기서 양자구속효과란 보어반경보다 작은 크기의 나노분말에서 나타나는 현상으로 보어반경보다 큰 물질의 경우 물질의 파장이 물질과 외부의 경계면까지의 구간에서 한 번의 굴절을 일으키지만, 보어반경보다 작은 물질에서는 물질의 파장이 경계면까지의 거리보다 커짐에 따라 파장의 진동수보다 작아지는 현상을 말한다. 이 현상에 의해 물질의 파장은 청색이동을 일으키게 된다.
카드뮴셀레나이드 양자점은 발광특성이 산화아연 등에 비해 월등히 좋지만 바이오적으로 이용할 경우 카드뮴이라는 중금속 때문에, 생체적으로 이용이 제한되어 왔다. 하지만 황화아연으로 껍질을 쌓아 줄 경우 그 발광특성이 현저히 증가하고 또 카드뮴으로부터 안전해 지기 때문에 카드뮴셀레나이드/황화아연 코어-쉘(core-shell) 양자점을 이용할 경우 많은 장점을 가지게 된다. 코어-쉘(core-shell)로 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 합성할 경우 카드뮴셀레나이드에서 보다 발광 특성이 증가하는 것은 양자점의 표면에 있는 댕글링본드(dangling bond) 를 황화아연이 가시광이 아닌 자외선이나 열로 발생되는 결함 레벨(defect level)을 제거해 주기 때문이다.
이하 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법을 도시한 개략도들로, 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)로 표면 처리된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 포도당 산화효소를 고정화하는 공정을 도시한 것이다.
도 1a를 참조하면, 산화 카드뮴 소스 및 스태릭 에시드 (stearic acid)를 플라스크에 넣고 질소분위기에서 100 ~ 150℃의 온도로 가열하여 투명한 용액을 얻는다.
다음에는, 플라스크에 형성된 투명한 용액에 안정화제로 트라이옥틸포스파인 옥사이드 및 핵사데실아민을 1:1의 비율로 첨가하고 250 ~ 310℃의 온도로 재가열하여 카드뮴을 이온화시킨 제 1 용액을 형성한다.
그 다음에는, 셀레늄 소스 및 트라이부틸포스파인 용액을 혼합하여 1M로 만든 후 울트라소닉(ultrasonic)을 이용하여 셀레늄 소스를 용해시켜 제 2 용액을 형성한다.
그 다음에는, 250 ~ 310℃의 온도 가열된 제 1 용액에 제 2 용액을 주사기를 이용하여 주입하고, 교반공정을 수행하여 용액 내에 카드뮴셀레나이드 양자점이 형성되도록 한다. 이때, 주사기를 이용하여 주입하는 속도는 2초 이내로 하는 것이 바람직하다.
그 다음에는, 카드뮴셀레나이드 양자점을 포함하는 용액을 제 3 용액이라 하고, 제 3 용액을 200 ~ 250℃의 온도까지 냉각한다.
그 다음에는, 아연 및 황 소스를 트라이부틸포스파인 용액에 이온화시킨 제 4 용액을 제 3 용액과 별도로 준비한다.
그 다음에는, 제 3 용액에 상기 제 4 용액을 주입하여 카드뮴셀레나이드 양자점 표면에 항화아연 껍데기가 형성되도록 한다. 이때, 제 4 용액을 주입하는 속도는 황화아연 분말이 합성되지 않고 카드뮴셀레나이드 양자점 표면에 껍데기만 형성될 수 있는 속도로 가능한한 천천히 주입하는 것이 바람직하다.
그 다음에는, 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 포함하는 용액을 제 5 용액이라 하고, 제 5 용액을 100 ~ 130℃의 온도까지 냉각하면서, 1시간30분 ~ 2시간 동안 교반하는 공정을 수행한다.
이와 같이 형성된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(220)은 카드뮴셀레나이 드(CdSe) 양자점(100) 표면에 형성된 황화아연(ZnS) 껍데기(120)를 포함한다. 이때, 황화아연(ZnS) 껍데기(120)의 표면은 트라이옥틸포스파인 옥사이드(TOPO) 리간드를 포함한다.
도 1b는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(150)에 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)을 치환시킨 모양을 나타낸 것이다.
멀캡토 아세닉 에시드(MAA)을 치환시키기 위해서는 먼저 세척 공정을 수행한다.
제 5 용액에 클로로폼 및 메탄올을 1:1의 비율로 혼합한 용액을 넣고 원심분리기를 이용하여 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)이 세척되면서 용액 내에 분말로 가라 앉을 수 있도록 한다. 이와 같은 공정을 2 ~ 5회 더 수행하여 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)을 세척한 후 클로로폼 또는 톨루엔 용액에 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)을 분산시킨다.
다음에는, 세척된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)이 혼합된 용액을 제 6 용액이라 하고, 제 6 용액에 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)를 첨가한다. 이때, 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 및 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)의 비율이 1 : 3이 되도록 하고 2 ~ 5시간 동안 교반시킨다.
여기서, 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)가 황화아연의 표면에 결합된 이유는 두가지 메커니즘으로 규명된다.
한 가지는 황화아연 표면의 하이드록실 그룹(-OH)과 멀캡토 아세닉 에시 드(MAA) 결합 안에 있는 카르복실 그룹(-COOH)과의 탈수반응에 의한 결합이고, 또 다른 하나는 황화아연 표면에 있는 아연(Zn) 원자와 멀캡토 아세닉 에시드(MAA) 안에 있는 thiloate(SH) 그룹속에 속해 있는 황(S)이 매우 친숙(affinity)하기 때문이다.
이러한 두 가지 이유들로 인해 멀캡토 아세닉 에시드(MAA) 황화아연 표면에 잘 치환된 형태의 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)이 형성되는 것이다.
도 1c는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 포도당 산화효소가 고정화된 것을 도시한 것이다.
포도당 산화효소를 고정시키기 위해서는 제 6 용액을 상술한 바와 같이 클로로폼 및 메탄올을 이용하여 2 ~ 5회 세척한 후 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)을 클로로폼 또는 톨루엔에 분산시킨 제 7 용액을 형성한다.
다음에는, 제 7 용액에 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)과 n - hydroxysulfo - succinimide (Sulfo-NHS), 1 - Ethyl - 3 (3 - dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) 및 포도당 산화효소를 섞어 주어 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)의 표면의 카르복실 그룹을 활성화 시키고, 포도당 산화효소 표면의 아민 그룹과 커플링(coupling) 반응을 유도하여 포도당 산화효소를 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200)의 표면에 고정화 시킨다.
마지막으로 상술한 바와 같은 세척 공정을 더 수행하여 포도당 산화효소를 고정화 시킨 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점(200) 주변에 잔류하는 불순물들을 완전히 제거한다.
상술한 바와 같이 제조되어 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 형성한다. 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)에 의해서 간단하게 포도당 산화효소를 고정화시켰으므로, 포도당 산화효소를 고정화 시킨 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 포함하는 버퍼용액에 용액에 당을 일정농도 씩 증가시켜 떨어뜨리면, 당 농도에 따라서 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 광학적 변화가 나타나게 된다. 이러한 광학적 변화를 광루미네센스(photoluminescence)라고 하며, 그 광루미네센스의 변화를 측정하면 당수치를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
여기서, 광루미네센스란 포토루미네선스라고도 하며 루미네센스란 물질이 빛이나 전기, 방사선 등의 에너지를 흡수하여 여기(勵起)상태가 되고, 그것이 바닥상태로 돌아갈 때 흡수한 에너지를 빛으로서 방출하는 현상을 말한다.
광루미네센스는 빛에 의한 여기로 생기는 루미네센스로 일반적으로 자극광(조사광)의 파장과 같거나, 그보다 긴 파장의 빛이 나온다. 발광중심이 직접 빛을 흡수하여 여기되어 발광하는 경우와, 빛의 흡수로 말미암아 생긴 캐리어가 발광 중심에 포착되어 발광하는 경우가 있다. 따라서 이러한 광루미네센스를 측정하는 광루미네센스 스펙트럼을 이용하여 혈당을 측정할 수 있는 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점의 제조 및 포도당 산화효소의 고정 방법에 대한 구체적인 실시예를 제시하기로 한다. 다만, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술 적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
[실시예]
산화 카드뮴과 스테릭 에시드(stearic acid)를 혼합하여 질소분위기에서 150℃로 가열하고, 여기에 트라이옥틸포스파인 옥사이드와 핵사데실아민을 1:1 비율로 혼합하여 300℃로 가열한 용액을 형성한다.
다음에는 셀레늄과 트라이부틸포스파인을 혼합하여 셀레늄을 이온화 시킨 용액을 별도로 준비하고, 셀레늄 이온화 용액을 300℃로 가열된 카드뮴 이온화 용액에 첨가한다. 이때, 용액내에 카드뮴셀레나이드 양자점이 형성된다.
그 다음에는, 아연 및 황을 이온화시킨 용액을 별도로 준비하고 이 용액을 카드뮴셀레나이드 양자점이 분산된 버퍼 용액에 한 방울씩 떨어뜨려 카드뮴셀레나이드 양자점 표면에 황화아연 껍질이 쌓이도록 한다.
그 다음에는, 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점이 포함된 용액을 110℃로 냉각시킨 후 결정성을 증가시키기 위해 90분 정도 교반시켜 준다.
그 다음에는, 세척 공정을 2 ~ 5회 실시한 후 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 분말을 클로로폼에 분산을 시킨다.
그 다음에는, 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점의 표면 리간드를 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)으로 치환 시킨 후, n - hydroxysulfo - succinimide (Sulfo-NHS), 1 - Ethyl - 3 (3 - dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC)를 이용하여 포도당 산화효소를 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 표면에 고정시킨다.
그 다음에는, 포도당 산화효소가 고정된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 세척한 후 클로로폼에 분산시키고, 이 용액에 당을 넣어 광루미네센스의 증가치를 측정한다.
[비교예]
상기 실시예에서 포도당 산화효소 결합 전에 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)를 사용하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 수행한다.
[특성분석]
상기와 같이 제조하여 포도당 산화효소가 고정화된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 대하여 UV-visible, XRD, PL 분석 또는 투과전자현미경(TEM) 분석을 실시한다.
[특성분석 결과]
도 2는 본 발명에 따른 실시예에 의해 제조된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 사진이다.
도 2를 참조하면, 제조된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점의 크기가 5nm 정도되고 격자점이 선명하게 보이는 것을 확인 할 수 있다.
따라서 결정성의 정도가 매우 높다는 것을 알 수 있다. 또 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점들은 모두 구형의 모양을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 이용하여 제조된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 XRD 분석한 결과 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 카드뮴셀레나이드(CdSe) 양자점이 나노 크기로 제조되어 인접한 픽(Peak)들과 겹쳐지는 것을 알 수 있다. 이는 카드뮴셀레나이드(CdSe)에 표면결함이 많이 발생하여 결정성이 감소된 것을 나타낸다.
그러나, 카드뮴셀레나이드/황화아연(CdSe/ZnS)의 황화아연(ZnS)껍질이 카드뮴셀레나이드(CdSe) 양자점에 압축응력을 가하여 픽(Peak)이 오른쪽으로 이동된 것을 알 수 있다. 이러한 픽은 결정성을 가진 헥사고날 워자이트(hexagonal wurtzite)상을 갖는다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 이용하여 제조된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 UV-Visable spectrum 분석한 결과 그래프이다.
도 4를 참조하면, 카드뮴셀레나이드(CdSe) 양자점에 황화아연(ZnS)껍질을 입힌 경우 파장의 길이(Wavelength)가 증가하여 흡광 픽(Peak)이 오른쪽으로 이동함을 알 수 있다.
여기서, 리간드를 멀캡토 아세닉 에시드(MAA)로 치환한 경우 트라이옥틸포스파인 옥사이드를 리간드로 갖는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점과 동일한 픽(Peak)을 포이는 것은 치환 공정 시 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점들이 서로 뭉치지 않았음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 형성한 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 이용하여 혈 당 센서를 제조하면 다음과 같다.
먼저, 광루미네센스를 측정하기 위해 사면이 석영으로 이루어진 석영 셀(1× 1㎝)을 준비하고, 상기 셀에 실시예에 의해 만들어진 용액 1.5 ~ 2.5㎖를 넣어준다.
다음에는, 용액에 0.01 ~ 0.02㎖의 극소량 포도당을 넣어주면서 픽의 강도를 측정한다.
도 5 및 도 6은 포도당 농도 변화에 따른 파장 및 광루미네센스를 나타낸 그래프들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 포도당 산화효소에 의하여 포도당이 산화되면서 발생한 전자가 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점으로 들어와 광루미네센스가 포도당 농도에 따라 증가하는 것을 볼 수 있다. 이것으로 포도당 농도의 측정이 가능하다.
여기서, 포도당 양에 따란 PL의 강도가 증가하는 이유는 아래와 같다.
Figure 112008015327617-pat00001
Figure 112008015327617-pat00002
포도당(D-glucose)이 포도당 산화효소(GOx)가 고정된 카드뮴셀레나이드/황화 아연 양자점을 포함하는 용매에 들어가면 두 개의 양자와 전자가 생성되어 포도당 산화제의 조효소인 리보플라빈아데닌디뉴클레오티드(FAD)로 전달되는데 두개의 양자는 다시 아래와 같이 반응한다.
Figure 112008015327617-pat00003
Figure 112008015327617-pat00004
두 개의 전자는 리보플라빈아데닌디뉴클레오티드(FAD)을 거쳐서 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점으로 전달되고 전자가 전도대에서 가전자대로 이동하면서 광루미네선스를 더 증가시키게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법을 도시한 개략도들.
도 2는 본 발명에 따른 실시예에 의해 제조된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 사진.
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 이용하여 제조된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 XRD 분석한 결과 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 이용하여 제조된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 UV-Visable spectrum 분석한 결과 그래프.
도 5 및 도 6은 포도당 농도 변화에 따른 파장 및 광루미네센스를 나타낸 그래프들.

Claims (13)

  1. 산화 카드뮴 소스 및 스태릭 에시드 (stearic acid)를 플라스크에 넣고 질소분위기에서 100 ~ 150℃의 온도로 가열한 후, 상기 플라스크에 트라이옥틸포스파인 옥사이드 및 핵사데실아민을 1:1의 비율로 첨가하고 250 ~ 310℃의 온도로 재가열하여 카드뮴을 이온화시킨 제 1 용액을 형성하는 단계;
    셀레늄 소스 및 트라이부틸포스파인 용액을 혼합하여 1M로 제조하고, 울트라소닉(ultrasonic)을 이용하여 셀레늄 소스를 용해시켜서 셀레늄을 이온화시킨 제 2 용액을 형성하는 단계;
    250 ~ 310℃의 온도 가열된 상기 제 1 용액에 상기 제 2 용액을 주사기를 이용하여 주입하고, 교반 공정을 수행하여 형성되는 카드뮴셀레나이드 양자점을 포함하는 제 3 용액을 형성하는 단계;
    상기 제 3 용액을 200 ~ 250℃의 온도까지 냉각시키는 단계;
    아연 및 황 소스를 트라이부틸포스파인 용액에 이온화시킨 제 4 용액을 형성하는 단계;
    상기 제 3 용액에 상기 제 4 용액을 첨가시켜 표면에 황화아연 껍질이 형성된 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 포함하는 제 5 용액을 형성하는 단계;
    상기 제 5 용액을 1시간30분 ~ 2시간 동안 교반하면서 100 ~ 130℃ 까지 냉각시키는 단계;
    상기 제 5 용액을 제 1 세척한 후 버퍼용액에 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 분산시킨 제 6 용액을 형성하는 단계;
    상기 제 6 용액에 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)를 첨가하여 상기 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점의 표면 리간드를 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)로 치환시키는 단계;
    상기 제 6 용액을 제 2 세척한 후 버퍼용액에 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점을 분산시킨 제 7 용액을 형성하는 단계;
    상기 제 7 용액에 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA), n-hydroxysulfo-succinimide(Sulfo-NHS), 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide(EDC) 및 포도당 산화효소를 첨가하여 상기 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점에 포도당 산화효소를 고정화를 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 세척 공정은 클로로폼 및 메탄올을 1:1의 비율로 혼합한 용액에 상기 제 5 용액을 넣고 원심분리기를 이용하여 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점이 세척되면서 분말로 얻어 질 수 있도록 하는 공정을 2 ~ 5회 수행하는 것을 특징으로 하는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 6 용액에 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)를 첨가하는 공정은 상기 제 6 용액에 분산된 상기 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 및 멀캡토 아세닉 에시드(Mercapto Arsenic Acid; MAA)의 비율이 1 : 3이 되도록 하고 2 ~ 5시간 동안 교반시키는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 세척 공정은 클로로폼 및 메탄올을 1:1의 비율로 혼합한 용액에 상기 제 6 용액을 넣고 원심분리기를 이용하여 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점이 세척되면서 분말로 얻어 질 수 있도록 하는 공정을 2 ~ 5회 수행하는 것을 특징으로 하는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 버퍼용액은 클로로폼 또는 톨루엔을 이용하는 것을 특징으로 하는 카드뮴셀레나이드/황화아연 양자점 제조 방법.
  13. 삭제
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