KR101081336B1 - 나노기공을 가지는 고분자 전해질막을 주형기질로 사용한 금속이나 졸-겔의 나노 입자의 합성과 그의 바이오 센서에의 응용 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노기공을 가지는 고분자 전해질 막을 제조하고, 이를 금속전구체에 담지한 후 환원함으로써, 나노사이즈의 금속을 담지한 금속촉매를 제조하고 금속 표면에 항체 고정 등을 이용하여 바이오센서에도 적용하는 것에 관한 것이다.

나노기공, 고분자전해질막, 나노금속, 금속촉매, 촉매, 바이오센서

Description

나노기공을 가지는 고분자 전해질막을 주형기질로 사용한 금속이나 졸-겔의 나노 입자의 합성과 그의 바이오 센서에의 응용 {Metal nanoparticles and sol-gel synthesis using nano-porous polyelectrolyte multilayer film as a template and their application for biosensors}

본 발명은 나노기공을 가지는 고분자 전해질 막을 제조하고, 이를 금속전구체에 담지한 후 환원함으로써, 나노사이즈의 금속을 담지한 금속촉매를 제조하고 금속 표면에 항체 고정 등을 이용하여 바이오센서에도 적용하는 것에 관한 것이다.

1900년대 후반부터 원자와 분자의 구성 원리에 근거한 새로운 물질이나 구조의 개발, 합성 및 응용, 마이크로구조 제작기술이 나노미터의 크기로 조작이 가능함에 따라서 나노구조에서 발생하는 새로운 특성과 성능이 중요한 기술로 인식되었다.

고분자 전해질이란 물에 용해가 되어 양전하 또는 음전하를 띠는 고분자를 일컫는 말로써 생태계에 존재하는 천연 고분자 물질과 합성 고분자물질을 포함한다.

이러한 고분자 전해질 중 음전하고분자에 해당되는 폴리스티렌 설폰산과 같 은 종류는 pH조건에서 이온화된 상태를 유지하는 반면, 폴리아크릴산과 같은 전해질고분자는 이온화의 정도가 pH의 영향을 받는 것으로 이를 통상적으로 약전해질 고분자라고 부른다. 몇 가지 고분자 전해질의 예를 화학식 1에 나타내었다. 이러한 고분자전해질의 성질에 착안하여 DNA와 단백질 같은 바이오 고분자의 경우에 전기영동이라는 하전량에 따른 혼합물분리법이 개발되는 등 고분자전해질에 대한 이해는 바이오고분자에 적용되는 많은 기술발전에 중요한 역할을 해왔다.

화학식 1. 고분자전해질의 화학적구조의 예

한편, Layer-by-layer 자기 조립 방법을 이용한 다층박막 향상 기술은 다양 한전기적, 자기적 성질을 갖는 물질뿐만 아니라, DNA 또는 효소 같은 바이오 물질들을 기판의 크기나 형태에 관계없이 각각의 층에 나노미터의 두께로 삽입 시킬 수 있음에 따라서 초박막 안에 우리가 원하는 특정 성질을 부여할 수 있다. 이 방법은 상대전하를 띠는 고분자 전해질 용액에 기질을 순차적으로 담그면서 고분자 전해질이 기질표면에 흡착되도록 하는 방법으로, 원하는 만큼 반복함으로써 고분자 전해질 필름의 두께를 조절 할 수 있다. 이와 같이 고분자 전해질 간의 순차적인 도입 기술로서, 이 기술을 "Layer-by-Layer"(LBL)이라고 부른다.

LBL 방법이 다른 박막형성 방법과 다른 점 중 하나는 두 전해질을 한 시스템 내에서 혼합하지 않고 기질이라는 지지 물질을 이용하여 상 분리가 일어나지 않는 투명한 필름을 제작할 수 있도록 한다는 점이다. 기질자체도 약간의 전하를 띠고 있어서 고분자 전해질의 흡착을 돕고, 고분자 전해질의 흡착이 연속적으로 일어날 때 흡착이 일어나는 표면의 전하가 항상 양전하 또는 음전하 중 한쪽 전하가 풍부한 상태로 존재하여 이후 상대전하를 띤 고분자 전해질을 계속적으로 흡착시킬 수 있는 것이 이 방법의 기본 원리이다(도 1참조).

이 방법의 경우 고분자 전해질의 용액 내에서의 상태가 흡착과정에도 영향을 주어서 용액의 이온세기, 농도, pH 등의 조절 등으로 필름두께의 조절뿐만 아니라 사용하는 고분자 전해질 간의 조성비, 필름 표면의 전하밀도, 다공구조 등을 쉽게 조절하며 박막을 제조할 수 있으며 이에 따른 필름의 성질 즉, 습윤성이나 소수성 조절, 고분자전해질에 있는 화학적 기능기를 이용한 특정 화합물의 도입 등 다양한 물리적, 화학적 성질 조작이 매우 용이한 장점을 가지고 있다.

이들 박막은 근본적으로 다른 종류의 고분자를 분자레벨로 혼합한 고분자블렌드(polymer blend)의 성질이 있으므로, 특정 자극에 대해서 반응하여 미세 상분리를 보이는 경우가 있다. 일반 고분자블렌드에서의 상분리는 스케일이 크기 때문에 일단 상분리가 일어나면 혼합재료로서의 효과가 없으나 고분자전해질 다층막은 나노박막이므로 상분리가 일어나도 미세 기공만 형성하고 벌크(bulk)재료로서의 가치는 그대로 가진다고 볼 수 있다.

LBL 적층방법으로 형성한 고분자 전해질 다층막을 이용하여 기공구조를 만드는 방법은, 분자수준의 상호작용을 이용하는 일종의 bottom-up방법으로 벌크(bulk)재료를 물리적으로 에칭을 하여 기공을 형성하는 top-down방식에 비하여 박막전체에 균일한 기공을 형성할 수 있고 또한 기공박막의 두께를 자유로이 선정할 수 있는 장점이 있다. 이러한 기공연구는 수년 전부터 이루어져 왔으나 간단한 자극에 의한 상분리를 이용한 기공형성에 관한 보고는 폴리 아크릴산(poly(acrylic acid)(PAA))과 폴리 알릴아민 염산염(poly(allylamine hydrochloride) (PAH))의 고분자전해질로 기공형성을 한다고 알려져 있지만, 기공의 안정성이 매우 나빠, 그 기공을 이용한 다양한 이용에는 제한을 가질 수밖에 없었다.

따라서, 기존의 연구에서 고분자전해질 다층막에서의 마이크로 또는 나노기공을 관찰한 보고가 있으나 이들 기공구조를 이용한 응용에 대한 연구는 이루어지지 않은 상태이다.

본 발명은 상기의 종래기술의 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 매우 안정한 마이크로 또는 나노 기공을 가지는 다층막을 제공하고, 이의 안정한 기공을 이용하여 다양한 응용을 가지는 기술을 개발하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 나노 기공을 가진 다층박막의 특성을 연구하여, 기공을 가지며 화학적 기능기를 이용한 금속촉매를 합성할 수 있는 복합 재료 기술을 제공한다.

또한 본 발명은 가교방법을 통하여 마이크로 또는 나노사이즈의 기공을 안정화시켜 제조되는 미세 기공형성 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막을 열적가교 또는 화합물가교방법을 통하여 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막에 금속전구체를 담지한 후 환원함으로서 금속을 미세기공에 담지한 신규한 다층 고분자 전해질 막을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 나노금속을 미세기공에 담지한 다층 고분자 전해질막 상에 개질 항체(antibody)를 담지하여 항원을 검출하는 바이오센서를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 금속전구체를 담지하고, 환원하여 금속성분을 담지한 다층고분자 전해질막을 제조하고 이를 다시 소결하여 나노크기의 금속입자 성형체를 제공한다.

또한 본 발명은 초박막(수 나노미터 두께)에서도 기공형성이 가능한 새로운 PAA/PAH 다층막 필름을 제공한다.

또한 본 발명은 기공안정성이 뛰어난 새로운 다층막을 제공하는 것이다.

이하에서는 본 발명의 상기 과제를 달성하기 위한 구체적인 구성에 대하여 설명한다.

즉, 본 발명은 유리나 실리콘 막과 같은 기질 상에 양전하와 음전하를 띈 고분자용액을 다양한 수소이온농도(pH)로 조절하면서 교대로 적층함으로써 다층 전해질막을 제조하고 이를 이용할 수 있는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 실험에 사용된 모든 수용액은 탈이온수(Deionized water ; >18 MΩcm, Millipore Milli-Q)를 사용하였다. PAA, PAH 등의 수용액은 0.01M의 농도로 수용액을 만들어 0.1M의 HCl이나 NaOH를 이용하여 적정한 pH를 맞추었다. 고분자다층막은 양전하 고분자인 PAH와 음전하 고분자인 PAA상반된 전하를 이용해 다양한 pH 조건에서 교대로 흡착시켜 다층 미세다공을 가지는 전해질 고분자막을 얻었다.

즉, 본 발명은 다음과 같은 단계로 미세다공을 가지는 다층 고분자전해질 막을 제조한다.

(a) 기판을 세정하는 단계;

(b) 세정된 기판 상에 양전하와 음전하를 가지는 고분자 전해질 용액을 서로 교대로 적층하여 코팅하는 단계;

(c) 상기 (b) 단계를 1회 이상 반복하여 다층막을 제조하는 단계;

(d) 상기 제조한 다층막을 상기 (b)단계의 용액과 상이한 pH를 가지는 수용액으로 처리하여 기공을 형성시키는 단계;

(e) 가교하는 단계;

를 포함하는 단계로 제조하는 것을 특징으로 한다.

먼저 (a) 단계의 세정은 코팅막을 형성시킬 기질(glass or silicon slide)을 묽은 세제액으로 씻고 여러 차례 탈이온수로 세척한 후, 질소 가스로 건조를 시키는 것이 좋지만 당 분야의 통상의 방법으로 하는 경우 크게 제한하지 않는다.

다음 (b)단계에서 고분자전해질 다층막은 사용한 기질들이 표면에 약한 음전하나 양전하를 띄고 있으므로, 기질에 코팅하는 고분자전해질의 하전은 가능한 기질의 전하와 반대전하를 띄는 것을 우선적으로 코팅하는 것이 접착력에서 좋지만 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면 유리 기질을 대상으로 하는 경우, 기질의 표면이 약한 음전하를 띄고 있으므로, 양전하 고분자, 예를 들면, Poly(allylamine hydrochloride)(PAH) 용액에 충분한 시간동안 담그고 세척한 후, 다시, (c)단계인 음전하 고분자인, 예를 들면, 폴리아크릴산(PAA)이나 폴리메타크릴산(PMA) 용액에 충분히 담그고, 동일한 세척과정을 거쳐 두 고분자전해질 층이 결합된 코팅막을 형성한다. 이 과정에서 형성된 코팅막을 1 bilayer이라 하고 (1BL로 나타냄), 원하는 두께를 형성할 때까지 이 과정을 반복한다. 상기의 예로든 고분자의 경우, 형성된 고분자다층막 필름은 PAH/PAA 와 PAH/PMA 다층막 필름으로 부를 수 있다.

본 발명에서 사용하는 양전하 또는 음전하 고분자 전해질 성분으로는 통상적 으로 상용하는 성분이라면 크게 제한되지 않지만, 예를 들면 상기에서 예를 든 PAH 나 PAA 또는 PMA 등을 예로들 수 있다.

다음으로 기공형성단계인 (d)단계로서, 본 발명에서는 다층 고분자막에 기공을 형성시키기 위하여 양전하 또는 음전하 고분자전해질의 수용액과 상이한 pH 를 가지는 수용액으로 처리함으로써 기공을 형성시키는 단계이다. 이 단계에서는 통상적으로 낮은 pH, 예를 들어 1~3.5의 범위로 pH를 조절한 수용액으로 처리하는 것이 좋지만 여기에 한정되는 것은 아니다.

다음으로 본 발명에서는 생성된 기공의 안정성을 확보하기 위하여 상기 단계에 의해서 기공이 형성된 다층막필름을 가교하는 (e)단계를 더 포함한다. 상기 가교단계는 기공형성 과정이 주로 낮은 pH에서 이루어지나 기공필름의 응용은 다양한 pH조건에서 이루어지기 때문에 기공형성 후 필름의 안정성을 부여하는 단계는 매우 중요한 단계이다.

다층막에서 포함하고 있는 고분자전해질의 화학반응기(chemical functional group)간의 가교는 가열등의 처리로 가교가 가능하다. 필름을 가열하여 탈수화시키면 PAA나 PMA의 산(acid)과 PAH의 아민기(amine)간에 아미드결합(amide bond)이 일어나 가교반응이 진행된다.

고분자전해질 다층막이 코팅된 기질이 열적으로 안정하면 이러한 가열가교는 매우 유효한 방법이 될 수 있지만, 열적 안정성이 떨어지는 기질을 사용하는 경우에는, DCC(dicyclohexyl carbodiimde)나 EDAC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride)같은 dehydrating coupling agent를 사용하여 실온에 서 가교반응을 유도할 수도 있다.

본 발명에서는 이러한 가교반응을 여러 응용의 공정에 맞도록 연구한 결과, 필름의 안정성은 부여하면서 화학반응기들을 금속입자형성이나 기타 반응에 사용할 수 있도록 하는데에는, 가교 정도가 전체구조의 0.1~10%, 좋게는 0.7~3% 가교되는 것이 좋다. 상기 가교정도에서 기공의 안정성이 우수하고, 금속전구체를 용이하게 담지할 수 있어 금속촉매를 제조하거나 또는 이를 소결함으로써 나노금속클러스트 등을 제조하는 것이 가능함을 알게 되었다. 가교가 0.1% 미만으로 형성되는 경우는 기공구조의 안정성이 약하고, 10%를 초과하는 경우 금속촉매를 이용하는 합성반응 등에서 반응성이 떨어지므로 바람직하지 않다.

본 발명의 가열가교반응은 100~150℃에서 1~10시간정도 가열함으로써 가교가 가능하고, 감압 하에서는 60℃이상 좋게는 60~100℃에서 3시간 이상, 좋게는 3~20시간 정도 정체하여 가교시키는 것이 좋지만 여기에 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 또 다른 형태는 다음과 같다.

(a) 기판을 세정하는 단계;

(b) 세정된 기판상에 양전하와 음전하를 가지는 고분자 전해질 용액을 서로 교대로 적층하여 코팅하는 단계;

(c) 상기 (b) 단계를 1회 이상 반복하여 다층막을 제조하는 단계;

(d) 상기 제조한 다층막을 상기 (b)단계의 용액과 상이한 pH를 가지는 수용액으로 처리하여 기공을 형성시키는 단계;

(e) 가교하는 단계;

를 포함하고, (f) 상기 가교 단계 전 또는 가교 단계 후, 금속전구체 용액과 접촉하여 금속전구체를 미세기공내부에 담지하는 단계;

로 제조되는 금속전구체를 미세기공에 흡착시킨 전해질막의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 형태는 상기 금속전구체를 미세기공에 흡착시킨 다층 고분자 전해질 막을 환원시켜 금속 입자 또는 금속나노입자가 담지된, 금속촉매로 사용할 수 있는, 미세다공성 고분자막을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 형태는 상기 금속입자가 담지된 미세다공성 고분자막을 소결하여 고분자막을 제거한 금속겔(gel)을 제공하는 것이다.

상기 금속촉매 입자를 담지하는 단계는 가교단계 전과 후에 모두 가능하지만, 가교되기 전에, 기공이 형성된 고분자전해질 다층막 필름의 음전하 고분자의 산(acid)기와 양전하 아민기 등이 염(salt)을 이루지 않고 자유 상태로 존재할 수 있는 조건이므로 이 부분을 금속 전구체 양이온이 결합할 수 있는 결합부위로 제공하는 것이 금속전구체의 담지에 매우 좋다. 가교 후에는 양전하기와 음전하기가 반응하여 있으므로, 금속전구체 담지효율이 다소 감소하지만 여전히 본 발명의 목적하는 바를 달성할 정도이다.

기공이 형성된 다층막이 코팅된 기질은 예를 들면, 금속전구체 용액에 담구어 반응시키고, 탈이온수로 세척함으로써 금속전구체를 미세기공 내에 담지가능하 다.

담지에 필요한 금속전구체의 농도는 필요에 의해 조절 가능하지만, 예를 들면 0.0001~5M정도의 농도로 하여 담지하는 것이 좋지만 여기에 제한되지는 않는다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 사용되는 금속전구체로는 크게 제한이 되지 않지만 예를 들면 다양한 촉매성분으로 사용가능한 전구체 화합물들로서, gold, palladium, platinium의 이온 형태로 된 화합물들, 즉 Hydrogen tetrachloroaurate(Ⅲ) trihydrate (Mw = 393.83), tetraamine palladium(Ⅱ) chloride monohydrate (Mw=63.46) 또는 Tetraammineplatinum(Ⅱ) chloride hydrate 98% (Mw=334.12)]와 기타 금속이온착물 들은 그 대상이 될 수 있다.

금속전구체를 담지한 후, 환원제로 처리하여 금속이온이 금속으로 환원되게 하여 촉매기능이나 바이오센서로서 기능을 가지게 된다. 환원용액의 농도는 금속전구체의 농도에 따라서 다양하게 변경하여 사용가능하지만, 예를 들면, 환원제로서 0.001M 농도의 borane-dimethylamine complex 환원용액 등을 사용할 수 있다.

고분자전해질 다층막 필름 안에 금속입자를 형성하는 이 과정은 환원반응 후에 다층막 안에 있는 고분자전해질의 작용기들이 다시 금속이온 결합부위로 사용될 수 있으므로 상기 반응과정을 반복하여 입자의 양을 계속 늘릴 수 있다.

금속입자의 함입을 마치면, 낮은 pH외의 다른 조건에서도 다층막 필름의 기공구조를 유지하기 위하여 다층박막 필름을 가교시킨다. 가교(cross-linking)반응은 가교제를 함침하여 용액상에서 반응을 수행하거나 열적처리를 통한 건조상태에서의 반응을 수행할 수 있다. 다층막 적층과 기공형성 반응 후, 금속입자합성 반응 전에 다층막 필름을 가교할 수도 있으나 작용기들이 가교에 먼저 사용되면 이후 금속입자의 합성 효율이 떨어질 수 있으므로 입자합성이 끝난 후에 가교를 행하도록 하는 것이 더욱 선호된다.

본 발명의 금속나노입자가 함입된 다공의 구조막은 항체분자를 금속나노표면에 고정시켜 금속표면에서 플라즈몬(plasmon) 현상에 의해 항원(병원균)분자의 감지에 유용하게 사용될 수 있다. 특히 금 나노입자가 합성된 다공구조막은 항체분자를 금 표면에 고정시켜 금 표면에서 항원분자를 감지하는 바이오센서로서 응용이 매우 우수한 것을 또한 발견하였다. 즉, 상기 고분자다층막(고분자전해질다층막)을 바이오칩(특히 금 박막을 이용한 표면 플라즈몬공명(SPR) 바이오센서칩) 에 코팅하여 금 나노 입자에 의해 증가된 표면적을 이용하여 항체분자의 고정율을 높이고 다공성 고분자다층막 필름의 바이오물질에 대한 항흡착성(anti-fouling)을 이용하여 감지되는 신호의 신뢰도를 높일 수 있다.

상기에서와 같이, 항체를 금 나노 입자에 고정화(immobilization)하기 위해서는 활성화단계로 항체를 활성화한다. 활성화는 항체에 금나노입자에 고정화 가능한 기능기를 부여하는 데, 티올(tiol)기로 활성화 하는 것이 하나의 예로들 수 있으며, 또 다른 방법으로는 PAH/PAA 고분자 다층막의 활성기인 카르복실산을 이용하는 경우는 항체에 있는 아민기와 EDAC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride)을 이용하여 부가적으로 금나노입자에 항체를 고정시킬 수 있다.

활성화한 항체는 상기의 금 나노입자가 함유된 다공성 고분자전해질 다층막 과 반응하여 항체를 다층막 표면 및 내부에 있는 금입자와 결합하게 된다. 본 발명에서 PAH/PAA고분자 다층막의 장점은 항체와 같은 단백질과는 물리적 흡착을 방지하여 금입자와만 결합하도록 하는 장점이 있다. 또한, PAH/PAA고분자 다층막에서 가지고 있는 활성기인 아민이나 카르복실 산을 이용한 항체 고정도 가능하다.

상기에서 제조한 SPR바이오 칩에 금 나노입자가 함유된 다공성의 PAH/PAA 다층막을 적층한 후, 활성화한 항체를 고정화한 SPR칩상에 항원을 흘려주어 항원-항체의 반응정도를 살펴보면, 상기의 금 나노입자가 함유된 다공성 PAH/PAA다층막을 형성하지 않은 순수한 SPR칩과 비교하여 보면 항원-항체의 반응성에 대한 민감도가 본 발명의 SPR칩에서 매우 민간한 효과를 가지게 된다.

본 발명은 나노기공은 필름이 다른 pH조건에 놓이면 기공이 없어지는 가역적인 변화로 인한 불안정성을 가지고 있었지만, 필름의 선택적 가교반응을 수행하여 구조와 안정성을 고루 갖추도록 하였으며 가교 후에도 필름의 화학적 반응성은 대부분 유지하여 필름 내에서 금속물질들을 합성할 수 있도록 하였다.

본 발명에서는 3차원적으로 연결된 안정한 나노기공 형성조건을 발견하였으며, 다양한 박막두께에서 미세기공이 형성되어 코팅막으로서 두께범위가 제한되는 응용(예를들면 바이오센서 표면코팅재료 등)에 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 방법을 이용하는 경우, 미세기공형성 후, 이를 안정화하는 가교조건을 갖추어 기공구조를 영구하게 안정시킬 수 있으며, 이를 이용한 다양한 용도를 개발 할 수 있음을 알게 되었다. 본 발명의 바이오센서 코팅재료로 사용하는 경우 항원을 검출하는 항원-항체 반응의 민감도가 매우 증가되어 항원의 검출효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 기재하여 설명한다.

본 발명의 반응물은 다음과 같은 것을 사용하였다. 즉, Poly(acrylic acid)(PAA) (Mw=90,000), Poly(methacrylic acid)(PMA) (Mw=100,000), Poly(allylamine hydrochloride)(PAH) (Mw = 60,000) 는 Polysciences사의 시약을 사용하였다. 금속촉매 전구체로 Hydrogen tetrachloroaurate(Ⅲ) trihydrate (Mw = 393.83)와 silver acetate (Mw=166.92), tetraamine palladium(II) chloride monohydrate (Mw = 263.46)를 사용하였으며 환원용액으로 Borane-dimethylamine complex (Mw = 58.92)와 sodium borohydride (Mw 37.83)로 Aldrich사의 시약을 사용하였다. 항체로 사용한 Anti-Rabbit IgG(whole molecule, goat)는 Sigma사로부터 구입하여 사용하였다. 활성화한 항체의 HS-할성 항체를 제공하는 링커(linker)를 제공하기 위해 사용하는 Sulfo-LC-SPDP (sulfosuccinimidyl 6-[3’(2-pyridyldithio)-propionamido] hexanoate) 와 DTT (Dithiothreitol) 는 PIERCE사로부터 구입하여 사용하였다.

[실시예 1]

고분자 다층막의 제조

실험에 사용된 모든 수용액을 만드는 과정과 세척과정에는 탈이온수(Deionized water ; >18 MΩ cm, Millipore Milli-Q)를 사용하였다. PAA, PAH 수용액은 0.01M의 농도로 수용액을 만들어 0.1M의 HCl과 NaOH를 이용하여 pH를 각각 PAH(8.5), PAA(3.5)로 맞추었다. 고분자다층막은 양전하 고분자인 PAH와 음전하 고분자인 PAA의 상반된 전하를 이용해 교대로 흡착시켜 얻었다.

고분자전해질 다층막은 사용한 기질(유리)이 표면에 약한 음전하를 띄고 있으므로 우선 양전하 고분자인 PAH 용액에 15분 동안 담그고 2분간 2회 이상의 세척과정(과량의 De-ionized water를 사용)을 거치고 나서, 음전하 고분자인 PMA용액에 15분 동안 담그고 동일한 세척과정을 거쳐 두 고분자전해질이 결합된 코팅막을 형성하였다. 상기 양전하와 음전하 고분자 용액을 원하는 두께가 될 때까지 담금과 세척 과정을 반복하였다. 상기 양전하와 음전하 고분자 용액을 바이오센서에 적용할 경우 40 nm의 두께가 될 때 까지 이 과정을 3회 반복하여 고분자다층막 필름을 제조하였다. PMA와 PAH를 사용한 다층막형성 경우에는 PAA대신 PMA를 사용하여 같은 제조과정을 거쳐 코팅막을 형성하였다.

기공의 형성

상기 형성된 다층박막이 코팅된 기질을 pH 2.0 수용액에 1분 정도 담근 후 탈이온수로 헹구어준 후 질소가스로 건조시켰다.

도 2a는 실시예 1에서 얻어진 나노기공을 가지는 고분자다층막구조로서, PAH/PAA (pH 8.5/3.5)와 PAH/PMA (pH 4.0/4.0)에서 형성된 나노기공을 가진 고분자 다층막 필름의 표면구조를 보여주는 원자힘현미경(AFM)사진이다. 필름의 적층횟수(BL수)가 적을 경우에도 나노기공이 매우 잘 형성되어 있음을 알 수 있다.

금속전구체의 담지

기공이 형성된 다층막이 코팅된 상기 기질을 0.005M 농도의 Hydrogen tetrachloroaurate(Ⅲ) trihydrate 금속용액에 넣어 15분간 반응시키고 탈이온수로 세척한 후, 0.001M 농도의 환원용액(borane-dimethylamine complex)에 15분 담가 다층막 코팅에 결합된 금속이온이 환원되도록 하였다. 환원용액과 헹굼 용액은 pH3.0으로 적정하여 다층막 필름의 기공구조가 변형되지 않고 유지되도록 하였다.

가교반응

이어서 다층막 필름의 기공구조를 유지하기 위하여 가교(cross-linking)반응을 120℃에서 4시간 반응함으로써, 가교하였다.

도 3은 다층막필름에 금(Au)입자가 담지된 것을 타나내는 UV-vis 흡광도 결과를 나타낸 것으로, 담지 횟수(1 ~ 10회)에 따른 흡광도를 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 것과 같이 금 나노 입자에서 특성적으로 나오는 SPR peak가 반응 후 나타났으며, 담지 횟수에 따라 그 양이 증가함을 알 수 있다. 나노입자의 형성은 또한 도 6에 나타낸 SEM으로 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

금속전구체 담지 시 0.005M 농도의 silver acetate 금속용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법 및 조건으로 제조하였다.

도 3(a)는 다층막필름에 은(Ag)입자가 담지된 것을 타나내는 UV-vis 흡광도 결과를 나타낸 것으로, 담지 횟수(1 ~ 5회)에 따른 흡광도를 나타낸 것이다.

[실시예 3]

실시예 1에서 PAA 대신에 PMA를 사용하고, PAA와 PAH 용액의 pH를 4.0으로 조절하여 적층한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 그 결과 다층 고분자 전해질막의 다공성을 도 2(b)에서 잘 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 4]

금속전구체 담지 시 0.005M 농도의 tetraamine palladium(II) chloride monohydrate 금속용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법 및 조건으로 제조하였다.

도 4는 다층막필름에 팔라듐(Pd)입자가 담지된 것을 타나내는 UV-vis 흡광도 결과를 나타낸 것으로, 담지 횟수(1 ~ 5회)에 따른 흡광도를 나타낸 것이다.

[실시예 5]

금 나노입자를 함유한 기공을 가지는 고분자전해질 다층막을 형성한 SPR 바이오칩 제조

실시예 1에서 기질(substrate)로 순수 SPR바이오 칩을 사용하여 그 금 박막상에 전해질막을 직접 코팅하여 순수 SPR바이오 칩상에 금 나노입자를 함유한 기공을 가지는 고분자전해질 다층막을 형성한 SPR 바이오칩을 제조하였다.

SPR 바이오칩상의 금 나노입자에 항체 고정화

상기 SPR바이오칩의 금나노입자에 항체를 고정화하기 위하여, 링커로서 Sulfo-LC-SPDP (sulfosuccinimidyl 6-[3’(2-pyridyldithio)-propionamido] hexanoate) 와 DTT (Dithiothreitol)를 동일 당량인 5 mM(마이크로몰)로 섞어 2시간동안 교반한 혼합용액에 이뮤노글로블린 G(Immunoglobulin: IgG) 항체 수용액(5 mM)을 넣고 다시 2시간동안 교반하여 주었다. 이 반응에 의하여 HS-로 활성화된 IgG 항체 수용액에 상기 SPR바이오칩을 8시간 동안 담그어 상온에서 반응시켜, 할성화 항체가 금 나노입자에 선택적으로 잘 고정화 되었음을 플라즈몬 공명각(SPR angle)을 SPR Lab 장치로 확인하여 SPR angle 3도 정도 변화된 것으로부터 확인하였다.

이어서, 항원-항체의 반응정도를 관찰하기 위하여 PBS버퍼용액(phosphate buffered saline solution)을 20㎕/min.으로 IgG 항체를 고정화한 SPR 바이오칩에 흘려주어 베이스라인이 형성되도록 초기화하였다. 이어서 IgG항원을 6분당 300㎕로 IgG 항체로 고정화한 SPR 바이오칩에 흘려준 후, 다시 PBS버퍼용액으로 세척한 후, SPR실시간 측정(model. SPR Lab, K-MAC)하였다. 그 결과를 도 6에 표시하였다. 본 발명의 SPR바이오칩를 이용하는 경우(도 6의 (2)) 순수한 SPR바이오칩을 사용한 경우(도 6의 (1))보다 항원-항체의 반응이 장시간 매우 민감하게 반응하여 민감도가 매우 증가된 것을 알 수 있었다.

도 1. LbL 기술을 이용해 고분자전해질 다층 필름을 제조하는 방법

도 2a. 실시예 1의 (1)은 PAH/PAA (pH 4.0/4.0) 10 BL 표면형태학을 나타낸 AFM사진(tapping mode)

도 2b. 실시예 3의 PAH(8.5)/PAA(3.5) 필름의 표면형태학을 나타낸 AFM사진(tapping mode). (1)은 9.5 BL 필름이고 (2)는 3.5 BL 필름

도 3. 실시예 1의 나노기공을 가진 PAH(8.5)/PAA(3.5) 다층막 필름에 금속 나노입자 합성 후 측정한 UV-vis 흡광도 결과. (a)는 은(Ag)나노입자의 합성, (b)는 금(Au)나노입자 합성의 경우 (1~9는 담지 횟수)

도 4. 실시예 1의 나노기공을 가진 PAH(4.0)/PAA(4.0) 다층막 필름에 팔라듐(Pd) 촉매 나노입자 합성 후 측정한 UV-vis 흡광도 결과 (내부 사진은 팔라듐이 합성된 고분자다층막 사진, Pd1, Pd3, Pd5는 담지 횟수)

도 5. a는 PAH(8.5)/PAA(3.5) 9.5bl에 기공 형성 SEM 이미지, b는 PAH(8.5)/PAA(3.5) 9.5bl에 기공 형성 후 기공구조를 따라 금속입자가 합성된 SEM 이미지

도 6. (1)은 순수 SPR 바이칩에 항체를 고정화한 후 항원의 반응민감도, (2)는 본 발명의 SPR 바이오칩에 항체를 고정화한 후 항원의 반응민감도

Claims (11)

1. (a) 기판을 세정하는 단계;

   (b) 세정된 기판상에 양전하와 음전하를 가지는 고분자 전해질 용액을 서로 교대로 적층하여 코팅하는 단계;

   (c) 상기 (b) 단계를 1회 이상 반복하여 다층막을 제조하는 단계;

   (d) 상기 제조한 다층막을 상기 (b)단계의 용액과 상이한 pH를 가지는 수용액으로 처리하여 기공을 형성시키는 단계;

   (e) 가교하는 단계;

   를 포함하는 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 (e)단계에서 가교는 열가교 또는 가교커플링제를 이용하여 가교하는 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 가교커플링제는 DCC(dicyclohexyl carbodiimde) 또는 EDAC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride)인 것을 특징으로 하는 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 가교는 60 ~ 150℃에서, 전체구조의 0.1 ~ 10%로 가교하는 것을 특징으로 하는 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막의 제조방법.
5. (a) 기판을 세정하는 단계;

   (b) 세정된 기판상에 양전하와 음전하를 가지는 고분자 전해질 용액을 서로 교대로 적층하여 코팅하는 단계;

   (c) 상기 (b) 단계를 1회 이상 반복하여 다층막을 제조하는 단계;

   (d) 상기 제조한 다층막을 상기 (b)단계의 용액과 상이한 pH를 가지는 수용액으로 처리하여 기공을 형성시키는 단계;

   (e) 가교하는 단계;

   를 포함하고, (f) 상기 가교 단계 전 또는 가교 단계 후, 금속전구체 용액과 접촉하여 금속전구체를 미세기공내부에 담지하는 단계;

   를 포함하는 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 금속전구체는 Hydrogen tetrachloroaurate(Ⅲ) trihydrate (Mw = 393.83)와 tetraamine palladium(Ⅱ) chloride monohydrate (Mw=63.46), Tetraammineplatinum(Ⅱ) chloride hydrate 또는 금속이온착물에서 선택되는 어느 한 성분인 것을 특징으로 하는 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막의 제조방법.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 제조된 금속전구체를 담지한 후 환원제와 접촉하여 금속입자로 환원하는 단계를 더 포함하는 안정한 미세기공을 가지는 다층 고분자 전해질막의 제조방법.
8. (a) 기판을 세정하는 단계;

   (b) 세정된 기판상에 양전하와 음전하를 가지는 고분자 전해질 용액을 서로 교대로 적층하여 코팅하는 단계;

   (c) 상기 (b) 단계를 1회 이상 반복하여 다층막을 제조하는 단계;

   (d) 상기 제조한 다층막을 상기 (b)단계의 용액과 상이한 pH를 가지는 수용액으로 처리하여 기공을 형성시키는 단계;

   (e) 가교하는 단계;

   를 포함하고, (f) 상기 가교 단계 전 또는 가교 단계 후, 금속전구체 용액과 접촉하여 금속전구체를 미세기공내부에 담지하는 단계;

   (g) 상기 금속전구체를 담지 한 후, 환원제로 처리하여 금속전구체를 환원하는 단계;

   (h) 상기 환원된 금속을 담지하는 다층 고분자 전해질막을 소결하여 고분자를 제거함으로써 금속성형체를 제조하는 단계;

   를 포함하는 금속성형체의 제조방법.
9. 제 1항 또는 제 5항에 따른 제조방법으로 제조된 다층 고분자 전해질막을 사용한 바이오센서.
10. (a) 순수 SPR 바이오칩 상에 양전하와 음전하를 가지는 고분자 전해질 용액을 서로 교대로 적층하여 코팅하는 단계;

    (b) 상기 (b) 단계를 1회 이상 반복하여 다층막을 제조하는 단계;

    (c) 상기 제조한 다층막을 상기 (b)단계의 용액과 상이한 pH를 가지는 수용액으로 처리하여 기공을 형성시키는 단계;

    (d) 가교하는 단계;

    를 포함하고, (e) 상기 가교 단계 전 또는 가교 단계 후, 금속전구체 용액과 접촉하여 금속전구체를 미세기공내부에 담지하는 단계;

    (f) 상기 금속전구체를 담지 한 후, 환원제로 처리하여 금속전구체를 환원하는 단계;

    (g) 활성화한 항체를 고정화하는 단계

    를 포함하여 제조하는 바이오센서의 제조방법.
11. 제 10항의 제조방법으로 제조된 다층 고분자 전해질막을 사용한 바이오센서.

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