KR101189928B1

KR101189928B1 - 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 이용한 ｄｎａ 분석 방법 및 그래핀-나노입자 복합체 제조방법

Info

Publication number: KR101189928B1
Application number: KR1020090093741A
Authority: KR
Inventors: 서태석; 리우페이
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2012-10-10
Also published as: KR20110036204A

Abstract

그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 이용한 DNA 분석 방법 및 그래핀-나노입자 복합체 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따른 그래핀 제조방법은 흑연 플레이크 및 방향족 고리 화합물을 함유하는 단일 스트랜드 DNA를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 초음파 처리하는 단계를 포함하며, 산화공정이라는 별도의 복잡한 후속 공정 없이 친수성 용매 에서 직접적인 그래핀 제조가 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법은 단일층 또는 이중층의 고순도 그래핀 제조를 가능하게 하며, 또한 본 발명에 따라 얻어진 그래핀은 DNA 단일 스트랜드 혼성화 과정을 거쳐 DNA 검출 및 나노입자 결합을 통한 그래핀-나노입자 복합체의 제조가 가능하다.

Description

그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 이용한 ＤＮＡ 분석 방법 및 그래핀-나노입자 복합체 제조방법{A method for manufacturing graphene, graphene manufactured by the same, a method for analyzing DNA and a method for manufacturing grapheme-nanoparticle composite using the same}

본 발명은 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 이용한 DNA 분석 방법 및 그래핀-나노입자 복합체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기용매가 아닌 친수성 용매에서 후속하는 산화공정 없이 흑연 플레이크로부터 단일층 또는 이중층의 고순도 그래핀 제조를 가능하게 하며, DNA 단일 스트랜드의 혼성화 과정을 통하여 DNA 분석 및 나노 금속입자와의 결합을 통한 그래핀- 나노입자 복합체의 제조가 가능한 그래핀 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀, 이를 이용한 DNA 분석 방법 및 그래핀-나노입자 복합체 제조방법에 관한 것이다.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO2/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다.

최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목하고 있다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다.

이러한 그래핀의 공정 처리와 응용에 있어서 그래핀의 응집 방지가 매우 중요하다. 즉, 하나의 원자 크기의 두께를 갖는 박편(시트)형태의 그래핀은 상호간의 표면 에너지에 기인하여 응집하려는 특성을 보이며, 이는 그래핀의 직접 제조, 특히 친수성 용매에서의 제조를 매우 어렵게 한다. 따라서, 현재 대부분의 연구그룹들은 변형된 Hummer법에 의하여 그래핀 산화물(graphine oxide, GO)을 먼저 제조한 후, 이를 다시 환원시키는, 비교적 복잡한 공정에 의하여 그래핀을 제조하고 있다. 즉, 종래 방법에서는 흑연 플레이크 표면을 히드록실 기 또는 에폭사이드 기 등과 같은 친수성 기능기로 활성화시키고, 상기 흑연 플레이크로부터 친수성 용매에 효과적으로 분산될 수 있는 그래핀 산화물 (GO) 시트 (sheet)를 제조한다. 하지만, 그래핀 산화물이 아닌 그래핀 자체를 직접 친수성 용매에서 제조하는 연구결과는 현재 개시되고 있지 않은 실정이다.

산화 공정에 의하여 제조된 그래핀 산화물 이외에, 또 다른 종래기술로서 N-메틸-피롤리돈, γ-부티로락톤 등과 같은 유기 용매에서의 흑연을 박리시키고, 이에 따라 얻어진 그래핀을 분산시키는 유기용매-기반 그래핀 제조방법이 개시되고 있다. 즉, 상기 유기용매법은 그래핀-그래핀 시트간의 상호 에너지와 유사한 수준의 그래핀-유기용매간의 상호 에너지를 이용하여, 그래핀간의 응집을 방지하는 기술이지만, 용매 범위가 매우 제한적이다는 문제가 있다.

더 나아가, 현재 그래핀의 생물학적 응용이 매우 제한된 상황인데, 그 이유는 그래핀 간의 상호 응집력 때문에 상술한 바와 같이 그래핀을 직접 수용액 상에서의 제조, 분산시키는 것이 어렵기 때문이다. 즉, 친수성 용매 조건에서 흑연으로부터 박리된 그래핀(표면처리된 그래핀산화물이 아님)은 매우 강력한 π-π 컨쥬게이션 때문에 상호간의 강력한 응집력을 갖게 되며, 그 결과 물과 같은 친수성 용매에서 그래핀 시트(graphine sheet)를 직접 분산, 용해시키는 것은 대단히 어렵다. 따라서, 그래핀의 다양한 응용, 특히 수용액인 생물학적 환경에서의 실험 및 그 응용을 위해서는 수용액 상에서 그래핀 자체를 직접적인 분산, 용해시킬 수 있는 새로운 그래핀 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀이 요구되나, 아직까지 이러한 그래핀 제조방법 및 이에 의하여 제조된 그래핀은 개시되지 못하는 상황이다.

더 나아가, 테이프 등에 의하여 흑연으로부터 그래핀 시트를 박리시키고, 이를 다시 실리콘 기판상에서 제조하는 방식인 기계적 미세분할법의 경우,단일층 그래핀의 제조 및 확인하기까지 시간이 상당히 오래 걸리므로, 비경제적이라는 단점이 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 유기 용매 또는 산화 공정 없이 흑연로부터 그래핀을 간단히 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 방법에 의하여 유기 용매 또는 산화 공정 없이 제조된 그래핀을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 본 발명에 따라 제조된 그래핀을 이용한, 생물학적 응용, 즉, DNA 분석 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는 본 발명에 따라 얻어진 그래핀을 이용한, 그래핀-나노입자 복합체 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 흑연 플레이크 및 방향족 고리 화합물을 함유하는 단일 스트랜드 DNA를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 초음파 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 방향족 고리 화합물의 방향족기 및 단일 스트랜드 DNA의 염기는 상기 그래핀과 π-π 컨쥬게이션되며, 상기 혼합 단계는 수용액 조건에서 진행된다. 또한, 상기 방향족 고리 화합물을 함유하는 단일 스트랜드 DNA는 아미드기를 통하여 상기 단일 스트랜드 DNA와 방향족 고리 화합물이 연결되며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 방향족 고리 화합물은 피렌이다.

상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 제조방법에 의하여 제조된 그래핀을 제공하는데, 상기 그래핀은 방향족 고리 화합물을 함유하는 단일 스트랜드 DNA가 결합된 구조를 가지며, 상기 방향족 고리 화합물의 방향족기 및 단일 스트랜드 DNA는 그래핀과 π-π 컨쥬게이션된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 방향족 고리화합물은 피렌이다.

상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 방향족 고리화합물 및 단일 스트랜드 DNA가 표면에 결합된 그래핀 복합체를 표적 DNA와 접촉시키는 단계; 및

상기 표적 DNA가 상기 단일 스트랜드 DNA에 상보적으로 결합되었는지를 검출하는 단계를 포함하는, 그래핀을 이용한 DNA 분석 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 방향족 고리화합물의 방향족기 및 상기 단일 스트랜드 DNA의 염기는 그래핀과 π-π 컨쥬게이션되며, 상기 방향족 고리화합물은 피렌이다.

본 발명은 상기 네 번째 과제를 해결하기 위하여, 방향족 고리 화합물 함유 제 1 단일 스트랜드 DNA가 표면에 결합된 그래핀 복합체에 상기 제 1 단일 스트랜드 DNA에 상보적으로 결합하며, 나노입자가 결합된 제 2 단일 스트랜드 DNA를 접촉시키는 것을 특징으로 하는 그래핀-나노입자 복합체 제조방법을 제공한다. 상기 나노입자는 금속 나노입자이며, 상기 방향족 고리 화합물은 피렌이다.

본 발명에 따른 그래핀 제조방법은, 유기용매가 아닌 친수성 용매에서 후속하는 산화공정 없이 흑연 플레이크로부터 그래핀의 직접 제조가 가능하다. 더 나아가, 단일 스트랜드 DNA가 그래핀에 효과적으로 결합되므로, 그래핀의 우수한 전기 적 특성을 생물학 분야에 직접 응용가능하다. 또한, 본 발명에 따른 그래핀 제조방법은 단일층 또는 이중층의 고순도 그래핀 제조를 가능하게 하며, 또한 본 발명에 따라 얻어진 그래핀은 DNA 단일 스트랜드의 혼성화 과정을 통하여 DNA 검출 및 나노 금속입자와의 결합을 통한 나노 금속입자-그래핀 복합체의 제조가 가능하다.

이하 도면 및 실시예를 이용하여, 본 발명을 상세히 설명한다. 하기의 실시예 등은 모두 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명이 이에 제한되거나, 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 제조방법의 단계도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 본 발명은 수용액 상에서 방향족 고리 화합물기를 포함하는 단일 스트랜드 DNA를 흑연 플레이크(graphite flake)에 혼합한다. 상기 혼합 후, 상기 혼합물을 초음파 처리하는데, 이에 따라 흑연 플레이크로부터 그래핀이 박리된다.

특히, 본 발명에서는 상기 그래핀 간의 π-π 컨쥬게이션에 의한 그래핀의 응집을 효과적으로 저해하기 위하여, 상기 방향족 고리 화합물기의 방향족기와 그래핀 간의 π-π 컨쥬게이션을 이용하여, 그래핀의 응집 효과를 감쇄시킨다. 더 나아가, 본 발명은 DNA의 염기 또한 π 전자 네트워크에 포함시키게 되는데, 이로써 사실상 단일층에 해당하는 수준으로 박리된 그래핀을 제조할 수 있었다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 방향족 고리 화합물은, 네 개의 벤젠고리로 이루어진 피렌(pyrene)이다. 또한 본 발명은 방향족 고리 화합물 이외에 단일 스트 랜드 DNA의 염기를 이용, π-π 컨쥬게이션에 의한 그래핀의 응집 방지 효과를 극대화 시킨다. 즉, 본 발명은 피렌과 같은 방향족 고리 화합물과 DNA의 염기를 동시에 사용하여 수용액 상에서의 그래핀의 응집을 방지한다.

이하 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하지만, 상술한 바와 같이 하기 실시예는 모두 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명은 이제 제한되지 않는다.

실험예에서 사용된 실험 물질

본 실험예에서 사용된 모든 화학물질과 용매는 가능한 최고 순도를 유지하며, 또한 구입된 상태로 사용되었다. 본 실험예에서 사용된 증류수는 Milli-Q 시스템(Millipore, Milford, MA, 미국)에 의하여 정제되었고, 아민 개질 올리고뉴클레이티드(5'-TTTTTTGACCACGCGCAC-3')는 Bioneer사(한국)로부터 구입하였다. 또한 흑연 플레이크 및 N-히드록시숙신이미드 에스테르(PSE)는 Sigma-Aldrich사로부터 구입하였다.

방향족 고리 화합물 함유 단일 스트랜드 DNA( single strand DNA , 이하 ss DNA) 합성

본 실험예에서는 방향족 고리 화합물인 피렌(Pyrene)이 결합된 단일 스트랜드 DNA, 피렌-단일 스트랜드 DNA(이하, Py-ssDNA)를 합성하였다. 상기 Py-ssDNA의 합성방법은 다음과 같다. 먼저, 순수 완충액 120μL에서 아민-올리고뉴클레오티드 24.9 nmole을 디메틸술폭사이드(DMSO) 36μL에 용해된 50 배 과량인 PSE와 반응시키고, 과량의 30μL DMSO를 상온에서 첨가하였다. 미반응된 PSE는 크기 배제 크로마토그래피(Size-exclusion chromatography)에 의하여 PD-10 칼럼 상에서 제거하였다. 상기 제조된 Py-ssDNA 용액을 1.5 mL 폴리프로필렌 테스트 튜브(0.6mL)에서 4℃로 보관하였다.

DNA 의 질량 분광

MALDI-TOF(matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight) 질량분석기를 사용함으로써 Py-ssDNA의 질량 분석을 수행하였다.

먼저 ssDNA 생성물(30pmole)을 3-히드록시피콜린 산 매트릭스 용액 2μL에 분산시킨 후, 적은 양(0.5μL)의 상기 용액을 공기로 건조시키고, 이를 분석하였다. 분석 및 측정은 25KV 가속 전압에서 94% 그리드 전압 및 350 ns의 지연시간으로 양이온 모드에서 수집하였다.

실시예

Py - ssDNA 용액에서의 그래핀 제조

Py-ssDNA 용액을 물에서 제조한 후, 폴리프로필렌 테스트 튜브에서 4℃로 저장하였다. 사용 전, 상기 용액을 증류수를 이용, 원하는 농도까지 희석하였다. 다음, 300μL Py-ssDNA 수용액에 0.05mg 흑연 플레이크를 첨가한 후, 상기 혼합물을 얼음물 배쓰조건에서 8시간 동안 70W의 출력 전력으로 초음파 처리 하였다. 초음파 처리 후, 상기 혼합물을 보텍스(vortex) 상에 적치시킨 후, 6시간 동안 인큐베이션하였다. 이후 얻어진 용액을 500rpm의 속도로 1시간 동안 마이크로 원심분리(microcentrifuge, CF)하고, 상층액 250μL를 피펫으로 회수함으로써 DNA와 복합체를 이루는 수-분산된 그래핀을 얻었다.

금 나노입자/ 그래핀 복합체의 합성

티올기로 표지화된 표적 ssDNA( (18mer: 5’-SH-TTTTTTGTGCGCGTGTGC-3’)를 금 나노입자(Au NP, 10 nm dia.)와 반응시켜, 금 나노입자가 결합된 DNA를 제조하였다. HS-단일 스트랜드 DNA (HS-ssDNA, 5 nmole)의 보호기를 100mL의 DTT 용액에서 2시간 동안 상온에서 반응시킴으로써 제거하였다. 보호기가 제거된 HS-ssDNA를 크기-배제 크로마토그래피(size-exclusion chromatography)를 이용, PD-10 column에서 정제하였다. UV-vis spectrophotometer를 사용하여 DNA 농도를 결정하였고, HS-ssDNA (4 nmole)를 금 나노입자(10 pmol, 10 nm dia.) 용액에 첨가하여, 1.1 mL의 전체 용량을 만들었다. 포스페이트 완충액(0.1M, 110 μL)을 금 나노입자 용액에 첨가하여, 최종 포르페이트 농도 9mM를 얻은 후, 다시 30분간 인큐베이션 하였다. 1 M NaCl 완충액을 2일간 6회 첨가한 후, 교반하여, NaCl의 농도를 0.1M로 하였다. 금 나노입자가 결합된 최종 단일 스트랜드(ssDNA)용액은 응집현상 없이 적색을 보였다. 14000rpm에서 30분간 원심분리한 후, 침전된 금 나노입자-표지화 ssDNA(2 pmol)을 회수하고, 200 mL의 Py-ssDNA/그래핀 스톡 용액과 6시간 동안 반 응시켜 금 나노입자/그래핀 복합체를 얻었다. 이후, 얻어진 금 나노입자/그래핀 복합체를 10000rpm에서의 원심분리한 후, 3회 세척하였다.

특성분석 방법 설명

합성된 Py-ssDNA 질량 분석 결과를 MALDI-TOF 스펙트로미터(VOYAGER DE-STR, Applied Biosystems Inc., 미국)에 의하여 기록하였다. 또한, 초음파 배쓰(1510R-MT, BRANSONICSEM, 미국)를 사용하여, 흑연 플레이크를 Py-ssDNA 용액에서 초음파처리 하였으며, UV-vis 흡착 스펙트럼을 UV-vis 스펙트로포토미터(UV-2450, SHIMADZU, 미국)로부터 수집하였다.

TEM 이미지는 전계 방출 투과 전자 현미경(TECNAI F20, PHILIPS)를 사용하여 얻었으며, SEM 사진은 10KV의 가속전압에서 작동하는 전계 방출 현미경(S-4800, HITACHI, 일본)을 이용하여 얻었다. 또한, 그래핀 두께는 스캔닝 프로브 현미경(XE-100, Park System, 한국)을 이용, 측정하였으며, 광학 및 형광 사진은 광학 현미경(TE-2000U, NIKON ECLIPSE, 일본)을 이용하여, 얻었다.

결과분석

π-π 스태킹 검증

본 실험에서 얻어진 그래핀에서, 피렌/ssDNA 염기와 그래핀 간의 상호작용은 π-π 스태킹(stacking) 작용이라는 점을 확인하고자 하였다. 본 발명은 상술한 바와 같이 피렌/ssDNA 염기와 그래핀 간의 π-π 스태킹 상호작용력을 증가시켜, 그 래핀 간의 응집 현상을 방지하였는데, 본 발명에서는 아민기를 포함하는 ssDNA와 PSE를 반응시킴으로써 아미드기에 의하여 방향족 고리화합물인 피렌(Py)과 ssDNA가 결합된 Py-ssDNA를 합성하였고, 이를 도 2a에 도시하였다. 도 2b에 도시한 바와 같이, 분리된 생성물의 MALDI-TOF MS 스펙트럼은 5872Da에서 단일 주요 피크를 나타내는데, 이는 5875Da로 계산된 분자값에 대응된다. 이 결과는 결국 반응물질, 즉 아민기 함유 ssDNA가 정량적으로 Py-ssDNA로 전환되었다는 것을 나타낸다.

그래핀과 Py-ssDNA 간의 반응결과(그래핀/Py-ssDNA 복합체)에 대한 모식도가 도 3a에 도시된다. 도 3a을 참조하면, 그래핀은 Py-ssDNA의 단일층에 의하여 코팅되며, ssDNA와 ssDNA 5'-종결부의 피렌기가 그래핀 표면에 접촉하게 되며, 이로부터 ssDNA의 염기 및 피렌기가 모두 그래핀 표면과 π전자 네트워크를 이루는 것으로 판단된다.

UV 분석

UV-vis 흡수 스펙트로스코피를 사용하여 피렌-표지화 ssDNA 및 그래핀/Py-ssDNA를 분석하여, 그 결과를 도 3b에 나타내었다. Py-ssDNA 스펙트럼에서 주요 흡수 피크는 260, 331, 346nm에 나타나는데, 이것은 ssDNA 및 피렌의 흡수 피크 특성을 나타내며, 상기 피크 결과는 260nm인 DNA의 피크, 331 및 346nm에서의 피렌의 피크에 해당한다. 상기 UV 분석 결과 중 특히 주목할 만한 특징은 바로 4nm 수준의 장파장 이동이다. 즉, 상기 그래핀/Py-ssDNA는 Py-ssDNA와 비교하여 볼 때 4nm 정도의 미세한 적색 파장 이동((Red-shift)이 나타났는데, 이는 그래핀 표면과 Py- ssDNA 사이의 컨쥬게이션에 기인한 것으로 판단된다.

형광 분석

도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 형광 방출 스펙트럼(Py-ssDNA and Py-ssDNA/grapheme)이다.

도 3c를 참조하면, 그레핀 상의 피렌이 에너지/전자 전달 현상을 통하여 464, 603nm에서 피렌의 형광 방출을 퀀칭(quenching)시키는 것을 알 수 있다. 이로써 603nm에서의 피크는 완전히 사라지고, 464nm에서는 감소된 방출 피크를 나타낸다.

XPS 분석

도 3d는 흑연(graphite) 및 Py-ssDNA/그래핀 혼성체의 XPS 결과로서, 본 실험을 통하여, X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)를 사용, 혼성체에서 Py-ssDNA가 그래핀 표면상에 존재한다는 또 다른 증거를 얻었다.

즉, 벌크 흑연(graphite) 는 sp2 C=C 결합 때문에 284.6 eV 에서 단일 탄소 1s XPS 피크를 나타내지만, Py-ssDNA/그래핀 혼성체(Py-ssDNA/graphene hybrid)의 XPS 측정 결과는 탄소 1s 피크 이외에 399.7 eV 에서의 N 1s 코어수준 피크, 399.7 eV 에서의 약한 P 2p 피크, 및 531.7 eV 에서의 O 1s 피크를 나타내었다. 상기 결과는 DNA가 그래핀 표면에 고정(immobilize)되었다는 것을 의미한다.

도 3e는 Py-ssDNA/그래핀 혼성체에서의 C 1s 코어 수준에 대한 XPS 결과이 다.

도 3e를 참조하면, 코어 탄소의 경우 세 개의 피크를 나타내는 것을 알 수 있는데, 하나는 sp² C=C에 기인한 284.6 eV에서의 주 피크이고, 나머지는 C-N, C=O 결합에 의한 ~ 285.7 eV, ~ 287.7 eV에서의 피크였다. 이와 같이 다양한 피크를 보여주는 XPS 분석결과로부터 본 발명에 따라 제조된 혼합물은 ssDNA를 포함하며, DNA와 그래핀간에는 π-π 컨쥬게이션이 형성되었음을 예상할 수 있다. 또한, 전형적인 틴달 효과 측정에 의하여 본 발명에 따라 제조된 Py-DNA/그래핀을 확인하였다. 즉, 본 발명의 Py-DNA/그래핀은 빛의 산란에 따라 콜리이드 용액을 투과하는 레이저빔이 식별가능한 경로형태를 보이는, 이른바 본 틴달 효과를 보였다(도 3f 참조).

TEM 분석

Py-ssDNA/그래핀 혼성체의 층수 및 모폴로지를 transmission electron microscopy (TEM)를 이용하여 분석하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4의 (a)를 참조하면, 그래핀은 300 x 200nm 크기의 펼쳐진 형태로 존재하며, 이는 밝은 부분에 해당한다. 또한 도 4의 (d)는 그래핀의 단일층을 보여준다. 편지봉투 형태의 그래핀 구조에 대한 대표적 형태가 도 4의 (b)에 나타나며, 상기 구조에서 에지 부분은 이중층 구조를 갖는다(도 4의 (e) 참조). 상기 TEM 결과로부터 단일 및 이중층 그래핀은 그래핀 중 50%를 차지하며, 이들의 모폴로지는 크기에 따라 결정된 다. 즉, 300nm 미만의 측면 길이를 갖는 그래핀 층은 평평한 형태이지만, 300nm를 초과하는 경우는 접힌 형태이다. TEM 데이터의 통계분석은 그래핀 혼성체의 60%가 접힌 형태로 존재한다는 것을 나타낸다. 이러한 현상은 2D 그래핀 멤브레인은 열역학적 안정성을 얻기 위하여 접히려는 경향이 있음을 나타낸다. 더 나아가, 고정화된 DNA는 다른 그래핀 표면과의 π-π 스태킹을 통하여 휘어지는(bending) 특성을 더 강화시키게 된다. 특정 방향으로의 선호가 없는 것은 무질서적인 그래핀 접힙 메커니즘이 작용하고 있음을 나타낸다. 또한 복층의 그래핀은 그래핀 혼성체의 소수 부분을 차지하고 있음을 알 수 있다. (도 4의 (c) 및 (f))

SEM 분석

본 발명의 그래핀/Py-ssDNA가 수용액상에서 안정하게 유지됨을 SEM 분석을 통해 확인하였다.

도 5a는 1주일 동안 수용액 상에서 보관된 그래핀/Py-ssDNA 시료 2μL를 실리콘 웨이퍼 기판상에 떨어뜨린 후, 이를 상온에서 건조시키는 단계 후 얻어진 시료의 SEM 사진이다. 도 5a를 참조하면, 그래핀/Py-ssDNA 에서 그래핀 시트의 크기는 100 나노미터에서 2 마이크로미터의 범위이며, 그래핀 시트가 다발 형태의 응집체를 이루는 것을 알 수 있다.

도 5b는 도 5a의 그래핀/Py-ssDNA 시료를 다시 초음파 처리한 후 얻어진 SEM 사진이다.

도 5b를 참조하면, 상기 응집체 형태의 그래핀 시트가 초음파 공정을 통해서 개별적인 그래핀 단일층 시트로 쉽게 전환되는 것을 알 수 있다. 상기 결과로부터, Py-DNA/그래핀 복합체는 시료 준비 또는 보관 중 응집되는 경향을 보이나, 초음파처리 공정을 통하여 상기 그래핀 응집체가 단일층 그래핀으로 효과적으로 전환되는 것을 알 수 있다.

AFM 분석

도 6은 본 발명에 따라 얻어진 그래핀의 AFM 분석결과를 나타내는 이미지이다. 특히, 도 6a는 상온에서 유리 웨이퍼 기판상에 떨어뜨리는 방식으로 적층된 그래핀/Py-ssDNA 필름의 AFM 이미지이다. AFM 분석 결과, 흰색 영역에서 녹색 및 적색 라인을 통하여 얻어진 대표적인 높이 프로파일은 최대 높이가 각각 2 내지 4nm이다(도 6 (b) 참조). 또한 그래핀을 샌드위치하고 있는 자기-조립 Py-DNA층의 두께는 1nm 수준이었다. 비록 이론적으로 단일층의 두께는 0.35nm이자만, 실험적으로 얻어지는 그래핀 두께는 1nm 수준이며, 이것은 주름진 구조 또는 팁 및 그래핀 상호 작용, 또는 덮고 있는 용매 두께로부터 기인한 결과로 판단된다. 이러한 요소들을 모두 고려하여 볼 때, Py-ssDNA/그래핀 혼성체 단일층의 두께는 2nm수준이며, 이것은 실험 결과에 대응된다. 적색 라인의 경우, 중심에서의 두께가 2nm에서 4nm로 급격히 증가하는 높이 프로파일을 보이는데, 이것은 도 5b에서와 같이 표면 상에 쌓여진 작은 그래핀 단일층의 두께로 판단된다.

그래핀 /나노입자 복합체

본 발명은 그래핀 표면에 효과적으로 고정된 단일 스트랜드 DNA를 이용하여 그래핀/나노입자 복합체를 제조하는 방법과 DNA 분석, 검출할 수 있는 방법을 제공한다. 즉, 그래핀의 단일 스트랜드 DNA와 표적 DNA 간의 상보적인 결합에 따라 DNA를 검출하는 DNA 검출, 분석 방법과 아울러, 본 발명은 표적 DNA에 나노입자를 결합시킴으로써 그래핀-나노입자가 연결된, 소위 그래핀/나노입자 복합체를 제조할 수 있다.

이를 검증하기 위하여, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 10nm 직경을 갖는 금 나노입자(Au NP)가 연결된 표적 DNA(5’-Au NP-TTTTTTGTGCGCGTGTGC-3’, 제 2 단일 스트랜드 DNA)를 그래핀 표면의 단일 스트랜드 DNA(제 1 단일 스트랜드 DNA)에 특이적으로 결합시켰다. 이로써, 그래핀/금 나노입자의 복합체가 얻어지며, 이때 단일 스트랜드 DNA 간의 상보적 결합은 그래핀과 금 나노입자를 연결시키는 역할을 하게 된다. 또한, 본 발명은 그래핀에 결합된 단일 스트랜드 DNA의 특이적, 상보적 결합과 이에 따른 특성 변화(예를 들면 그래핀의 전기적 특성 변화 등)를 통하여 DNA를 검출할 수 있다.

도 6은 특이적 DNA-DNA 혼성화에 의하여 얻어진 금 그래핀-나노입자 혼성체의 TEM 사진이다. 도 6을 참조하면, 그래핀 표면상에 코팅된 단일 스트랜드 DNA의 기능성은 여전히 유효하며, 금 나노입자가 효과적으로 그래핀에 연결된 것을 알 수 있다. 이와 같은 단일 스트랜드 DNA의 다른 DNA와의 특이적 결합 가능성을 이용하여, 본 발명은 그래핀 나노복합체 구조를 조작, 변형시킬 수 있다. 즉, DNA 간의 상보적이고, 특이적 결합을 통하여 그래핀 표면에 원하는 입자를 자유로이 결합, 연결시킬 수 있고, 더 나아가, 그래핀 표면의 자기 조립 Py-ssDNA는, 상보적이지 않은 단일 스트랜드 DNA의 비특이적 결합을 방지하며, 이로써, 그래핀 상의 DNA 나노 구조는 사용자가 자유로이 제어할 수 있다. 이를 통하여 사용자는 그래핀의 전기적, 기계적 특성을 제어할 수 있으며, 나노센서 및 나노 전자소자 등에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 그래핀 제조방법의 단계도이다.

도 2a는 Py-ssDNA의 합성 경로를 나타내는 합성 경로를 나타내며, 도 2b는 MALDI-TOF 스펙트럼의 질량 분석 결과를 나타낸다.

도 3a는 그래핀과 Py-ssDNA 간의 반응결과(그래핀/Py-ssDNA 복합체)에 대한 모식도, 도 3b는 흡수 스펙트로스코피를 사용하여 피렌-표지화 ssDNA 및 그래핀/Py-ssDNA를 분석한 결과를 나타내는 도면, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 형광 방출 스펙트럼(Py-ssDNA and Py-ssDNA/grapheme)이다. 또한, 도 3d는 흑연(graphite) 및 Py-ssDNA/그래핀 혼성체의 XPS 결과를 나타내는 도면이고, 도 3e는 Py-ssDNA/그래핀 혼성체에서의 C 1s 코어 수준에 대한 XPS 결과를 나타내며, 도 3f는 본 발명의 Py-DNA/그래핀의 틴달효과를 나타내는 사진이다.

도 4는 Py-ssDNA/그래핀 혼성체의 층수 및 모폴로지를 transmission electron microscopy (TEM)를 이용하여 분석한, 결과를 나타내는 사진이다.

도 5a는 1주일 동안 수용액 상에서 보관된 그래핀/Py-ssDNA 시료 2μL를 실리콘 웨이퍼 기판상에 떨어뜨린 후, 이를 상온에서 건조시키는 단계 후 얻어진 시료의 SEM 사진이고, 도 5b는 도 5a의 그래핀/Py-ssDNA 시료를 다시 초음파 처리한 후 얻어진 SEM 사진이다.

도 6은 특이적 DNA-DNA 혼성화에 의하여 얻어진 금 그래핀-나노입자 혼성체의 TEM 사진이다.

Claims

방향족 고리 화합물이 말단에 공유결합된 단일 스트랜드 DNA를 흑연 플레이트와혼합시키는 단계; 및

상기 혼합물을 초음파 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
제 1항에서,

상기 방향족 고리 화합물의 방향족기 및 상기 DNA의 염기는 상기 그래핀과 π-π 컨쥬게이션되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 혼합 단계는 수용액 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 단일 스트랜드 DNA는 아미드기를 통하여 방향족 고리 화합물에 결합된 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 방향족 고리 화합물은 피렌인 것을 특징으로 하는 그래핀 제조방법.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의하여 제조된 그래핀.
방향족 고리 화합물이 말단에 공유결합된 단일 스트랜드 DNA가 표면에 결합된 그래핀으로, 여기에서 상기 방향족 고리 화합물은 피렌이며, 상기 피렌은 아미드기를 통하여 상기 단일 스트랜드 DNA과 공유결합된 것을 특징으로 하는 그래핀.
제 7항에 있어서,

상기 방향족 고리 화합물의 방향족기 및 상기 DNA의 염기는 그래핀과 π-π 컨쥬게이션되는 것을 특징으로 하는 그래핀.
삭제
방향족 고리화합물이 말단에 공유결합된 단일 스트랜드 DNA가 표면에 결합된 그래핀 복합체를 표적 DNA와 접촉시키는 단계; 및

상기 표적 DNA가 상기 단일 스트랜드 DNA에 상보적으로 결합되었는지를 검출하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 방향족 고리화합물은 피렌이며, 상기 피렌은 아미드기를 통하여 상기 단일 스트랜드 DNA 말단과 공유결합된 것을 특징으로 하는, 그래핀을 이용한 DNA 분석 방법.
제 10항에 있어서,

상기 방향족 고리화합물의 방향족기 및 상기 단일 스트랜드 DNA의 염기는 그래핀과 π-π 컨쥬게이션되는 것을 특징으로 하는, 그래핀을 이용한 DNA 분석 방법.
삭제
방향족 고리 화합물이 말단에 공유결합된 제 1 단일 스트랜드 DNA가 표면에 결합된 그래핀 복합체에 상기 제 1 단일 스트랜드 DNA에 상보적으로 결합하며, 나노입자가 결합된 제 2 단일 스트랜드 DNA를 접촉시키는 것을 특징으로 하는 그래핀-나노입자 복합체 제조방법으로, 여기에서 상기 방향족 고리 화합물은 피렌이며, 상기 피렌은 아미드기를 통하여 상기 단일 스트랜드 DNA 말단과 공유결합된 것을 특징으로 하는 그래핀-나노입자 복합체 제조방법.
제 13항에 있어서,

상기 나노입자는 금속 나노입자인 것을 특징으로 하는 그래핀-나노입자 복합체 제조방법.
삭제