KR101208659B1 - 색상 변화 특성을 이용한 검출방법 - Google Patents

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Abstract

본 기재의 색상 변화를 이용한 검출방법은, 금속 나노입자들, 산화제 및 염소이온 중에서 선택된 두 가지 물질을 혼합한 제1 용액을 제공하는 단계; 상기 금속 나노입자들, 산화제 및 염소이온 중에서 상기 제1 용액에 포함되지 않는 나머지 한 가지 물질을 포함한 제2 용액을 제공하는 단계; 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하여 혼합액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)하는 단계를 포함한다.

Description

색상 변화 특성을 이용한 검출방법 {DETECTION METHOD USING COLORIMETRIC ANALYSIS}
본 발명은 혼합 시 색상이 변화하는 특성을 이용한 검출방법에 관한 것이다.
수질 오염은 오늘날 인류에게 가장 힘든 과제 중 하나로 부상하게 되었으며, 빠른 산업화로 인해 독성의 화학물질이 자연 수계로 방류되는 경우가 많아지게 되었다.
일반적으로 염소를 함유하는 무기산과 특히 염화수소산(HCl)은 수질 오염의 가장 큰 요인 중 하나에 속한다. 그 광범위한 응용분야, 탁월한 안정성 및 수환경에서의 이동성(mobile nature)으로 인해, 염화수소(HCl)는 습지대와 수자원의 잠재적인 산화제가 되고 있다. 다양한 산업분야로부터의 쓰레기 불법 투기에 더하여, 독성 화학물질의 우발적인 유출이 환경론자들 사이에서 우려를 고조시키고 있다.
그러나 아직 신속하고 감도가 좋은 검출기법은 아직 개발되지 못한 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 배경을 토대로 안출된 바, 비색계의 (colorimetric), 라벨 프리(label-free), 비응집 기반 (non-aggregation-based) 금속 나노입자(nanoparticles) 시험을 이용하여 수환경에서 염화수소(염소이온)를 검출할 수 있는 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 금속 나노입자 시험을 이용한 산화제 검출방법을 제공하거나, 산화제 또는 염화수소(염소이온)를 검출할 수 있는 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 색상 변화를 이용한 검출방법은, 금속 나노입자들, 산화제 및 염소이온 중에서 선택된 두 가지 물질을 혼합한 제1 용액을 제공하는 단계; 상기 금속 나노입자들, 산화제 및 염소이온 중에서 상기 제1 용액에 포함되지 않는 나머지 한 가지 물질을 포함한 제2 용액을 제공하는 단계; 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하여 혼합액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)하는 단계를 포함한다.
다른 실시예로, 상기 제1 용액은 금속 나노입자들과 산화제를 혼합한 검출용액으로 제공되고, 상기 제2 용액은 염소이온이 함유된 검출대상물로 제공되며, 상기 검출용액을 상기 검출대상물에 혼합하고 색상 변화를 검측하여, 상기 검출대상물의 염소이온을 검출할 수 있다.
상기 검출대상물은 염소이온을 포함하는 해수, 시냇물, 연못물, 수도물, 중성수 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예로, 상기 제1 용액은 금속 나노입자들과 염소이온을 혼합한 검출용액으로 제공되고, 상기 제2 용액은 산화제가 함유된 검출대상물로 제공되며, 상기 검출용액을 상기 검출대상물에 혼합하고 색상 변화를 검측하여, 상기 검출대상물의 산화제를 검출할 수 있다.
또 다른 실시예로, 상기 제1 용액은 산화제와 염소이온을 혼합한 검출용액으로 제공되고, 상기 제2 용액은 금속 나노입자가 함유된 검출대상물로 제공되며, 상기 검출용액을 상기 검출대상물에 혼합하고 색상 변화를 검측하여, 상기 검출대상물의 금속 나노입자를 검출할 수 있다.
상기 금속 나노입자들의 직경은 10 내지 100 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 30 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있다.
상기 금속 나노입자들은 금(Au) 나노입자들 또는 은(Ag) 나노입자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 산화제는 질산(HNO3) 또는 과산화수소(H2O2) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)하는 단계는, 상기 검출용액과 상기 검출대상물을 혼합하고 기 설정된 시간 동안 방치한 후, 혼합 전(前)의 상기 검출대상물과 비교하여 색상 변화를 검측할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 금 나노입자의 흡수 감쇄에 의해 촉발된 염화수소산 용해에 기반하여 수환경에서 염화수소산의 고감도(selective) 인지(認知)가 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 공정은 어떤 측정 약품(leveling agent)을 사용하지 않으므로 단순하고 사용하기 쉬운 방법이다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 공정은 일반적으로 만나는 염과 음이온으로부터 높은 분리 감도를 가지며, 자연수계에 직접적으로 사용될 수 있다. 이러한 특징들로 인해 상기 본 발명에 따른 시스템은 산업공해에 노출되기 쉬운 해양 생태계에서 염화수소의 검사를 위한 유용한 수단이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염소이온 검출방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화제 검출방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속 나노입자 검출방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 산화제가 존재하는 환경에서 염화수소산에 의해 금(Au) 나노입자가 용해(leaching)되는 반응을 도시한 모식도이다.
도 5a는 서로 다른 농도의 염화수소산이 존재하는 환경에서 질산을 산화제로 사용한 수분산(aqueous dispersion) 금 나노입자의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 나타내는 것이다.
도 5b는 서로 다른 농도의 염화수소산이 존재하는 환경에서 과산화수소를 산화제로 사용한 수분산(aqueous dispersion) 금 나노입자의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 나타내는 것이다.
도 6a는 염화수소산을 혼합하기 전과 후의 금 나노입자들에 대한 XRD 패턴을 각각 나타낸 그래프이다.
도 6b은 염화수소산을 혼합하기 전과 후의 금 나노입자들에 대한 XRD 스펙트럼을 각각 나타낸 그래프이다.
도 7는 염화수소산을 혼합한 경우(c)와 염화수소산이 존재하지 않는 경우(d)의 금 나노입자의 TEM 이미지를 비교하여 나타낸 것이다.
도 8a는 질산이 존재하는 환경에서 분산 금 나노입자에 염화수소산을 추가한 경우와 간섭 가능한 화학물질을 추가한 경우의 효과를 비교하여 나타낸 사진이다.
도 8b는 과산화수소가 존재하는 환경에서 분산 금 나노입자에 염화수소산을 추가한 경우와 간섭 가능한 화학물질을 추가한 경우의 효과를 비교하여 나타낸 사진이다.
도 9a는 분산 금 나노입자에 서로 다른 농도의 염화수소산과 다른 종류의 흔히 만나게 되는 화학물질의 추가가 SP 스펙트럼의 상대적 감쇄에 미치는 영향을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9b는 다양한 수질 샘플에서 분산 금 나노입자에 서로 다른 농도의 염화수소산과 다른 종류의 흔히 만나게 되는 화학물질의 추가가 SP 스펙트럼의 상대적 감쇄에 미치는 영향을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염소이온 검출방법을 도시한 순서도이다. 도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 염소이온 검출방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 금속 나노입자들과 산화제를 혼합한 검출용액을 제공한다(S01). 금속 나노입자들의 직경은 10 내지 100 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 30 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있다. 상기 금속 나노입자들은 금(Au) 나노입자들 또는 은(Ag) 나노입자들을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 산화제는 강(强)산화제가 사용될 수 있으며, 일례로 질산((HNO3) 또는 과산화수소(H2O2)가 사용될 수 있다.
다음으로, 염소이온(Cl-)이 함유된 검출대상물을 제공한다(S02).
상기 검출대상물은 염화수소(HCl)가 녹아 있는 수용액, 즉 염화수소산(HCl acid)의 상태로 존재할 수 있다. 또한, 상기 검출대상물은 염소이온(Cl-)을 포함하는 해수(sea water), 시냇물(stream water), 연못물(pond water), 수도물(tap water), 중성수(deionized water)를 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 검출용액과 상기 검출대상물을 혼합하여 혼합액을 준비한다(S03). 상기 혼합액을 준비하기 전에 상기 검출용액과 검출대상물의 색상을 미리 확인하여, 반응 후 색상 변화가 일어날 때 대비의 기준으로 참고할 수 있다.
그리고 상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)한다(S04).
상기 염소이온이 함유된 검출대상물에 검출용액을 투여하여 혼합하고 나서 기 설정된 시간 동안 방치하면, 검출용액에 포함된 금속 나노입자와 검출대상물에 포함된 수소이온(H+) 및 염소이온(Cl-)이 강산화제에 의해 반응하여 염화금속 이온이 된다. 이 때, 상기 혼합액은 혼합 전(前)의 상기 검출대상물과 비교하여 색상변화가 일어나게 되며, 색상변화의 속도는 염화수소산의 농도에 따라 차이를 보일 수 있다.
따라서 검출대상물의 농도에 따른 기준 색상을 미리 확인하여 표준 인디케이터(indicator)를 설정함으로써, 시험에서 나타나는 색상에 따라 개략적인 농도를 측정할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 산화제 검출방법을 도시한 순서도이다. 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 산화제 검출방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 금속 나노입자들과 염소이온(Cl-)을 혼합한 검출용액을 제공한다(S11). 금속 나노입자들의 직경은 10 내지 100 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 30 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있다. 상기 금속 나노입자들은 금(Au) 나노입자들 또는 은(Ag) 나노입자들을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 검출용액은 염화수소(HCl)가 녹아 있는 수용액, 즉 염화수소산(HCl acid)의 상태로 존재할 수 있다.
다음으로, 산화제가 함유된 검출대상물을 제공한다(S12).
상기 산화제는 강(强)산화제가 사용될 수 있으며, 일례로 질산((HNO3) 또는 과산화수소(H2O2)가 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 검출용액과 상기 검출대상물을 혼합하여 혼합액을 준비한다(S13). 상기 혼합액을 준비하기 전에 상기 검출용액과 검출대상물의 색상을 미리 확인하여, 반응 후 색상 변화가 일어날 때 대비의 기준으로 참고할 수 있다.
그리고 상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)한다(S14).
상기 산화제가 함유된 검출대상물에 검출용액을 투여하여 혼합하고 나서 기 설정된 시간 동안 방치하면, 검출용액에 포함된 금속 나노입자와 수소이온(H+) 및 염소이온(Cl-)이 검출대상물에 포함된 강산화제에 의해 반응하여 염화금속 이온이 된다. 이 때, 상기 혼합액은 혼합 전(前)의 상기 검출대상물과 비교하여 색상변화가 일어나게 되며, 색상변화의 속도는 염화수소산의 농도에 따라 차이를 보일 수 있다.
따라서 검출대상물의 농도에 따른 기준 색상을 미리 확인하여 표준 인디케이터(indicator)를 설정함으로써, 시험에서 나타나는 색상에 따라 개략적인 농도를 측정할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 금속 나노입자 검출방법을 도시한 순서도이다. 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 금속 나노입자 검출방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 산화제와 염소이온(Cl-)을 혼합한 검출용액을 제공한다(S21). 상기 검출용액은 염화수소(HCl)가 녹아 있는 수용액, 즉 염화수소산(HCl acid)의 상태로 존재할 수 있다. 상기 산화제는 강(强)산화제가 사용될 수 있으며, 일례로 질산((HNO3) 또는 과산화수소(H2O2)가 사용될 수 있다.
다음으로, 금속 나노입자들이 함유된 검출대상물을 제공한다(S22).
금속 나노입자들의 직경은 10 내지 100 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있고, 바람직하게는 20 내지 30 nm의 범위에 속하도록 형성될 수 있다. 상기 금속 나노입자들은 금(Au) 나노입자들 또는 은(Ag) 나노입자들을 선택적으로 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 검출용액과 상기 검출대상물을 혼합하여 혼합액을 준비한다(S23). 상기 혼합액을 준비하기 전에 상기 검출용액과 검출대상물의 색상을 미리 확인하여, 반응 후 색상 변화가 일어날 때 대비의 기준으로 참고할 수 있다.
그리고 상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)한다(S14).
상기 금속 나노입자가 함유된 검출대상물에 검출용액을 투여하여 혼합하고 나서 기 설정된 시간 동안 방치하면, 검출대상물에 포함된 금속 나노입자가 검출용액에 포함된 수소이온(H+) 및 염소이온(Cl-)과 강산화제에 의해 반응하여 염화금속 이온이 된다. 이 때, 상기 혼합액은 혼합 전(前)의 상기 검출대상물과 비교하여 색상변화가 일어나게 되며, 색상변화의 속도는 염화수소산의 농도에 따라 차이를 보일 수 있다.
따라서 검출대상물의 농도에 따른 기준 색상을 미리 확인하여 표준 인디케이터(indicator)를 설정함으로써, 시험에서 나타나는 색상에 따라 개략적인 농도를 측정할 수도 있다.
이하에서는 금 나노입자(Au NP)와 질산((HNO3) 또는 과산화수소(H2O2)를 혼합하여 검출용액으로 사용한 경우를 예로 들어 색상 변화를 이용한 검출 메커니즘을 설명한다.
검출의 기본이 되는 현상은 수성의 염소제(aqueous chloro-species)가 질산이나 과산화수소와 같은 강산화제가 존재하는 환경에서 금 나노입자(Au NP)를 용해(leaching)시키는 것이다. 이러한 과정은 금 나노입자들(Au NPs)의 산란의 표면 플라즈몬 공명(surface Plasmon resonance, SPR) 피크의 현저한 감쇄를 초래한다.
이 기술은 금 나노입자(Au NP)의 크기에 크게 의존하며, 넓은 범위의 무기산(mineral acid), 염(salt), 음이온(anion) 사이에서 높은 수준의 선택도를 제공한다. 이와 같이 간단하고 저비용의 프로브(probe)는 자연 수계에서 위험치보다 한참 낮은 500 ppm까지의 염화수소를 검출할 수 있다.
도 4는 산화제가 존재하는 환경에서 염화수소산에 의해 금 나노입자(Au NP)가 용해(leaching)되는 반응을 도시한 모식도이다. 즉, 질산(HNO3) 또는 과산화수소(H2O2)와 같은 강산화제가 존재하는 환경에서 금 나노입자(Au NP)와 염화수소산 사이에서 일어나는 반응을 도식화한 것이다.
금은 귀금속에 속하는 것으로서 강산이나 강염기에 의해 용해되지 않는다. 그러나 강산화제와 염소이온이 함께 존재하는 경우에는 금은 화학식 1과 같이 염화금(gold chloride species), 즉 [Au(Cl)2]- 또는 [Au(Cl)4]- 로 용해될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112011067454518-pat00001
여기서, x는 염소이온의 농도 및 산화제의 pH와 성질에 따라 2 또는 4가 될 수 있다.
도 5a는 서로 다른 농도의 염화수소가 존재하는 환경에서 질산을 산화제로 사용한 수분산(aqueous dispersion) 금 나노입자(Au NP)의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 나타내는 것이다. 각 그래프의 염화수소 농도는 (a) 100ppm, (b) 200ppm, (c) 500ppm, (d) 1000ppm, (e) 2000ppm, (f) 5000ppm이다.
도 5a에 나타난 바와 같이, 수분산 금 나노입자들은 표면 플라즈몬 공명 현상 때문에 530 nm에서 뚜렷한 흡수 피크(absorption peak)를 나타낸다. 염화수소산의 첨가는 상기 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼에서 흡수 피크의 강도를 급격히 감소시키는 결과를 초래한다. 상기 흡수 피크는 또한 530 nm에서 535 nm로 적색 편이 된다. 상기 흡수 피크의 강도에 있어 급격한 감소는 금속성의 금 나노입자들(Au NPs)이 염화수소산에 의해 용해(leaching)되는 때문이다. 상기 염화수소산의 농도를 증가시키면 상기 흡수 피크의 강도 감소는 더욱 두드러진다.
도 5b는 서로 다른 농도의 염화수소산이 존재하는 환경에서 과산화수소를 산화제로 사용한 수분산(aqueous dispersion) 금 나노입자의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 나타내는 것이다. 각 그래프의 염화수소 농도는 (a) 100ppm, (b) 200ppm, (c) 500ppm, (d) 1000ppm, (e) 2000ppm, (f) 5000ppm이다.
산화제로 질산을 사용한 경우와 유사한 결과가 산화제로 과산화수소를 대신 사용한 경우에도 얻어진다. 하지만 과산화수소를 사용한 경우에 있어서, SP 감쇄(surface Plasmon damping)의 정도가 질산을 사용한 경우보다 더 작으며, 540 nm로 적색 편이 된다.
도 6a는 염화수소산을 혼합하기 전과 후의 금 나노입자들(Au NPs)에 대한 XRD 패턴을 각각 나타낸 그래프이다.
검출 메커니즘을 보다 명확하게 이해하기 위해 검출 반응 동안 유발되는 구조의 변화를 X선 회절분석법(XRD)을 통해 확인할 수 있다. 도 6A에 나타난 바와 같이, 반응하지 않은 금 나노입자들(Au NPs)은 면심입방구조(face-centered cubic structure)를 갖는 금속성 금의 (111) 피크에 대응하는 2θ=37.8에서 뚜렷한 피크를 나타낸다. 나노입자들의 평균 입경(mean crystallite diameter)은 Scherrer's formula로부터 27 nm가 됨을 확인할 수 있다. 도 6A에 나타나는 것처럼, 금 나노입자(Au NP) 샘플의 XRD 패턴은 검출 반응 후 급격히 변화된다. 금속성 금에 대응하는 피크가 사라진 것은 염화수소산과 강산화제가 존재할 때 금속의 용해를 암시하는 것이다.
도 6b은 염화수소산을 혼합하기 전과 후의 금 나노입자들(Au NPs)에 대한 XRD 스펙트럼을 각각 나타낸 그래프이다.
염화수소산과 금 나노입자들(Au NPs) 사이에서 일반적으로 가능한 상호 작용을 이해하기 위하여 X선 광전자 분광법(photoelectron spectroscopy)을 수행할 수 있다. 도 6b를 참조하면, 순수한 금 나노입자들(Au NPs)에 있어서, 금 4f7/2 스펙트럼은 각각 81.0 eV와 84.5 eV에서 중심을 갖는 두 개의 피크로 나뉘어질 수 있으며, 이들 두 개의 피크는 각각 Au(0)과 Au(I)의 결합 에너지에 대응하는 것이다. 반면에, 질산이 존재하는 환경에서 5,000ppm의 염화수소산을 첨가하면, 상기 두 개의 피크들의 강도가 급격히 줄어들고, 이들 피크들의 중심도 각각 81.2 eV와 86.5 eV로 변이되는데, 이는 염화수소산이 강산화제가 존재하는 환경에서 금 나노입자들을 산화시켰음을 나타내는 것이다.
도 7은 염화수소산을 혼합한 경우(c)와 염화수소산이 존재하지 않는 경우(d)의 금 나노입자의 TEM 이미지를 비교하여 나타낸 것이다. 검출 반응 동안 유발된 형태적인 변화를 TEM 이미지를 통해 확인할 수 있다.
도 7의 (c)와 (d)를 참조하면, 염화수소산을 첨가하기 전에는 입경이 25 내지 35 nm의 범위에 속하는 구형의 금 나노입자의 선명한 이미지를 관찰할 수 있다. 그러나 염화수소산을 첨가한 후에는, 나노입자들의 크기와 밀도(density)가 상당히 감소한 것을 볼 수 있다.
<실험예>
염화수소산 검출(recognition)을 위한 비색 시험(colorimetric test)을 대기압 하 실온에서 수행하였다. 검출 공정은 다음과 같다.
즉, 5ml 유리병에 각 200 μl 금나노입자(Au NP) 분산액을 취하여 1 ml의 중성수와 희석시켰다. 그리고 설정된 양의 산화제(질산 또는 과산화수소)를 상기 분산액에 첨가하였다. 이렇게 준비된 샘플은 30분동안 저장되었다가 자외선-가시광선 스펙트럼을 측정하여 상기 산화제의 첨가가 SP 스펙트럼에 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
그리고 1 ml씩의 다른 무기산과 염들의 샘플들을 상기 금나노입자(Au NP) 분산액이 포함된 유리병에 부가하고 잘 흔든 다음 30분 동안 두었다.
그리고 나서 색상 변화를 육안으로 먼저 확인하고, 자외선-가시광선 분광기에 의해 확인하였다.
도 8a는 질산이 존재하는 환경에서 금 나노입자 분산액에 염화수소산을 추가한 경우와 간섭 가능한 화학물질을 추가한 경우의 효과를 비교하여 나타낸 사진이다. 금 나노입자 분산액의 시각적인 색상 변화를 확인할 수 있다.
금 나노입자 분산액의 짙은 분홍색은 염화수소산의 농도가 증가함에 따라 점진적으로 변화하였다. 염화수소산의 농도가 증가함에 따라 색상변화 속도도 증가하였다. 충분히 많은 양의 염화수소산(2,000ppm 이상)에 대해서는, 혼합액은 15 내지 20 분 내로 무색으로 변화된다. 다른 무기산과 흔히 만나는 염이 존재하는 환경에서도 금 나노입자 분산액의 붉은 색상은 영향을 받지 않는다.
그러나 색상을 변이시키는 몇몇 종류의 화학물질이 있는데, 플루오르화수소산(HF acid)을 첨가하면 상기 혼합액의 색상이 다홍색(pinkish red)에서 연분홍색(light purple)으로 변이되었다. 유사하게, FeCl3 도 약간의 색상 변화를 유발시킨다. 이는 Fe3 + 이온이 수환경에서 노란색을 띠기 때문이다.
그러나 본 실험에서 점검된 다른 화학종들(chemical species)은 염화수소산이 유발한 색상 변화만큼의 현저한 색상 변화를 일으키지는 못했다.
도 8b는 과산화수소가 존재하는 환경에서 금 나노입자 분산액에 염화수소산을 추가한 경우와 간섭 가능한 화학물질을 추가한 경우의 효과를 비교하여 나타낸 사진이다. 상기 질산 대신 과산화수소가 존재하는 경우에도 유사한 색상 변화를 관찰할 수 있었다.
그러나 이 경우에는 색상 변화의 정도는 덜하고 과정에 소요되는 시간은 훨신 더 길었다. 매우 적은 양의 염화수소산이 존재하는 환경에서는 더 늦어질 수도 있다.
기존의 염화수소산 검출기의 단점 중 하나는 염소 이온의 원천(source)를 식별해 내기 어렵다는 것이다. 또한 대부분의 광학 비색센서들은 다른 염 또는 이온(대부분 음이온)에 의해 쉽게 방해 받는다.
본 발명의 시스템이 염화수소산에 대한 특정성(specific)이 있는지 확인하기 위하여 8개의 산, 일반 소금(common salts), 음이온 (황산, 불소산, 아세트산, 염화아연, 염화주석, 염화나트륨, 염화철(III), 인산염, 염소산염, 및 질산염)으로 본 발명의 시스템의 흡수 반응을 측정하였다.
도 9a는 금 나노입자 분산액에 서로 다른 농도의 염화수소산과 다른 종류의 흔히 만나게 되는 화학물질의 추가가 SP (surface plasmon) 스펙트럼의 상대적 감쇄에 미치는 영향을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9a에서 보는 바와 같이, 다른 일반 이온과 염의 존재가 금 나노입자 분산액의 색상 변화를 유발할 수 없다. 오직 염화수소산만이 흡수 스펙트럼에서 현저한 감쇄를 유발할 수 있으며, 다른 화학물질의 존재 하에 어떠한 상당한 색상 변화도 관찰되지 않았다.
한편, 금 나노입자 기반 센서가 일반 자연계에 적용 가능한지 평가하기 위하여, 지하수, 수도물, 강물 및 바다물을 포함하는 실제 물 샘플을 수집하여 상기 본 발명에 따른 염화수소산 검출 시스템을 이용하여 분석하였다.
도 9b는 다양한 수질 샘플에서 분산 금 나노입자에 서로 다른 농도의 염화수소산과 다른 종류의 흔히 만나게 되는 화학물질의 추가가 SP 스펙트럼의 상대적 감쇄에 미치는 영향을 비교하여 나타낸 그래프이다.
상기 실험결과는 본 발명의 실시예에 따른 검출 시스템은 상기 물 샘플에 전혀 의미있는 반응을 하지 않았으며, 따라서 중성수와 유사하게, 이들 실제 물 샘플은 본 발명의 검출 시스템의 성능에 거의 간섭하지 않음을 알 수 있다.
이상 요약하면, 본 발명은 금 나노입자의 흡수 감쇄에 의해 촉발된 염화수소산 용해에 기반한 수환경에서의 염화수소산의 고감도(selective) 인지(認知) 기술에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 공정은 어떤 측정 약품(leveling agent)을 사용하지 않았기에 상기 공정은 단순하고 사용하기 쉬운 방법이라고 할 수 있다.
상기 공정은 일반적으로 만나는 염과 음이온으로부터 높은 분리 감도를 가지며, 자연수계에 직접적으로 사용될 수 있다. 이러한 특징들로 인해 상기 본 발명에 따른 시스템은 산업공해에 노출되기 쉬운 해양 생태계에서 염화수소산의 검사를 위한 가능성 있는 수단이 될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (10)

  1. 금속 나노입자들, 산화제 및 염소이온 중에서 선택된 두 가지 물질을 혼합한 제1 용액을 제공하는 단계;
    상기 금속 나노입자들, 산화제 및 염소이온 중에서 상기 제1 용액에 포함되지 않는 나머지 한 가지 물질을 포함한 제2 용액을 제공하는 단계;
    상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하여 혼합액을 준비하는 단계;
    상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)하는 단계
    를 포함하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 용액은 금속 나노입자들과 산화제를 혼합한 검출용액으로 제공되고,
    상기 제2 용액은 염소이온이 함유된 검출대상물로 제공되며,
    상기 검출용액을 상기 검출대상물에 혼합하고 색상 변화를 검측하여, 상기 검출대상물의 염소이온을 검출하는 것을 특징으로 하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 검출대상물은 염소이온을 포함하는 해수, 시냇물, 연못물, 수도물, 중성수 중에서 적어도 하나를 포함하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 용액은 금속 나노입자들과 염소이온을 혼합한 검출용액으로 제공되고,
    상기 제2 용액은 산화제가 함유된 검출대상물로 제공되며,
    상기 검출용액을 상기 검출대상물에 혼합하고 색상 변화를 검측하여, 상기 검출대상물의 산화제를 검출하는 것을 특징으로 하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 용액은 산화제와 염소이온을 혼합한 검출용액으로 제공되고,
    상기 제2 용액은 금속 나노입자가 함유된 검출대상물로 제공되며,
    상기 검출용액을 상기 검출대상물에 혼합하고 색상 변화를 검측하여, 상기 검출대상물의 금속 나노입자를 검출하는 것을 특징으로 하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자들의 직경은 10 내지 100 nm의 범위에 속하도록 형성되는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자들의 직경은 20 내지 30 nm의 범위에 속하도록 형성되는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자들은 금(Au) 나노입자들 또는 은(Ag) 나노입자들 중에서 적어도 하나를 포함하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화제는 질산(HNO3) 또는 과산화수소(H2O2) 중에서 적어도 하나를 포함하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합액의 색상 변화를 검측(檢測)하는 단계는,
    상기 검출용액과 상기 검출대상물을 혼합하고 기 설정된 시간 동안 방치한 후, 혼합 전(前)의 상기 검출대상물과 비교하여 색상 변화를 검측하는 것을 특징으로 하는 색상 변화를 이용한 검출방법.
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