KR101252506B1

KR101252506B1 - 납 이온 선택성을 갖는 폴리아세틸렌 초분자체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 납 이온 검출방법

Info

Publication number: KR101252506B1
Application number: KR1020110017229A
Authority: KR
Inventors: 윤주영; 첸샤오창; 이경미
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2013-04-09
Also published as: KR20120097794A

Abstract

본 발명은 폴리아세틸렌 초분자체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 납 이온 검출방법에 관한 것으로, N-헤테로고리 헤드 그룹을 갖는 폴리아세틸렌 초분자체는 100% 수용액 하에서 납 이온에 대해 선택적 비색 및 형광 반응을 나타내는 육안으로 납 이온 검출이 가능하다.

Description

납 이온 선택성을 갖는 폴리아세틸렌 초분자체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 납 이온 검출방법{Polyacetylene supramolecules having selectivity for lead ion, preparation method thereof and detection method of lead ion using the same}

본 발명은 100% 수용액 하에서 납 이온에 대해 선택적 비색 및 형광 반응을 나타내는 N-헤테로고리 헤드 그룹을 갖는 폴리아세틸렌 초분자체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 납 이온 검출방법에 관한 것이다.

흡착, 방출 및 산화-환원 특성에 의해 집중적으로 연구되어 온 공액 고분자 기반 센서는 환경 동요에 민감하다. 그들 중, 공액 고분자의 일종인 폴리다이아세틸렌(polydiacetylenes, PDAs)은 몇 가지 양상에서 매우 흥미로운 물질들이다. PDA는 짙은 파란색을 나타내고, 파란색 PDA는 환경 자극 시 붉은색 상으로의 색 이동을 겪을 수 있다. 자극에 의해 생기는 PDA의 명백한 파란색의 붉은색으로의 전이는 다양한 PDA 기반 화학센서의 개발을 이르게 하였다. 그리하여, 생물학적, 화학적 및 환경적으로 중요한 표적 분자, 예를 들어, DNA, 바이러스, 음이온, 금속 이온, 및 계면활성제 등의 비색 검출이 보고되었다.

금속 이온 중, 납 이온은 납 노출 특히 아이들에 대한 건강에 해로운 효과로 인해 중요한 표적 중 하나이다. 납 노출은 기억 상실, 과민성, 빈혈, 근육 마비 및 정신지체를 유발할 수 있다. 그러나, 납은 배터리, 가솔린, 색소 등에서 예전부터 사용되고 있어 환경에서 쉽게 부딪힐 수 있다. 1996년, WHO는 음용수 내 최대 납 함량을 10mg/L로 제한하는 가이드라인을 세웠다. 현재 납 검출 방법, 예를 들어, 원자흡광광도법, 유도결합 플라즈마 질량 분석법 및 다른 방법들은 비용과 시간이 소요되는 과정들이어서 납을 검출하는 간단한 방법이 요구되는 실정이다.

비록 지난 수십 년간 다양한 금속 이온들에 대한 형광 화학센서들을 개발하고자 하는 주목할만한 노력들이 있어왔으나, 납 이온에 선택적인 형광 화학센서들에 대한 보고들은 상대적으로 적었다. 현재 프로브들은 DNAzyme, 펩타이드, 단백질, 고분자 및 소분자들을 기반으로 한다. 그러나, 대부분의 상기 소분자 기반 프로브들은 유기용매 또는 유기-물 혼합용매에서 수행되며, DNAzyme 또는 단백질 기반 프로브들은 높은 선택성을 나타내기는 하나 소분자 또는 고분자 기반 센서들에 비해 복잡한 공정을 요구한다.

납 선택적 형광 센서들과 비교하여, 납 선택적 비색 센서들은 거의 없고, 특히 수용액에서 수행하는 비색 센서들은 보고된 바 없다.

본 발명의 목적은 폴리아세틸렌 초분자체를 이용하여 선택적으로 납 이온을 비색 또는 형광 검출할 수 있는 폴리아세틸렌 초분자체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 납 이온의 검출방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다:

[화학식 1]

상기 식에서,

R₁는 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,

R₃및 R₄는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 나타내고,

X는 -CONH(CH₂)CH₂-를 나타낸다.

본 발명은 또한 구조 내에 하기 화학식 2의 구조를 포함하는 폴리아세틸렌 초분자체를 제공한다:

[화학식 2]

상기 식에서,

R₁는 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,

R₅는 -COOH 를 나타내고,

X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.

본 발명은 또한 하기 화학식 1의 화합물 및 하기 화학식 3의 화합물을 혼합하여 중합하는 단계를 포함하는 폴리아세틸렌 초분자체의 제조방법을 제공한다:

[화학식 1]

[화학식 3]

상기 식에서,

R₁은 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,

R₅는 -COOH 를 나타내고,

X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 폴리아세틸렌 초분자체를 포함하는 납 이온 검출용 센서를 제공한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 폴리아세틸렌 초분자체를 포함하는 납 이온 검출용 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체를 사용하여 납 이온을 검출하는 방법을 제공한다.

본 발명은 수용액 내에서 폴리아세틸렌 초분자체를 기초로 한 납 이온에 대한 화학센서 시스템을 개발한 것으로, 납 이온이 폴리아세틸렌 초분자체의 백본 구조를 방해하여 중합으로 인해 생성된 알킬 사이드 체인의 변형 에너지의 방출을 유도함으로써 잘 배열된 p-오비탈의 부분 뒤틀림으로 인해 비색 및 형광 변화를 일으키는 납 이온에 대한 선택성을 이용한 것이다.

도 1은 CDCl₃에서 본 발명의 다이아세틸렌 단량체(PCDA-DPA-1)의 ¹H NMR (250 MHz)를 나타낸 것이다.
도 2는 CDCl₃에서 본 발명의 다이아세틸렌 단량체(PCDA-DPA-1)의 ¹³C NMR (62.5 MHz)를 나타낸 것이다.
도 3은 25℃에서 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 UV 조사 전 본 발명의 다이아세틸렌 베지클 용액의 평균 크기 분포를 나타낸 것이다.
도 4는 25℃에서 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 UV 조사 후 본 발명의 폴리아세틸렌 베지클 용액의 평균 크기 분포를 나타낸 것이다.
도 5는 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 다양한 금속 양이온들 존재 하에서 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체(PCDA-DPA-1:PCDA-Acid=1:9)(a) 및 다이아세틸렌 단량체(PCDA-Acid) 유래의 폴리아세틸렌 초분자체(200 μM)(b)의 비색 반응과, HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 Pb²⁺의 농도 별 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체(PCDA-DPA-1:PCDA-Acid=1:9)(200 μM)의 비색반응을 나타낸 것이다(c).
도 6은 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 납 이온의 농도 별 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체(PCDA-DPA-1:PCDA-Acid=1:9)(50 μM)의 흡광 분광 모니터링 결과(a)와, HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 납 이온과 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체(PCDA-DPA-1:PCDA-Acid=1:9)(50 μM)의 형광 적정 결과를 나타낸 것이다(b)(여기파장: 530 nm, 슬릿: 5 nm/5 nm).
도 7은 HEPES (10 mM, pH 7.4) 완충용액에서 납 이온의 농도 별 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체(PCDA-DPA-1:PCDA-Acid=1:9)(50μM)의 정량 비색 반응을 나타낸 것이다.

이하 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물에 관한 것이다:

[화학식 1]

상기 식에서,

R₁는 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,

X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.

본 발명의 화합물의 치환체 정의에 사용된 용어는 하기와 같다.

"알킬"은 다른 기재가 없는 한, 탄소수 1 내지 30의 직쇄 또는 분지쇄 또는 고리형의 포화 탄화수소를 가리킨다. C_1-30 알킬기의 예는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노닐, 데실, 이소프로필, 이소부틸, sec-부틸 및 tert-부틸, 이소펜틸, 네오펜틸, 이소헥실, 이소헵틸, 이소옥틸, 이소노닐 및 이소데실이 포함되나, 이들에 제한되지 않는다. 또한 상기 알킬은 "시클로알킬"을 포함한다. 상기 시클로알킬은 다른 기재가 없는 한, 탄소수 3 내지 12의 비방향족, 포화 탄화 수소환으로서 단일환 및 융합환을 포함한다. C_3-12 시클로알킬의 대표적 예는 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실, 시클로헵틸 및 시클로옥틸이 포함되나, 이들에 제한되지 않는다.

"알킬렌"은 상기 알킬로 부터 유도된 2가의 유기로서, 바람직한 탄소수의 범위는 상기 알킬과 동일하다.

상기 화학식 1의 화합물은 구체적으로는, 상기 R₁는 탄소수 3 내지 18의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 3 내지 18의 알킬렌기를 나타낼 수 있다.

가장 구체적으로는, 화학식 1의 화합물은 상기 R₁는 탄소수 6 내지 16의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 4 내지 10의 알킬렌기를 나타낼 수 있다.

본 발명의 화학식 1의 화합물은 다이-(2-피코일) 아민 유도체가 다이아세틸렌과 결합하여 헤드 그룹을 형성하며 자기 조립이 가능하여 100% 수용액 상에서 간단하게 고분자가 제조될 수 있는 특징이 있다.

상기 화학식 1의 화합물의 자기 조립에 의한 리포좀의 직경은 80 내지 500 nm, 보다 구체적으로는 90 내지 250 nm정도 일 수 있다.

상기 화학식 1의 화합물은 다이아세틸렌과 다이-(2-피코일) 아민 유도체의 아민기를 반응시켜 제조할 수 있다.

상기 다이아세틸렌은 다이-(2-피코일) 아민 유도체의 아민기와 반응할 수 있는 작용기를 갖는 다이아세틸렌이라면 특별히 제한하지는 않으며 예를 들어, 10, 12-펜타코사디이노산 (pentacosadiynoic acid), 5, 7-에이코사디이노산 (eicosadiynoic acid), 2, 4-헵타코사디이노산 (heptacosadiynoic acid) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 다이-(2-피코일) 아민 유도체로 (2-아미노에틸)비스(2-피리딜메틸)아민 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 일 구체예에 따른 화학식 1의 다이아세틸렌 단량체의 제조방법은 하기 반응식 1에 따라 제조될 수 있다:

[반응식 1]

상기 반응식 1에 따르면, 메틸렌 클로라이드/티오닐 클로라이드 용매에 녹인 다이아세틸렌 용액을 환류시킨 후, 다이-(2-피코일) 아민 유도체와 반응시켜 화학식 1의 다이아세틸렌 단량체를 합성한다.

또한, 상기 화학식 1의 화합물을 이용한 중합 과정을 통해 구조 내에 하기 화학식 2의 구조를 포함하는 폴리아세틸렌 초분자체를 형성할 수 있다:

[화학식 2]

상기 식에서,

R₁는 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,

R₅는 -COOH 를 나타내고,

X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.

상기 폴리아세틸렌 초분자체는 구체적으로는, R₁는 탄소수 3 내지 18의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 3 내지 18의 알킬렌기를 나타낼 수 있다.

가장 구체적으로는, 상기 폴리아세틸렌 초분자체는 R₁는 탄소수 6 내지 16의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 4 내지 10의 알킬렌기를 나타낼 수 있다.

상기 폴리아세틸렌 초분자체의 제조방법은 구체적으로 하기 화학식 1의 화합물 및 하기 화학식 3의 화합물의 혼합 용액을 중합시켜 제조할 수 있다:

[화학식 1]

[화학식 3]

상기 식에서,

R₁은 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,

R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,

R₅는 -COOH 를 나타내고,

X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.

상기 화학식 1의 화합물 및 화학식 3의 화합물은 1:7 내지 1: 10의 중량 비율로 혼합하는 것이 좋다. 상기 범위내일 경우 상온에서 안정하며, 상기 범위를 벗어날 경우 고분자가 광중합 이후에 자체적으로 색이 변할 수 있기 때문이다.

상기 중합은 통상의 고분자 중합 과정을 거쳐 실시할 수 있어 특별히 제한하지는 않으며, 예를 들어, 254 nm UV 선을 조사하여 광 중합을 실시할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 따른 폴리아세틸렌 초분자체의 제조방법은 하기 반응식 2에 따라 제조될 수 있다:

[반응식 2]

상기 폴리아세틸렌 초분자체는 다이아세틸렌 중합 동안 리포좀의 크기가 수축되어 직경이 50 내지 300 nm, 보다 구체적으로는 55 내지 90 nm일 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체를 포함하는 납 이온 검출용 센서에 관한 것이다.

상기 폴리아세틸렌 초분자체는 파란색을 띠지만 납 이온이 폴리아세틸렌 고분자의 백본을 방해할 수 있어 중합 동안 생성된 알킬 사이드 체인 상에 부과된 변형 에너지의 방출을 유발한다. 사이드 체인의 변형 에너지의 방출은 잘 배열된 p-오비탈의 부분 뒤틀림을 유발하여 폴리아세틸렌 초분자체의 색전이를 유도함으로써 붉은색으로 변하게 된다. 이러한 색전이는 육안으로 관찰 가능할 뿐만 아니라 좁은 영역 내에서의 반응에 대한 변화는 광학현미경 등을 통해 확인할 수 있다. 또한, 붉은색으로의 변화는 형광으로도 검출이 가능하다. 이러한 색전이는 납 이온 농도 의존적인 경향을 나타낸다. 이러한 색전이의 정도를 수치화하면 납 이온의 농도도 계산할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 납 이온 하에서 상기 폴리아세틸렌 초분자체는 파란색의 붉은색으로의 색전이를 나타내어 620 nm에서 흡광도는 감소하고 540 nm에서의 흡광도가 증가한다. 또한, 납 이온 하에서 형광 강도 역시 증가한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 폴리아세틸렌 초분자체는 Ca²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺ 등의 다양한 금속 이온들에 대해서는 색전이를 나타내지 않으나, 납 이온과 반응시키면 농도 의존적으로 붉은색으로의 색전이를 나타내고, 형광 강도의 증가를 나타낸다.

따라서, 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체는 100% 수용액 하에서 납 이온을 선택적으로 검출할 수 있는 비색 또는 형광 센서로 사용할 수 있다.

본 발명의 납 이온 검출용 센서는 납 이온을 검출하고자 하는 시료용액과 혼합하여 납 이온의 유무 및 농도를 확인할 수 있는 통상의 키트로 제공될 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 폴리아세틸렌 초분자체를 포함하는 납 이온 검출용 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 납 이온 검출용 조성물은 본 발명의 폴리아세틸렌 초분자체 외에 완충용액을 포함할 수 있다. 완충용액의 종류 및 농도는 특별히 제한되지 아니하나, 상기 납 이온 검출용 조성물의 적용 용도에 따라 적절히 변경할 수 있을 것이다. 보다 구체적으로는, pH 6 내지 10의 완충용액일 수 있다. 가장 구체적으로는, HEPES 완충용액을 사용할 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 폴리아세틸렌 초분자체를 사용하여 납 이온을 검출하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 폴리아세틸렌 초분자체는 수용액 내에서 파란색을 띠나 납 이온을 첨가할 경우 선택적으로 붉은색으로 변화하므로 육안으로 비색 변화를 관찰하거나, 형광 강도 증가를 측정하여 납 이온을 검출할 수 있다.

또한, 납 이온의 검출은 100% 수용액 하에서 실시되므로 환경에서, 세포내 납 성분의 축적 등을 검출하는데 쉽게 적용할 수 있다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1> 다이아세틸렌 단량체의 제조

다이아세틸렌 단량체를 제조하기 위한 출발물질로 10,12-펜타코사디이노산(10,12-pentacosadiynoic acid)와 (2-아미노에틸)비스(2-피리딜메틸)아민 ((2-aminoethyl)bis(2-pyridylmethyl)amine)을 사용하였다(반응식 1 참조).

실온에서 10mL의 메틸렌 클로라이드에 녹인 0.50092 g (1.34 mmol)의 10,12-펜타코사디이노산(10,12-pentacosadiynoic acid) 용액에 1 mL (13.7 mmol)의 티오닐 클로라이드(thionyl chloride)를 한 방울씩 부가하였다. 혼합 용액을 4시간 동안 환류시키고, 진공 하에서 용매를 증발시킨 후, 잔류물은 10 mL의 메틸렌 클로라이드에서 재용해시켰다. 상기 용액을 10mL의 메틸렌 클로라이드에 녹인 390 mg (1.61 mmol)의 (2-아미노에틸)비스(2-피리딜메틸)아민 ((2-aminoethyl)bis(2-pyridylmethyl)amine) 용액에 한 방울씩 부가하고, 혼합 용액을 실온에서 오버나이트 동안 교반하였다. 진공 하에서 용매를 제거하고, 잔류물은 알루미늄 컬럼 크로마토그래피(230-400 mesh ASTM; Merck, CH₂Cl₂/CH₃OH 100:1) 에서 정제하여, 410 mg (51%)의 N-(2-(bis(pyridin-2-ylmethyl)amino)ethyl)pentacosa-10,12 diynamide (PCDA-DPA-1)을 수득하였다. Thin layer chromatography (TLC)는 두께가 1mm인 Merck 60 F ₂₅₄ 플레이트를 사용하여 실시하였다. ¹H NMR 및 ¹³C NMR 스펙트럼은 Brucker 250 or Varian 500에서 기록하였다. 질량 스펙트럼은 JMS-HX 110A/110A Tandem Mass Spectrometer(JEOL)에서 얻었다. 다이아세틸렌 단량체의 분광 데이터는 다음과 같다(도 1 및 2 참조):

PCDA-DPA-1 : ¹H NMR (250 MHz, CDCl₃) δ(ppm): 0.78-0.83 (t, J= 6.3 Hz, 3H), 1.18-1.58 (m, 32H),1.93 (s, 1H) , 2.12-2.19 (m, 6H), 2.65-2.69 (t, J= 5.8 Hz, 2H), 3.24-3.31 (m, 2H), 3.81 (s, 4H), 7.10-7.11 (m, 2H), 7.25-7.28 (d, J= 7.9 Hz, 2H), 7.52-7.56(td, J= 7.7 Hz, J=1.8 Hz, 2H), 8.47-8.85 (dq, J= 4.9 Hz, J= 0.8 Hz, 2H);

¹³C NMR (250 MHz, CDCl₃) δ(ppm) 173.10, 159.18, 149.14, 136.51, 123.19, 122.20, 65.26, 65.18, 59.89, 52.43, 37.41, 36.92, 31.91, 29.63, 29.61, 29.48, 29.42, 29.35, 29.28, 29.10, 28.86, 28.81, 28.34, 28.31, 22.69, 19.20, 14.14;

HRMS (FAB) m/z 598.4673 (C₃₉H₅₈N₄O requires 598. 4778).

<실시예 2> 다이아세틸렌의 조립 및 광중합

2-넥 라운드 바텀 플라스크에서 상기 실시예 1의 PCDA-DPA-1 및 PCDA-Acid(10,12-pentacosadiynoic acid)를 1:9의 중량 비율로 포함하는 혼합 용액을 20 mL의 메틸렌 클로라이드에 용해시켰다. 질소 가스 하에서 상기 용매를 완전히 증발시키고, 1mM 지질 용액이 되도록 완충된 수용액(HEPES, 10 mM pH7.4)을 부가하였다. 상기 용액은 80℃에서 40분 동안 초음파처리하고, 시린지 필터를 통해 지질 응집체들을 제거한 후, 0℃에서 오버나이트 동안 냉각 및 저장하였다. 실온에서 다이아세틸렌 단량체에 254 nm UV 선을 조사(1 mW cm^-2)하여 중합한 결과, 파란색을 띠는 폴리아세틸렌 초분자체가 형성되었다(반응식 2 참조).

<실험예 1> 입자 크기 측정 및 SEM 이미지 연구

25℃에서 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 리포좀 용액 응집체들의 외견상의 크기는 동적 광 산란(dynamic light scattering) 장치(ALV 5000-60x0, Zetasizer nano ZS, Malvern instrument Ltd. Malvern, UK)에서 연구하였다. 직경 값은 5분 간격으로 3회 측정치들의 평균값이다.

SEM 이미지는 5.0 또는 10.0 keV에서 작동시킨 전계방출주사전자현미경(JMS-6700F, JEOL)에서 얻었다.

도 3 및 4에 나타난 바와 같이, UV 선을 조사하기 전, 리포좀 입자는 90 nm의 평균 크기를 갖고 있다(도 3). 254 nm UV 선을 조사하는 동안 베지클 크기는 60 nm까지 수축하였다(도 4).

<제조예 1> 금속 이온 용액의 제조

증류수에서 금속 염의 스톡 용액(1mM)을 제조하였다. 또한, 리포좀의 스톡 용액(1mM)은 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 제조하였다. 비색 반응을 위해 Pb²⁺, Ca²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Hg²⁺ 의 염화염 및 K⁺, Li⁺, Ag⁺, Cs⁺, Al³⁺, Cr³⁺ 및 Cu²⁺의 과염소산염을 사용하였다. UV 및 형광 스펙트럼을 조사하기 전에, 금속 염이 부가된 용액은 5분 동안 평형화시켰다.

<실험예 2> 금속 이온들에 대한 비색 반응 조사

PDA 현탁액을 제조한 후, 금속 이온들의 비색 반응을 조사하였다. 750 ㎕의 리포좀(200 μM)을 실험관에 정치하여 50 μM의 스톡 용액을 제조하고, 2250 ㎕의 10 mM HEPES (pH 7.4)로 상기 용액을 희석하였다. UV 적정은 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 PDA-DPA의 50 μM 용액을 이용하여 수행하였다. 파란색에서 붉은색으로의 PDA-DPA의 색 변화는 하기 식에 따라 비색 반응(colorimetric response, CR)을 계산하였다:

CR = [(PB₀ － PB₁)/PB₀] ×100

여기서, PB = A_blue/(A_blue + A_red)이고, A는 UV-vis 스펙트럼에서 파란색 성분 또는 붉은색 성분에서의 흡광도이다. PB₀ 및 PB₁은 각각 노출 전 및 후의 값을 나타낸다. UV 흡광 스펙트럼은 UVIKON 933 Double Beam UV/VIS Spectrometer에서 얻었다.

도 5a에 나타난 바와 같이, 다양한 금속 양이온들, 예를 들어, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Mg²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺ 및 Zn²⁺ 를 포함하는 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 PDA-DPA-1(200 μM)는 납 이온에 대해서만 파란색에서 붉은색으로의 전이를 선택적이고 명확하게 나타냈다.

대조군 실험을 위해 PCDA-Acid만을 이용한 폴리아세틸렌 초분자체를 제조하였다. PCDA-Acid 유래 초분자체는 금속 이온들에 대해 어떠한 유의적인 변화들을 나타내지 않아(도 5b), 명확한 비색 전이를 유발하기 위해서는 실시예 1에서 제조된 PCDA-DPA-1 단량체가 필요함을 입증하였다.

도 5c는 HEPES (10 mM, pH 7.4)에서 다양한 함량의 납 이온 하에서 고분자 PDA-DPA-1 (100 μM)의 농도 의존적 비색 변화를 나타낸 것으로, 납 이온의 존재는 육안으로 모니터링할 수 있음을 알 수 있었다.

납에 의한 PDA의 상 전이는 또한 흡광 분광 광도법에 의해 추가로 모니터링 하였다.

도 6a에 나타난 바와 같이, Pb²⁺ 를 부가하면 620 nm에서 흡광도가 감소하며, 동시에 540 nm에서 흡광도의 증가가 일어나는데, 이는 본 발명의 시스템이 PDA 센서의 전형적인 파란색의 붉은색으로의 전이를 나타냄을 입증하는 것이다.

도 7은 도 6a에서 이들 납 이온에 대해 기록된 흡광 스펙트럼으로부터 납 이온에 대해 계산된 비색 반응 값의 대표 비율(CR %)을 나타낸 것으로, CR은 비색 고분자에 실험 분석물질을 부가한 후 흡광 스펙트럼에서의 변화를 반영하는 파라미터이다.

0 내지 11 μM의 범위 내에서 CR 값과 납 이온의 온도 간에 직선 관계가 관찰되었다.

<실험예 3> 형광 스펙트럼 조사

PDA의 파란색의 붉은색으로의 전이는 형광의 발생을 동반하기 때문에, 형광 스펙트럼을 통해 납에 의한 전이를 모니터링 하였다.

PDAs(50 μM)의 스톡 용액은 750 ㎕의 초분자체(200 μM) 및 2250 ㎕의 HEPES 완충용액(10 mM, pH 7.4)을 혼합하여 제조하였다. 여기 및 방출 슬릿 너비는 둘 다 5 nm/5 nm였다. 형광 스펙트럼은 분석물질을 부가한 후 5분 동안 측정하였다. 형광 방출 스펙트럼은 RF-5301/PC Spectrofluorophotometer (Shimadzu)에서 얻었다.

도 6b에 나타난 바와 같이, 중합된PDA-DPA-1(50 μM)는 납 이온에 의해 큰 형광 증가를 생성하였다. PDA의 형광 스펙트럼은 0 내지 9 μM의 Pb²⁺에서 점차적인 증가를 나타냈다. 50 μM의 파란색의 PDA를 이용하여 납 이온의 함량 별로 방출 변화를 모니터링한 결과, 검출 한계는 0.8 ppm인 것으로 평가되었다. 이때 시그널 노이즈는 3dB였다.

PDA-DPA-1의 납 이온 선택성은 DPA 유닛과 인접한 PCDA-Acid 모이어티의 카르복실산 카르보닐기와 납 이온의 상호작용때문일 수 있다. 납 이온의 부가는 PDA 고분자의 백본을 방해할 수 있어 중합 동안 생성된 알킬 사이드 체인 상에 부과된 변형 에너지의 방출을 유발한다. 사이드 체인의 변형 에너지의 방출은 잘 배열된 p-오비탈의 부분 뒤틀림을 유발하여 광학적 특징들에서의 관찰된 변화를 유도할 수 있다.

상술한 바와 같이, 수용액에서 납 이온을 검출할 수 있는 새로운 PDA 기반 화학 센서 시스템은 형광 증가뿐만 아니라 파란색의 붉은색으로의 선택적 비색 변화를 나타내어 납 이온의 존재를 육안으로 쉽게 검출할 수 있다.

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 화합물:
[화학식 1]

상기 식에서,
R₁는 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,
R₃및 R₄는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 나타내고,
X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.
제1항에 있어서,
R₁는 탄소수 3 내지 18의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 3 내지 18의 알킬렌기를 나타내는 화합물.
제1항에 있어서,
R₁는 탄소수 6 내지 16의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 4 내지 10의 알킬렌기를 나타내는 화합물.
구조 내에 하기 화학식 2의 구조를 포함하는 폴리아세틸렌 초분자체:
[화학식 2]

상기 식에서,
R₁는 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,
R₃및 R₄는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 나타내고,
R₅는 -COOH 를 나타내고,
X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.
제4항에 있어서,
R₁는 탄소수 3 내지 18의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 3 내지 18의 알킬렌기를 나타내는 폴리아세틸렌 초분자체.
제4항에 있어서,
R₁는 탄소수 6 내지 16의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 4 내지 10의 알킬렌기를 나타내는 폴리아세틸렌 초분자체.
하기 화학식 1의 화합물 및 하기 화학식 3의 화합물을 혼합하여 중합하는 단계를 포함하는 폴리아세틸렌 초분자체의 제조방법:
[화학식 1]

[화학식 3]

상기 식에서,
R₁은 탄소수 1 내지 30의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기를 나타내며,
R₃및 R₄는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 나타내고,
R₅는 -COOH 를 나타내고,
X는 -CONH(CH₂)CH₂- 를 나타낸다.
제7항에 있어서,
R₁은 탄소수 3 내지 18의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 3 내지 18의 알킬렌기를 나타내는 폴리아세틸렌 초분자체의 제조방법.
제7항에 있어서,
R₁은 탄소수 6 내지 16의 알킬기를 나타내고,
R₂는 탄소수 4 내지 10의 알킬렌기를 나타내는 폴리아세틸렌 초분자체의 제조방법.
제7항에 있어서,
화학식 1의 화합물 및 화학식 3의 화합물은 1:7내지 1:10의 중량 비율로 혼합하는 폴리아세틸렌 초분자체의 제조방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 폴리아세틸렌 초분자체를 포함하는 납 이온 검출용 센서.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 폴리아세틸렌 초분자체를 포함하는 납 이온 검출용 조성물.
제12항에 있어서,
pH 6 내지 8의 완충용액을 더 포함하는 납 이온 검출용 조성물.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 폴리아세틸렌 초분자체를 사용하여 납 이온을 검출하는 방법.
제14항에 있어서,
납 이온의 검출은 육안으로 비색 변화를 관찰하거나, 형광 강도 증가를 측정하는 것인 납 이온을 검출하는 방법.