KR101292649B1 - 납 이온 검출용 나노입자 및 이를 이용한 납 이온 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 납 이온 검출용 나노입자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 납 이온의 검출 방법에 관한 것이다. 본 발명의 납 이온 검출용 나노입자는 납 이온에 대해 높은 선택성을 가지고 있어, 다른 금속 이온의 존재 시에도 납 이온에 대해서만 선택적으로 검출할 수 있고, 납 이온에 대해 높은 민감성을 가지고 있어, 매우 작은 양의 납 이온도 검출할 수 있다. 또한, 본 발명의 납 이온 검출 방법은 별도의 염을 추가하는 공정이 필요하지 않으며, 반응 온도 및 반응 매체의 속성 등 검출 조건에 대한 제약이 없어, 시료에 납 이온이 존재하는지 여부를 육안으로 간단하게 확인할 수 있다.
Description
본 발명은, 납 이온 검출용 나노입자 및 이를 이용한 납 이온 검출 방법에 관한 것이다.
납은 여러 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있으나, 인체의 건강과 환경오염 측면에서 규제하고 있는 대표적인 중금속이다. 그 이유는 납이 인체에 흡수되면 다시 체외로 배출되지 않고 축적되어 인체 내 여러 생리 대사 반응에 부정적인 영향을 미치기 때문이다. 납은 낮은 녹는점, 고밀도, 공기 및 물에서의 약한 화학적 반응성 등 물리화학적인 측면에서 여러 산업 용품에 사용되기 쉽기 때문에 아직도 다양하게 사용되고 있다. 이러한 납 중독은 두통과 어지러움증을 유발하고, 심장, 신장 및 신경계 등에 치명적인 위험을 초래할 수 있으며, 특히 어린이들이 납에 중독된 경우에는 학습 및 행동 발달이 저해될 수 있다. 납 중독의 주요 요인으로는 오래된 건축물에 사용된 납 함유 페인트, 오염된 토양과 물 및 직업적으로 납에 노출되기 쉬운 열악한 작업 환경 등을 들 수 있다.
이에 최근 몇 년 동안, 납을 검출하는 방안에 대해서 상당한 이목이 집중되고 있고, 유기 염료를 이용한 납 이온 검출 센서가 많이 개발되어 왔다. 특히 납 이온을 검출하기 위한 나노입자는 납 이온의 유무에 따라 색 변화를 나타내기 때문에 육안으로 확인이 가능하고, 형광 프로브에 견줄 만한 민감성을 가지고 있기 때문에, 최근에 많은 연구가 진행되고 있다.
한편, 금 나노입자는 유기 염료 분자보다 103 배 내지 105 배 높은 흡수 계수(extinction coefficients)를 가지기 때문에, 나노입자 개발에 있어서 좋은 발색 염료가 될 수 있다. 금 나노입자는 단일 입자로서 존재 시에는 적색을 띠지만, 나노입자 집합체를 형성 시에는 청색을 띠는 거리-의존적 광학 특성을 지니고 있다.
지금까지 DNA 효소로 활성화된 금 나노입자(Accelerated color change of gold nanoparticles assembled by DNAzymes for simple and fast colorimetric Pb2+ detection, JACS, 2004,126(39)) 및 글루타티온으로 활성화된 금 나노입자(Colorimetric detection of Pb2+ using glutathione functionalized gold nanoparticles, ACS, Appl, Mater. Interfaces, 2010, 2(5)) 등 금 노입자를 이용한 납 이온 검출용 나노입자가 여러 가지 개발되었다.
상기 DNA 효소로 활성화된 금 나노입자는, 납 이온 의존적인 DNA 효소 및 금 나노입자와 혼성화되어 있는 DNA 효소의 기질을 결합한 납 이온 검출용 나노입자로서, 납 이온이 없을 때에는 금 나노입자들이 집합체를 형성하여 청색을 띠고 있지만, 납 이온이 존재 시에는 DNA 효소가 활성화되어, 상기 금 나노입자가 혼성화된 기질을 분해함으로써 금 나노입자의 집합체 형성을 막아 적색을 띠게 된다. 그러나, DNA 효소로 활성화된 금 나노입자는 촉매 반응에 의존하기 때문에 pH, 온도 및 반응 매체의 조성 등 다양한 조건에 의해 영향을 받는 제한이 따른다.
상기 글루타티온으로 활성화된 금 나노입자는, 금 나노입자를 글루타티온으로 표면 개질하여 제조한 납 이온 검출용 나노입자로서, 납 이온이 없을 시에는 단일 입자로서 존재하면서 적색을 띠지만, 납 이온 존재 시에는 글루타티온과 납 이온 간의 결합에 의해 금 나노입자들이 집합체를 형성하여 청색을 띠게 된다. 그러나, 글루타티온으로 활성화된 금 나노입자는 별도의 염(ex. NaCl 등) 용액을 추가해야 하는 단점이 있다.
이에 따라, 촉매 반응에 따른 제약 및 별도의 염 추가 등 특정한 제한이 따르지 않고, 간단하게 납 이온을 검출할 수 있는 나노입자의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 납 이온 검출용 나노입자, 이의 제조 방법, 이를 이용한 납 이온 검출 방법 및 납 이온 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 금 나노입자; 및 상기 금 나노입자의 표면에 결합된 알킬 포스페이트를 포함하는 납 이온 검출용 나노입자를 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 단계를 포함하는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 색 변화를 관찰하는 단계를 포함하는 납 이온의 검출 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 자외선/가시광선 스펙트럼을 측정하는 단계를 포함하는 납 이온의 검출 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자를 포함하는 납 이온 센서를 제공한다.
본 발명의 납 이온 검출용 나노입자는 납 이온에 대해 높은 선택성을 가지고 있어, 다른 금속 이온의 존재 시에도 납 이온에 대해서만 반응을 나타내고, 납 이온에 대해 높은 민감성을 가지고 있어, 매우 작은 양의 납 이온도 검출할 수 있다. 또한, 본 발명의 납 이온 검출 방법은 별도의 염을 추가하는 공정이 필요하지 않으며, 반응 온도 및 반응 매체의 속성 등 반응 조건에 대한 제약이 없어, 시료에 납 이온이 존재하는지 여부를 육안으로 간단하게 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 납 이온의 농도별 시간 변화에 따른 520 nm 파장에서의 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자의 흡광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 납 이온의 농도 변화에 따른 520 nm 파장에서의 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자의 흡광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 다양한 금속 이온의 존재하에서 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액의 가시광선 파장 변화에 따른 흡광 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
도 5는 다양한 금속 이온의 첨가에 따른 680 nm 파장에서의 납 이온 검출용 나노입자의 흡광도 및 520 nm 파장에서의 납 이온 검출용 나노입자의 흡광도 비율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우의 색 변화를 나타내는 사진이다.
도 7은 납 이온과 다른 금속 이온을 혼합한 혼합 이온의 존재하에서 납 이온 검출용 나노입자 용액의 가시광선 파장 변화에 따른 흡광 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
도 8은 납 이온 용액만을 첨가한 경우의 흡광도 대비 납 이온 및 다른 금속 이온의 혼합 용액을 첨가한 경우의 흡광도를 비교한 그래프이다.
도 2는 납 이온의 농도별 시간 변화에 따른 520 nm 파장에서의 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자의 흡광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 납 이온의 농도 변화에 따른 520 nm 파장에서의 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자의 흡광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 다양한 금속 이온의 존재하에서 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액의 가시광선 파장 변화에 따른 흡광 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
도 5는 다양한 금속 이온의 첨가에 따른 680 nm 파장에서의 납 이온 검출용 나노입자의 흡광도 및 520 nm 파장에서의 납 이온 검출용 나노입자의 흡광도 비율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우의 색 변화를 나타내는 사진이다.
도 7은 납 이온과 다른 금속 이온을 혼합한 혼합 이온의 존재하에서 납 이온 검출용 나노입자 용액의 가시광선 파장 변화에 따른 흡광 스펙트럼을 측정한 그래프이다.
도 8은 납 이온 용액만을 첨가한 경우의 흡광도 대비 납 이온 및 다른 금속 이온의 혼합 용액을 첨가한 경우의 흡광도를 비교한 그래프이다.
본 발명은 금 나노입자; 및 상기 금 나노입자의 표면에 결합된 알킬 포스페이트를 포함하는 납 이온 검출용 나노입자에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 납 이온 검출용 나노입자를 구체적으로 설명한다.
본 발명의 납 이온 검출용 나노입자는 금 나노입자를 포함할 수 있다. 본 발명의 금 나노입자는 단일 입자로서 존재 시에는 적색을 띠고, 금 나노입자 간의 결합에 의해 집합체를 형성한 때에는 청색을 띠는 거리-의존적 광학 특성을 가지고 있다.
본 발명에서 상기 금 나노입자의 평균 직경은 5 nm 내지 50 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 30 nm, 보다 바람직하게는 13 nm 내지 20 nm일 수 있다. 본 발명에서 상기 금 나노입자의 평균 직경이 5 nm 미만이면, 납 이온 존재에 따른 색 변화가 미미할 우려가 있고, 50 nm를 초과하면, 완충 용액 상에서 불안정할 우려가 있다.
본 발명의 납 이온 검출용 나노입자는 상기 금 나노입자의 표면에 결합된 알킬 포스페이트를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 알킬 포스페이트는 알킬기의 일 말단에 결합된 유기 링커를 통해 금 나노입자의 표면에 결합될 수 있다. 본 발명에서 상기 유기 링커는 특별히 한정되지 않고, 알킬기의 일 말단 및 금 나노입자의 표면과 공유 결합을 형성할 수 있는 것이라면 제한 없이 가능하다. 본 발명에서는 예를 들면, 유기 링커로서 황(-S-)을 사용할 수 있고, 이는 금 나노입자의 표면과 공유결합을 형성하여 알킬 포스페이트를 금 나노입자와 결합시키는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에서 상기 알킬 포스페이트는 하기의 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, n은 3 내지 20, 바람직하게는 6 내지 15, 보다 바람직하게는 8 내지 13을 나타낼 수 있다. 본 발명에서 상기 n이 3 미만이면, 본 발명의 납이온 검출용 나노입자를 이용한 납이온 검출시 검출 한계가 높아질 우려가 있고, 20을 초과하면, 납이온 검출용 나노입자 상호간의 비가역적인 응집이 일어날 우려가 있다.
본 발명에서 상기 알킬 포스페이트의 말단에 있는 인산은 납 이온 존재 시에 납 이온과 배위결합을 형성할 수 있다. 본 발명에서 상기 알킬 포스페이트의 인산이 납 이온과 배위결합을 형성함에 따라, 금 나노입자는 납 이온을 통해 상호 간에 연결되어 금 나노입자의 집합체를 형성하게 되고, 그러한 과정에서 금 나노입자의 색 변화가 일어날 수 있다. 즉, 납 이온이 없을 때에는, 알킬 포스페이트가 결합되어 있는 금 나노입자가 단독으로 존재하고 있어, 적색을 띠고 있지만, 납 이온의 존재 시에는 알킬 포스페이트가 결합되어 있는 금 나노입자가 집합체를 형성하게 되어, 청색을 띠게 된다. 이로써, 납 이온의 유무를 확인할 수 있다.
본 발명은 또한, 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 단계를 포함하는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명에서 상기 금 나노입자 용액은 금염 및 환원제를 혼합하여 제조될 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 상기 금염의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 염화금산칼륨(KAuCl4), 염화금산나트륨 수화물(NaAuCl4·2H2O), 사염화금산 수화물(HAuCl4·3H2O), 염화금(III)(AuCl3) 및 브롬화금(III)(AuBr3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명에서 상기 금 나노입자의 평균 직경은 5 nm 내지 50 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 30nm, 보다 바람직하게는 13 nm 내지 20 nm일 수 있다. 본 발명에서 상기 금 나노입자의 평균 직경이 5 nm 미만이면, 납 이온 존재에 따른 색 변화가 미미할 우려가 있고, 50 nm를 초과하면, 완충용액 상에서 불안정할 우려가 있다.
본 발명에서는 금염을 금 나노입자로 환원시키면서 금 나노입자의 평균 직경을 상기 범위로 제어하기 위하여, 환원제를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 구체적으로, 금염이 포함된 용액과 환원제를 혼합하고 5 분 내지 20 분 동안 교반함으로써, 금염으로부터 상기 범위 내의 평균 직경을 가지는 금 나노입자를 형성할 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 환원제의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 시트르산일 수 있다.
본 발명의 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법은 상기 제조된 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명에서 상기 알킬 포스페이트 용액의 알킬 포스페이트는 탄소수 3 내지 20, 바람직하게는 6 내지 15, 보다 바람직하게는 8 내지 13의 알킬기를 가질 수 있다. 본 발명에서는, 예를 들면, 알킬 포스페이트로서 3-머캅토프로필 인산(3-mercaptopropyl phosphoric acid), 4-머캅토부틸 인산(4-mercaptobutyl phosphoric acid), 5-머캅토펜틸 인산(5-mercaptopentyl phosphoric acid), 6-머캅토헥실 인산(6-mercaptohexyl phosphoric acid), 7-머캅토헵틸 인산(7-mercaptoheptyl phosphoric acid), 8-머캅토옥틸 인산(8-mercaptooctyl phosphoric acid), 9-머캅토노닐 인산(9-mercaptononyl phosphoric acid), 10-머캅토데실 인산(4-mercaptodecyl phosphoric acid), 11-머캅토운데실 인산(11-mercaptoundecyl phosphoric acid), 12-머캅토도데실 인산(12-mercaptodocecyl phosphoric acid), 13-머캅토트리데실 인산(13-mercaptotridecyl phosphoric acid), 14-머캅토테트라데실 인산(14-mercaptotetradecyl phosphoric acid), 15-머캅토펜타데실 인산(15-mercaptopentadecyl phosphoric acid), 16-머캅토헥사데실 인산(16-mercaptohexadecyl phosphoric acid), 17-머캅토헵타데실 인산(17-mercaptoheptadecyl phosphoric acid), 18-머캅토옥타데실 인산(18-mercaptooctadecyl phosphoric acid), 19-머캅토노나데실 인산(19-mercaptononadecyl phosphoric acid)및 20-머캅토아이코실 인산(20-mercaptoeicosyl phosphoric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 단계는, 구체적으로, 36 시간 이내, 바람직하게는 12 시간 내지 36 시간, 보다 바람직하게는 20 시간 내지 30 시간 동안에 일정한 간격으로 3회 내지 8회, 바람직하게는 4회 내지 6회에 걸쳐 알킬 포스페이트 용액을 금 나노입자 용액에 첨가함으로써 수행될 수 있다. 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 한번에 많은 양으로 혼합하게 되면, 금 나노입자의 표면에 알킬 포스페이트가 결합되지 않고, 금 나노입자 상호간의 결합에 의해 금 나노입자 집합체를 형성할 우려가 있다. 즉, 알킬 포스페이트 용액을 3회 미만에 걸쳐 금 나노입자 용액에 혼합하는 경우에는 금 나노입자 집합체가 형성될 우려가 있고, 8회 초과에 걸쳐 혼합하는 경우에는 반응 시간이 지나치게 오래 걸릴 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 혼합 시간이 12 시간 미만이면, 금 나노입자와 알킬 포스페이트 간의 결합이 제대로 수행되지 않을 우려가 있고, 36 시간을 초과하면, 반응 시간이 너무 길어져 본 발명의 나노입자의 제조 효율을 감소시킬 우려가 있다.
본 발명에서 여러 회에 걸쳐 상기 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 경우, 일정한 간격으로 혼합할 수 있고, 상기 일정한 간격은 1.5 시간 내지 12 시간, 바람직하게는 2 시간 내지 9 시간 보다 바람직하게는 3.5 시간 내지 7.5 시간일 수 있다.
본 발명의 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법은 상기 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 단계 이 후, pH를 6.5 내지 7.5로 조절하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 본 발명에서 상기 pH가 6.5 미만이거나, 7.5를 초과하면, 금 나노입자 표면에 알킬 포스페이트가 결합되지 않고, 금 나노입자 상호간의 결합에 의해 금 나노입자 집합체를 형성할 우려가 있다.
본 발명에서 상기 pH를 조절하는 단계는 완충 용액을 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액의 혼합 용액에 첨가함으로써 수행될 수 있다. 본 발명에서 상기 완충 용액의 종류는 특별히 한정되지 않고, 상기 범위 내로 pH를 조절할 수 있는 것이라면 제한 없이 가능하다. 본 발명에서는 예를 들면, 완충 용액으로서 4-(2-히드록시에틸)-1-피페라진에탄술폰산(HEPES)을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법은 상기 pH를 조절하는 단계 이 후, 10 시간 내지 14 시간 동안 배양하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 본 발명에서 상기 배양 시간이 10 시간 미만이면, 금 나노입자와 알킬 포스페이트 간의 결합이 제대로 수행되지 않을 우려가 있고, 14 시간을 초과하면, 반응 시간이 너무 길어져 본 발명의 나노입자의 제조 효율을 감소시킬 우려가 있다.
본 발명의 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법은 상기 배양하는 단계 이 후, 적어도 1회 이상 원심분리 하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 본 발명에서 상기 원심분리 하는 단계는 금 나노입자와 알킬 포스페이트가 공유결합을 통해 결합을 형성한 후, 미반응된 알킬 포스페이트를 제거하기 위해 수행될 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 색 변화를 관찰하는 단계를 포함하는 납 이온의 검출 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 납 이온 검출 방법을 첨부된 도 1 을 참조하여 구체적으로 설명한다.
첨부된 도 1 은 본 발명의 일 태양에 따른 납 이온의 검출 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다. 첨부된 도 1 에 나타난 바와 같이, 유기 링커(13)를 통해 알킬 포스페이트(12)와 공유 결합된 적색의 금 나노입자(11)로 구성되는 납 이온 검출용 나노입자(10) 용액과 납 이온(30)을 포함하는 시료를 혼합하면, 알킬 포스페이트(12)의 말단에 있는 인산이 납 이온(30)과 배위 결합을 형성하게 되고, 이를 통해 납 이온 검출용 나노입자(10)가 상호 간에 연결되면서 집합체(20)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 집합체(20)에 포함되는 금 나노입자(21)는 청색을 띨 수 있다.
상기와 같이, 시료에 납 이온이 포함되어 있는지 여부에 따라 색 변화가 일어날 수 있기 때문에 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 색 변화를 관찰하는 단계를 수행함으로써 납 이온의 유무를 색 변화를 통해 육안으로 간편하게 확인할 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 자외선/가시광선 스펙트럼을 측정하는 단계를 포함하는 납 이온의 검출 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 납 이온의 검출 방법을 첨부된 도 4 를 참조로 하여 구체적으로 설명한다.
첨부된 도 4 는 다양한 금속 이온의 존재하에서 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액의 가시광선 흡광 스펙트럼을 측정한 그래프이다. 첨부된 도 4 에 나타난 바와 같이, 철 이온, 은 이온, 칼슘 이온, 카드뮴 이온, 코발트 이온, 구리 이온, 수은 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 나트륨 이온, 니켈 이온 및 아연 이온의 존재 시에는 금속 이온이 없는 경우와 유사한 흡광 스펙트럼을 나타내고 있지만, 납 이온의 존재 시에는 상기 다른 이온이 존재하는 경우와 상이한 흡광 스펙트럼을 나타내고 있다.
상기와 같이, 시료에 납 이온이 포함되어 있는지 여부에 따라 흡광 스펙트럼이 다르기 때문에 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 자외선/가시광선 스펙트럼을 측정하는 단계를 수행함으로써 납 이온의 유무를 흡광 스펙트럼을 통해 확인할 수 있다.
본 발명에서 상기 자외선/가시광선 스펙트럼을 측정하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 모든 공지의 수단을 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자를 포함하는 납 이온 센서에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 납 이온 센서의 형태는 특별히 제한되지 않고, 본 발명에 따른 납 이온 검출용 나노입자를 포함하는 형태라면 제한 없이 가능하다.
상기 납 이온 센서의 구체적인 예로서, 납 이온 검출용 나노입자를 포함하는 용액이 담겨 있는 용기 또는 납 이온 검출용 나노입자가 부착되어 있는 키트(kit) 등 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[
실시예
]
이하 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
금 나노입자 용액의 제조
왕수(염산:질산 = 3:1, 부피비)를 가지고 유리 용기를 세척한 후, 두 번 증류한 증류수를 가지고 추가 세척을 하였다. 그 후, 농도가 1.0 mM인 HAuCl4·3H2O(Sigma Aldrich(제)) 용액 500 mL를 상기 세척한 유리 용기에 넣고, 농도가 38.8 mM인 시트르산 염(Sigma Aldrich(제)) 용액 50 mL를 상기 유리 용기에 넣은 후, 끓이면서 격렬하게 교반하였으며, 진한 적색이 나타난 후, 15 분 동안 끓이면서 교반하였다. 그 후, 상기 용액을 계속 교반하면서 상온으로 냉각시켜 13 nm의 평균 직경을 가지는 금 나노입자 용액을 제조하였다.
알킬 포스페이트가 결합된 금 나노입자 (납 이온 검출용 나노입자)의 제조
상기에서 제조된 시트르산으로 안정화된 11.15 nM의 금 나노입자 용액 30 mL에 1%의 계면활성제(TWEEN 20, Sigma Aldrich(제)) 1.5 mL를 첨가하고, 상기 용액에 THF에 용해되어 있는 10 mM의 11-머캅토운데실 인산 12 ㎕를 일정 간격으로 36 시간 이내에 5회 첨가하였다. 그 후, 1 mM의 HEPES 완충 용액(pH 7.0)을 가지고, 상기 용액의 pH를 7.0으로 조절하였고, 상기 용액을 12 시간 동안 배양하였다. 그 후, 2회의 원심분리를 통해 미반응된 11-머캅토운데실 인산 및 계면활성제를 제거함으로써, 11-머캅토운데실 인산이 결합된 금 나노입자(평균 직경: 13 nm)를 제조하였다.
시험예 1
상기 실시예에서 제조된 알킬 포스페이트가 결합된 금 나노입자(납 이온 검출용 나노입자)의 납 이온에 대한 민감성을 평가하기 위해, 3 nM의 납 이온 검출용 나노입자 용액 900 mL에 다양한 농도의 납 이온 용액 100 mL를 혼합 하고, 15 분 동안 배양한 후, 흡광 스펙트럼 변화를 측정하였다. 첨부된 도 2 는 납 이온의 농도에 따른 520 nm 파장에서의 납 이온 검출용 나노입자의 흡광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 첨부된 도 2 에서 볼 수 있는 바와 같이, 납 이온의 농도가 증가할수록 520 nm 파장에서의 흡광도가 감소함을 알 수 있다. 특히, 도 3 에서 볼 수 있는 바와 같이, 520 nm 파장에서의 흡광도는 납 이온의 농도와 거의 반비례하였다. 또한, 납 이온 검출용 나노입자를 납 이온으로 적정한 결과, 납 이온의 검출 한계 농도는 1.637 μM로 측정되었고, 이는 납 이온 검출용 형광 프로브의 검출 한계 농도(1.0 μM 내외)와 유사한 수치이다. 즉, 본 발명의 납 이온 검출용 나노입자는 납 이온 검출용 형광 프로브와 동일한 수준으로 납 이온에 대한 민감도를 가짐을 확인하였다.
시험예 2
상기 실시예에서 제조된 알킬 포스페이트가 결합된 금 나노입자(납 이온 검출용 나노입자)의 납 이온에 대한 선택성을 평가하기 위해, 3 nM의 납 이온 검출용 나노입자 용액 900uL에 30 μM의 다양한 금속 이온 용액 100 ㎕를 혼합하고, 15 분 동안 배양한 후, 흡광 스펙트럼 변화 및 색 변화를 관찰하였다. 첨부된 도 4 는 다양한 금속 이온의 존재하에서 납 이온 검출용 나노입자 용액의 가시광선 흡광 스펙트럼을 측정한 그래프이다. 첨부된 도 4 에 나타난 바와 같이, 철 이온, 은 이온, 칼슘 이온, 카드뮴 이온, 코발트 이온, 구리 이온, 수은 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 나트륨 이온, 니켈 이온 및 아연 이온의 존재 시에는 금속 이온이 없는 경우(control)와 유사한 흡광 스펙트럼을 나타내고 있지만, 납 이온의 존재 시에는 상기 다른 이온의 흡광 스펙트럼과 상이한 흡광 스펙트럼을 나타내고 있다. 특히, 첨부된 도 5 에 나타난 바와 같이, 680 nm 파장 및 520nm 파장 흡광도 비율을 측정한 결과, 납 이온 첨가시에만 월등히 높은 흡광도(약 0.35)를 나타내었으며, 아연 이온(약 0.15)을 제외한 다른 금속 이온의 경우 낮은 흡광도(약 0.10)를 나타내었다. 첨부된 도 6 은 납 이온 검출용 나노입자 용액에 다양한 금속 이온을 혼합한 경우의 색 변화를 나타내는 사진이다. 첨부된 도 6 에 나타난 바와 같이, 납 이온의 혼합 시에는 확연한 색 변화를 나타내었으나, 다른 금속 이온의 혼합 시에는 아연 이온(약간의 색변화)을 제외하고는 색 변화가 거의 없었다. 이로부터 납 이온 검출용 나노입자가 납 이온에 대한 높은 선택성을 가짐을 알 수 있었다.
시험예 3
상기 실시예에서 제조된 알킬 포스페이트가 결합된 금 나노입자(납 이온 검출용 나노입자)의 납 이온에 대한 선택성이 다른 금속 이온의 병존 시 영향을 받는지 평가하기 위해, 30 μM의 납 이온 및 30 μM의 다른 금속 이온을 혼합한 혼합 용액 100 ㎕을 제조하고, 이를 각각 3 nM의 납 이온 검출용 나노입자 용액 900mL에 혼합한 후, 15 분 동안 배양한 다음, 흡광 스펙트럼 변화를 관찰하였다. 첨부된 도 7 은 납 이온과 다른 금속 이온을 혼합한 혼합 이온의 존재하에서 납 이온 검출용 나노입자 용액의 가시광선 파장 변화에 따른 흡광 스펙트럼을 측정한 그래프이다. 첨부된 도 7 에 나타난 바와 같이, 납 이온 용액만 첨가한 경우의 흡광 스펙트럼과 납 이온과 다른 이온을 혼합한 혼합 이온 용액을 첨가한 경우의 흡광 스펙트럼이 유사한 패턴을 나타내고 있다. 첨부된 도 8 은 납 이온 용액만을 첨가한 경우의 흡광도 대비 납 이온 및 다른 금속 이온의 혼합 용액을 첨가한 경우의 흡광도를 비교한 그래프이다. 첨부된 도 8 에 나타난 바와 같이, 납 이온 용액만을 첨가한 경우의 흡광도를 1로 보았을 때, 납 이온 및 다른 금속 이온의 혼합 용액을 첨가한 경우의 흡광도 또한 거의 1에 가깝다는 것을 알 수 있다. 이로부터 납 이온 검출용 나노입자의 납 이온에 대한 선택성이 다른 이온의 존재에 따른 영향을 받지 않는다는 점을 알 수 있었다.
10: 납 이온 검출용 나노입자 11: 적색의 금 나노입자
12: 알킬 포스페이트 13: 유기 링커
20: 납 이온 검출용 나노입자의 집합체 21: 청색의 금 나노입자
30: 납 이온
12: 알킬 포스페이트 13: 유기 링커
20: 납 이온 검출용 나노입자의 집합체 21: 청색의 금 나노입자
30: 납 이온
Claims (18)
- 금 나노입자; 및 상기 금 나노입자의 표면에 결합된 알킬 포스페이트를 포함하는 납 이온 검출용 나노입자.
- 제 1 항에 있어서,
금 나노입자는 그 평균 직경이 5 nm 내지 50 nm 인 납 이온 검출용 나노입자. - 제 1 항에 있어서,
알킬 포스페이트는 알킬기의 말단에 결합된 유기 링커를 통해 금 나노입자의 표면에 결합 되어 있는 납 이온 검출용 나노입자. - 제 3 항에 있어서,
유기 링커는 황(-S-)인 납 이온 검출용 나노입자. - 제 1 항에 있어서,
알킬 포스페이트는 하기의 화학식 1로 표시되는 납 이온 검출용 나노입자.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, n은 3 내지 20을 나타낸다. - 금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 단계를 포함하는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법.
- 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 6 항에 있어서,
금 나노입자는 그 평균 직경이 5 nm 내지 50 nm인 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 6 항에 있어서,
금 나노입자 용액은 금염 및 환원제를 혼합하여 제조되는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 8 항에 있어서,
금염은 염화금산칼륨(KAuCl4), 염화금산나트륨 수화물(NaAuCl4·2H2O), 사염화금산 수화물(HAuCl4·3H2O), 염화금(III)(AuCl3) 및 브롬화금(III)(AuBr3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 8 항에 있어서,
환원제는 시트르산인 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 6 항에 있어서,
알킬 포스페이트는 3-머캅토프로필 인산(3-mercaptopropyl phosphoric acid), 4-머캅토부틸 인산(4-mercaptobutyl phosphoric acid), 5-머캅토펜틸 인산(5-mercaptopentyl phosphoric acid), 6-머캅토헥실 인산(6-mercaptohexyl phosphoric acid), 7-머캅토헵틸 인산(7-mercaptoheptyl phosphoric acid), 8-머캅토옥틸 인산(8-mercaptooctyl phosphoric acid), 9-머캅토노닐 인산(9-mercaptononyl phosphoric acid), 10-머캅토데실 인산(4-mercaptodecyl phosphoric acid), 11-머캅토운데실 인산(11-mercaptoundecyl phosphoric acid), 12-머캅토도데실 인산(12-mercaptodocecyl phosphoric acid), 13-머캅토트리데실 인산(13-mercaptotridecyl phosphoric acid), 14-머캅토테트라데실 인산(14-mercaptotetradecyl phosphoric acid), 15-머캅토펜타데실 인산(15-mercaptopentadecyl phosphoric acid), 16-머캅토헥사데실 인산(16-mercaptohexadecyl phosphoric acid), 17-머캅토헵타데실 인산(17-mercaptoheptadecyl phosphoric acid), 18-머캅토옥타데실 인산(18-mercaptooctadecyl phosphoric acid), 19-머캅토노나데실 인산(19-mercaptononadecyl phosphoric acid) 및 20-머캅토아이코실 인산(20-mercaptoeicosyl phosphoric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 6 항에 있어서,
금 나노입자 용액과 알킬 포스페이트 용액의 혼합은 12 시간 내지 36 시간 동안 일정한 간격으로 3회 내지 8회에 걸쳐 수행되는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 6 항에 있어서,
금 나노입자 용액 및 알킬 포스페이트 용액을 혼합하는 단계 이 후, pH를 6.5 내지 7.5로 조절하는 단계를 추가로 포함하는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 13 항에 있어서,
pH를 6.5 내지 7.5로 조절하는 단계 이후, 10 시간 내지 14 시간 동안 배양하는 단계를 추가로 포함하는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 14 항에 있어서,
배양하는 단계 이 후, 적어도 1회 이상의 원심분리를 수행하는 단계를 추가로 포함하는 납 이온 검출용 나노입자의 제조 방법. - 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 색 변화를 관찰하는 단계를 포함하며,
상기 납 이온 검출용 나노입자 용액은 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 납 이온 검출용 나노입자를 포함하는 납 이온의 검출 방법. - 납 이온 검출용 나노입자 용액과 시료를 혼합하고, 자외선/가시광선 스펙트럼을 측정하는 단계를 포함하며,
상기 납 이온 검출용 나노입자 용액은 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 납 이온 검출용 나노입자를 포함하는 납 이온의 검출 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 납 이온 검출용 나노입자를 포함하는 납 이온 센서.
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