KR101537958B1 - Method for regulating opening or shutting of inner-pore of organic nanotube - Google Patents
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Abstract
본 발명은 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법에 관한 것이다. 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 본 발명의 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법에서 천연 나노튜브 분자는 수용액 및 생리 조건에서 작동할 수 있는 나노밸브 역할을 하여 pH가 산성인 경우에는 천연 나노튜브들이 응집하여 서로의 기공을 막아 닫힌 상태를 유지하고, pH가 염기성 영역으로 증가하게 되면 천연 나노튜브 분자들 간의 상호작용이 약해져 밸브는 개방된 상태를 유지하여 천연 나노튜브 기공에 포함되는 약물이나 기체 분자들이 새어나오게 할 수 있으므로 pH 차이에 따른 약물 또는 기체 방출 조절에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a method for controlling the opening and closing of an inner pore of a natural nanotube. According to various embodiments of the present invention, in the method of controlling the internal pore opening / closing of the natural nanotube of the present invention, the natural nanotube molecule serves as a nano-valve capable of operating in an aqueous solution and a physiological condition, When the pH is increased to the basic region, the interaction between the molecules of the natural nanotubes is weakened. Thus, the valve is kept open and the drug or gas contained in the natural nanotube pores Because molecules can leach out, they can be useful in controlling drug or gas release due to pH differences.
Description
본 발명은 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling the opening and closing of an inner pore of a natural nanotube.
카올린광물에 속하는 1:1 층상 구조의 수산화알루미늄규산염 광물인 할로이사이트(Halloysite, Al2Si2O5(OH)4·nH2O, n=0, 2)는 내경 30-250 nm, 길이 0.2-40 ㎛로 나노크기의 물질을 내부에 적제할 수 있는 튜브 형태의 천연 나노소재이다. 예를 들어, 방향제, 화장품, 약물, 농약 등을 할로이사이트 튜브 내부에 담지하여 이 활성물질의 방출속도를 늦추면 그 효과를 장시간 지속시킬 수 있다. 할로이사이트를 나노소재로 활용하기 위해서는 할로이사이트 분리, 선별 기술과 기능성 활성 물질의 적제 및 방출 제어 기술이 필요하다.Halloysite (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 .nH 2 O, n = 0, 2), a 1: 1 layered aluminum hydroxide silicate mineral belonging to kaolin minerals, has an inner diameter of 30-250 nm and a length of 0.2 It is a natural nanomaterial in the form of a tube capable of applying a nano-sized substance to the inside of the tube at -40 탆. For example, if the release rate of the active substance is lowered by supporting a perfume, a cosmetic, a drug, or an agricultural chemical in the haloisotube, the effect can be sustained for a long time. In order to utilize haloisite as a nanomaterial, it is necessary to separate haloisite, screening technology, and application and control technology of functional active material.
할로이사이트를 나노물질의 캐리어 또는 컨테이너로 활용하는 기술은 화장품, 약물, 농약 등 여러 산업분야에 공통으로 활용할 수 있으므로 그 기술적 파급효과가 지대하다. 국내에서는 이 기술에 대한 기초연구조차 제대로 이루어져 있지 않아 민간에서 상품화 기술을 개발하기 힘들다. 미국에서는 1997년 할로이사이트를 이용한 활성물질 방출 제어 기술을 특허 등록한 이래, 2006년에는 천연 점토 할로이사이트로부터 튜브형 할로이사이트를 분리 정제해내는 기술이 특허 출원된 바 있다. 특히, 등록특허 US5652976에서는 할로이사이트 내강(lumen)에 활성물질을 담지하고 이의 방출을 제어하는 기술에 대해 구체적으로 청구하고 있고, US5705191에서는 방출속도를 더욱 지연시키기 위한 기술로 할로이사이트의 길이를 조절하거나 분해성 고분자를 코팅하여 나노튜브의 입구를 밀폐하는 기술이 개시된 바 있으나, 여전히 할로이사이트에 기능성 활성물질을 상황에 맞도록 방출율과 방출기간을 제어하는 기술이 확보되지 않아 고기능성 나노소재를 제조하는데 기술적 한계가 있다.The technology that utilizes haloisite as a carrier or container of nanomaterials can be commonly applied to various industrial fields such as cosmetics, drugs, pesticides, and the like. In Korea, it is difficult to develop commercialization technology in the private sector because the basic research on this technology is not done properly. In the United States, the company patented active substance release control technology using halloysite in 1997. In 2006, the company filed a patent for separating and purifying tubular halloysite from natural clay hallow sites. In particular, the patent US5652976 specifically claims a technique for supporting an active substance on a halo lumen lumen and controlling its release, US 5705191 discloses a technique for further delaying the release rate by adjusting the length of the halo site A technology for sealing the entrance of the nanotube by coating the decomposable polymer has been disclosed. However, there is still no technology for controlling the release rate and the release period to suit the condition of the functional active material in the halo site, There is a limit.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 pH 차이에 따른 약물 또는 기체 방출 조절에 유용하게 사용될 수 있는 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for controlling the opening and closing of an inner pore of a natural nanotube which can be usefully used for controlling drug or gas release according to pH difference.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, pH 조절에 따른 천연 나노튜브의 내부기공(inner-pore) 개폐 조절 방법으로서, 상기 천연 나노튜브는 표면이 비치환되거나 카르복실기 및 아미드기 중에서 선택되는 1종 이상으로 치환된 할로이사이트, 이모골라이트 중에서 선택되는 1종 이상을 pH가 조절된 용액에 첨가하여 응집-탈응집 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법에 관한 것이다.According to a representative aspect of the present invention, there is provided a method for controlling opening and closing of an inner-pore of a natural nanotube according to pH control, wherein the natural nanotube has at least one surface selected from the group consisting of unsubstituted or carboxyl groups and amide groups Substituted amines, substituted halothioates, and immigolites to a pH-adjusted solution to perform an aggregation-de-aggregation reaction, and a method for controlling the internal pore opening and closing of natural nanotubes .
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 본 발명의 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법에서 천연 나노튜브 분자는 수용액 및 생리 조건에서 작동할 수 있는 나노밸브 역할을 하여 pH가 산성인 경우에는 천연 나노튜브들이 응집하여 서로의 기공을 막아 닫힌 상태를 유지하고, pH가 염기성 영역으로 증가하게 되면 천연 나노튜브 분자들 간의 상호작용이 약해져 밸브는 개방된 상태를 유지하여 천연 나노튜브 기공에 포함되는 약물이나 기체 분자들이 새어나오게 할 수 있으므로 pH 차이에 따른 약물 또는 기체 방출 조절에 유용하게 사용될 수 있다.According to various embodiments of the present invention, in the method of controlling the internal pore opening / closing of the natural nanotube of the present invention, the natural nanotube molecule serves as a nano-valve capable of operating in an aqueous solution and a physiological condition, When the pH is increased to the basic region, the interaction between the molecules of the natural nanotubes is weakened. Thus, the valve is kept open and the drug or gas contained in the natural nanotube pores Because molecules can leach out, they can be useful in controlling drug or gas release due to pH differences.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 할로이사이트 나노튜브의 TEM 이미지 및 할로이사이트의 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 할로이사이트의 pH 변화에 따른 제타전위를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따른 N2 흡착 및 탈착에 의한 pH 변화에 따른 할로이사이트의 공극을 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 구현예에 따른 할로이사이트 나노튜브의 pH 변화에 따른 내부-외부 공극 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 카르복실산으로 표면이 개질된 할로이사이트 나노튜브의 FT-IR 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 구현예에 따른 카르복실산으로 표면이 개질된 할로이사이트 나노튜브의 pH 변화에 따른 SEM 이미지 및 도식화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 구현예에 따른 카르복실산으로 표면이 개질된 할로이사이트 나노튜브의 pH 변화에 따른 상관관계 함수를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 구현예에 따른 카르복실산으로 표면이 개질된 할로이사이트 나노튜브의 pH 변화에 따른 응집 결합 형태를 도식화한 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a TEM image and a halo site of a haloisot nanotube according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 2 is a graph showing the results of measurement of zeta potential according to pH change of a haloisite according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 3 is a graph showing the results of analyzing voids of haloisite according to pH change by N 2 adsorption and desorption according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4 is a graph showing changes in internal-external pore according to pH change of the haloisot nanotube according to the embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a graph showing FT-IR analysis results of a surface modified with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view showing an SEM image and a diagram according to pH change of a surface modified with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a result of measurement of a correlation function according to a change in pH of a surface-modified halo acid nanotube with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating a form of flocculation according to changes in pH of a surface-modified carboxylic acid-containing haloisot nanotube according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 측면에 따르면, pH 조절에 따른 천연 나노튜브의 내부기공(inner-pore) 개폐 조절 방법으로서,According to an aspect of the present invention, there is provided a method for controlling opening and closing of an inner-pore of a natural nanotube according to pH control,
상기 천연 나노튜브는 표면이 비치환되거나 카르복실기 및 아미드기 중에서 선택되는 1종 이상으로 치환된 할로이사이트, 이모골라이트 중에서 선택되는 1종 이상을 pH가 조절된 용액에 첨가하여 응집-탈응집 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법이 개시된다.The natural nanotubes may be prepared by adding one or more selected from the group consisting of haloesite and imogolite, whose surface is unsubstituted or substituted with at least one selected from a carboxyl group and an amide group, to a pH- A method for regulating the opening and closing of an inner pore of a natural nanotube is disclosed.
본 발명의 구현예에 따른 할로이사이트의 기공 개폐 조절 방법에서 할로이사이트 분자는 수용액 및 생리 조건에서 작동할 수 있는 나노밸브 역할을 하여 pH가 산성인 경우에는 할로이사이트들이 응집하여 서로의 기공을 막아 닫힌 상태를 유지하고, pH가 염기성 영역으로 증가하게 되면 할로이사이트 분자들 간의 상호작용이 약해져 밸브는 개방된 상태를 유지하여 할로이사이트 기공에 포함되는 약물이나 기체 분자들이 새어나오게 할 수 있으므로 작은 pH 차이에 따른 약물 또는 기체 방출 조절에 유용하게 사용될 수 있다.
In the method of controlling the pore opening and closing of the haloisite according to the embodiment of the present invention, the halosite molecule serves as a nano-valve capable of operating in an aqueous solution and physiological conditions. When the pH is acidic, the halosite coagulates, If the pH is increased to the basic range, the interaction between the halosite molecules is weakened and the valve is kept open to allow the drug or gas molecules contained in the halloysite pores to leak out. Can be usefully used to control drug or gas release.
본 발명의 다른 측면에 따르면, pH 조절에 따른 천연 나노튜브의 내부기공(inner-pore) 개폐 조절 방법으로서,According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling opening and closing of inner pores of a natural nanotube according to pH control,
상기 천연 나노튜브가 표면이 비치환된 할로이사이트 및 이모골라이트 중에서 선택되는 1종 이상인 경우에는;When the natural nanotubes are at least one selected from surface-uncoated haloisite and imogolite;
(A) 산성 분위기에서 상기 표면이 비치환된 할로이사이트, 이모골라이트 중에서 선택되는 1종의 천연 나노튜브 간에 응집되어 기공 부피가 0.15-0.23 cm3/g·Å인 천연 나노튜브 입자를 형성하거나,(A) in an acid atmosphere, the surface is unsubstituted halloysite, natural aggregate between nanotubes of one selected from a light aunt bone pore volume of 0.15-0.23 cm 3 / g · Å in or form a natural nanotube particles ,
(B) 중성 분위기에서 상기 표면이 비치환된 할로이사이트, 이모골라이트 중에서 선택되는 1종의 응집된 천연 나노튜브들 간에 결합력이 약해져 기공 부피가 0.25-0.30 cm3/g·Å인 천연 나노튜브 입자를 형성하거나,(B) natural nanotubes having a pore volume of 0.25-0.30 cm < 3 > / g &bull; due to weak binding force between one kind of agglomerated natural nanotubes selected from halo- Forming particles,
(C) 염기성 분위기에서 상기 표면이 비치환된 할로이사이트, 이모골라이트 중에서 선택되는 1종의 응집된 천연 나노튜브 입자가 탈응집되어 기공 부피가 0.4-0.6 cm3/g·Å인 천연 나노튜브 입자를 형성시킴에 따라 내부기공 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법이 개시된다.(C) a natural nanotube having a pore volume of 0.4-0.6 cm 3 / g 占 탈 in which one kind of agglomerated natural nanotube particle selected from haloisotope and imogolite which is unsubstituted in the basic atmosphere is deagglomerated, And controlling the opening and closing of the inner pore by forming the particles.
본 발명의 구현예에 따르면, 산성 용액에서는 천연 나노튜브 말단이 다른 나노튜브 말단에 인접하게 위치하여 응집되거나(천연 나노튜브 내부기공 막힘), 염기성 용액에서는 응집되어 있던 천연 나노튜브의 말단이 다른 천연 나노튜브와 분리되어 탈응집, 즉, 분산되는 현상(천연 나노튜브 내부기공 열림)이 발생한다.According to the embodiment of the present invention, in the acidic solution, the natural nanotube ends are positioned adjacent to the ends of the other nanotubes to be agglomerated (pores in the natural nanotubes), or the ends of the natural nanotubes aggregated in the basic solution And the phenomenon of deaggregation, that is, dispersion (separation of pores inside the natural nanotubes) occurs due to separation from the nanotubes.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 (A) 산성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 2의 용액에서 제타전위가 -3.5±1 mV이고, 상기 (B) 중성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 7의 용액에서 제타전위가 -32.4±3 mV이고, 상기 (C) 염기성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 11의 용액에서 제타전위가 -44.8±5 mV인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the natural nanotube particles in the acidic atmosphere (A) have a zeta potential of -3.5 ± 1 mV in the
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 pH 변화에 따른 천연 나노튜브의 응집 또는 분산(탈응집)은 천연 나노튜브 사이의 반데르발스 결합 때문에 발생되는 것이 아니라 수소결합에 의한 것이므로 응집된 천연 나노튜브 입자는 훨씬 단단한 입자이다.
According to the embodiment of the present invention, the aggregation or dispersion (deagglomeration) of the natural nanotubes according to the pH change is caused not by the van der Waals bonding between the natural nanotubes but by the hydrogen bonding, Is a much harder particle.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, pH 조절에 따른 천연 나노튜브의 다른 내부기공(inner-pore) 개폐 조절 방법으로서,According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling the inner-pore opening / closing of a natural nanotube according to pH control,
상기 천연 나노튜브의 표면이 카르복실기 및 아미드기 중에서 선택되는 1종 이상으로 치환된 할로이사이트, 이모골라이트 중에서 선택되는 1종인 경우에는;When the surface of the natural nanotubes is one selected from the group consisting of a halo site and an immigolite in which the surface of the natural nanotube is substituted with at least one selected from a carboxyl group and an amide group;
(a) 산성 분위기에서는 상기 천연 나노튜브의 표면상에서, ① 천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소와 다른 천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소 간의 정전기적 반발(RF-1)하고, ② 카르복실기 가지와 천연 나노튜브 표면 수소 결합(HB-2) 및 ③ 천연 나노튜브 표면-천연 나노튜브 표면 수소결합(HB-4)을 통해 응집되고, pH 1에서 변형 확산 계수(Dt)가 576.2±10 nm2/ms이며, 유체 역학적 반경(Rh)이 423±10 nm인 천연 나노튜브 입자를 형성하거나,(RF-1) between the oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the natural nanotube and the oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the other natural nanotube on the surface of the natural nanotube in the acidic atmosphere, (D t ) at a pH of 1, and (2) the hydrogen bond at the surface of the natural nanotube (HB-4) Of 576.2 ± 10 nm 2 / ms and a hydrodynamic radius (R h ) of 423 ± 10 nm,
(b) 중성 분위기에서는 상기 천연 나노튜브의 표면상에서, ① 서로 다른 천연 나노튜브 표면의 카르복실기 가지 간에 수소결합을 하는 동시에 카르복실기 말단의 수소가 인접한 천연나노튜브 표면과 수소결합(HB-1), ② 카르복실기 가지와 천연 나노튜브 표면의 수소결합(HB-2) 및 ③서로 다른 카르복실기 가지 간에 수소결합(HB-3)을 통해 강하게 응집되고, pH 7에서 변형 확산 계수(Dt)가 155.3±10 nm2/ms이며, 유체 역학적 반경(Rh)이 1572±20 nm인 천연 나노튜브 입자를 형성하거나,(b) In a neutral atmosphere, on the surface of the natural nanotubes, hydrogen bond (HB-1) is formed on the surface of natural nanotubes adjacent to each other, (HB-2) and (3) hydrogen bonds (HB-3) between the carboxyl groups and the surface of the natural nanotubes and (3) the different carboxyl groups, and the strain diffusion coefficient (D t ) at
(c) 염기성 분위기에서 ①천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소와 다른 천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소 간의 정전기적 반발(RF-1)하고, ② 카르복실기 가지와 천연 나노튜브 표면과 서로 반발(RF-2)하여 탈응집되고, pH 12에서 변형 확산 계수(Dt)가 1620.9±10 nm2/ms이며, 유체 역학적 반경(Rh)이 150±5 nm인 천연 나노튜브 입자를 형성시킴에 따라 내부기공 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법이 개시된다.(c) in the basic atmosphere, (1) electrostatic repulsion (RF-1) between oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the natural nanotube and oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the other natural nanotube, (2) (R h ) of 150 ± 5 nm at a pH of 12 and a deformation diffusion coefficient (D t ) of 1620.9 ± 10 nm 2 / ms at a pH of 12, And controlling the opening and closing of the inner pore by forming the tube particle. The method for adjusting the inner pore opening and closing of the natural nanotube is disclosed.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 (A) 산성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 1의 용액에서 제타전위가 40.1±4 mV이고, 상기 (B) 중성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 7의 용액에서 제타전위가 -30.5±3 mV이고, 상기 (C) 염기성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 12의 용액에서 제타전위가 -45±4 mV인 것을 특징으로 한다.
In one embodiment of the present invention, the natural nanotube particles in the acidic atmosphere (A) have a zeta potential of 40.1 ± 4 mV in the
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 산성 분위기는 pH 4 이하인 산성 용액이고, 상기 중성 분위기는 pH 5-8인 중성 용액이고, 상기 염기성 분위기는 pH 8 이상인 염기성 용액인 것을 특징으로 한다.
In another embodiment of the present invention, the acidic atmosphere is an acidic solution having a pH of 4 or less, the neutral atmosphere is a neutral solution having a pH of 5-8, and the basic atmosphere is a basic solution having a pH of 8 or more.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. In addition, it is apparent that, based on the teachings of the present invention including the following examples, those skilled in the art can easily carry out the present invention in which experimental results are not specifically shown.
할로이사이트Halo site 나노튜브(이하, The nanotubes (hereinafter, HNTHNT )가 분산된 용액의 제조) ≪ / RTI >
HNT 0.4 g씩 취하여 5 ml HCl 용액(pH 2), 5 ml 초순수 탈이온화 물(DI water, 저항률>18.2 Ω-cm) 또는 5 ml NaOH 용액(pH 11)에 첨가하였다. 상기 HNT는 하루 동안 상온에서 초음파 처리하여 분산시킨 후 2일 동안 -40 ℃ 및 3.6 mPa에서 동결건조시켜 얻었다.
0.4 g of HNT was added to 5 ml of HCl solution (pH 2), 5 ml of ultrapure water deionized water (DI water, resistivity> 18.2? -Cm) or 5 ml of NaOH solution (pH 11). The HNT was obtained by ultrasonic treatment at room temperature for one day and then lyophilized at -40 ° C and 3.6 mPa for 2 days.
파라미터 측정 결과Parameter measurement result
층간거리(interlayer distance)가 7 (n = 2)인 상기 HNT 건조된 구조물은 X선 회절(XRD) 분석기를 이용하여 기공 크기, 기공 표면 및 기공 부피를 분석하였다. 브래그 법칙을 이용한 7.3 의 001 간격은 2θ = 12°에서 날카로운 피크를 나타내었다. 10 Å 층간 형태에 상응하는 2θ = 8.5° 위치의 피크는 얻어지지 못했다. 상기 건조된 HNT는 2θ = 24.51°에 위치한 002 반사형 피크가 나타났고, 이는 10 Å 간격으로 변화되었다. 상기 염기, 중성 및 산 처리 회절 피크에서 거의 동일한 2θ = 12° 및 2θ = 8.5° 위치 피크를 제외하였다. 산 처리는 결정형 구조에 잠재적인 손상을 줄 수 있는 반면에, 본 실험에서 산 처리 용액은 나노튜브 구조를 유지할 수 있을 정도로 충분히 묽다(pH 2). 피크의 작은 손실이 확인되었으나, HNT의 화학적 구조는 산 처리 또는 염기 처리 후에도 유지되었고, XRD 데이터에 의해 뒷받침 되었다. 그러나 상기 HNT 물리적 특성은 ξ(제타)-전위에 의존하여 변화되었다.The HNT dried structures with an interlayer distance of 7 (n = 2) were analyzed for pore size, pore surface and pore volume using an X-ray diffraction (XRD) analyzer. The 001 interval of 7.3 using the Bragg rule showed a sharp peak at 2 [theta] = 12 [deg.]. Peaks at the position of 2 [theta] = 8.5 [deg. ] Corresponding to the 10 [A] layer structure were not obtained. The dried HNT showed a 002 reflection peak located at 2 &thetas; = 24.51 DEG, which was changed by 10 ANGSTROM. The position peaks at approximately the same 2 [theta] = 12 [deg.] And 2 [theta] = 8.5 [ deg. ] In the base, neutral and acid treated diffraction peaks were excluded. Acid treatment is potentially damaging to the crystalline structure, while in this experiment the acid treatment solution is sufficiently thin (pH 2) to be able to maintain the nanotube structure. A small loss of peak was observed, but the chemical structure of HNT was retained after acid treatment or base treatment and was supported by XRD data. However, the HNT physical properties were changed depending on the ξ (zeta) - potential.
상기 용액의 pH는 HNT의 전체 전하에 영향을 줄 수 있다. 용액의 pH에 대한 상기 HNT의 제타-전위 곡선은 도 2에 나타내었다. pH 2, pH 7 및 pH 11에서 각각의 상기 제타-전위는 -3.5, -32.4 및 -44.8 mV이다. 리바이스 및 데이지에 의해 얻어진 결과와 유사하다. 음성 제타-전위는 pH 2에서 pH 11로 측정되었다. pH 2에서의 상기 제타-전위는 등전점(isoelectric point)과 현저하게 가까운 것으로 나타났고, 분산은 불안정하였다. 이러한 이유로 HNT는 응집되고 큰 다발로 형성되었다. 반면 HNT는 높은 pH(pH 8 이상) 용액에서 현저하게 낮은 제타-전위를 제공하였고(약 -40 mV), 응집과 침전이 HNT 사이의 반데르발스 결합(van der Waals interaction) 때문에 발생되는 것이 아닌 것으로 증명되었다. pH 11에서 HNT 분산도는 실험된 pH 중에서 가장 높았다. 도 2 및 도 S2에 HNT의 응집 및 분산을 나타내었다. 이러한 현상은 HNT 기공 직경, 기공 표면적 및 기공 부피에 영향을 준다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 염기 용액에서, HNT는 분산이 잘 되었고, 각각의 HNT 말단이 다른 HNT로부터 분리되었고(HNT 내부 기공 열림), 이에 반하여, 산성 용액에서 HNT 다발은 다른 HNT의 말단에 인접하게 위치할 수 있다(HNT 내부 기공 막힘). 이러한 효과는 브루나우어-에메트-텔러(BrunauerEmmettTeller, BET) 방법과 렛-조이너-할렌다(BarrettJoynerHalenda) 방법에 의해 입증되었다. The pH of the solution may affect the total charge of the HNT. The zeta-potential curve of the HNT relative to the pH of the solution is shown in Fig. The zeta potentials at
산성(pH 2), 중성(pH 7) 및 염기성(pH 11)으로 처리된 HNT의 표면적 및 기공 부피는 BET 방법을 이용한 질소 기체 물리적 흡착에 의해 분석되었다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 상기 HNT의 등온선도는 IUPAC IV형 분류법으로 대표될 수 있고, 이는 종래 마이크로- 및 MCM-41과 같은 다공성 물질의 특징이다. 상기 히스테리성 모형은 IV형으로 유지되는 반면에, 높은 pH 용액 처리에 의해 높은 압력 범위(P/P0 > 0.95)에서 흡착된 기체 부피가 증가되었고, 낮은 압력(P/P0 < 0.95))에서 반대의 결과가 확인되었다. 용액 pH에 의존하는 상기 다공성 크기 분포는 BJH 법에 의해 분석되었고, 상기 결과는 도 3(b)에 나타내었다.The surface area and pore volume of HNT treated with acid (pH 2), neutral (pH 7), and basic (pH 11) were analyzed by nitrogen gas physical adsorption using the BET method. As shown in FIG. 3 (a), the isotherm of the HNT can be represented by the IUPAC IV type classification, which is characteristic of conventional porous materials such as micro-and MCM-41. The hysteretic model remained in IV form while the adsorbed gas volume increased at high pressure range (P / P 0 > 0.95) and low pressure (P / P 0 <0.95) The opposite result was confirmed. The above-described porous size distribution depending on the solution pH was analyzed by the BJH method, and the results are shown in FIG. 3 (b).
상기 HNT 시료의 표면적, 기공 부피 및 기공 크기는 표 1에 나타내었다. HNT 시료는 동일 온도에서 제조되었다. 미세기공 부피 t-플롯으로 단일 지점 흡수 총 기공 부피는 P/P0 = 0.99에서 직경이 209 nm보다 작았고, 1.7 nm 및 300 nm 사이의 기공의 BJH 흡착 누적 부피는 높은 pH 처리로 직경이 증가되었다. 대체 가능한 기공 부피 및 기공 직경의 대체 경향성(BET에 의한 4V/A)과 HNT 시료의 BJH 흡수 평균 기공 직경(4V/A)은 낮아진 용액 pH로 인해 증가되었다. 그러나 미세기공 표면적을 제외한 상기 총 표면적(BET 표면적, 도 S4 ESI†) 및 메조기공 표면적(단일 지점 흡수 총 기공 부피 P/P0 = 0.1999, 1.7 nm 및 300 nm 직경에서 기공의 t-플롯 외부 표면적 및 BJH 흡수 평균 표면적)은 높은 pH 처리에 의해 감소되었다. BET 등온선에 의해 측정된 상기 HNT 기공 직경은 시료가 원통 모양을 가질 때에만 유효하다. 상기 4V/A 방정식은 원통형 재료의 기공 직경을 계산하는데 사용되었다. 산성 및 중성을 처리한 경우, 보통 “정확한” 도수 분포도는 다발로 존재하는 HNT 때문에 작성되었으나, 염기가 처리된 HNT는 주로 분산 상태로 존재하기 때문에 기공 직경을 측정하였다. The surface area, pore volume, and pore size of the HNT sample are shown in Table 1. HNT samples were prepared at the same temperature. The micropore volume t-plot showed that the single point absorption total pore volume was smaller than 209 nm at P / P 0 = 0.99, and the cumulative volume of BJH adsorption of pores between 1.7 nm and 300 nm was increased by high pH treatment . Substitutional pore volume and pore diameter substitutional tendency (4V / A by BET) and BJH absorption average pore diameter (4V / A) of the HNT sample were increased due to lower solution pH. However, the total surface area (BET surface area, S4 ESI †) and mesopore surface area (single point absorption total pore volume P / P 0 = 0.1999, 1.7 nm and 300 nm diameters, excluding the micropore surface area) And BJH absorption average surface area) were reduced by high pH treatment. The HNT pore diameter measured by the BET isotherm is valid only when the sample has a cylindrical shape. The 4V / A equation was used to calculate the pore diameter of the cylindrical material. In the case of acid and neutral treatments, the "correct" frequency distribution is usually made up of multiple HNTs, but the pore diameter is measured because the base treated HNT is predominantly dispersed.
염기가 처리된 HNT의 기공 크기 분포 플롯(도 3(b)(ii))은 범위가 16 nm 내지 50 nm에 이르는 직경의 좁은 분포를 나타낸다. 다양한 기공 직경의 근거는 HNT 처리에 따르고, 상기 기공 부피의 다양성은 달라지지 않는다. BJH 흡착 평균 기공 직경(4V/A) 및 흡착 평균 기공을 이용한 직경 폭(BET에 따른 4V/A) 계산 결과는 SEM 또는 TEM 측정 장치로부터 평균값으로 계산된 실재 기공 직경과 대부분 유사하다.The pore size distribution plot of the base treated HNT (Figure 3 (b) (ii)) shows a narrow distribution of diameters ranging from 16 nm to 50 nm. The basis for the various pore diameters depends on the HNT treatment, and the variety of pore volumes does not vary. The calculation results of BJH adsorption average pore diameter (4V / A) and diameter width using adsorption average pore (4V / A according to BET) are mostly similar to the actual pore diameters calculated from the SEM or TEM measurement device as average values.
구체적으로, HNT는 두 개의 N2 흡착 및 탈착 반응 부위를 가진다. 이는 각각 2-16 nm 및 16-50 nm의 직경에 상응하는 도 3(b)의 (i) 및 (ii)와 일치한다. HNT는 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 염기성 용액에서 잘 분산되었다. 따라서 도 3(b)(i)에 나타낸 바와 같이, 2-16 nm의 직경에 대한 피크와 관련이 있는 상기 HNT 사이의 공간 체적은 감소하나, BET 및 BJH 분석에서 총 기공 부피 및 기공 크기는 증가한다. 이러한 증가는 HNT의 분산(열림)에 기인하고, HNT는 분산에 의해 다른 HNT의 메조기공이 사라지는 것을 막는다. 이러한 이유로 N2 흡착 및 탈착을 위한 반응 기공 크기 및 기공 부피가 결과적으로 증가한다. 산성 용액에서, HNT는 응집되고 다른 HNT 튜브의 메조기공을 막는다. 이러한 이유로 기체 흡착을 위해 이용 가능한 기공 부피 및 기공 크기는 감소한다. 반면, 상기 기공 면적은 pH 증가로 인해 기준(SBET 및 SBJH)이 감소하는 것으로 보인다. 표 1에 정리된 상기 총 표면적은 HNT 기공의 사이공간 및 내부공간에 의해 영향을 받는다. 상기 사이 공간 표면적은 HNT가 염기성 용액에 분산되었을 때 상당히 증가한 반면에 내부공간 표면적은 HNT의 메조기공의 열림에 기인하여 증가한다. 상기 총 표면적은 사이공간 표면적에 의해 더 큰 영향을 받는다. 이러한 이유로, 상기 SBET 및 SBJH 결과는 용액의 pH 증가로 인해 감소한다. BET 및 BJH 분석의 기공 부피, 기공 면적 및 기공 크기의 변화는 염기, 산 또는 중화 처리로 응집 및 분산에 기초한 HNT의 열림 및 닫힘을 나타낸다. Specifically, the HNT has two N 2 adsorption and desorption reaction sites. This is consistent with (i) and (ii) of FIG. 3 (b) corresponding to diameters of 2-16 nm and 16-50 nm, respectively. The HNTs were well dispersed in a basic solution, as shown in Fig. 4 (a). Thus, as shown in Figure 3 (b) (i), the volume of space between the HNTs that is related to the peak for a diameter of 2-16 nm is reduced, but the total pore volume and pore size increase in BET and BJH analysis do. This increase is due to the dispersion (opening) of the HNT, and the HNT prevents the mesopores of the other HNT from disappearing by dispersion. For this reason, the reaction pore size and pore volume for N 2 adsorption and desorption are consequently increased. In acidic solutions, the HNTs aggregate and block the mesopores of other HNT tubes. For this reason, available pore volume and pore size for gas adsorption decrease. On the other hand, the pore area appears to decrease by the increase of pH (S BET and S BJH ). The total surface area, summarized in Table 1, is influenced by the interstices and internal spaces of the HNT pores. The interstitial surface area increases significantly when the HNT is dispersed in the basic solution, while the interstitial surface area increases due to the opening of the mesopores of the HNT. The total surface area is more influenced by the interspace surface area. For this reason, the S BET and S BJH results decrease due to the pH increase of the solution. Changes in pore volume, pore area and pore size of the BET and BJH analyzes indicate the opening and closing of the HNT based on coagulation and dispersion by base, acid or neutralization.
(cm3/g)Pore volume
(cm < 3 > / g)
(m2/g)Pore area
(m 2 / g)
(nm)Pore size
(nm)
VBET(single point adsorption total pore volume of pores less than 209 nm diameter at P/P0=0.99), Vmicro(t-plot micropore volume), VBJH(BJH adsorption cumulative volume of pores between 1.7 and 300 nm diameter), Ssp(single point surface area at P/P0=0.1999), SBET(BET surface area), Smicro(t-plot micropore area), Sext(t-plot external surface area), SBJH(BJH adsorption cumulative surface area of pores between 1.7 and 300 nm diameter), dBET(adsorption average pore width (4V/A by BET)), dBJH(BJH adsorption average pore diameter (4V/A))
V BET (single point adsorption total pore volume of pores less than 209 nm at P / P 0 = 0.99), V micro (t-plot micropore volume), V BJH (BJH adsorption cumulative volume of pores between 1.7 and 300 nm diameter ), S sp (single point surface area at P /
카르복실산기로 기능화된 할로이사이트 및 이를 포함하는 분산 용액의 제조Production of a haloisite functionalized with carboxylic acid groups and a dispersion solution containing the same
(1) 단계 1: 아미노기로 기능화된 할로이사이트의 제조(1) Step 1: Preparation of an amino group-functionalized haloisite
아미노기로 개질된 HNT(HNT-NH2)는 하기 방법을 통한 순수한 HNT를 사용하여 합성되었다. HNT는 초음파를 이용하여 2시간 동안 톨루엔 100 ml을 첨가하여 분산시키고 2시간 동안 교반하였다(400 rpm). 그 다음, 트리에틸아민 3 ml 및 APTES 용액을 상기 HNT 용액에 첨가한 후, 상기 혼합물을 80 ℃의 온도 및 질소가스 분위기 하에서 하루 동안 교반하였다. 상기 HNT-NH2는 탈이온수(DI water)와 에탄올을 이용하여 여러 번 세척한 후, 모아서 1.1 Pa 갑압 하에 50 ℃ 온도로 건조시켰다.
The amino group-modified HNT (HNT-NH 2 ) was synthesized using pure HNT by the following method. HNT was dispersed by adding 100 ml of toluene for 2 hours using ultrasonic waves and stirred for 2 hours (400 rpm). Next, 3 ml of triethylamine and an APTES solution were added to the HNT solution, and then the mixture was stirred at a temperature of 80 ° C and a nitrogen gas atmosphere for one day. The HNT-NH 2 was washed several times with deionized water and ethanol, and then collected and dried at a temperature of 50 ° C under a pressure of 1.1 Pa.
(2) 단계 2: 카르복실산기로 기능화된 할로이사이트의 제조(2) Step 2: Preparation of a haloside functionalized with a carboxylic acid group
HNT-COOH는 상기 단계 1에서 얻은 HNT-NH2로부터 제조되었다. 무수 숙신산 0.1 M의 일부 2 ml과 상기 단계 1에서 얻은 건조된 HNT-NH2는 DMF에 첨가하여 혼합한 후, 상기 혼합물을 하루동안 교반하였다. 상기 모아진 HNT-COOH는 50 ℃ 및 3.6 mPa 진공 오븐에서 건조시켰다.
HNT-COOH was prepared from the HNT-NH 2 obtained in
(3) 단계 3: HNT-COOH 분산 용액의 제조(3) Step 3: Preparation of HNT-COOH dispersion solution
HNT-COOH 산성, 염기성 및 중성 용액(0.025 mg/ml)을 제조하였다. 수산화나트륨 용액(pH 12)는 염기성 용액으로 사용되었고, 염산(pH 1)은 산성 용액으로 사용되었다. HNT-COOH(0.5 mg)을 탈이온수(1 ml)에 녹인 후, 상기 용액을 0.80 μm 셀롤로오스 아세테이스 멤브레인 필터를 사용하는 휘슬 라이트 스케터링 셀(13 × 100 mm)로 바로 옮겨 담았다. 소니케이터 및 울트라소니케이터를 사용하여 각각 용액에서 2 h 및 5 s 동안 HNT-COOH를 분산시키고 각각 용액을 하루 동안 상온에서 보관하였다.
HNT-COOH Acidic, basic and neutral solutions (0.025 mg / ml) were prepared. Sodium hydroxide solution (pH 12) was used as a basic solution, and hydrochloric acid (pH 1) was used as an acidic solution. HNT-COOH (0.5 mg) was dissolved in deionized water (1 ml), and the solution was directly transferred to a whistle-light scattering cell (13 × 100 mm) using a 0.80 μm cellulosic acetate membrane filter. HNT-COOH was dispersed in the solution for 2 h and 5 s, respectively, using a sonicator and an ultrasonic cooker, and each solution was stored at room temperature for one day.
파라미터 측정 결과Parameter measurement result
도 5에 나타낸 바와 같이, 순수한 HNT 및 HNT-COOH의 IR 스펙트럼 확인 결과, 3703 cm-1 및 3622 cm-1에서 HNT의 외부 표면에 포함되는 하이드록시기가 확인되었다. HNT의 표면에서 하이드록시기는 카르복실산으로 개질되었다(HNT-COOH). HNT의 하이드록시기가 아미노 및 카르복실산기로 치환된 후, 넓게 분포하는 알코올 IR 피크가 3200 cm-1 내지 3500 cm-1에서 사라졌고, 카르복실산과 이차 아민 진동 피크가 3400 cm-1 내지 3600 cm-1에서 확인되었다. 상기 피크는 작용기의 적은 개수와 수소 결합 상호작용 때문에 매우 약하고 넓다. 아미드 및 카르복실산기 각각 HNT-COO의 IR의 1580 cm-1 및 1700 cm-1에서 카보닐 진동이 확인되었다. 1105 cm-1 위치의 피크는 구조의 작은 뒤틀림이 변형된 후 나타난 것으로 확인된다. 따라서 수고에서 카르복실산으로의 작용기의 변형은 IR 스펙트럼에 의해 확인되었다.As shown in FIG. 5, IR spectra of pure HNT and HNT-COOH were confirmed and the hydroxyl groups contained in the outer surface of the HNT were confirmed at 3703 cm -1 and 3622 cm -1 . On the surface of HNT, the hydroxy group was modified with carboxylic acid (HNT-COOH). After the hydroxy groups of the HNT substituted by amino and carboxylic acid group, a wider distribution of alcohol IR peak disappeared at 3200 cm -1 to 3500 cm -1, carboxylic acid and secondary amine vibration peak is 3400 cm -1 to 3600 cm - 1 . The peak is very weak and broad due to the small number of functional groups and hydrogen bonding interactions. Carbonyl vibration was observed at 1580 cm -1 and 1700 cm -1 of the IR of the HNT-COO, respectively, of the amide and carboxylic acid groups. The peak at 1105 cm -1 appears to have appeared after the small distortion of the structure has been deformed. Therefore, the modification of the functional group to carboxylic acid in the work was confirmed by IR spectrum.
도 6은 용액의 pH에 기인하는 HNT-COOH의 SEM 이미지 및 도식화된 도면을 나타낸다. 상기 염기성, 산성 및 중성 용액으로부터 얻은 HNT-COOH의 형태학은 SEM 및 AFM을 이용하여 측정되었다. 상기 시료는 탈이온수 용액(pH 7)로부터 얻었고, 도 6b에 나타낸 바와 같이, HNT-COOH는 할로이사이트 튜브의 카르복실산 및 아미드기의 상호결합 때문에 높게 응집되었다. 반면에 산성 및 염기성 용액으로부터 얻은 건조 시료는 도 6a 및 6c에 나타낸 바와 같이 실리콘 웨이퍼 상의 중성 용액으로부터 얻은 것보다 더 잘 분산되었고, 이는 척력(repulsive force)에 의한 결과로서 이론적으로 설명이 될 수 있다. 높은 pH에서 카르복실산이 카르복실산염 음이온으로 변하여 서로 밀어내고 응집되어 불안정하기 때문에 분산은 중성 용액보다 염기성 용액에서 매우 크게 나타났다. 나아가, 상기 분산도는 산성 용액에서 얻은 것보다 염기성 용액에서 얻은 건조 HNT-COOH에서 더 높은 반면에 이러한 결과에 대한 설명을 건조된 시료의 이미지로부터 바로 얻을 수 있는 것은 아니다. SEM의 많은 약점 중에서 첫 번째는 SEM 및 AFM으로부터 얻은 상기 이미지는 in situ 형태 및 용액 내 나노튜브의 응집 상태를 자연스럽게 나타낼 수 없다. 상기 용액 응집의 성향은 직접적인 이미징 기술을 이용하여 식별이 가능하다. 두 번째로, 실리콘 웨이퍼와 HNT-COOH 사이의 상호결합은 시료 기질에 영향을 준다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, MA-DLS(multiple angle polarized dynamic light scattering) 실험은 용액 상태의 시료를 이용하였다. 동적 광산란법(Dynamic light scattering)은 광자산관법으로 알려져 있고, 이러한 기술은 용액 상태의 입자 크기를 측정할 수 있다.Figure 6 shows an SEM image and a schematic diagram of HNT-COOH due to the pH of the solution. The morphology of HNT-COOH from the basic, acidic and neutral solutions was determined using SEM and AFM. The sample was obtained from a deionized water solution (pH 7), and as shown in FIG. 6B, HNT-COOH was highly aggregated due to the mutual bonding of the carboxylic acid and amide groups of the halosite tube. On the other hand, dry samples obtained from acidic and basic solutions were better dispersed than those obtained from neutral solutions on silicon wafers as shown in Figs. 6a and 6c, which can be theoretically explained as a result of repulsive forces . Since the carboxylic acid turns into a carboxylate anion at high pH and pushes out and coagulates to become unstable, the dispersion is much larger in the basic solution than in the neutral solution. Furthermore, the above degree of dispersion is higher in the dried HNT-COOH obtained in the basic solution than in the acid solution, but the explanation of these results can not be obtained directly from the image of the dried sample. Among the many weaknesses of SEM, the first is that the images obtained from SEM and AFM can not naturally represent the in situ form and the aggregation state of the nanotubes in solution. The propensity of the solution agglomeration can be identified using direct imaging techniques. Second, the mutual bonding between the silicon wafer and HNT-COOH affects the sample substrate. In order to overcome this problem, MA-DLS (multiple angle polarized dynamic light scattering) experiments were used in solution. Dynamic light scattering is known as optical property spectroscopy, and this technique can measure particle size in solution.
도 7은 수직-수직(입사 선속은 수직적으로 편광되고, 산란 선속 또한 수직적으로 된다.)형상과 함께 상관관계 함수의 실험결과를 나타내고; 상기 도면은 산성(A), 염기성(B), 및 중성(N) 용액 내의 0.5 mg/ml HNT-COOH의 산란각 = 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 및 105°에서 측정된 확률 분포 함수이다. 도 7a에서 염기성 용액(pH 12) 내의 HNT-COOH의 확률 분포 함수에 따르면, 상기 각각의 산란각에서 분포도가 잘 측정되었고, HNT-COOH는 pH 12에서 단순분산되는 것으로 나타났다. 도 7b 및 7c에서 산성 및 중성 용액에서 증가된 HNT-COOH의 분포도를 나타내고는 있지만, MA-DLS 실험 결과로서 평균 하강 시간으로 계산된 유체역학적 반경 때문에 확장도(degree of broaden)는 무시될 수 있다. 나아가, 응집된 HNT-COOH 입자는 분포도가 DLS 실험 진행에 적합하기 때문에 충분히 단순 분산되고, 분포 데이터를 사용한 유체역학적 반경의 추론 결과 계산에서 오류는 없다. 도 7d에서 붕괴율(decay rate)은 방정식 Γ = 1/τ로 계산되었고, 붕괴시간 값을 의미하는 τ는 산란각으로 계산되었다. 두 개의 파라미터에서 도 7은 변형 확산 계수(Dt)를 나타내고, 각각의 점을 선으로 이은 기울기(Γ = Dtq2)를 도 4d에 나타내었다. 상기 유체역학적 반경(Rh)는 스토크-아인스테인 방정식으로 계산되었다. 하기 표 2는 세 가지 용액 내의 HNT-COOH의 Dt 및 Rh 값을 나타내었다. 상기 Dt 값은 pH 12에서 1620.9 nm2/ms, pH 1에서 576.2 nm2/ms이고, pH 7에서 155.3 nm2/ms이다. 나아가, 상기 pH에 따른 용액 내의 응집/분산도는 Rh값에서 확인되었다. Rh 값은 pH 12에서 150 nm, pH 1에서 423 nm, 및 pH 7에서 1572 nm이다. 이러한 결과는 SEM 이미지와 관련 있고, 건조 조건 하에서 일반화되었다.Figure 7 shows the experimental results of the correlation function with vertical-vertical (incident line velocity is vertically polarized and scattered line velocity is also vertical); The figure shows that the scattering angles of 0.5 mg / ml HNT-COOH in acidic (A), basic (B), and neutral (N) solutions are 30, 45, 60, 75, 90, It is the measured probability distribution function. According to the probability distribution function of HNT-COOH in the basic solution (pH 12) in FIG. 7A, the distribution was well measured at each scattering angle, and HNT-COOH was found to be simply dispersed at pH 12. Figures 7b and 7c show the distribution of HNT-COOH increased in acidic and neutral solutions, but the degree of broadening can be neglected due to the hydrodynamic radius calculated as the average fall time as a result of the MA-DLS experiment . Furthermore, the coagulated HNT-COOH particles are sufficiently simple to disperse because the distribution is suitable for the DLS experiment, and there is no error in calculation of the inferred hydrodynamic radius using the distribution data. 7d, the decay rate is calculated by the equation Γ = 1 / τ, and τ, which is the decay time value, is calculated by the scattering angle. Figure 7 shows the strain diffusion coefficient (D t ) in two parameters, and the slope (Γ = D t q 2 ) of each point along the line is shown in Figure 4d. The hydrodynamic radius (R h ) was calculated by the Stokes-Einstein equation. Table 2 below shows the D t and R h values of HNT-COOH in the three solutions. The D t value is 1620.9 nm 2 / ms at pH 12, 576.2 nm 2 / ms at
도 8은 HNT-COOH 응집의 결합 형태를 구조적으로 나타낸 도면이다. 신축성 있는 곁가지는 아미드 및 카르복실기 사이의 상호결합을 통한 수소 결합(HB) 네트워크를 이용하여 완벽한 형태로 만들 수 있다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, HB 상호결합과 관련 있는 세 개의 곁가지가 확인된다. 만약 HNT-COOH가 각각 다르게 인접해 있다면, 곁가지는 HB-1(가지-가지 및 가지-표면 결합)과 HB-2(가지-표면 결합)에서 HB-3(가지-가지 결합)을 통해 결합할 것이다.Fig. 8 is a structural view showing a binding form of HNT-COOH aggregation. Fig. Elastic side branches can be made into a perfect shape using a hydrogen bond (HB) network through a mutual bond between amide and carboxyl groups. As shown in Fig. 8A, three side branches associated with HB mutual binding are identified. If HNT-COOH is adjacent to each other, the side chain is bound to HB-1 (branch-branch and branch-surface bond) and HB-2 (branch-surface bond) via HB-3 will be.
HB 상호결합의 세가지 타입은 중성에서 최대가 될 수 있고, 산성 및 염기성 조건은 효과적인 HB 상호결합을 방해하는 탈수소화 반응에서 여분의 수소의 바람직하지 않는 효과를 포함하기 때문이다. HNT-COOH가 염기성 용액에서 보다 산성 용액에서는 우수한 응집을 나타내는 이유는 아래에서 설명될 수 있다. 산성 조건의 경우, 여분의 수소가 곁가지의 카르복실기 및 아미드기의 산소와 HB 상호결합이 약해진 HNT 표면 산소를 둘러싼다. 여분의 수소는 도 8b에 나타낸 바와 같이, 4차 HB 상호결합(HB-4)을 통해 HNT-COOH 사이의 결합을 조정할 수 있다. 용액 내의 수소는 HNT-COOH 표면상의 두 개의 Si 원자와 연결된 산소 원자로 가득 채워진 옥소늄 복합체를 형성시키는 경향이 있다. 상기 수소-산소 결합 길이는 1.01 Å으로 확인되었고, 이는 종래 이론 및 실험 연구와 잘 일치한다. 두 개의 나노튜브 분자는 수소들에 대해 매우 안정한 옥소늄 이온을 통해 서로 연결된다. 이러한 이론은 Zhang 연구 그룹에 한 일과 일치한다. 수소와 산소 원자 사이의 결합이 매우 강하지 않은 반면, HNT 겉표면 상의 Si-O-Si의 산소와 결합하는 수소는 HNT을 연결하는 다리와 같은 역할을 할 수 있다. 이러한 결합은 Si-O-Si 형태를 포함하는 HNT 표면 구조의 대부분 때문에 가능하고, 실리카 입자 또는 실리콘 옥사이드 재료의 구조와 유사하고, 상기 모든 제조방법은 어떠한 에너지 장벽 없이 수행될 수 있다. 따라서 분산성이 산성 용액에서 HB-4를 통한 수소의 결합 때문에 약해졌다. 반면, 염기성 조건은 카르복실기의 탈수소화를 야기한다. 따라서 도 8c에 나타낸 바와 같이, 정전기적으로 서로 다르게 반발하는 곁가지(RF-1)와 HNT 표면 산소(RF-2)로 약하게 채워졌다. 상기 HB-4 결합 역시 부족한 수소 때문에 요구될 수 없다. 따라서 pH 조건에 따라 조절될 수 있는 HB 결합을 기초로 하는 HNT-COOH의 응집 메커니즘으로 언급할 가치가 있다.Three types of HB mutual bonds can be maximal in neutral and acidic and basic conditions include the undesirable effect of extra hydrogen in the dehydrogenation reaction, which interferes with effective HB mutual binding. The reason why HNT-COOH shows better agglomeration in acid solution than in basic solution can be explained below. In the acidic condition, the extra hydrogen surrounds the HNT surface oxygen, which is weakened in HB bond with oxygen in the side chain carboxyl group and amide group. The extra hydrogen can adjust the bond between the HNT and COOH via the fourth order HB mutual coupling (HB-4), as shown in FIG. 8B. Hydrogen in solution tends to form an oxonium complex filled with oxygen atoms connected to two Si atoms on the surface of HNT-COOH. The hydrogen-oxygen bond length was found to be 1.01 Å, which agrees well with conventional theory and experimental studies. The two nanotube molecules are connected to each other by hydrogen ions with very stable oxonium ions. This theory is consistent with what Zhang studied. While the bond between hydrogen and oxygen atoms is not very strong, hydrogen bonding with the oxygen of Si-O-Si on the HNT surface can act as a bridge connecting the HNT. This bond is possible because of most of the HNT surface structure including the Si-O-Si form, similar to the structure of the silica particle or silicon oxide material, and all of the above manufacturing methods can be performed without any energy barrier. The dispersibility was thus weakened by the binding of hydrogen through HB-4 in the acidic solution. On the other hand, basic conditions cause dehydrogenation of the carboxyl group. Thus, as shown in Fig. 8 (c), it was lightly filled with the side chain (RF-1) and the HNT surface oxygen (RF-2), which electrostatically repel each other differently. The HB-4 bond can not also be required because of the insufficient hydrogen. Therefore, it is worth mentioning as a mechanism of HNT-COOH aggregation based on HB-bonds that can be controlled by pH conditions.
HNT-COOH 나노튜브의 제타 전위 그래프 측정 결과, HNT-COOH는 산성 용액(pH 1)에서 양전하(40.1 mV), 중성 용액(pH 7)에서 약간 음전하(-30.5 mV), 염기성 용액(pH 12)에서 음전하(-45 mV)를 갖는다. 용액 상태에 따른 HNT의 전하 반발(Charge repulsion) 역시 응집 및 분산 특성에 영향을 준다.HNT-COOH was found to be slightly negative (-30.5 mV), basic solution (pH 12) in the positive solution (40.1 mV), neutral solution (pH 7) Has a negative charge (-45 mV). Charge repulsion of HNT according to the solution state also affects the cohesion and dispersion characteristics.
따라서, 본 발명의 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법에서 천연 나노튜브 분자는 수용액 및 생리 조건에서 작동할 수 있는 나노밸브 역할을 하여 pH가 산성인 경우에는 천연 나노튜브들이 응집하여 서로의 기공을 막아 닫힌 상태를 유지하고, pH가 염기성 영역으로 증가하게 되면 천연 나노튜브 분자들 간의 상호작용이 약해져 밸브는 개방된 상태를 유지하여 천연 나노튜브 기공에 포함되는 약물이나 기체 분자들이 새어나오게 할 수 있으므로 pH 차이에 따른 약물 또는 기체 방출 조절에 유용하게 사용될 수 있다.Accordingly, in the method of controlling the opening and closing of the inner pore of the natural nanotube of the present invention, the natural nanotube molecule serves as a nano-valve that can operate in an aqueous solution and a physiological condition. When the pH is acidic, When the pH is maintained in the closed state and the pH is increased to the basic region, the interaction between the molecules of the natural nanotubes is weakened, and the valve may be kept open to allow the drug or gas molecules contained in the natural nanotube pores to leak out and can be usefully used to control drug or gas release according to pH difference.
Claims (7)
외부 표면이 카르복실기로 치환된 할로이사이트, 이모골라이트 중에서 선택되는 1종 이상인 상기 천연 나노튜브를 pH가 조절된 용액에 첨가하여 응집-탈응집 반응을 수행하는 단계를 포함하며,
(a) pH 4 이하인 산성 용액에서는 상기 천연 나노튜브의 표면상에서, ① 천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소와 다른 천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소 간의 정전기적 반발(RF-1)하고, ② 카르복실기 가지와 천연 나노튜브 표면 수소 결합(HB-2) 및 ③ 천연 나노튜브 표면-천연 나노튜브 표면 수소결합(HB-4)을 통해 응집되고, pH 1에서 변형 확산 계수(Dt)가 576.2±10 nm2/ms이며, 유체 역학적 반경(Rh)이 423±10 nm인 천연 나노튜브 입자를 형성하거나,
(b) pH 5-9인 중성 용액에서는 상기 천연 나노튜브의 표면상에서, ① 서로 다른 천연 나노튜브 표면의 카르복실기 가지 간에 수소결합을 하는 동시에 카르복실기 말단의 수소가 인접한 천연나노튜브 표면과 수소결합(HB-1), ② 카르복실기 가지와 천연 나노튜브 표면의 수소결합(HB-2) 및 ③서로 다른 카르복실기 가지 간에 수소결합(HB-3)을 통해 강하게 응집되고, pH 7에서 변형 확산 계수(Dt)가 155.3±10 nm2/ms이며, 유체 역학적 반경(Rh)이 1572±20 nm인 천연 나노튜브 입자를 형성하거나,
(c) pH 9 이상인 염기성 용액에서는 ①천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소와 다른 천연 나노튜브 표면상의 카르복실기 가지에 포함되어 있는 산소 간의 정전기적 반발(RF-1)하고, ② 카르복실기 가지와 천연 나노튜브 표면과 서로 반발(RF-2)하여 탈응집되고, pH 12에서 변형 확산 계수(Dt)가 1620.9±10 nm2/ms이며, 유체 역학적 반경(Rh)이 150±5 nm인 천연 나노튜브 입자를 형성시킴에 따라 내부기공 개폐를 조절하며,
상기 (a) 산성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 1의 용액에서 제타전위가 40.1±4 mV이고, 상기 (b) 중성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 7의 용액에서 제타전위가 -30.5±3 mV이고, 상기 (c) 염기성 분위기의 천연 나노튜브 입자는 pH 12의 용액에서 제타전위가 -45±4 mV이고,
약물 방출 또는 기체 방출 조절에 사용되는 것을 특징으로 하는 천연 나노튜브의 내부기공 개폐 조절 방법.A method for controlling the inner-pore opening / closing of a natural nanotube according to pH control,
Adding the natural nanotubes, which are at least one selected from the group consisting of halosite and amomolgolite whose outer surface is substituted with a carboxyl group, to a pH-adjusted solution to perform an aggregation-de-aggregation reaction,
(a) In an acidic solution having a pH of 4 or less, it is necessary to form on the surface of the natural nanotubes, (1) electrostatic repulsion between the oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the natural nanotube and oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the other natural nanotube -1), (2) the carboxy group and the natural nanotube surface hydrogen bond (HB-2) and (3) the natural nanotube surface-natural nanotube surface hydrogen bond (HB-4) Dt) of 576.2 ± 10 nm 2 / ms and a hydrodynamic radius (Rh) of 423 ± 10 nm,
(b) In a neutral solution having a pH of 5-9, on the surface of the natural nanotubes, (1) hydrogen bonds between the carboxyl groups of the surfaces of the different natural nanotubes, -1), (2) the hydrogen bond (HB-2) on the surface of the carboxyl group and the natural nanotube surface, and (3) the hydrogen bond (HB-3) between the different carboxyl groups. 155.3 ± 10 nm 2 / ms and having a hydrodynamic radius (Rh) of 1572 ± 20 nm,
(c) In the basic solution with a pH of 9 or more, electrostatic repulsion (RF-1) between the oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the natural nanotube and the oxygen contained in the carboxyl group on the surface of the other natural nanotube, (Rt) of 150 ± 5 nm at a pH of 12 and a deformation diffusion coefficient (Dt) of 1620.9 ± 10 nm 2 / ms at a pH of 12, The nanoparticle particles are formed to control the internal pore opening and closing,
(A) the natural nanotube particles in the acidic atmosphere have a zeta potential of 40.1 ± 4 mV in a solution having a pH of 1, and (b) the natural nanotube particles in the neutral atmosphere have a zeta potential of -30.5 ± 3 mV. In the (c) natural atmosphere, the natural nanotube particles have a zeta potential of -45 + 4 mV in a solution of pH 12,
Characterized in that the nanoparticles are used for drug release or gas release control.
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Elshad Abdullayev & Yuri Lvov, Halloysite Clay Nanotubes for Controlled Release of Protective Agents, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2011, Vol. 11, pages. 10007-10026. * |
Elshad Abdullayev & Yuri Lvov, Halloysite Clay Nanotubes for Controlled Release of Protective Agents, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2011, Vol. 11, pages. 10007-10026.* |
Peng Yuan, et al., Organosilane functionalization of halloysite nanotubes for enhanced loading and controlled release, Nanotechnology, 2012, Vol. 23, 375705 (5pp). * |
Peng Yuan, et al., Organosilane functionalization of halloysite nanotubes for enhanced loading and controlled release, Nanotechnology, 2012, Vol. 23, 375705 (5pp).* |
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