KR101539389B1

KR101539389B1 - 폴리도파민 유도 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용한 보조인자 재생방법

Info

Publication number: KR101539389B1
Application number: KR1020140041262A
Authority: KR
Inventors: 박찬범; 이민아; 신종화; 김종욱; 이병일; 이준석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2015-07-28

Abstract

본 발명은 폴리도파민 유도 플라즈모닉 나노하이브리드 및 이를 이용한 보조인자 재생방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판에 폴리도파민, 금속 나노입자 및 염료를 첨가하여 제조된 폴리도파민 유도 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용하여 보조인자를 재생하고, 상기 재생된 보조인자를 사용하여 산화환원효소 반응으로 유용물질을 제조하는 인공광합성 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용하여 효과적으로 보조인자를 재생시킬 수 있어, 인공광합성을 이용하는 신약원료물질, 광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산하기에 유용하다.

Description

폴리도파민 유도 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용한 보조인자 재생방법 {Method for Regenerating Cofactors Using Polydopamine Induced Plasmonic Nanohybrids}

본 발명은 폴리도파민 유도 플라즈모닉 나노하이브리드 및 이를 이용한 보조인자 재생방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판에 폴리도파민, 금속 나노입자 및 염료를 첨가하여 제조된 폴리도파민 유도 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용하여 보조인자를 재생하고, 상기 재생된 보조인자를 사용하여 산화환원효소 반응으로 유용물질을 제조하는 인공광합성 방법에 관한 것이다.

태양 에너지는 광감응체(Photosensitizer)의 흡광으로 시작되며 전기적 활성화(electric excitation)을 통해서 전자 수용체(electron acceptor)에 전달된다. 녹색 식물의 경우 단백질 복합체는 높게 농축된 크로모스피어(chromosphere)에 정교한 구조로 밀접하게 결합하여 강한 흡광력을 갖고 반응 센터(reaction center)에 효과적인 에너지 전달이 되도록 한다(G.D. Scholes et al ., Nat. Chem., 3:763, 2011). 자연 광합성으로부터 영감을 얻은 결과, 태양 에너지를 수확하는 과정에서 인공광합성 시스템의 효율을 최대화하여 흡광을 증폭시키는 방법을 고안하는 것이 가장 주요한 과제이다(A. A. Boghossian, Energy Environ. Sci., 4:3834, 2011). 상기 목적을 달성하기 위해서 광촉매 시스템과 강한 LSPR(Localized surface plasmon resonance)을 갖는 금속 나노구조(metallic nanostructure)를 커플링하는 방법이 유망한 전략이라고 알려져 있다(S. Linic et al ., Nat. Mater., 10:911, 2011; H. A. Atwater et al ., Nat. Mater., 9:205, 2010). 공명 활성화(resonant excitation)에 의해 금속의 컬렉티브 전자 진동(collective electron oscillation)으로 강렬한 로칼 전기장이 유도되면 크로모포어(chromophore) 또는 반도체와 같은 주변 광활성 스피시즈(photoactive species)의 광활성화(Photoexcitation)를 증진시킬 수 있다(S. C. Warren et al ., Energ. Environ. Sci., 5:5133, 2012; W. Hou. et al ., Adv. Funct. Mater., 23:1612, 2013). 최근 연구에 의하면 LSPR를 이용해서 태양 에너지를 효율적으로 수확하고 이용할 수 있는 응용분야에 있어, 광전지(photovoltaics)로 전기를 발생시키거나(J. Qi et al ,, ACS Nano, 5: 7108, 2011; A. P. Kulkarni et al ., Nano Lett., 10:1501, 2010; M. D. Brown et al ., Nano Lett., 11:438; 2010) 화학적 처리를 통해서 에너지적으로 유용하거나 화학적으로 가치있는 제품을 얻을 수 있다(S. Mubeen et al., Nat. Nanotechnol., 8:247, 2013; E. Seo et al., J. Phys. Chem. C., 117:11686, 2013).

플라즈몬-증진 집광(plasmon-enhanced light harvesting)을 이루기 위한 최우선 과제는 지오메트리스(geometries)에 따라서 다른 에너지 전이 상호작용(energy transfer interactions)이 지배할 수 있는 금속 나노구조 및 광감응체의 정확한 설계이다(H. Chen et al., Nano Today, 5:494, 2010). 지난 수십 년간 금속 나노구조의 제조방법에 중대한 발전이 있어서, 포커스드 이온 빔 밀링(focused ion beam milling), 전자 빔 리소그래피(electron beam lithography), 웨트 화학합성(wet chemical synthesis) 등이 있었다(H. Duan et al ., ACS Nano, 5:7593, 2011; J. A. Fan et al., Science, 328:1135, 2010; M. R. Jones et al ., Chem. Rev., 111:3736, 2011). 그러나 하향식 접근법에 의한 진공상태에서의 시리얼 라이팅(serial writing) 및 콜로이드 나노입자(NPs)의 기판에서의 배열 및 흡착과 같은 추가적 제조단계는 인공광합성 시스템의 응용을 제한시켜 제조과정에서의 낮은 처리량(throughput)과 높은 비용이 문제가 되었다. 또한, 콤플렉스 플라즈몬-증진 집광 어셈블리(assembly)의 개발을 위해서는 미세한 금속 나노구조에 무작위적 방식이 아닌 정교하게 광감응체를 통합하는 합성전략의 확립이 필요하다(C.-W. Yen et al ., Nano Lett., 11:3821, 2011; I. Kim et al ., Nano Lett., 11:3091, 2011; L. Novotny et al., Nat. Photon, 5:83, 2011). 그러므로 저렴하면서도 확장 가능한 플라즈모닉 금속 나노구조 어셈블리의 정확한 합성 및 플라즈모닉 금속 나노구조 어셈블리를 표적 광촉매 시스템에 교잡(hybridize)시키는 전략은 태양에너지를 활용(solar-to-energy conversion)하는 플라즈모닉스(plasmonics)의 실용적인 응용분야에서 높은 수요가 있다.

녹색 식물의 자연 광합성은 NADH의 광재생 및 캘빈 사이클(Calvin cycle)에서의 NADH의 소모로 태양 에너지를 화학 에너지로 전환하는 과정을 통해서 이루어진다(Y. Tachibana et al ., Nat. Photon., 6:511, 2012; J.-D. Rochaix, 342:50, 2013; J. Barber, Chem. Soc. Rev., 38:185, 2009).

플라즈모닉 나노하이브리드 어셈블리를 이용한 생촉매된 인공광합성(biocatalyzed artificial photosynthesis)은 가시광 유도하에 순환되는 NADH(Nicotinamide cofactor) 및 산화환원(redox, 리덕스)효소의 화학합성을 통해서 자연 광합성을 모방할 수 있다(S. H. Lee et al ., Chem. Eur. J., 19:4392, 2013; J. Ryu et al ., Adv. Mater., 23:1883, 2011; J. H. Kim et al ., Angew. Chem. Int. Ed., 51:517, 2012).

홍합(Mussel)은 발에서 뻗어 나오는 족사를 통하여 수중 표면에 단단히 부착하는데, 각 족사의 끝 부분에는 내수성 접착제를 포함하고 있어 접착 플라크(plaque)는 젖은 고체 표면에 고정될 수 있다(J.Herbert Waite et al., Biology Review, 58:209-231, 1983). 또한, 홍합 유래 접착 고분자는 인체에 해가 없고 면역반응을 일으키지 않아, 의약용도의 접착제로 사용 가능성이 있다(J. Dove et al., Journal of American Dental Association, 112(6):879, 1986).

도파민은 신경세포간에 메신저 역할을 하는 일종의 신경전달 물질(Neuro-transmitter)로서 카테콜(Catechol) 또는 카테킨(Catechin)의 화학적 성분을 포함한 아민(Catecholamines)의 일종이다. 이러한 도파민을 중합시키면 폴리도파민(Polydopamine: PDA)이 생성되며, 상기 폴리도파민은 다양한 표면들을 그 구조, 재료와 관계없이 일정한 화학적 특성이 있도록 개질시킬 수 있는 코팅 물질로 사용할 수 있다. 폴리도파민이 코팅된 표면은 아민(-NH₂) 또는 티올(thiol)기를 가진 분자들을 공유결합으로 흡착시킴으로써 다양한 작용기를 도입할 수 있고, 특히 각종 금속과 산화규소, 산화철, 스테인리스, 테플론, 폴리스티렌 등 다양한 지지표면에 코팅시킬 수 있으며, 접착력이 매우 우수하다.

한편, 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질은 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 폴리도파민(polydopamine), 폴리-노르에피네프린(poly-norepinephrine), PEG-카테콜(PEG(Polyethylene glycol)-catechol), PEI-카테콜(PEI(polyethyleneimin)-g-catechol) 등이 있다.

본 발명에서는 홍합의 접착 방식(mussel adhesion)으로 다목적성 폴리도파민 나노레이어(Polydapamine(PDA) nanolayer)를 적용하여 효율적인 집광이 가능한 플라즈모닉 금속/광감음체 코어-쉘 나노하이브리드(plasmonic metal/photosensitizer core-shell nanohybrid)를 제조하기 위한 간단하면서도 용이한 방법을 제공하고자 한다.

이에, 본 발명자들은 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용하여 인공광합성을 수행하는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 보조인자 재생에 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용하는 경우, 재생된 보조인자를 산화환원효소 반응과 연결해 탄수화물을 생산할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 인공광합성을 수행할 수 있는 플라즈모닉 나노하이브리드및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 인공광합성을 수행할 수 있는 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용한 보조인자의 광학적 재생방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 카테콜 작용기(catecholic moiety)를 함유하는 물질로 기판(substrate)을 코팅시키는 단계, (b) 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅된 기판에 금속 이온을 환원시켜 금속 나노입자를 형성시키는 단계 및 (c) 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅되어 있고 금속 나노입자가 합성되어 있는 기판에 카테콜 작용기를 함유하는 물질 및 염료를 함께 코팅하여 플라즈모닉 나노하이브리드를 수득하는 단계를 포함하는, 플라즈모닉 나노하이브리드(plasmonic nanohybrid)의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조된, 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅되어 있는 기판에 금속 나노입자가 상기 카테콜 작용기와 결합되어 있고, 상기 금속 나노입자에 카테콜 작용기를 함유하는 물질 및 염료가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 나노하이브리드를 제공한다.

본 발명은 또한, (i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 상기 플라즈모닉 나노하이브리드를 첨가한 다음, 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자의 광학적 재생방법을 제공한다.

본 발명은 또한, (i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 상기 플라즈모닉 나노하이브리드를 함유하는 것을 특징으로 하는 보조인자 재생용 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한, (a) (i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 상기 플라즈모닉 나노하이브리드를 첨가한 다음, 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자를 광학적으로 재생시키는 단계 및 (b) 상기 재생된 보조인자를 산화환원효소 반응에 사용하여 상기 산화환원효소 반응으로 생성되는 유용물질을 제조하는 단계를 포함하는 인공광합성 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용하여 효과적으로 보조인자를 재생시킬 수 있어, 인공광합성을 이용하는 신약원료물질, 광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산하기에 유용하다.

도 1의 a는 집광용 홍합-감흥 플라즈모닉 나노하이브리드(mussel-inspired plasmonic nanohybrid for light harvesting)를 나타낸 도식도이며, b는 PET 기판에 형성된 나노하이브리드를 나타낸 것이다.
도 2의 a는 슬라이드글라스, PET 필름 및 실리카 비드에 형성된 플라즈모닉 나노하이브리드를 나타낸 것이고, b는 서로 다른 레이어로 구성된 나노하이브리드로 b의 상단 그래프는 XPS 서베이 스펙트라(XPS survey spectra)를, b의 하단 왼쪽은 Br 3d XPS 스펙트라를, b의 하단 오른쪽은 Au 4f XPS 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 3의 a는 서로 다른 레이어(layer)를 가지는 나노하이브리드의 흡광을 나타낸 것이고, b는 FDTD 방법으로 유래한 PDA-Au-EY의 총 흡광 및 각 재료의 흡광 스펙트라를 나타낸 것이다. c는 EY-통합-PDA 쉘(EY-incorporated PDA shell; 20nm)과 같이 있는 Au NPs(70nm)의 주변 전기장의 강도를 나타낸 것이다. d는 PDA, PDA-EY 및 PDA-Au-EY 필름의 SERS 스펙트라를 비교한 것이다.
도 4의 a는 PDA-Au-EY 나노하이브리드에 의한 플라즈몬-증진 생체 모방 광합성(plasmon-enhanced biomimetic photosynthesis)의 에너지 준위를 나타낸 것이고, b는 PDA-Au, PDA-EY 및 PDA-Au-EY 나노하이브리드 필름의 가시광선 하에서의 NADH의 광재생을 나타낸 것이고, c는 PDA 스페이싱(spacing) 존재 여부에 따른 PDA-Au-EY의 NADH 광재생의 비율을 나타낸 것이다.
도 5는 플라즈모닉 나노하이브리드의 3단계 합성과정을 나타낸 것으로, 1단계에서는 기판에 1차 PDA 코팅을 하고, 2단계에서는 상기 PDA로 코팅된 기판에 금속 전구체(NPs) 용액을 처리하고, 3단계에서는 상기 PDA 코팅되고 NPs를 함유하는 기판에 염료 및 2차 PDA 코팅을 하는 단계로 구성되어있다.
도 6은 PDA 레이어에 캡슐화(encapsulte)된 다양한 염료의 흡광도를 나타낸 것이다.
도 7은 PDA 코팅된 슬라이드글라스에 형성된 전형적인 Au NPs를 나타낸 것으로 a는 Au NPs의 AFM 사진을, b 및 c는 Au NPs의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 8은 PDA 코팅된 슬라이드글라스에 형성된 Au NPs의 입자크기를 나타낸 것이다.
도 9는 PDA-Au, PDF 유래 금속 Au 및 PDA의 XRD 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 10은 Ag 코어(core)를 가지는 플라즈모닉 나노하이브리드의 재료 특성을 나타낸 것으로 a는 AFM을 b) 및 c)는 SEM을 나타낸 것이다. d는 나노하이브리드를 구성하는 Ag NPs의 결정도를 XRD로 시험한 결과이고, e는 서로 다른 레이어로 구성된 나노하이브리드를 XPS로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 서로 다른 레이어(PDA, PDA-EY, PDA-Au 및 PDA-Au-EY 필름)로 구성된 나노하이브리드의 시뮬레이션된 흡광도를 나타낸 것이다.
도 12는 NADH의 광재생 전후에서의 PDA-Au-EY 필름의 흡광 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 13은 다양한 두께의 PDA 스페이싱 레이어를 가지는 Au NPs의 TEM 사진을 나타낸 것이다.
도 14는 다양한 두께의 PDA 스페이싱 레이어를 가지는 PDA-Au EY의 Au NPs에 의한 플라즈모닉 장의 증진(plasmonic field enhancement)의 계산된 결과를 나타낸 것이다.

홍합의 접착 단백질을 모방한 PDA 코팅은 다양한 재료의 표면에 적용할 수 있어(H. Lee et al ., Science, 318:426, 2007) 다기능적인 나노구조(J. Sedo et al., Adv. Mater., 25:653, 2013; S. M. Kang et al ., Funct. Mater., 22:2949, 2012; J. Ryu et al ., 20:2132, 2010)를 신속하게 합성할 수 있다.

본 발명의 플라즈모닉 코어-쉘 어셈블리(도 1a)의 PDA 코팅은: (1) 금속 나노입자 합성용 환원제; (2) 광감응 염료의 캘슐화 스케폴드(scaffold); 및 (3) 나노하이브리드와 기판 간의 접착 레이어(adhesive layer)로 다양하게 이용될 수 있다.

본 발명은 나노리소그래피(nanolithography) 과정과 달리 합성의 전 과정은 액체 상에서 간단한 조건에서 이루어질 수 있으며 복잡한 장치가 필요하지 않아 대규모 생산에 유리하다. 또한, PDA 코팅의 놀라운 접착 다용도성(adhesive versatility)으로 재료의 종류나 기판의 형태와 무관하게 정교한 코어-쉘 나노구조를 개발할 수 있다.

가시광 유도하의 인공광합성 과정에서 플라즈모닉 나노하이브리드는 플라즈모닉 금속 나노입자 유래 LSPR를 통한 분자성 광감응체(molecular photosensitizer)의 증폭된 흡광으로 강력하게 증진된 광촉매 활성을 보인다.

본 발명의 방법을 사용하면 다양한 종류의 금속 코어(예를 들면 금 또는 은) 및 염료 분자의 조합이 가능하여 여러 종류의 광학 물성(optical property)을 갖는 나노하이브리드의 합성이 가능하며 태양 에너지 전환 응용 장치의 유연적 디자인을 가능케 한다.

본 발명은 일 관점에서, (a) 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 기판을 코팅시키는 단계, (b) 상기 형성된 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅된 기판에 금속 이온을 환원시켜 금속 나노입자를 형성시키는 단계 및 (c) 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅되어 있고 금속 나노입자가 형성되어 있는 기판에 카테콜 작용기를 함유하는 물질 및 염료를 함께 코팅하는 단계를 포함하는, 플라즈모닉 나노하이브리드(plasmonic nanohybrid) 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 플라즈모닉 나노하이브리드에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 기판은 유리, 폴리에스터(Polyester, PET), 실리카 비드, 타이타늄, 알루미늄, 규소, 금, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), 셀룰로오스, 실리콘 고무, 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락틱액시드(PLLA), 폴리(락틱-글리콜액시드)(PLGA), 폴리불화비닐리덴계 및 폴리아크릴산으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질은 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 폴리도파민(polydopamine), 폴리-노르에피네프린(poly-norepinephrine), PEG-카테콜(PEG-catechol) 및 PEI-카테콜(PEI-catechol)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 염료는 크산텐 염료, 쿠마린 염료, 트리페닐메탄염료, 시아닌 염료, 메로시아닌 염료, 프탈로시아닌 염료, 나프탈로시아닌 염료, 포르피린 염료, 폴리피리딘 금속 착물 염료, 루테늄 비피리딘 염료, 아조 염료, 퀴논 염료, 퀴논 이민 염료, 퀴나크리돈 염료, 스쿠아륨 염료, 페릴렌 염료, 인디고 염료, 폴리메틴 염료 및/또는 리보플라빈 염료 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 크산텐 염료는 풀루오레신(Fluorescein), 에오신Ｙ（Eosin Y）, 에오신 B(Eosin B), 에리쓰로신 B(Erythrosine B), 플로신 B(Phloxine B), 로즈벵갈(Rose Bengal), 멀브로민(Merbromin), 에틸에오신(Ethyl Eosin), 로다민 B(Rhodamine B), 로다민 6G(Rhodamine 6G) 및 설포로다민 B(Sulforhodamine B)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 염료인 것을 특징으로 할 수 있으며 바람직하게는 에오신Ｙ를 사용할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, (i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 상기 플라즈모닉 나노하이브리드를 첨가한 다음, 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자의 광학적 재생방법에 관한 것이다.

본 발명은 다른 관점에서, (i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 상기 플라즈모닉 나노하이브리드를 함유하는 것을 특징으로 하는 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 전자주개는 트리에탄올아민(TEOA, triethanolamine), 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA, Ethylenediaminetetraacetic acid), 시트르산(Citric acid), 포름산(Formic acid), 아스코르빈산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid) 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 전자전달매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 로듐(III)복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III):[Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) (i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 상기 플라즈모닉 나노하이브리드를 첨가한 다음, 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자를 광학적으로 재생시키는 단계 및 (b) 상기 재생된 보조인자를 산화환원효소 반응에 사용하여 상기 산화환원효소 반응으로 생성되는 유용물질을 제조하는 단계를 포함하는 인공광합성 방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 산화환원효소는 GDH(glutamate dehydrogenase), ADH(Alcohol dehydrogenase), G6PDH(glucose-6-phosphate dehydrogenase), LDH(lactic dehydrogenase), MDH(malate dehydrogenase), SDH(succinic dehydrogenase)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 일 양태에서, 기판, 금속 나노입자(Au 또는 Ag 나노입자), 에오신 Y 및 폴리도파민을 함유하는 PDA-Au-EY 및 PDA-Ag-EY 플라즈모닉 나노하이브리드를 제작하여 높은 집광 효과로 플라즈몬에 의한 향상된 생촉매 인공광합성을 이룰 수 있었다.

본 발명의 다른 양태에서, 가장 강렬한 흡광은 플라즈모닉 나노하이브리드의 EY 레이어 상층부에서 발생하며 PDA-EY보다 Au 나노입자를 함유하는 PDA-Au-EY 필름의 EY 흡광 강도가 현저하게 증가한 것으로 나타났다.

본 발명은 또 다른 양태에서, 가시광 하에 서로 다른 플라즈모닉 나노하이브리드 필름(PDA-Au, PDA-EY 또는 PDA-Au-EY)을 이용한 NADH의 재생률을 비교한 결과, PDA-EY 필름은 2.1%, PDA-Au-EY 필름의 경우는 14.7%를 나타내었으므로 EY의 현저한 광촉매 활성의 증가는 플라즈모닉 Au 나노입자를 통합한 결과임이 분명하였다. 또한, 같은 조건에서 NADH 재생과 커플링된 GDH로 10mM α-케토글루타레이트를 이용할 경우 PDA-EY는 0.1mM L-글루타메이트를, PDA-Au-EY는 2mM L-글루타메이트를 생성하였으므로 20배 이상 향상된 인공광합성 수득률을 플라즈몬-유래 증진(plasmon-derived enhancement) 효과로 얻을 수 있었다.

본 발명은 또 다른 양태에서, 나노하이브리드 구조에 있는 염료분자 및 플라즈모닉 금속 나노입자 간의 상호작용을 확인하기 위해서, Au 코어 및 EY 레이어 사이에 스페이싱 레이어를 도입한 결과, 스페이싱 레이어의 두께가 더해질수록 NADH 재생을 감소시키는 것으로 확인되었다. 즉, 가시광 하에 PDA-Au-EY 하이브리드의 코어-쉘 구조의 Au 나노입자에서 유래한 LSPR(Localized surface plasmon resonance)에 의한 장 증진(field enhancement)은 NADH 재생 시 EY의 광촉매 효율을 증진하는데 결정적인 역할을 하며 인공광합성의 효과를 향상시키는 것으로 확인되었다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예1: 플라즈모닉 나노하이브리드의 합성(Plasmonic Nanohybrid Synthesis)

1-1: 재료로 사용된 도파민 염산염(Dopamine hydrochloride), 염화 금(III) 수화물(gold(III) chloride hydrate), 질산은(silver nitrate), 트리스 베이스(tris base), 에오신 Y(eosin Y: EY), 필로신(phloxine B), 트리스(2,2'-비피리딜)디클로로로듐(II)핵사하이드레이트(tris(2,2′-bipyridyl)dichlororuthenium(II)hexahydrate (Ru[bpy]₃), 트리에탄올아민(triethanolamine: TEOA), NAD+, α-케토글루타레이트(α-ketoglutarate), (NH₄)₂SO₄(ammonium sulfate) 및 GDH(glutamate dehydrogenase)는 시그마알드리치(미국)에서 구매하였다. TPPS(Cu(II) tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin)는 프론티어 사인언티픽(로간, UT)에서 구매하였다.

1-2: 나노하이브리드를 합성하기 전의 기판(기질, 기재, substrate) 물질인 슬라이드글라스 및 PET 필름은 에탄올 및 증류수로 세척하였다. 실리카 비드는 '시드 성장(seeded growth)' 방법으로 합성하였고(L. Duan et al ., Langmuir, 25:3467, 2009), [Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺는 기존의 방법으로 합성하였다(S. H. Lee et al., Chem Bio Chem., 10:1621, 2009).

1-3: 플라즈노믹 나노하이브리드의 합성

서로 다른 재료와 형태를 가지는 기판의 나노하이브리드 합성은 다음과 같은 3단계 처리 과정을 거쳤다. 첫 번째 과정에서는 기판(substrate)을 도파민 용액(2 mg mL^-1dopamine, Tris buffer 10mM, pH8.5)에 침수시켜 PDA 코팅을 하였다. 두 번째 과정에서는 PDA로 코팅된 기판을 금속 전구체(precursor) 용액에 처리하여 플라즈모닉 금속 나노입자(plasmonic metal nanoparticles: NPs)가 PDA의 케타콜릭 모이티(catecholic moieties, 케타콜 작용기)에 의해 환원되도록 유도하였다. Au NPs 및 Ag NPs의 합성은 각각 1mM 염화 금(gold chloride) 또는 50mM 질산은(silver nitrate)을 사용하였다. 세 번째 과정에서는 염료 캡슐화를 위한 2차 PDA 코팅 후 염료(1mg mL^-1)/도파민(2mg mL^-1) 트리스(tris) 완충용액에 침수시킨 후 완성한 플라즈노믹 나노하이브리드를 수득할 수 있었다. 모든 처리 과정은 100rpm 쉐이킹 인큐베인터(JO Tech, Korea)에서 16시간 동안 진행되었다.

실험 결과, 광감응-캡슐 쉘(photosensitizer-encapsulating shell)로 둘러싸인 금속 코어를 가지는 플라즈모닉 나노하이브리드의 합성은 3단계 처리 과정을 거쳤다(도 5). 즉, (1) 기판을 도파민 용액에 침수시켜 도파민의 산화성 중합반응으로 기판에 PDA 레이어를 형성하는 단계; (2) 상기 PDA 코팅된 기판을 금속 전구체 용액 중에서 PDA 케테콜릭 모이티(catecholic moieties, 카테콜 작용기)를 이용한 환원반응으로 침전시켜 플라즈모닉 금속 NPs를 형성시키는 단계; 및 (3) 상기 형성된 플라즈모닉 금속 코어의 주변에 2차 PDA 코팅을 가하여 광감응 분자(photosensitizing molecule)를 캡슐화하는 과정으로 플라스모닉 나노하이브리드를 합성하였다.

본 발명에서는 플라즈모닉 귀금속으로 금과 은 NPs를 사용하여 2가지 나노하이브리드를 합성하였다. Ag NPs와 비교해 볼 때, Au NPs는 고온, 화학, 광화학적 안정성 때문에 광촉매반응에 주로 사용하였다. 여러 유형의 광감응 분자가 PDA ad-레이어(도 6)에 통합될 수 있으나 본 발명에서는 에오신 Y(Eosin Y: EY)를 모델 광감응체(photosensitizer)로 사용하여 플라즈몬에 의한 증진된 태양 에너지 전환을 이룰 수 있다. EY는 크산텐염료(xanthene dye)로서 생촉매 인공광합성의 탁월한 광감응분자로 알려졌다(S. H. Lee et al ., Chem Bio Chem., 10:1621, 2009; S. H. Lee et al ., Adv. Synth. Catal., 351:2589, 2009). 도 1b에 나타난 바와 같이, 나노하이브리드의 적색 반투명 필름을 탁력성있는 PET(Polyester)에 형성할 수 있어 1차 PDA 레이어 및 EY를 캡슐화하는 2차 PDA 레이어로 구성된 PDA-EY 필름 또는 1차 PDA 레이어, 플라즈모닉 Au NP 코어 및 2차 PDA 레이어-EY로 구성된 PDA-Au-EY 필름을 제작할 수 있었다.

1-4: 플라즈모닉 나노하이브리드(Plasmonic Nanohybrid)의 특성

나노하이브리드의 형태는 S-4800 전계 방출 주사형 전자현미경(field emission scanning EM(Hitachi High-technologies CO., Japan))을 사용하여 관찰되었다. 필름을 구성하는 요소(element)는 XPS(X-Ray photoelectron spectroscopy)를 이용하여 분석하였다. 나노하이브리드의 흡광 스펙트라는 V/650 분광측정기(spectrophotometer; Jasco, Inc., Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하였다. 라만 스펙트라는 LabRAM UV-vis-NIR high-resolution dispersive Raman microscope(Horiba Jobin Yvon, France)를 사용하여 측정하였다. 금속 나노입자의 회절 패턴은 D/MAX-2500 X-ray diffractometer(Rigaku Co., Japan)를 사용하여 측정하였다.

본 실험 결과에 의하면 홍합-영감 나노하이브리드 합성을 3가지 기판(슬라이드글라스, PET 필름 및 900nm 지름의 실리카 비드)을 가지고 수행하여 재료 및 형태와 무관하게 본 발명이 실시 가능하다는 것을 보여주었다. 도 2a(왼쪽)의 SEM 사진을 보게 되면 염화 금(gold chloride) 용액에 처리하여 각각의 PDA코팅된 기판에 플라즈모닉 Au NPs가 성공적으로 형성되었다. Au NPs의 크기는 30∼100nm의 범위에서 나타나며 평균적으로는 ∼70nm의 크기를 가지는 것으로 확인되었다(도 7 및 도 8).

EY 캡슐화가 동반된 2차 PDA 코팅 후 Au NPs를 둘러싼 EY 쉘 레이어를 관찰할 수 있었다. 즉, Au NPs의 밝은 내부 코어와 20nm의 두께를 가지는 창백한 PDA 피복(sheath)은 쉽게 식별이 가능하여 코어/쉘 나노구조의 존재 여부를 알 수 있었다. 금속 코어/염료 쉘의 하이브리드 나노구조에 의하면 대부분의 염료 분자는 플라즈모닉 증진 부위(plasmonic enhancement region)에 위치하는 것으로 나타났다.

실시예 2: 플라즈모닉 나노하이브리드의 조성 분석

플라즈모닉 나노하이브리드의 조성을 검사하기 위해서 글라스 기판에 어셈블(assemble)된 PDA, PDA-Au, PDA-EY 및 PDA-Au-EY 필름을 XPS 스펙트로스코피(XPS spectroscopy)를 이용하여 분석하였다(도 2b). PDA 유래의 모든 필름은 C 1s, N 1s 및 O 1s에서 전형적인 피크를 나타내었다. PDA-Au 필름은 명확하게 Au 4f에 해당하는 바인딩 에너지인 84.2eV 및 87.8eV에서 추가적인 피크로 나타나서 Au NPs가 성공적으로 형성된 것을 확인할 수 있었다. PDA-EY 및 PDA-Au-EY 스펙트라 상에서 전형적인 피크인 190eV에서의 Br 3p 및 69.5eV에서의 Br 3d가 나타난다는 것은 EY가 샘플에 존재한다는 것을 의미한다. PDA-Au-EY 샘플의 2차 PDA 코팅 후 Au의 전형적 피크의 상당한 감소를 볼 수 있어 대부분의 Au NP는 PDA 쉘에 동봉(enclosed)되어 있는 것으로 나타났다.

PDA-Au의 XRD 패턴은 금속 Au (JCPDS No. 65-8601)의 데이터베이스와 잘 일치하여 PDA-코팅된 기판의 표면에 결정체인 Au NPs가 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 9). PDA 또는 PDA-Au 필름은 PDA의 비결정질 물성(amorphous nature)에 의해서 20∼30°에 걸쳐 광범위한 피크가 나타났다. 또한, 같은 방법으로 금속 코어로서 Ag NPs를 이용하여 플라즈모닉 나노하이브리드를 합성하였다(도 10).

실시예 3: Au NPs의 LSPR 및 Au NPs과 EY 간의 상호작용 조사

Au NPs의 LSPR 및 Au NPs과 EY 간의 상호작용을 조사하기 위해서 자외선-가시광선 흡광 스펙트로스코피(UV-Vis absorption spectroscopy)를 이용하여 서로 다른 하이브리드 샘플의 흡광 스펙트라를 비교하였다(도 3a). PDA 필름과 비교하였을 때 PDA-EY 필름의 전형적인 흡광 피크를 538nm에서 확인할 수 있었다. PDA-Au-EY 나노하이브리드의 경우 EY 및 Au NPs에서 유래한 2개의 인근 피크가 스펙트럼 상에서 나타났다. PDA-EY 필름과 비교해볼 때 PDA-Au-EY와 같은 Au NP-통합 샘플(Au NP-incorporating sample)은 상당한 흡광 강도를 538nm에서 나타내었다. 600nm에 근접한 추가적인 광범위한 피크는 Au NPs의 LSPR 피크로서 Au NPs의 지름과 모양의 변형에 기인하여 비균일(inhomogeneous)하게 넓어진 것으로 나타났다. 또한 PDA-Au-EY는 PDA-Au보다 Au NPs의 피크 위치가 적색-이동(red-shifted)하여 주변 매체의 증가한 효율적 굴절률(effective refractive index)을 나타내었다.

실시예 4: 플라즈모닉 나노하이브리드의 광학적 물성

FDTD의 시뮬레이션으로 나노하이브리드 시스템의 광학 물성을 계산하기 위하여 PDA 및 EY의 콤플렉스 퍼미트티비티(complex permittivity)를 먼저 모델링(modeling)하였다. 트렌스퍼-메트릭스(transfer-matrix) 방법을 사용하여 PDA의 이마지너리 파트(imaginary part)를 실험상의 흡광 결과로부터 회수할 수 있었다. EY 퍼미트티비티는 로렌즈 모델(Lorentz model)로 부터 계산되었다,

ε_PDA= 계산된 값, ε_Lorentz=0.03, 댐핑(damping:Г)=3.5 x 10¹⁴s^-1및 ω_resonance=3.5x10¹⁵ s^-1(λ_resonance=540nm). Au의 경우 존슨 및 크리스티(Johnson and Christy) 실험결과를 사용하였다(P. B. Johnson et al., Phys. Rev. B., 6:4370, 1972). 상기 재료의 파라미터를 가지고 FDTD(Finite-difference time-domain) 방법을 이용하여 수치화된 시뮬레이션(numerical simulation)을 수행하였다. Au NP의 평균 크기(70nm)를 선택하여 나노하이브리드 필름의 로컬 광학 물성(local optical property)을 측정하였다.

본 시뮬레이션에서의 시뮬레이션 부피를 유기 및 금속 부위에 1nm 해상도(resolution)로 메쉬(mesh)하였고 시뮬레이션의 총 부피는 170 x 220 x 170 nm³ 이고 y 방향으로 증폭되는 평면 파동 소스(wave source)를 사용하였다. x- 및 z-방향에서의 주기적인 경계선(periodic boundary)을 이용하였고 완벽하게 교차하는 레이어는 y 방향으로 적용되어 종료되도록 하였다. 3- 및 2-차원(dimension)적 모니터를 사용하여 전기장 데이터를 수집하여 장의 증진(field enhancement) 및 흡광을 계산하였다.

본 실험은 플라즈모닉 나노하이브리드의 광학적 물성(optical property)을 조사하기 위해서 뉴메리컬 전자기적 시뮬레이션(numerical electromagnetic simulation)으로 Au NPs에 의한 전자기장의 증진을 측정하고 염료흡착에 대한 Au NPs의 효과를 검사하고자 하였다. 따라서 콤플렉스 나노구조(complex nanostructure)의 전자기적 물성을 연구하는데 매우 정확한 도구로서 맥스웰의 방정식에 근거한 FDTD(Finite difference time domain) 계산을 수행하였다(C. Oubre et al ., Proc. SPIE, 5221:133, 2003). 도 11에서 보는 바와 같이 서로 다른 하이브리드 필름(PDA, PDA-EY, PDA-Au 및 PDA-Au-EY 필름)의 계산된 흡광도의 스펙트라는 도 3a 실험 결과와 일치하였고; Au NPs의 LSPR 피크는 EY 흡광 피크와 교차하였다. PDA-Au-EY 필름의 수치 조사(numerical investigation)에서, 각 레이어 요소에서 유래한 흡광은 로컬 전기장 분포도(local electric field distribution)로 별도로 계산되었다.

도 3b의 결과에 의하면 가장 강렬한 흡광은 EY 레이어의 상층부에서 발생하며 PDA-EY보다 Au NPs를 함유하는 PDA-Au-EY 필름의 EY 흡광 강도가 현저하게 증가한 것으로 나타났다. 도 3c는 EY의 흡광 밴드에서의 전기장 분포도를 나타낸 것이며 LSPR로 인한 Au NPs의 유도로 강한 장 증진(field enhancement)을 나타내었다.

PDA-Au-EY 필름에서 PDA 쉘의 Au 코어를 덮는 EY 분자는 플라즈모닉 장 증진 부위(plasmonic field enhancement region)에 위치하므로 EY의 향상된 흡광도는 장 분포(field distribution)로부터 기인한다. Au NPs의 LSPR에 의한 장 향상(field enhancement)은 SERS(Surface-enhanced resonance Raman spectroscopy)의 분석결과로도 뒷받침되었다. 도 3d는 PDA, PDA-EY 및 PDA-Au-EY 필름의 514nm 활성화로 얻은 SERS 스펙트라를 나타낸 것이다. PDA-EY보다 PDA-Au-EY 필름과 같은 Au NPs를 가지는 샘플은 EY 라만 피크의 상당한 증진이 1621, 1506, 1341, 1281 및 1179 cm^-1에서 측정되었는데 이것은 EY 분자의 크산텐(xanthene) 및 벤젠(benzene)의 고리에 있는 전형적인 진동 모드로부터 유래한 것이다(N. G. Greeneltch, J. Phys. Chem. A., 116:11863, 2012). 또한, SERS 시그널의 증폭은 PDA-Au-EY 필름의 Au NPs가 전자기장을 증진시켰음을 명확하게 나타낸 것이다.

실시예 5: 플라즈모닉 나노하이브리드 어셈블리를 이용한 NADH 광재생(NADH Photoregeneration) 및 L-글루타민의 광효소적 합성(Photoenzymatic Synthesis)

NADH의 광재생을 위하여 광촉매 반응 전에 슬라이드글라스 상에 형성된 나노하이브리드를 쿼츠 세포(quartz cell) 3mL 반응배지에 침수시키고 어둠 상태에서 강하게 30분간 스티어링(stirring)하여 완전하게 균일한 리액터(reactor)가 되도록 하였다. 반응배지는 1mM NAD⁺, [Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺및 15w/v% TEOA(triethanolamine)를 함유하는 인산완충용액(phosphate buffer solution, 100mM, pH7.5)을 사용하였다. 420nm 컷오프 필터를 가지는 Xenon 램프(450 W)를 광원으로 사용하여 광 조사 시 340nm에서의 반응배지(reaction medium)의 흡광을 측정하여 광재생된 NADH의 농도를 계산하였다. NADH 광재생과 커플링(coupling)된 L-글루타메이트의 광효소의 합성은 반응배지만을 다르게 하고 같은 실험조건에서 수행하였다.

L-글루타메이트 전환(conversion)에 사용된 반응배지는 1mM NAD⁺, 500μM M(M=[Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺), 15 w/v% TEOA, 40U L-GDH, 5mM α-케토글루타레이트 및 0.1M (NH₄)₂SO₄를 함유한 인산완충용액(100mM, pH7.5)이었다. 광촉매 반응으로 생성된 L-글루타메이트의 양은 액체 크로마토그래피(LC-20A prominence, Shimadzu, Japan)로 분석하였다.

그 결과, 도 4a에서 보는 바와 같이, PDA-Au-EY를 이용한 인공광합성 반응에서, 가시광(λ>420nm) 조사 시 EY의 광-활성화된 전자(photo-excited electron)는 전자 매개(M=[Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺, Cp*=C₅Me₅, bpy=2,2'-bipyridine)로 전이(transfer)되어 NADH의 재생을 촉진해 활성 형태로 만들어지고, GDH(L-glutamate dehydrogenase)와 같은 NADH-의존성 옥시도리덕테이즈(NADH-dependent oxidoreductase)에 의해 NADH가 소모되어 α-케토글루타레이트(α-ketoglutarate)로부터 L-글루타메이트(L-glutamate)를 생성하였다.

가시광 조사 시 PDA-Au-EY 필름의 코어-쉘 구조에 있는 EY는 Au 코어와 근접한 거리에서 증진된 로칼 전자기장을 겪어 EY의 흡광 및 광전자 재생이 증가할 수 있다. 또한, 2차 PDA 코팅되고 캡슐화된 EY는 전자적으로 또는 화학적으로 금속 코어를 광촉매 및 산화환원(redox) 매개체에 닿지 않도록 보호하고(R. A. Zangmeister et al., Langmuir, 29:8619, 2013; M. Ambrico et al ., J. Mater. Chem. C., 1:1018, 2013; V. Ball et al ., J. Colloid Interface Sci., 386:366, 2012), 전하 재조합 및 금속의 붕괴를 막는다(J. Qi et al ,, ACS Nano, 5: 7108, 2011; M. D. Brown et al., Nano Lett., 11:438; 2010).

도 4b에서 나타난 바와 같이, 가시광 하에 서로 다른 나노하이브리드 필름(PDA-Au, PDA-EY 및 PDA-Au-EY)을 이용한 NADH의 광재생률(photoregeneration yield)을 비교하였다. 그 결과, NADH 광재생 수확률을 보았을 때 PDA-EY 필름은 2.1%, PDA-Au-EY 필름의 경우는 14.7%를 나타내었으므로 EY의 현저한 광촉매 활성의 증가는 플라즈모닉 Au NPs를 통합한 결과임이 분명하며, 같은 반응조건하에서 PDA-Au 필름의 NADH 재생은 없었다. PDA-EY 및 PDA-Au-EY의 광재생 수확량을 이용하여 계산하였을 때 플라즈몬-증진 수치(Plasmon-enhancement factor)는 5이었다. 두 샘플간의 표면 면적은 Au NPs의 유무에 따라 다르므로 PDA-Au-EY 샘플의 EY 커버리지(coverage)를 위해서 어규멘테인션 인자(augmentation factor)인 1.4를 계산에 반영하였다. PDA-Au-EY 필름은 염료 침출(leaching) 또는 Au NPs에 대한 플라즈모닉 밴드의 변화 없이 광촉매 반응 후 완전히 회복되었다(도 12).

또한, 플라즈몬-유래 증진(plasmon-derived enhancement)은 광화학 NADH 재생과 커플링된 GDH에 의한 L-글루타메이트의 광합성을 통해서도 증명되었다. 도 4b의 삽입사진에서 보는 바와 같이, 10mM α-케토글루타레이트로부터 PDA-EY는 0.1mM L-글루타메이트를, PDA-Au-EY는 2mM L-글루타메이트를 생성하였다.

실시예 6: Au 코어 및 EY 레이어 사이에 도입된 스페이싱 레이어(spacing layer)의 효과

Au NPs로부터 유래한 LSPR의 추가적인 입증을 위해서 Au 코어 및 EY 레이어 사이에 스페이싱 레이어(spacing layer)를 도입하여 플라즈몬 증진에 있어 거리 의존성을 관찰하여 플라즈모닉 나노하이브리드를 이용한 NADH 재생의 광촉매 반응(photocatalysis)를 확인하였다. 스페이싱 레이어의 도입은 EY 레이어가 형성되기 전에 별개의 PDA 코팅을 가하는 것으로 PDA-Au 필름을 도파민 용액에 처리하는 것이다. 스페이싱 레이어의 서로 다른 두께는 PDA-Au 필름을 침수시키는 시간을 조절함으로써 형성할 수 있었다(도 13). 즉, 20분, 3시간 및 6시간 순으로 침수 시간을 조절하면 2.5, 11 및 22nm 두께의 스페이싱 레이어를 가지는 PDA-Au를 제조할 수 있었다. 도 4c에서 스페이싱 레이어의 두께에 따른 PDA-Au-EY의 서로 다른 NADH 재생의 수확률을 비율로 나타내었다.

스페이싱 레이어를 가지는 PDA-Au-EY 필름의 나노하이브리드의 광합성 수확률은 스페이싱 레이어가 없는 경우보다 항상 낮게 나타났다. 즉, 스페이싱 레이어의 두께가 더해질수록 Au 및 EY 간의 간격이 커져 광합성율을 낮춘다. 결국, 광합성 반응의 증진은 Au로부터 생성된 LSPR에 강하게 의존적이며 그 이유는 LSPR가 금속과 근접하게 빛을 집중시키는 유도역할을 하기 때문이다(S. D. Standridge et al ., J. Am. Chem. Soc., 131:8407, 2009; T. Kawawaki, Nanoscale, 3:2865, 2011).

실시예 7: 나노하이브리드 구조에 있는 염료분자 및 플라즈모닉 금속 NPs 간의 상호작용

Au NPs에 의한 장 증진(field enhancement)에 있어 거리 의존성(distance dependence)을 FDTD 계산으로 검증하였다(도 14). 나노하이브리드 구조에 있는 염료분자 및 플라즈모닉 금속 NPs 간의 예측가능한 상호작용으로는 염료 및 금속 간의 짧은 거리에서 전이되는 비방사 에너지(non-radiative energy)가 있으며(H. Chen et al ., Nano Today, 5:494, 2010), 금속 및 염료 분자 간의 직접적인 접촉에 의한 전하 재조합(charge recombination)이 있으나(M. D. Brown et al ., Nano Lett, 11:438: 2010), PDA-Au-EY 흡광 증진과 비교할 때 미비한 효과에 불과하였다. 그 이유는 스페이싱 레이어가 없는 PDA-Au-EY에서 항상 높은 재생 수확률을 보였기 때문이다. 그러므로 PDA-Au-EY 하이브리드의 코어-쉘 구조는 플라즈몬-증진 인공광합성에 적합하며 Au NPs에서 유래한 LSPR에 의한 장 증진(field enhancement)은 NADH 광재생시 EY의 광촉매 효율을 증진시키는 데 결정적인 역할을 하였다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

다음 단계를 포함하는, 플라즈모닉 나노하이브리드(plsmonic nanohybrid)의 제조방법:
(a) 카테콜 작용기(catecholic moiety)를 함유하는 물질로 기판(substrate)을 코팅시키는 단계;
(b) 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅된 기판에 금속 이온을 환원시켜 금속 나노입자를 형성시키는 단계; 및
(c) 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅되어 있고 금속 나노입자가 합성되어 있는 기판에 카테콜 작용기를 함유하는 물질 및 염료를 함께 코팅하여 플라즈모닉 나노하이브리드를 수득하는 단계.
청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항에 있어서, 상기 기판은 유리, 폴리에스터(Polyester, PET), 실리카 비드, 타이타늄, 알루미늄, 규소, 금, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), 셀룰로오스, 실리콘 고무, 폴리카프로락톤(PCL), 폴리락틱액시드(PLLA), 폴리(락틱-글리콜액시드)(PLGA), 폴리불화비닐리덴계 및 폴리아크릴산으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 나노하이브리드의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 카테콜 작용기를 함유하는 물질은 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 폴리도파민(polydopamine), 폴리-노르에피네프린(poly-norepinephrine), PEG-카테콜(PEG-catechol) 및 PEI-카테콜(PEI-catechol)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 나노하이브리드의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 나노하이브리드의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 염료는 크산텐 염료, 쿠마린 염료, 트리페닐메탄염료, 시아닌 염료, 메로시아닌 염료, 프탈로시아닌 염료, 나프탈로시아닌 염료, 포르피린 염료, 폴리피리딘 금속 착물 염료, 루테늄 비피리딘 염료, 아조 염료, 퀴논 염료, 퀴논 이민 염료, 퀴나크리돈 염료, 스쿠아륨 염료, 페릴렌 염료, 인디고 염료, 폴리메틴 염료 및/또는 리보플라빈 염료 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 나노하이브리드의 제조방법.
청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제5항에 있어서, 상기 크산텐 염료는 풀루오레신(Fluorescein), 에오신Ｙ（Eosin Y）, 에오신 B(Eosin B), 에리쓰로신 B(Erythrosine B), 플로신 B(Phloxine B), 로즈벵갈(Rose Bengal), 멀브로민(Merbromin), 에틸에오신(Ethyl Eosin), 로다민 B(Rhodamine B), 로다민 6G(Rhodamine 6G) 및 설포로다민 B(Sulforhodamine B)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 염료인 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 나노하이브리드의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되고, 카테콜 작용기를 함유하는 물질로 코팅되어 있는 기판에 금속 나노입자가 상기 카테콜 작용기와 결합되어 있고, 상기 금속 나노입자에 카테콜 작용기를 함유하는 물질 및 염료가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈모닉 나노하이브리드.
(i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 제7항의 플라즈모닉 나노하이브리드를 첨가한 다음, 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자의 광학적 재생방법.
제8항에 있어서, 상기 전자주개는 트리에탄올아민(TEOA, triethanolamine), 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA, Ethylenediaminetetraacetic acid), 시트르산(Citric acid), 포름산(Formic acid), 아스코르빈산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid) 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 보조인자의 광학적 재생방법.
제8항에 있어서, 상기 전자전달매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 보조인자의 광학적 재생방법.
제10항에 있어서, 로듐(III)복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III):[Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺인 것을 특징으로 하는 보조인자의 광학적 재생방법.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제8항에 있어서, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 보조인자의 광학적 재생방법.
(i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 제7항의 플라즈모닉 나노하이브리드를 함유하는 보조인자 재생용 조성물.
제13항에 있어서, 상기 전자주개는 트리에탄올아민(TEOA, triethanolamine), 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA, Ethylenediaminetetraacetic acid), 시트르산(Citric acid), 포름산(Formic acid), 아스코르빈산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid) 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 보조인자 재생용 조성물.
제13항에 있어서, 상기 전자전달매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 보조인자 재생용 조성물.
제15항에 있어서, 로듐(III)복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III):[Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺인 것을 특징으로 하는 보조인자 재생용 조성물.
다음 단계를 포함하는 인공광합성 방법:
(a) (i) NAD⁺, NADP⁺, FAD⁺ 및 FMN⁺으로 구성된 군에서 선택되는 산화형 보조인자, (ⅱ) 전자주개(electron donor) 및 (ⅲ) 전자전달매개체를 함유하는 재생용액에 집광재(light harvester)로서 제7항의 플라즈모닉 나노하이브리드를 첨가한 다음, 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 보조인자를 광학적으로 재생시키는 단계; 및
(b) 상기 재생된 보조인자를 산화환원효소 반응에 사용하여 상기 산화환원효소 반응으로 생성되는 유용물질을 제조하는 단계.
제17항에 있어서, 상기 전자주개는 트리에탄올아민(TEOA, triethanolamine), 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA, Ethylenediaminetetraacetic acid), 시트르산(Citric acid), 포름산(Formic acid), 아스코르빈산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid) 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.
제17항에 있어서, 상기 전자전달매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.
제19항에 있어서, 로듐(III)복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III):[Cp^*Rh(bpy)H₂O]²⁺인 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.
청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제17항에 있어서, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.
제17항에 있어서, 상기 산화환원효소는 GDH(glutamate dehydrogenase), ADH(Alcohol dehydrogenase), G6PDH(glucose-6-phosphate dehydrogenase), LDH(lactic dehydrogenase), MDH(malate dehydrogenase), SDH(succinic dehydrogenase)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 인공광합성 방법.