KR101719236B1 - 셀레늄 나노 입자 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
균일한 크기와 적절한 분포를 갖는 셀레늄 나노 입자를 대량으로 생산할 수 있는 셀레늄 나노 입자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 셀레늄 나노 입자 제조 방법은 (a) 셀레늄 다이옥사이드(SeO2)를 순수에 녹인 후, 유기 고분자를 첨가하여 셀레늄 전구체 용액을 형성하는 단계; (b) 환원제를 순수에 녹여 환원제 용액을 형성하는 단계; (c) 상기 셀레늄 전구체 용액을 냉각한 후, 균질기를 이용한 균질화 처리를 실시하면서 초음파를 인가한 후, 상기 환원제를 일시에 투입하여 셀레늄 혼합 분산액을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 셀레늄 혼합 분산액을 교반한 후, 원심 분리 및 건조하여 셀레늄 나노 입자를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 셀레늄 나노 입자 제조 방법은 (a) 셀레늄 다이옥사이드(SeO2)를 순수에 녹인 후, 유기 고분자를 첨가하여 셀레늄 전구체 용액을 형성하는 단계; (b) 환원제를 순수에 녹여 환원제 용액을 형성하는 단계; (c) 상기 셀레늄 전구체 용액을 냉각한 후, 균질기를 이용한 균질화 처리를 실시하면서 초음파를 인가한 후, 상기 환원제를 일시에 투입하여 셀레늄 혼합 분산액을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 셀레늄 혼합 분산액을 교반한 후, 원심 분리 및 건조하여 셀레늄 나노 입자를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 셀레늄 나노 입자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 크기와 적절한 분포를 갖는 셀레늄 나노 입자를 대량으로 생산할 수 있는 셀레늄 나노 입자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
셀레늄은 1969년, 조류와 포유류에 필수적인 원소라는 사실이 증명되었다. 셀레늄의 결핍시 케샨병(Keshan disease), 카신-백병(Kashin-beck disease) 등의 질환이 나타나고, 셀레늄이 결여된 실험용 쥐에서는 발육지체, 체모 빈약, 불임증 등의 증상이 나타났다.
한편, 셀레늄 이온이 과잉일 경우의 쥐에서는 방향 감각을 상실하는 부작용이 나타났다. 특히, 모든 생명체의 재생산(reproduction)에 필수 원소라는 것이 알려지면서 비료나 사료첨가제 등으로 각광을 받고 있는 미량 원소이다.
이러한 셀레늄은 최근 세포막의 손상을 야기하는 과산화수소를 파괴하는 작용을 갖는 글루타치온 퍼옥시다제를 활성화함으로써, 세포막의 과산화에 의한 손상을 방지하여 노화를 지연시키는 작용을 한다. 또한, 셀레늄은 여러가지 중금속에 의한 중독을 해독하는 등 우수한 성질을 갖고 있음이 알려졌다. 특히, 셀레늄은 암을 비롯한 여러가지 종양성 질환을 예방하는 성질을 갖고 있으며, 동물 실험에 의하여 쥐에 셀레늄을 식이로 섭취시켰을 경우, 암 발생을 대략 40 ~ 60% 감소시켰다는 결과와 유방암 환자의 경우 혈액 내 셀레늄 농도와 암발생 빈도가 반비례한다는 결과가 보고되어 있다.
이와 같은 셀레늄의 우수한 작용 효과에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
첫째, 셀레늄의 항산화력은 비타민 E의 1970배에 달하며, 비타민 E와 셀레늄을 병용하면 항산화력은 상승효과가 나타난다.
둘째, 셀레늄은 비듬과 건선을 치료하는 효과가 있다.
셋째, 셀레늄은 비타민 C 및 E와 같이 불포화 지방산의 산화를 억제하여 과산화 지질의 생성을 억제할 뿐만 아니라, 과산화 지질과 단백질의 결합물인 노폐물질을 분해하여 인체의 노화를 억제시킨다.
넷째, 셀레늄은 수은, 카드뮴, 납 등의 중금속과 결합하여 이들을 불활성화시키고, 간세포의 괴사를 방지하여 간경화증을 예방한다.
다섯째, 셀레늄은 암을 예방하며 면역기능을 향상시키고 상당량(약 25 내지 40%)이 고환, 정낭, 전립선 등의 성기관에 집중되어 성적기능을 향상시킨다.
여섯째, 셀레늄은 백내장과 류마티즘을 예방하여 비타민 E와 함께 근이양중을 치료한다.
그러나, 상기와 같은 탁월한 효능을 갖고 있는 셀레늄은 일상적인 식사를 통해서는 충분히 공급되지 못하며 현재 이들 셀레늄의 공급은 대부분 의약품과 같은 별도의 형태로 공급되고 있다.
가장 저렴한 형태의 셀레늄 이온(Selenium oxide)은 물에 잘 녹고 흡수가 빠르지만, 농도가 높아질 경우 독성이 나타나는 문제점이 있어 적용시에 많은 주의가 필요하다. 한편, 셀레늄 화합물을 포함하는 배지에 효모를 접종 배양하여, 상기 배양된 효모를 분리, 정제한 셀레늄 효모는 유기 셀레늄원으로서 인체에 독성이 낮으면서도 흡수율이 높은 셀레늄 공급원 역할을 한다. 그러나, 이 경우에도 접종 배양과 동결건조 등의 프로세스가 필요하여 번거로우며 제품의 가격이 상승하고, 균일하게 생산하기 어렵다는 단점이 있다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0100568호(2012.09.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 셀레늄화 구리인듐 나노입자 및 그의 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 균일한 크기와 적절한 분포를 갖는 셀레늄 나노 입자를 대량으로 생산할 수 있는 셀레늄 나노 입자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 셀레늄 나노 입자 제조 방법은 (a) 셀레늄 다이옥사이드(SeO2)를 순수에 녹인 후, 유기 고분자를 첨가하여 셀레늄 전구체 용액을 형성하는 단계; (b) 환원제를 순수에 녹여 환원제 용액을 형성하는 단계; (c) 상기 셀레늄 전구체 용액을 냉각한 후, 균질기를 이용한 균질화 처리를 실시하면서 초음파를 인가한 후, 상기 환원제를 일시에 투입하여 셀레늄 혼합 분산액을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 셀레늄 혼합 분산액을 교반한 후, 원심 분리 및 건조하여 셀레늄 나노 입자를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 셀레늄 나노 입자는 최대 입자 크기와 최소 입자 크기의 편차가 50nm 이하인 균일한 입자 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 셀레늄 나노 입자 및 그 제조 방법은 무기 셀레늄을 비타민 C(Ascorbic acid)와 같은 환원제(reducing agent)를 사용하여 금속 셀레늄으로 전환할 때, 제조 솔루션을 냉각한 상태에서 초음파(ultra sonic energy)와 더불어 울트라 투락스(Ultra-Turrax) 균질기를 이용한 균질화 처리로 전단응력(shear stress)을 강하게 주면서 일시에 환원제를 투여함으로써, 균일한 크기와 적절한 분포를 갖는 셀레늄 나노 입자를 대량으로 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀레늄 나노 입자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀레늄 나노 입자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀레늄 나노 입자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 셀레늄 나노 입자 제조 방법은 셀레늄 전구체 용액 형성 단계(S110), 환원제 용액 형성 단계(S120), 셀레늄 혼합 분산액 형성 단계(S130) 및 셀레늄 나노 입자 수득 단계(S140)를 포함한다.
셀레늄 전구체 용액 형성
셀레늄 전구체 용액 형성 단계(S110)에서는 셀레늄 다이옥사이드(SeO2)를 순수에 녹인 후, 유기 고분자를 첨가하여 셀레늄 전구체 용액을 형성한다.
이러한 셀레늄 다이옥사이드는 매우 안정한 금속 입자이기 때문에 독성이 매우 적어 안전하고, 그 입자 크기가 막을 통과하기 유리하며 흡수된 나노 금속 입자가 아주 소량씩 이온화되어 사용될 수 있는 장점이 있다.
이때, 유기 고분자로는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 아세틸아세톤(acetylacetone), DMF(dimethylformamide), 옥탄올(Octanol), 에톡시 에탄올(ethoxy ethanol), 테트라데칸(tetradecane), 펜탄올(pentanol), 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(dipropylene glycol monomethyl ether) 및 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
환원제 용액 형성
환원제 용액 형성 단계(S120)에서는 환원제를 순수에 녹여 환원제 용액을 형성한다. 이때, 환원제로는, 일 예로, 비타민 C(Ascorbic acid)가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
셀레늄 혼합 분산액 형성
셀레늄 혼합 분산액 형성 단계(S130)에서는 셀레늄 전구체 용액을 냉각한 후, 균질기를 이용한 균질화 처리를 실시하면서 초음파를 인가한 후, 환원제를 일시에 투입하여 셀레늄 혼합 분산액을 형성한다.
이때, 냉각은 5℃ 이하로 냉각하는 것이 바람직한데, 이와 같이 저온으로 냉각을 실시한 상태에서 초음파(ultra sonic energy)와 더불어 울트라 투락스(Ultra-Turrax) 균질기를 이용한 균질화 처리를 실시할 경우, 균일한 크기와 적절한 분포를 갖는 셀레늄 나노 입자를 대량으로 생산할 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하였다.
본 단계에서, 균질화 처리는 1,500 ~ 3,000rpm의 속도로 30 ~ 120분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 균질화 처리 속도가 1,500rpm 미만이거나, 균질화 처리 시간이 30분 미만일 경우에는 충분한 균질화 처리가 이루어지지 못하는 관계로 입자들을 균일한 크기 및 적절한 분포로 분산시키는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 균질화 처리 속도가 3,000rpm을 초과하거나, 균질화 처리 시간이 120분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 시간 및 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로 경제적이지 못하다.
특히, 본 발명의 경우, 균질화 처리를 실시함과 동시에 초음파 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 초음파는 15 ~ 30KHz 및 90 ~ 110W의 에너지량을 갖는 고밀도 초음파(high-intensity ultrasound)를 인가하는 것이 바람직하다. 초음파 출력전압이 90W 미만일 경우에는 에너지량이 미미한 관계로 균일한 크기 및 적절한 분포로 입자를 분산시키는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 초음파 출력전압이 110W를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 출력전압만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
셀레늄 나노 입자 수득
셀레늄 나노 입자 수득 단계(S140)에서는 셀레늄 혼합 분산액을 교반한 후, 원심 분리 및 건조하여 셀레늄 나노 입자를 수득한다.
본 단계에서, 셀레늄 혼합 분산액에 분산성을 향상시키기 위한 목적으로 분산제로서 ZnSO4 및 B(OH)3 중 1종 이상을 더 첨가할 수 있다. 이러한 분산제는 필요에 따라 선택적으로 미량 첨가할 수 있다. 이 경우, 셀레늄 나노 입자는 이미 금속으로 환원되어 반응성이 거의 없는 상태이다.
이때, 교반은 50 ~ 200rpm의 속도로 1 ~ 5시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 50rpm 미만이거나, 교반 시간이 1시간 미만일 경우에는 충분한 혼합이 이루어지지 못하는 관계로 원료가 균일하게 혼합되지 못하는 결과를 초래할 수 있다. 반대로, 교반 속도가 200rpm을 초과하거나, 교반 시간이 5시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 공정 시간만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
본 단계에서, 원심 분리는 초음파 처리된 혼합 용액을 원심 분리기를 이용하여 침전시켜 셀레늄 나노 입자 침전물을 분리하고, 세척하는 방식으로 실시될 수 있다.
이때, 건조는 60 ~ 70℃에서 1 ~ 20시간 동안 건조하는 것이 바람직하다. 상기 건조 온도가 60℃ 미만이거나, 건조 시간이 1시간 미만일 경우에는 완전히 건조되지 않을 우려가 있다. 반대로, 건조 온도가 70℃를 초과하거나, 건조 시간이 20시간을 초과할 경우에는 경제적으로 무의미하다.
상기의 과정(S110 ~ S140)으로 제조되는 셀레늄 나노 입자는 최대 입자 크기와 최소 입자 크기의 편차가 50nm 이하인 균일한 입자 분포를 가지며, 0.01 ~ 200nm의 평균 직경을 갖는다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 셀레늄 나노 입자는 무기 셀레늄을 비타민 C(Ascorbic acid)와 같은 환원제(reducing agent)를 사용하여 금속 셀레늄으로 전환할 때, 제조 솔루션을 냉각한 상태에서 초음파(ultra sonic energy)와 더불어 울트라 투락스(Ultra-Turrax) 균질기를 이용한 균질화 처리로 전단응력(shear stress)을 강하게 주면서 일시에 환원제를 투여함으로써, 균일한 크기와 적절한 분포를 가질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 셀레늄 나노 입자 제조
실시예
1
셀레늄 다이옥사이드(selenium dioxide) 499g을 순수(Deionized water) 23,700g에 녹인 후, 유기 고분자인 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, 분자량 20,000, 검화도 80%) 718g에 녹여 셀레늄 전구체 용액을 제조하였다.
다음으로, 비타민 C(Ascorbic acid) 1,580g을 순수(Deionized water) 17,950g에 녹여 환원제 용액을 제조하였다.
다음으로, 셀레늄 전구체 용액을 4℃까지 냉각한 후, 울트라 투락스(Ultra-Turrax) 균질기를 이용하여 2,000rpm의 속도로 60분 동안 균질화 처리를 실시함과 동시에 20KHz 및 100W의 에너지량의 고밀도 초음파를 인가하였다.
다음으로, 셀레늄 전구체 용액에 환원제 용액을 한번에 투입한 후, 색이 진한 붉은 갈색으로 변화함을 확인하고, 초음파 인가를 멈춘 후, 150rpm의 속도로 1시간 동안 기계적 교반을 실시하고, 원심 분리한 다음 60℃에서 10시간 동안 건조하여 셀레늄 나노 입자를 제조하였다.
실시예
2
셀레늄 전구체 용액을 2℃까지 냉각한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀레늄 나노 입자를 제조하였다.
실시예
3
셀레늄 전구체 용액을 5℃까지 냉각한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀레늄 나노 입자를 제조하였다.
실시예
4
25KHz 및 95W의 에너지량의 초음파를 인가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀레늄 나노 입자를 제조하였다.
비교예
1
셀레늄 다이옥사이드(selenium dioxide) 499g을 순수(Deionized water) 23,700g에 녹인 후, 유기 고분자인 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, 분자량 20,000, 검화도 80%) 718g에 녹여 셀레늄 전구체 용액을 제조하였다.
다음으로, 비타민 C(Ascorbic acid) 1,580g을 순수(Deionized water) 17,950g에 녹여 환원제 용액을 제조하였다.
다음으로, 셀레늄 전구체 용액을 3℃까지 냉각한 후, 울트라 투락스(Ultra-Turrax) 균질기를 이용하여 2,500rpm의 속도로 70분 동안 균질화 처리를 실시하였다.
다음으로, 셀레늄 전구체 용액에 환원제 용액을 한번에 투입한 후, 색이 진한 붉은 갈색으로 변화함을 확인하고, 초음파 인가를 멈춘 후, 500rpm의 속도로 45분 동안 기계적 교반을 실시하고, 원심 분리하고 60℃에서 10시간 동안 건조하여 셀레늄 나노 입자를 제조하였다.
비교예
2
셀레늄 전구체 용액을 10℃까지 냉각한 후, 울트라 투락스(Ultra-Turrax) 균질기를 이용하여 1,800rpm의 속도로 80분 동안 균질화 처리를 실시한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 셀레늄 나노 입자를 제조하였다.
비교예
3
셀레늄 전구체 용액을 냉각하는 것 없이 상온(20℃)에서 울트라 투락스(Ultra-Turrax) 균질기를 이용하여 2,000rpm의 속도로 70분 동안 균질화 처리를 실시한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 셀레늄 나노 입자를 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 셀레늄 나노 입자에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
표 1을 참조하면, 실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 셀레늄 나노 입자의 경우, 최대 입자 크기와 최소 입자 크기의 편차가 50nm 이하로 측정되어 균일한 입자 분포를 갖는 것을 확인하였다. 특히, 실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 셀레늄 나노 입자의 경우, 평균 직경이 32.6 ~ 45.1nm로 측정되어 매우 미세한 입자 크기를 갖는 것을 알 수 있다.
반면, 초음파 처리를 실시하지 않는 비교예 1에 따라 제조된 셀레늄 나노 입자의 경우, 평균 직경이 90.5nm로 측정되어 목표값을 만족하였으나, 최대 직경과 최소 직경의 편차가 50nm를 초과하는데 기인하여 불균일한 입자 분포를 갖는 것을 확인하였다.
또한, 초음파 처리를 실시하지 않음과 더불어, 냉각 온도가 본 발명에서 제시하는 범위를 만족하지 못하는 비교예 2 ~ 3에 따라 제조된 셀레늄 나노 입자의 경우, 평균 직경이 132.6nm 및 117.8nm로 측정되어 목표값을 모두 벗어났으며, 최대 직경과 최소 직경의 편차가 대략 100nm의 차이를 나타내어 상당히 불균일한 입자 분포를 갖는 것을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 셀레늄 전구체 용액 형성 단계
S120 : 환원제 용액 형성 단계
S130 : 셀레늄 혼합 분산액 형성 단계
S140 : 셀레늄 나노 입자 수득 단계
S120 : 환원제 용액 형성 단계
S130 : 셀레늄 혼합 분산액 형성 단계
S140 : 셀레늄 나노 입자 수득 단계
Claims (9)
- (a) 셀레늄 다이옥사이드(SeO2) 499g를 순수 23,700g에 녹인 후, 유기 고분자인 폴리비닐 알코올 718g를 첨가하여 셀레늄 전구체 용액을 형성하는 단계;
(b) 환원제로 비타민 C(Ascorbic acid) 1,580g을 순수 17,950g에 녹여 환원제 용액을 형성하는 단계;
(c) 상기 셀레늄 전구체 용액을 냉각한 후, 균질기를 이용한 균질화 처리를 실시하면서 초음파를 인가한 후, 상기 환원제를 일시에 투입하여 셀레늄 혼합 분산액을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 셀레늄 혼합 분산액을 교반한 후, 원심 분리 및 건조하여 셀레늄 나노 입자를 수득하는 단계; 를 포함하며,
상기 (c) 단계에서,
상기 냉각은 4℃ 이하로 냉각하고,
상기 균질화 처리는 2,000rpm의 속도로 60분 동안 실시하고,
상기 초음파는 20KHz 및 100W의 에너지량을 갖는 고밀도 초음파(high-intensity ultrasound)를 인가하고,
상기 교반은 150rpm의 속도로 1시간 동안 실시하며,
상기 수득된 셀레늄 나노 입자는 45.1nm의 평균 직경을 가지면서 최대 입자 크기와 최소 입자 크기의 편차가 50nm 이하이며, 최대 직경은 66.2nm이고 최소 직경은 21.3nm인 균일한 입자 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 셀레늄 나노 입자 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 셀레늄 혼합 분산액에 분산제로서 ZnSO4 및 B(OH)3 중 1종 이상을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 셀레늄 나노 입자 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
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