KR101731496B1 - 글리콜 키토산으로 기능화된 금 나노입자를 이용하는 요오드 음이온 검출용 비색검출센서 및 비색검출방법 - Google Patents

글리콜 키토산으로 기능화된 금 나노입자를 이용하는 요오드 음이온 검출용 비색검출센서 및 비색검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 글리콜 키토산(glycol chitosan)으로 기능화된 금 나노입자(gold nanoparticle)를 이용하는 요오드 음이온 검출용 비색검출센서 및 비색검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금 나노입자의 표면을 글리콜 키토산 고분자로 개질하여 비색검출센서에 사용함으로써, 비색검출센서 용액의 색변화를 통해 생체시료, 음료수, 의약품 및 식품 등에 함유되거나 용해된 요오드 성분을 간편하게 검출할 수 있으며, 요오드 음이온에 대한 선택성, 민감성 및 정량성이 우수하여 활용가치가 매우 높은 비색검출센서 및 이를 이용한 비색검출방법에 관한 것이다.

Description

글리콜 키토산으로 기능화된 금 나노입자를 이용하는 요오드 음이온 검출용 비색검출센서 및 비색검출방법{COLORIMETRIC DETECTION SENSOR AND METHOD FOR IODINE ANION USING GOLD NANOPARTICLES FUNCTIONALIZED WITH GLYCOL CHITOSAN}
본 발명은 글리콜 키토산(glycol chitosan)으로 기능화된 금 나노입자(gold nanoparticle)를 이용하는 요오드 음이온 검출용 비색검출센서 및 비색검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금 나노입자의 표면을 글리콜 키토산 고분자로 개질하여 비색검출센서에 사용함으로써, 비색검출센서 용액의 색변화를 통해 생체시료, 음료수, 의약품 및 식품 등에 함유되거나 용해된 요오드 성분을 간편하게 검출할 수 있으며, 요오드 음이온에 대한 선택성, 민감성 및 정량성이 우수하여 활용가치가 매우 높은 비색검출센서 및 이를 이용한 비색검출방법에 관한 것이다.
요오드(iodine)는 할로겐 원소의 일종으로 천연에는 유리상태로 존재하지 않고, 해조류나 해산물 중에 주로 유기 화합물로 존재한다. 인체에서는 심장 활동, 자극에 대한 신경의 반응, 신체의 성장률, 물질대사 등을 조절하는 갑상선 분비에 직접 영향을 미치는 원소이다. 단순성 갑성선종은 가장 흔한 형태의 요오드 결핍증이며, 특히 바다에서 떨어진 지역이나 산악지방에서 발생빈도가 높고 해안가에서 아주 낮다. 요오드에 대한 결핍이 심하거나 지속되면 갑상선 호르몬이 고갈되어 피부건조, 탈모, 안면부종, 근육약화, 체중 증가의 증상이 나타난다. 유아기에 요오드가 부족하면 심각한 발달장애를 초래하는 크레틴병이 생길 수 있다. 따라서, 임신 중인 산모는 요오드가 풍부한 음식을 섭취해야 하고, 요오드의 결핍을 예방하려면 해산물과 요오드 함유 식염을 주기적으로 섭취하는 것이 좋다. 또한, 원전 인근 주민들은 원전 사고나 원전 실험 등에 의한 방사선 물질인 요오드(131I)가 몸에 축적되는 것을 방지하기 위하여, 비방사성 요오드인 요오드화 칼륨(KI)을 섭취하여 방사성 요오드가 소변을 통해 몸 밖으로 빠져 나가게 한다.
호주와 뉴질랜드에서 성인들은 1일 평균 100 μg의 요오드 섭취를 권고 받고 있으며, 특히 임산부와 모유 수유부의 경우에는 160 μg 및 190 μg을 섭취하도록 하고 있다.
요오드 증기(iodine vapor)는 점막에 강한 염증을 유발하고 상하의 기도에도 부정적 영향을 미친다. 요오드 증기를 흡입하면 과도한 눈물이 나거나, 가슴압박, 목에 따가움과 두통을 유발한다. 보통 0.1 ppm 농도에서는 생활에 지장이 없으나, 0.15 내지 0.2 ppm 농도에서는 어려움을 겪고, 0.3 ppm의 농도에서는 노동을 하지 못한다. 노출한계(exposure limit)는 호주나 독일에서는 0.1 ppm이며, 생명에 위험한 정도는 2 ppm으로 규정하고 있다.
글리콜 키토산(glycol chitosan)은 나노크기의 자기집합체를 형성할 수 있고, 생분해성과 온도 감응성의 성질을 가지고 있어 생체시료 분야, 의약 분야, 의료 분야 등 다양한 분야에서 약물 전달체, 치료용 나노입자 및 조직공학용으로 응용되고 있다.
금 나노입자(gold nanoparticles) 등의 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상을 이용한 나노입자 비색 센서 분석법은, 이론적으로는 나노 크기 수준의 입자가 흡수된 광파에 의해 나노입자 표면의 자유전자 진동을 유발시키는 원리를 이용한다. 이때, 공명 현상이 나타나서 특정파장을 방출하고, 입자의 크기, 모양, 종류에 따라서 다양한 색상을 띠게 된다. 그런데, 금속 나노입자들이 외부 화합물과 결합하는 경우, 나노입자가 응집(aggregation)하여　입자의 크기가 변하고, 그에 따라 색상이 변화될 수 있으므로, 환경오염 물질을 측정하고 모니터링하는 센서 등에 다양하게 응용될 수 있다(환경기술 기술동향보고서 2011).
현존하는 요오드 측정방법으로는 질량분석기를 포함한 액체크로마토 그래피(LC-MS), 액체 원자흡광분석기(liquid chromatography-atomic emission spectrometry), 흡광 및 형광 검출용 모세관 전기영동 및 전기화학 검출법, 유도결합 플라즈마 질량분석기(ICP-MS) 및 이온 크로마토그라피를 예로 들 수 있다. 그러나, 이러한 기법은 시간과 비용이 많이 소요되며, 분석과정에서 전문가의 숙련된 기술에 의존하게 되고, 시료 준비과정이 복잡하여 여러 절차를 거치게 된다.
현재까지 알려진 금속 나노입자를 이용한 요오드 및 요오드 화합물의 검출방법으로서, 캐나다 라발 대학교의 마리오 교수는 폴리티오펜(polythiophene) 유도체를 합성하여 요오드와 특이적으로 결합할 수 있으며, 색 및 형광으로 구별할 수 있는 화학 센서(chemosensor)를 개발하였다. 합성한 폴리피롤(polypyrrole)은 요오드에 선택적으로　결합하여 은 나노입자의 노란색을 핑크색으로 변화시키고, 합성된 고분자에 형광물질인 폴리(3-알콕시-4-메틸-티오펜)을 결합시켜 요오드와 결합시 감쇄 효과(quenching effect)로 인한 형광 강도가　감소함을 이용하여 요오드의 함량을 정량하였다(J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 4412-4413).
대만의 아희칭 후앙(Ahih-Ching Huang) 교수는 금 나노입자를 형광 물질이 결합된 혈청단백질(bovine serum albumin, BSA)로 개질하여 요오드 음이온(I-)과 이황화 음이온(S2 -)과 결합시 형광 세기가 감소하는 현상과, 시안화 이온(CN-)과 결합시 형광이 사라지는 현상, 및 추가의 시안화 이온 첨가 시 형광이 회복되는 현상을 이용하여 음이온을 검출하였다. 이때, 과산화수소(H2O2)를 마스킹 시약(masking agent)으로 첨가할 경우, 시안화 이온과 이황화이온를 억제하여 높은 선택성으로 요오드 음이온을 검출할 수 있다(ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 2652-2658).
경상대학교의 한우상 교수팀은 폴리비닐클로라이드가 결합된 금 나노입자에 음이온을 직접 반응시켰다. 그 중 다양한 음이온 가운데 요오드 음이온과 선택적으로 반응하여 검출할 수 있는 비색 센서를 개발하였다. 막(membrane)의 색상 변화는 나노 입자의 표면에 요오드 음이온의 흡착으로 인한 응집에 기인한 것이다(Bull. Korean Chem. Soc. 2006, 27, 2081-2083).
중국의 링인 첸(Lingin Chen) 교수팀은 금 나노입자의 반응집(anti-aggregation) 현상에 기반을 둔 요오드 음이온 검출 비색 센서를 개발하였다. 머켑토그룹(-SH)으로 기능화된 티민(thymine)으로 개질된 금 나노입자가 수은 이온(Hg2 +)과 상호 교차 결합(cross-linking)하여 응집현상과 색상의 변화가 발생한다. 그러나, 수은 이온과 요오드 음이온이 동시에 존재할 때 요오드와 수은이온이 결합하여 요오드화 수은(HgI2)이 형성되고, 금 나노입자의 응집이 멈추게 된다. 이러한 현상은 다른 할로겐 음이온(F-, Cl-, Br-)의 경우에는 일어나지 않고, 요오드 음이온(I-)의 경우에만 유일하게 일어난다. 이 방법에 의해서 요오드 음이온은 10 nm 농도에서 5분 이내에 검출이 가능하다(Sensors and Actuator B 2013, 182, 482-488).
유해물질들을 측정하기 위한 센서 기술은 다양한 성분들을 오염사고 현장이나 유해물질 주변에서 신속하게 분석 및 검출하고, 환경오염이나 유해 요인을 사전에 모니터링함으로써 유해물질들을 제거할 수 있으며, 실시간 측정과 지속적 관리를 가능하게 하는 핵심 요소 기술이다.
본 발명의 목적은,　요오드 음이온 검출에 있어 선택성과 감도가 매우 높은 금 나노입자를 포함하는 비색센서를 개발함에 있으며, 금 나노입자에 결합하는 특정 고분자 화합물을 선택하고, 고분자 화합물의 분자량 및 사용량, 금 나노입자와의 배합비, pH, 온도 등을 최적화하여, 간편하게 실시간으로 요오드 음이온을 탐지하고, 요오드 음이온 농도를 측정할 수 있는 기반을 제공하는 것이다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하여, 개질제로서 하기 화학식 1로 표시되는 글리콜 키토산(glycol chitosan)을 이용하여 표면이 기능화된, 직경 100 nm 이하의 금(Au) 나노입자를 포함하는, 요오드 음이온(I-) 검출을 위한 비색검출센서를 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015053733731-pat00001
상기 화학식 1에서, x는 25 내지 320이고, y는 25 내지 320이며, z는 25 내지 320이다.
상기 글리콜 키토산은 분자량(MW)이 20,000 내지 250,000인 것이 바람직하다. 분자량이 20,000 보다 낮으면 관능기가 적어 나노입자 형성 및 요오드 이온과의 반응에 적합하지 않으므로 바람직하지 않고, 분자량이 250,000를 초과하면 점도로 인하여 용해도가 떨어지고 서로 교차반응을 일으켜 겔을 형성하는 문제가 있다.
상기 금 나노입자의 전구체는 염화금산 수화물(HAuCl4·4H2O)이며, 염화금산 수화물에 대한 글리콜 키토산의 몰비(molar ratio)는 0.03×10-3 내지 0.92×10-3이다.
상기 비색검출센서는 pH 2 내지 7의 범위, 좋기로는 pH 5 내지 6의 범위에서 요오드 음이온을 검출할 수 있다.
상기 비색검출센서는 상온 내지 100℃의 온도범위, 좋기로는 70 내지 100℃의 온도범위에서 요오드 음이온을 검출할 수 있다.
상기 비색검출센서는 요오드 음이온 검출시 보라색 또는 짙은 남색으로의 색 변화가 나타난다.
상기 요오드 음이온 검출가능 농도는 0.1 ppm 이상이다.
상기 요오드 음이온의 검출 농도는 상기 비색검출센서의 색변화를 분광광도계, 형광광도계, 또는 색도계로 측정함으로써 정량화될 수 있다.
또한, 본 발명은 요오드 음이온을 검출하는 비색검출방법으로서,
비색검출센서에 검출대상 시료를 투입하는 투입단계; 및
상기 비색검출센서의 색 변화에 의해 검출대상 시료 내의 0.1 ppm 이상의 요오드 음이온을 검출하는 감지단계;를 포함하는 것인 비색검출방법으로서,
상기 비색검출센서는 화학식 1의 글리콜 키토산으로 표면이 기능화된, 직경 100 nm 이하의 금 나노입자를 포함하는 것인 비색검출방법을 제공한다.
상기 투입단계 이전에, 상기 나노입자의 안정성 및 감도 증진을 위하여 비색검출센서의 pH 및 온도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 투입단계에서의 비색검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 450nm 내지 600nm의 범위를 포함하고, 상기 검출대상 시료 내에 요오드 음이온이 존재할 경우, 감지단계에서의 비색검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 500nm 내지 800nm의 범위를 포함하며, 상기 감지단계에서 비색검출센서의 흡광비(A700/A521)는 0.07 내지 0.96 범위이다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 글리콜 키토산으로 기능화된 금 나노입자(AuNPs)가 pH 5 내지 8 범위에서 요오드 음이온(I-)과 결합하는 것을 분자단위로 나타내는 구조도이다. 도 1b는 기능화된 금 나노입자와 요오드 음이온의 결합으로 인한 응집현상과 색상변화를 나타내는 모식도이다.
도 1a에서 반응물은 붉은색의 금 나노입자로서, 글리콜 키토산의 아민기(N-H)에 의하여 염화금산 수화물이 환원되어 형성된 것이다. 이는 고분자형 나노입자(polymeric nanoparticle)로서 입자 크기가 100 nm 이하이며 그 크기가 균일하여 표면 플라즈몬 공명 현상이 발현되기 쉽다.
여기에 요오드 음이온을 첨가하면, 요오드 음이온은 금 나노입자에 부착된 글리콜 키토산의 아마이드기(RCONH)의 C=O 에 결합하여 응집반응이 일어나며, 이로 인해 금 나노입자의 색이 자색으로 변화된다(도 1a 및 1b 참조). 여기서, 금 나노입자들 간의 결합(assembling) 및 응집(aggregation)은 표면 플라즈몬 공명현상(Surface Plasmon Resonance)에 기인하며, 입자간의 거리가 가까워지거나 나노입자 전체의 외형적 크기가 증가함으로써 나노입자들의 색 변화가 나타나게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 요오드 음이온 검출센서는 요오드 음이온에 대한 선택성과 감도가 높아 비색검출에 매우 적합하며, 혈액을 포함한 생체시료, 식음용수(mineral water), 의약품 및 국내외 환경 오염물질에 대한 요오드 음이온 검출을 신속히 처리할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 글리콜 키토산으로 기능화된 금 나노입자(AuNPs)가 요오드 음이온(I-)과 결합하는 것을 분자단위로 나타내는 구조도, 및 (b) 기능화된 금 나노입자와 요오드 음이온의 결합으로 인한 응집현상과 색상변화를 나타내는 모식도이다.
도 2는 글리콜 키토산과 염화금산(HAuCl4)의 표 1에 의한 몰비에 따른 비색센서용액의 (a) 색 변화 사진, 및 (b) UV-Vis 흡광도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노입자와 요오드 음이온의 반응전(좌) 및 반응후(우) 색 변화 사진과 UV-Vis 흡광도 그래프이며, 도 3b 및 3c는 각각 요오드 음이온과의 반응전 및 반응후 나노입자의 크기분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 pH에 따른 금 나노입자의 (a) 색 변화 사진 및 (b) UV-vis 흡광도 그래프이다.
도 5는 실시예 2에서 반응 온도에 따른 (a) 색 변화 사진, (b) UV-vis 흡광도 그래프, 및 (c) 흡광비(A700/A521) 그래프이다.
도 6은 실시예 3에서 NaCl 농도에 따른 (a) 색 변화 사진, (b) UV-vis 흡광도 그래프, 및 (c) 흡광비(A700/A521) 그래프이다.
도 7은 실시예 4에서 반응시간에 따른 흡광비(A700/A521) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 5에서 요오드 음이온 농도에 따른 (a) 색 변화 사진, 및 (b) 흡광비(A700/A521) 그래프이다.
도 9는 실시예 6에서 다양한 음이온 첨가시 비색센서용액의 (a) 색 변화 사진, (b) UV-vis 흡광도 그래프, 및 (c) 흡광비(A700/A521) 그래프이다.
본 발명은 다양하게 변화시킬 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제조예 1 내지 12: 기능화된 금 나노입자의 제조
분자량(MW) 250,000인 글리콜 키토산(GC)(Sigma-Aldrich Co., Glycol chitosan)을 약산성 수용액(pH 6, 아세트산 수용액)에 용해시켜 글리콜 키토산 용액을 제조하되, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 농도로 12개의 샘플을 만들었다.
염화금산 수화물(HAuCl4·4H2O)을 물에 용해시켜 염화금산 용액을 제조하되, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 농도로 12개의 샘플을 만들었다.
GC/Au 몰비(molar ratio)가 0.03×10-3 내지 0.92×10-3이 되도록 글리콜 키토산 용액과 염화금산 수화물 수용액을 각각 하기 표 1의 혼합비로 혼합하고 상온에서 24시간 동안 반응시켜 폴리머형 금 나노입자(polymeric gold nanoparticle)를 포함하는 비색센서용액을 제조하였다(제조예 1 내지 12). 그리고, 미반응 글리콜 키토산과 염화금산 수화물은 6,000 rpm으로 10분간 원심분리하여 제거하였다.
제조예 　GC HAuCl4 GC/Au 몰비
1 0.0450 g/7.8 ml 23.08 μM 8.5 mg/ 1 ml 25.01 mM 0.92 ×10-3
2 0.0220 g/7.8 ml 11.28 μM 8.5 mg/ 1 ml 25.01 mM 0.45 ×10-3
3 0.0110 g/7.8 ml 5.64 μM 8.5 mg/ 1 ml 25.01 mM 0.23 ×10-3
4 0.0050 g/7.8 ml 2.56 μM 8.5 mg/ 1 ml 25.01 mM 0.10 ×10-3
5 0.0025 g/7.8 ml 1.28 μM 8.5 mg/ 1 ml 25.01 mM 0.05 ×10-3
6 0.0012 g/7.8 ml 0.62 μM 8.5 mg/ 1 ml 25.01 mM 0.03 ×10-3
7 0.0050 g/7.8 ml 2.56 μM 4.25 mg/ 1 ml 12.51 mM 0.21 ×10-3
8 0.0025 g/7.8 ml 1.28 μM 4.25 mg/ 1 ml 12.51 mM 0.10 ×10-3
9 0.0012 g/7.8 ml 0.62 μM 4.25 mg/ 1 ml 12.51 mM 0.05 ×10-3
10 0.0450 g/7.8 ml 23.08 μM 17mg/ 1 ml 50.13 mM 0.46 ×10-3
11 0.0220 g/7.8 ml 11.28 μM 17 mg/ 1 ml 50.13 mM 0.23 ×10-3
12 0.0110 g/7.8 ml 5.62 μM 17 mg/ 1 ml 50.13 mM 0.11 ×10-3
제조예 1 내지 12의 비색센서용액의 각각의 사진을 도 2a에 나타내었다. 도 2a를 보면, 제조예 1 내지 3은 붉은색을 띄고 있는데, 그 중에서도 제조예 3이 가장 선명한 붉은색을 나타내었다. 제조예 5 내지 12의 경우, 글리콜 키토산과 염화금산 수화물이 응집하여 금 나노입자의 색이 변화되므로 바람직하지 않다. 제조예 7 내지 12는 염화금산 수용액의 농도가 12.51 mM 또는 50.13 mM인 경우로서, GC/Au 몰비에 있어서 제조예 1 내지 6(염화금산 수용액의 농도가 25.01 mM)에서와 동일하거나 유사하여도, 글리콜 키토산과 혼합시 나노입자가 불안정(unstable)하여 입자의 색이 변하게 되므로 바람직하지 않다. 제조예 10 내지 12의 경우 염화금산 수용액의 농도를 50.13 mM으로 증가시켜 나노입자의 형성을 관찰하였는데, 나노입자들은 상호교차반응(crosslink)에 의해 하이드로겔(hydrogel)로 변하여 바람직하지 않았다.
또한, 제조예 1 내지 9의 비색센서용액에 대하여 UV-vis 분광광도계를 이용하여 350 내지 800 nm 범위에서 흡광도를 측정하여 도 2b에 나타내었다. 제조예 3은 521 nm에서 최대 흡광도를 나타내었다. 정리하면, 상기 제조예 중에서 금 나노입자의 크기와 색, 및 UV-vis 흡광도 결과를 비교할 때, 나노입자의 안정성을 유지하는 최적의 조건은 제조예 3인 것으로 확인되었다.
실시예 1: pH 변화에 따른 기능화된 금 나노입자의 안정성
제조예 3에서 얻은 비색센서용액의 pH에 따른 금 나노입자의 색 변화와 안정성을 검사하였다. 1M HCl 및 1M NaOH를 이용하여 pH를 조절하였으며, 각각 pH 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 및 11이 되도록 시료를 만들었다. 각각의 pH를 갖는 시료의 사진을 도 4a에 나타내었고, 각 시료를 UV-Vis로 측정하여 흡광도 스펙트럼을 도 4b에 나타내었다.
도 4a를 보면, pH 5, 6, 8 내지 11에서 금 나노입자의 전형적인 색과 유사한 붉은색을 나타내었다. 도 4b에서 파장 520 nm를 기준으로 보면, pH 6의 조건에서 형성된 나노입자가 가장 강한 흡광도를 나타낸다. 일반적으로 키토산은 산(acid)에서 전자를 방출(protonization)하므로 수용액에 쉽게 녹으나, 중성과 염기성 수용액에서는 녹지 않는 성질이 있다. 글리콜 키토산은 약산(weak acid)에서 잘 녹는 성질을 가지고 있으며, 글리콜 키토산으로 금 나노입자를 환원시킬 경우 pH 6에서 가장 강한 붉은색 및 높은 용해도를 유지함을 알 수 있다. 이와 같이, pH 6에서 만들어진 금 나노입자는 색상 변화없이 일정한 나노입자의 상태를 유지하고 있음을 확인하였다.
도 3a는 제조예 3에서 얻은 비색센서용액의 pH를 6으로 조정한 후의 기능화된 금 나노입자(GC-AuNPs)에 대한 흡광도 스펙트럼(검은색)과 사진(좌), 및 요오드 음이온 5 ppm을 첨가하여 반응시킨 후의 금 나노입자(I-GC-AuNPs)에 대한 흡광도 스펙트럼(붉은색)과 사진(우)이다. 사진을 통해 알 수 있듯이, 반응전에는 붉은색이었다가 반응후 자색으로 색변화가 일어났다. 도 3b는 요오드 음이온과의 반응전 나노입자의 크기분포를 나타낸 그래프와 성상의 사진이고, 도 3c는 요오드 음이온과의 반응후 나노입자의 크기분포를 나타낸 그래프와 성상의 사진이다. 도 3b 및 도 3c를 비교하면, 요오드 음이온과 반응전에는 나노입자의 평균 크기는 181 nm을 유지하고 있으나, 반응후에는 569 nm로 크기가 매우 커졌음을 알 수 있다.
실시예 2: 반응 온도에 따른 기능화된 금 나노입자의 반응성과 안정성
제조예 3에서 얻은 비색센서용액의 pH를 6으로 조절한 후, 요오드 음이온 5 ppm을 첨가하고 반응온도를 상온, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 및 100 ℃로 각기 달리하여 25분 동안 반응시키고, 각 시료의 색변화를 관찰하였다. 각 시료의 사진을 도 5a에 나타내고, UV-vis 스펙트럼을 도 5b에 나타내었다.
도 5a를 보면, 70 ℃까지는 색변화가 크지 않았으나, 80 내지 100 ℃에서는 색이 자색으로 변화하여 입자들의 반응성이 커졌음을 알 수 있다. 이러한 경향은 도 5b의 UV-vis 스펙트럼에서도 확인할 수 있다. 도 5c는 도 5b의 파장 700 nm 및 521 nm에서의 흡광비(A700/A521)를 온도에 따라 나타낸 그래프로서, 100 ℃에서 가장 높은 흡광비를 나타낸다.
실시예 3: 염화나트륨( NaCl ) 농도에 따른 기능화된 금 나노입자의 반응성과 안정성
제조예 3에서 얻은 비색센서용액의 pH를 6으로 조절한 후, 12개의 시료를 채취하여 NaCl 농도가 각각 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 300 및 500 mM이 되도록 NaCl을 첨가하였다. 각 시료에 요오드 음이온(I-) 10 ppm을 첨가한 후, 반응온도 100℃에서 25분 동안 반응시키고 색변화를 관찰하였다. 각 시료의 사진을 도 6a에 나타내고, UV-vis 스펙트럼을 도 6b에 나타내었다.
도 6a에서, 30 mM의 NaCl 농도까지는 색 변화가 계속 진행되었고, 40 mM부터는 자색이 유지되었다. 이러한 경향은 도 6b의 UV-vis 스펙트럼에서도 확인할 수 있다. 도 6c는 도 6b의 파장 700 nm 및 521 nm에서의 흡광비(A700/A521)를 NaCl 농도에 따라 나타낸 그래프로서, 40 mM NaCl 농도는 요오드 음이온을 검출하기에 최적의 염 농도임을 알 수 있다. NaCl의 첨가는 염석효과(salting out effect)을 이용하는 것으로 시료의 수용액 내 포함되어 있을 다양한 성분을 분리 침전하여 요오드 음이온 검출을 위한 간섭물질을 제거할 수 있다.
실시예 4: 요오드 음이온의 농도에 따른 기능화된 금 나노입자의 반응 시간
제조예 3에서 얻은 비색센서용액의 pH를 6으로 조절하고, NaCl 농도를 40 mM이 되게 하였다. 5개의 시료를 채취하여 각 시료에 요오드 음이온을 0.5, 1, 3, 5 및 7 ppm 첨가한 후, 반응온도 100℃에서 반응시키면서 시간에 따라 지속적으로 흡광비(A700/A521)를 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 보면, 흡광비(A700/A521)는 10분까지는 매우 빠른 속도로 증가하다가, 10분 이후 25분까지는 서서히 증가하였다. 그리고, 25분부터는 반응이 거의 일어나지 않음을 알 수 있다. 따라서, 상기 조건 하의 나노입자와 요오드 음이온의 반응은 25분 정도에 반응이 완료되는 것으로 여겨진다.
실시예 5: 요오드 음이온 농도에 따른 비색센서용액의 민감성 및 검량곡선
제조예 3에서 얻은 비색센서용액의 pH를 6으로 조절하고, NaCl 농도를 40 mM이 되게 하였다. 요오드 음이온의 정량적인 측정이 가능한지 확인하기 위하여, 요오드 음이온을 첨가하여 요오드 음이온의 농도가 각각 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 7 및 10 ppm이 되게 하였다. 반응온도 100℃에서 25분 동안 반응시키고 색변화를 관찰하였다. 각 시료의 사진을 도 8a에 나타내고, 요오드 음이온 농도에 따른 흡광비(A700/A521)를 도 8b에 나타내었다.
도 8a를 보면, 요오드의 첨가량이 증가함에 따라 자색이 차즘 증가함을 알 수 있다. 도 8b를 보면, 흡광비에 따른 직선성(r2=0.9248)이 유지되며, 직선식은 y=0.0344x-0.0045을 나타내었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 비색센서용액은 요오드 음이온에 대한 정량분석이 가능함을 알 수 있다. 하기 표 2는 도 8b의 직선식에 대한 세부사항을 나타낸 것이다.
방정식 y = a + b*x
중량 instrumental
잔차제곱합(RSS) 43.17037
Pearson's r 0.96495
Adj. R-Square 0.9213
값 표준오차
B 인터셉트 -0.00102 9.4201E-4
슬로프 0.03194 0.00328
실시예 6: 기타 음이온 화합물들에 대한 비색센서용액의 선택성
제조예 3에서 얻은 비색센서용액의 pH를 6으로 조절하고, NaCl 농도를 40 mM이 되게 하였다. 여러가지 음이온에 대한 선택성을 확인하기 위하여, 16개의 시료를 준비하고 각 시료에 1) I-, 2) NO3 -, 3) Cl-, 4) Br-, 5) SO4 2 -, 6) PO4 2 -, 7) CN-, 8) SCN-, 9) IO3 -, 10) NO2 -, 11) F-, 12) S2 -, 13) CH3COO-, 14) ClO4 -, 15) C6H4(COO-)2, 16) C3H5O(COO)3 3-을 10 ppm씩 첨가한 후, 반응온도 100℃에서 25분 동안 반응시키고 색변화를 관찰하였다. 각 시료의 사진을 도 9a에 나타내고, UV-vis 스펙트럼을 도 9b에 나타내었다.
도 9a에서 요오드 음이온은 다른 음이온과는 상이하게 자색 또는 남색을 나타내므로, 색상변화만으로도 요오드 음이온과 다른 이온과의 반응성을 확연히 구분할 수 있다. 또한, 도 9b에서는 요오드 음이온이 다른 이온과는 상이한 흡광도 A521 및 A600을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 도 9c는 도 9b를 흡광비로 나타낸 그래프로서, 요오드 음이온이 다른 음이온과 달리 본 발명에 따른 나노입자에 매우 선택성이 우수함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 검출 시스템은 다른 음이온에 비해 요오드 음이온에 대한 감도가 육안으로도 분별가능할 정도로 높고, 흡광비의 분석을 통해 다른 음이온과 구별되는 확실한 선택성이 있음을　확인할 수 있다.
실시예 7: 기능화된 금 나노입자를 포함하는 검출 시스템의 유효성 평가
미네랄 워터(mineral water) 속의 요오드 음이온 검출 실험을 위하여, 시중에서 판매 중인 식용수을 구입하여 제품 내 요오드 음이온의 함유 여부를 확인하였고, 요오드 음이온이 존재하지 않음을 확인한 후 이를 블랭크로 사용하였다.
블랭크에 요오드 음이온을 각각 1 ppm 및 5 ppm이 되도록 첨가한 시료를 준비한 다음, UV-vis로 흡광도를 측정하고, 상기 실시예 5에서 작성된 검량곡선을 이용하여 검출된 양, 변동계수(CV), 회수율(recovery, %)을 측정하고, 이를 하기 표 3에 나타내었다.
I- 첨가농도
(ppm)		 검출 농도
(ppm)　		 CV (Coefficient of Variation, 변동계수) 회수율
(%)		 검출한계
(ppm)
1.00 0.96±0.6 9.5 90.4±5.3 0.1　
5.00 4.68±0.3 7.4 100.6±10.6
상기 표 3에서와 같이, 비색센서용액을 이용한 요오드 음이온의 검출한계(LOD)는 0.1 ppm이었다. 1 ppm 및 5 ppm이 첨가된 시료에서 검출량은 각각 0.96±0.6 및 4.68±0.3으로서 실제 첨가량에 매우 근접한 값으로 검출되었으며, 변동계수는 9.5 및 7.4으로 모두 우수하였고, 회수율 또한 90.4±5.3 및 100.6±10.6으로 우수하였다. 일반적으로 식용수 및 음료수 등 다양한 조성물로 이루어진 제품에 대하여 요오드 음이온을 검출하는 데에는 많은 장애 인자가 존재할 수 있지만, 본 발명에 따른 고분자형 금 나노입자를 포함하는 비색센서용액은 그 성능이 매우 우수하고 선택성이 높음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 요오드 음이온(I-) 검출을 위한 비색검출센서로서,
    개질제로서 하기 화학식 1로 표시되는 글리콜 키토산(glycol chitosan)을 이용하여 표면이 기능화된, 직경 100 nm 이하의 금(Au) 나노입자를 포함하는 것인 비색검출센서.
    [화학식 1]
    Figure 112015053733731-pat00002

    상기 화학식 1에서, x는 25 내지 320이고, y는 25 내지 320이며, z는 25 내지 320이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 글리콜 키토산은 분자량(MW)이 20,000 내지 250,000인 것인 비색검출센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금 나노입자의 전구체는 염화금산 수화물(HAuCl4·4H2O)인 것인 비색검출센서.
  4. 제3항에 있어서,
    염화금산 수화물에 대한 글리콜 키토산의 몰비(molar ratio)는 0.03 ×10-3 내지 0.92×10-3인 것인 비색검출센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비색검출센서는 pH 2 내지 7의 범위에서 요오드 음이온을 검출하는 것인 비색검출센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비색검출센서는 pH 5 내지 6의 범위에서 요오드 음이온을 검출하는 것인 비색검출센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 비색검출센서는 상온 내지 100℃의 온도범위에서 요오드 음이온을 검출하는 것인 비색검출센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비색검출센서는 70 내지 100℃의 온도범위에서 요오드 음이온을 검출하는 것인 비색검출센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비색검출센서는 요오드 음이온 검출시 보라색 또는 짙은 남색으로의 색 변화가 나타나는 것인 비색검출센서.
  10. 제1항에 있어서,
    요오드 음이온 검출가능 농도는 0.1 ppm 이상인 것인 비색검출센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 요오드 음이온의 검출 농도는 상기 비색검출센서의 색변화를 분광광도계, 형광광도계, 또는 색도계로 측정함으로써 정량화되는 것인 비색검출센서.
  12. 요오드 음이온을 검출하는 비색검출방법으로서,
    비색검출센서에 검출대상 시료를 투입하는 투입단계; 및
    상기 비색검출센서의 색 변화에 의해 검출대상 시료 내의 0.1 ppm 이상의 요오드 음이온을 검출하는 감지단계;
    를 포함하는 것인 비색검출방법으로서,
    상기 비색검출센서는 화학식 1의 글리콜 키토산으로 표면이 기능화된, 직경 100 nm 이하의 금 나노입자를 포함하는 것인 비색검출방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 투입단계 이전에, 상기 나노입자의 안정성 및 감도 증진을 위하여 비색검출센서의 pH 및 온도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것인 비색검출방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 투입단계에서의 비색검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 450nm 내지 600nm의 범위를 포함하고, 상기 검출대상 시료 내에 요오드 음이온이 존재할 경우, 감지단계에서의 비색검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 500nm 내지 800nm의 범위를 포함하는 것인 비색검출방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 감지단계에서 비색검출센서의 흡광비(A700/A521)는 0.07 내지 0.96 인 것인 비색검출방법.
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