KR101839700B1

KR101839700B1 - 표면 개질된 금속 나노입자, 이를 포함하는 복합체 및 복합체의 제조 방법

Info

Publication number: KR101839700B1
Application number: KR1020160119880A
Authority: KR
Inventors: 이기라; 정대웅
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2018-03-16

Abstract

표면 개질된 금속 나노입자, 이를 포함하는 복합체 및 복합체의 제조 방법에서, 금속 나노입자는 금속 코어와, 금속 코어의 표면에 배치되고 골격이 폴리알킬렌 글리콜이면서 티올기 및 아민기를 갖는 리간드를 포함하고, 티올기가 상기 금속 코어의 표면에 상호 작용하며 아민기가 외곽으로 노출된 구조를 갖는다.

Description

표면 개질된 금속 나노입자, 이를 포함하는 복합체 및 복합체의 제조 방법{SURFACE-MODIFIED METAL NANOPARTICLE, COMPOSITE INCLUDING THE SURFACE-MODIFIED METAL NANOPARTICLE AND METHOD OF MANUFACTURING THE COMPOSITE}

본 발명은 표면 개질된 금속 나노입자, 이를 포함하는 복합체 및 복합체의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 DNA나 단백질과 같은 이종 물질의 도입이 용이한 표면 개질된 금속 나노입자, 이를 포함하는 복합체 및 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 금속 나노입자는 나노미터 스케일의 크기를 갖고 금속으로 이루어진 입자를 의미하는 것으로, 기능성 물질을 담지하는 담지체(carrier)로 널리 이용되고 있다.

금속 나노입자는 시트르산나트륨(sodium citrate), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB), 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드 (PolyDADMAC) 등과 계면활성제를 이용하여 합성하는데, 금속 나노입자의 합성에 이용하는 계면활성제의 종류에 따라서 금속 나노입자의 표면 전하가 결정된다.

특히, DNA를 이용한 금속 나노입자의 자기조립에 관한 연구 분야에서는, 표면이 음전하를 나타내는 금 나노입자의 필요성 때문에 시트르산나트륨과 같은 음이온 계면활성제를 이용하고 있다. 이 경우에는 표면이 음전하를 나타내기는 하지만, 금 나노입자를 합성하기 어려운 문제가 있으며 동시에 금 나노입자의 크기가 매우 넓은 범위에 분포, 즉 균일한 크기의 단분산계의 금 나노입자를 형성하기 어려운 문제가 있다.

반면, 양이온 계면활성제인 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드를 이용하는 경우에는 이러한 문제점이 모두 해결되어 균일한 크기로 구형의 금 나노입자의 합성이 가능하지만, DNA 구조의 안정화를 위한 완충 용액이나 특정 염을 갖는 수용액 내에서 표면이 양전하를 갖는 금 나노입자가 응집되어 버린다. 또한, DNA 그 자체가 음전하를 갖고 있으므로, DNA가 존재하는 경우에도 표면이 양전하를 갖는 금 나노입자들 사이의 응집이 일어나, DNA와 관련된 연구 분야에 적용하기 어려운 문제가 있다.

본 발명의 일 목적은 분산성이 높은 표면 개질된 금속 나노입자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 표면 개질된 금속 나노입자를 포함하는 복합체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 표면 개질된 금속 나노입자를 이용하여 상기 복합체를 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 위한 표면 개질된 금속 나노입자는 금속 코어와, 상기 금속 코어의 표면에 배치되고 골격이 폴리알킬렌 글리콜인 하기 화학식 1로 나타내는 리간드를 포함하고, 티올기가 상기 금속 코어의 표면에 상호 작용하며 아민기가 외곽으로 노출된 구조를 갖는다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, n은 정수를 나타내되, 상기 화학식 1로 나타내는 리간드의 몰 질량(molar mass)이 1,000 g/mol 내지 30,000 g/mol의 범위 내에 포함되도록 하는 정수를 나타낸다.

일 실시예에서, 상기 금속 코어는 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 목적을 위한 복합체는 금속 코어, 상기 금속 코어의 표면에 배치되고 골격이 폴리알킬렌 글리콜이되, 폴리알킬렌 글리콜의 양단에 각각 연결된 작용기가 티올기와 아민기이고, 티올기가 상기 금속 코어의 표면에 상호 작용하며 아민기가 외곽으로 노출된 구조를 갖는 리간드, 상기 리간드의 아민기와 펩티드 결합을 형성하면서 연결된 링커, 및 상기 링커와 연결되고, DNA 및 단백질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이종 물질을 포함한다.

일 실시예에서, 상기 링커와 상기 이종 물질은 이종 물질에 포함된 티올기를 통해서 서로 연결될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적을 위한 복합체의 제조 방법은, 금속 코어의 표면에 계면활성 화합물이 배치된 금속 나노입자의 상기 계면활성 화합물을, 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜을 이용하여 교환하여 금속 코어의 표면에 티올기가 결합하고 외부로 아민기가 노출되도록 리간드가 배치되도록 금속 나노입자의 표면을 개질하는 단계, 및 표면 개질된 금속 나노입자에 DNA 및 단백질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이종 물질을 도입하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 금속 나노입자의 표면을 개질하는 단계는 계면활성 화합물을 포함하는 금속 나노입자를 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜을 포함하는 용액과 혼합하는 단계, 원심분리하여 침전물을 형성하는 단계, 및 상기 침전물을 재분산시키는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 금속 나노입자를 형성하는 단계는 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜과 함께, 인산 완충 용액을 이용할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 이종 물질을 도입하는 단계는 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜이 리간드로 결합한 금속 나노입자와 링커 화합물을 반응시키는 단계, 및 상기 링커 화합물과 반응한 금속 나노입자와 상기 이종 물질을 반응시키는 단계를 포함하고, 상기 링커 화합물과 상기 아민기가 반응하여 펩티드 결합을 형성하며, 상기 이종 물질에 포함된 티올기를 통해 상기 링커 화합물과 상기 이종 물질이 연결될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 링커 화합물은 4-(엔-말레이미도메틸)시클로엑산-1-카르복실릭산 3-설포-엔-하이드록시석신이미드 에스터 나트륨 염(4-(N- Maleimidomethyl)cyclohexane-1-carboxylic acid 3-sulfo-N-hydroxysuccinimide ester sodium salt, sulfo-SMCC, 설포-에스엠씨씨)일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 계면활성 화합물은 양이온성 계면활성 화합물일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 금속 코어는 금을 포함하고, 상기 계면활성 화합물은 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드, 세틸트리메틸암모늄브로마이드, 헥사데실피리디움클로라이드, 시트르산나트륨 및 폴리비닐피롤리돈 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기에서 설명한 표면 개질된 금속 나노입자, 이를 포함하는 복합체 및 복합체의 제조 방법에 따르면, 표면 개질된 금속 나노입자는 수소이온농도 지수에 영향을 적게 받고, 완충 용액 내에서의 높은 분산성을 나타낸다. 특히, 제조 공정 중에 포함된 계면활성 화합물로부터 유래된 리간드가 제거되더라도 티올기 및 아민기를 갖는 폴리알킬렌 글리콜이 새로운 리간드로서 교환되어 도입됨에 따라 금속 나노입자 자체의 분산성에 영향을 주지 않는다. 또한, 금속 나노입자에 DNA나 이종 물질의 도입을 용이하게 하는 장점이 있다. 이에 따라 DNA를 이용한 금속 나노입자의 자기조립에 관한 연구 분야에도 안정적으로 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 개질된 금속 나노입자를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 도 2의 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 금속 나노입자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 복합체를 제조하는 공정에서 각 단계에서 제조된 결과물을 나타낸 투과전자현미경(TEM) 사진들을 도시한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 나노입자의 주사전자 현미경 사진과 공초점 현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 복합체를 제조하는 공정에서 각 단계에서 제조된 결과물에 대해 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용하여 측정된 흡광도 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 이종 물질로서 DNA를 갖는 복합체들의 클러스터 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 이종 물질로서 DNA를 갖는 복합체들이 형성한 클러스터의 주사전자 현미경(SEM) 사진들을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 개질된 금속 나노입자를 설명하기 위한 모식도이다.

도 1을 참조하면, 표면 개질된 금속 나노입자(100)는 금속 코어(110)와 리간드(130)를 포함한다.

금속 코어(110)의 크기, 즉 직경은 30 nm 이상일 수 있다. 금속 코어(110)의 직경이 적어도 30 nm가 되어야 제조 공정에서 금속 코어(110)에 리간드(130)를 용이하게 도입할 수 있으며, 바람직하게는 30 nm 내지 150 nm일 수 있다. 금속 코어(110)는 티올기와 결합할 수 있는 금속이 이용될 수 있고, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있다.

금속 코어(110)는 계면활성제에 의해서 단분산계(mono-dispersed)를 이룰 수 있다. 금속 코어(110)가 단분산계 입자라는 것은, 표면 개질된 금속 나노입자(100)의 집합체에서 금속 코어(110)의 크기가 실질적으로 동일하거나 직경 분포가 좁은 것을 의미한다. 이때, 금속 코어(110)는 구형이거나, 큐브형 또는 다면체 형태일 수 있다. 특히, 금속 코어(110)를 구형으로 형성하는 경우에, 계면활성제에 의해서 실질적으로 완전한 구형으로 형성할 수 있다. 금속 코어(110)를 형성하는데 이용된 계면활성제는 표면 개질된 금속 나노입자(100)에는 포함되지 않고 표면 개질된 금속 나노입자(100)를 제조하는 공정 중에 제거된다. 특히, 금으로 이루어진 금속 코어(110)를 제조하는 경우, 양이온성 계면활성제를 이용하면 금속 코어(110)를 구형이면서도 단분산계로 용이하게 제조할 수 있다.

리간드(130)는 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜을 포함하고, 리간드(130) 중의 티올기가 금속 코어(110)를 구성하는 금속과 결합하여 금속 코어(100)의 표면에 배치되고, 아민기는 금속 나노입자(100)의 외곽에 배치된다. 리간드(130)는 폴리알킬렌 글리콜을 골격으로 하면서 일단에 연결된 작용기로서 티올기를 포함하고 타단에 연결된 작용기로서 아민기를 포함하는 고분자이다. 리간드(130)는 하기 화학식 1로 나타낸다.

[화학식 1]

상기 화학식 1의 n값에 의해서 상기 화학식 1로 나타내는 리간드(130)의 몰 질량(molar mass)이 결정된다. 리간드(130)의 몰 질량은 1,000 내지 30,000 g/mol일 수 있다. 바람직하게는, 리간드(130)의 몰 질량은 5,000 내지 20,000 g/mol일 수 있다. 보다 바람직하게는, 리간드(130)의 몰 질량은 10,000 g/mol일 수 있다.

상기 화학식 1에서 -SH로 나타내는 티올기가 금속 코어(110)와 직접 결합하는 부분이고, -NH₂로 나타내는 아민기가 금속 나노입자(100)의 외부를 향해 배치된다.

금속 코어(110)를 형성하는 공정에서는 계면활성제가 이용되지만, 금속 나노입자(100)의 제조 공정 중에 계면활성제는 제거되고 본 발명에 따른 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜을 포함하는 리간드(130)로 교환되는 결과가 된다. 즉, 본 발명에서의 리간드(130)는 티올기 및 아민기를 갖는 폴리에틸렌 글리콜이다.

표면 개질된 금속 나노입자(100)는 리간드(130)에 의해서 음전하를 나타낼 수 있다. 리간드(130)에 의해 금속 나노입자(100)가 음전하를 나타내기 때문에, 표면 개질된 금속 나노입자(100)는 응집 현상이 최소화된 상태에서 DNA 또는 단백질과 같은 이종 물질과 화학적으로 용이하게 반응할 수 있다.

표면 개질된 금속 나노입자(100)에 DNA 또는 단백질과 같은 이종 물질이 반응하여 형성한 복합체에 대해서 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체를 설명하기 위한 모식도이다.

도 2를 참조하면, 복합체(500)는 금속 나노입자(100) 및 금속 나노입자(100)의 표면에 형성된 코팅층(200)을 포함한다.

금속 나노입자(100)는 표면 개질된 입자로서, 도 1에서 설명한 금속 나노입자(100)와 실질적으로 동일하게 금속 코어(110) 및 리간드(130)를 포함한다. 도 2 금속 나노입자(100)는 도 1에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 중복되는 상세한 설명은 생략한다.

코팅층(200)은 DNA 또는 단백질과 같은 이종 물질과, 상기 이종 물질을 리간드(130)와 연결시키는 링커(linker)를 포함한다.

일 실시예에서, 금속 나노입자(100)가 음전하를 나타내는 리간드(130)를 포함하는 경우, 금속 나노입자(100)에 대해서 링커 화합물 및 이종 물질이 순차적으로 도입되어 코팅층(200)을 형성할 수 있다. 링커 화합물은 리간드(130)와 반응하는 화합물로서, 상기 링커 화합물에 의해서 링커가 도입된 금속 코어(110)에 이종 물질이 도입되면 이종 물질은 링커와 결합하게 된다. 이때, 이종 물질은 상기 링커 의 작용기와 결합할 수 있는 연결 작용기를 포함한다. 상기 연결 작용기는 예를 들어, 티올기일 수 있다. 이종 물질 자체가 티올기 함유하는 DNA이거나 티올기 함유 단백질일 수도 있고, DNA나 단백질에 별도의 티올기를 도입하는 반응을 수행할 수 있다. 도 2의 복합체(500)는 도 1에서 설명한 금속 나노입자(100)를 포함하고 있기 때문에, 이종 물질이 용이하게 도입되어 코팅층(200)을 형성할 수 있다.

도 1의 금속 코어(110) 표면에 폴리다이아릴다이메틸암모늄 클로라이드와 같은 계면활성 화합물이 배치된 경우에는, 이종 물질을 도입하는 과정에서 금속 코어(110)의 응집 현상이 일어나 문제가 된다. 하지만, 본 발명에 따른 도 1에서 설명한 금속 나노입자(100)를 이용하여 이종 물질을 도입하는 경우에는 리간드(130)에 의해서 응집 현상이 최소화되기 때문에 안정적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.

특히, 도 1의 금속 나노입자(100)는 금속 코어(110)가 구형이면서 단분산계를 이루는 동시에 티올기 및 아민기를 포함하는 리간드(130)를 가짐에 따라, 링커와 이종 물질이 다른 나노입자들에 비해서 보다 더 용이하게 그 표면으로 도입된다. 이에 따라, 이종 물질이 도입된 금속 나노입자(100)인 복합체(500)를 자기조립 응용에 적용할 수 있다.

이하에서는, 도 2에서 설명한 복합체(500)의 제조 방법에 대해서 도 3 및 도 4를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 도 2의 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 금속 나노입자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 도 2에서 설명한 복합체(500)의 제조를 위해서 먼저 금속 코어(110)의 계면활성 화합물(120)이 배치된 금속 나노입자를 준비하고, 금속 코어(110)의 표면에 계면활성 화합물(120)이 배치된 금속 나노입자의 계면활성 화합물(120)을 티올기 및 아민기를 갖는 폴리알킬렌 글리콜(130)로 리간드 교환시킴으로써 표면이 티올기 및 아민기를 갖는 폴리아킬렌 글리콜(130)로 개질된 금속 나노입자(100, 도 1 참조)를 제조한다(단계 S310).

구체적으로, 계면활성 화합물(120)이 배치된 금속 나노입자에서, 금속 코어(110)는 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)을 포함할 수 있고, 예를 들어, 금속 코어(110)는 금 입자일 수 있다. 계면활성 화합물(120, 도 3에서 녹색으로 나타낸 부분)의 예로서는, 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드, 세틸트리메틸암모늄브로마이드, 헥사데실피리디움클로라이드, 시트르산나트륨, 폴리비닐피롤리돈 등을 들 수 있다.

계면활성 화합물(120)을 포함하는 금속 나노입자는 계면활성제를 이용하여 제조된 입자일 수 있다. 이때, 계면활성제는 양이온성 계면활성제를 이용할 수 있다. 예를 들어, 양이온성 계면활성제로서 폴리다이아릴다이메틸암모늄 클로라이드를 이용하는 경우, 금속 코어(110)로서 금으로 이루어진 입자가 형성되고 그 표면에 계면활성 화합물(120)로서 폴리다이아릴다이메틸암모늄 클로라이드가 배치될 수 있다. 이때, 금속 코어(110)의 표면은 양전하를 나타낼 수 있다.

이어서, 티올기 및 아민기를 갖는 폴리에틸렌글리콜(130, 상기 화학식 1 참조, 분자량 10,000 g/mol)을 용매에 용해하여 리간드 분산 용액을 제조하고, 상기 리간드 분산 용액을 계면활성 화합물(120)이 표면에 결합된 금속 코어(110)를 갖는 금속 나노입자가 분산된 용액과 혼합한다.

도 4를 도 3과 함께 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 계면활성 화합물(120)을 포함하는 금속 나노입자가 분산된 용액과 상기 리간드 분산 용액을 혼합한다(단계 S311). 혼합 공정은 교반기를 이용하여 9 내지 24시간동안 수행될 수 있다. 계면활성 화합물(120)이 용매에 용해됨으로써 금속 코어(110) 표면의 일부가 노출되는데, 노출된 금속 코어(110)의 표면과 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130)의 티올기 사이의 공유결합이 유도됨으로써 금속 코어(110)의 표면에 리간드(130)가 코팅될 수 있다. 이때, 금속 코어(110)의 표면에는 계면활성 화합물(120)과 새로운 리간드인 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130)가 공존하는 형태가 된다.

이때, 상기 리간드 용액은 인산 완충 용액을 더 포함할 수 있다. 인산 완충 용액은 계면활성 화합물(120)이 표면에 결합된 금속 코어(110) 전체의 전하에 따라 투입량을 조절하여 사용할 수 있고, 생략될 수도 있다.

이러한 리간드를 코팅한 후에, 계면활성 화합물(120)의 세정공정을 수행한다(단계 S312).

일례로, 세정 공정은 원심분리를 통해 침전물을 수득하고, 침전물을 제외한 나머지 용액을 증류수로 대체한 후 상기 침전물을 재분산시킴으로써 수행할 수 있다.

상기 세정 공정을 통해서, 특히, 재분산을 통해서 계면활성 화합물(120)과 증류수 사이에 화학적 평형상태가 깨지고 그로 인하여 계면활성 화합물(120)이 금속 코어(110)로부터 더 많이 증류수로 용해될 수 있다. 따라서 금속 코어(110)의 노출되는 표면적이 더 넓어지고, 이때 티올기 및 아민기를 갖는 폴리알킬렌 글리콜(130)을 추가함에 따라 금속 코어(110)에 대해 폴리알킬렌 글리콜(130)의 도입량이 증가될 수 있다.

단계 S311 및 단계 S312를 반복하여 수행한다(단계 S313).

반복하는 횟수가 증가함에 따라 금속 코어(110)의 표면에는 더 많은 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130)이 도입될 수 있다. 이에 따라, 초기에는 계면활성 화합물(120)에 의한 특성을 나타나는 금속 코어(110)의 표면 특성이 티올기 및 아민기를 갖는 폴리알킬렌 글리콜(130)의 의한 특성을 가지도록 표면 개질되는 결과가 된다. 즉, 단계 S311에서 설명한 코팅 단계와 단계 S312에서 설명한 세정 단계가 순차적으로 수행되는 1회 사이클이, 적어도 1번 이상 수행될 수 있고, 완전히 계면활성 화합물(120)이 제거되어 도 1에서 설명한 구조를 가질 때까지 반복 수행될 수 있다.

이에 따라, 도 1에서 설명한 표면이 티올기 및 아민기를 갖는 폴리알킬렌 글리콜(130)로 개질된 금속 나노입자(100)가 준비될 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 티올기 및 아민기를 갖는 폴리알킬렌 글리콜(130)로 개질된 금속 나노입자(100)에 대하여 링커 화합물을 제공하여 아민기와 결합시킨다(단계 S320).

상기 링커 화합물은 아민기와 결합하는 화합물로서, 아민기와 결합하여 펩티드 결합을 형성한다. 상기 링커 화합물로서, 4-(엔-말레이미도메틸)시클로헥산-1-카르복실릭산 3-설포-엔-하이드록시석신이미드 에스터 나트륨 염 [4-(N-maleimidomethyl)cyclohexane-1-carboxylic acid 3-sulfo-N-hydroxysuccinimde ester Sodium salt]을 이용할 수 있다. 상기 링커 화합물의 -N-O-CO- 결합이 아민기와 반응하여 -NH-CO-으로 나타내는 펩티드 결합을 형성한다. 이때, 말레이미드(maleimide)가 최외곽에 배치될 수 있다.

이어서, 상기 링커 화합물과 결합한 금속 나노입자(100)에 대해서 이종 물질을 도입한다(단계 S330). 이때, 이종 물질은 DNA나 단백질일 수 있고, 티올기를 포함한다. 이종 물질이 포함하는 티올기는, 원래의 DNA나 단백질에 포함된 작용기일 수 있고 별도의 티올기를 도입시켜 준비할 수 있다.

이종 물질의 티올기가 말레이미드의 이중결합을 깨어 말레이미드에 결합함으로써 최종적으로는 이종 물질이 도입된 금속 나노입자(100)로서 도 2에서 설명한 복합체(200)를 제조할 수 있다.

상기에서 설명한 바에 따르면 금속 코어(110)의 표면을 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130)을 도입함에 따라, 금속 나노입자(100)의 완충 용액 및 다양한 염농도 수용액 내에서 안정된 분산을 유도할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 표면 개질된 금속 나노입자(100)는 용매에 따른 분산 안정화도의 변화를 최소화시킬 수 있다.

금속 코어(110)의 표면에 계면활성 화합물(120)과 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130)이 모두 존재하는 경우, 계면활성 화합물(120)과 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130) 각각이 증류수에 대해서는 용해도가 거의 동일 또는 유사하게 나타난다.

반면, 암모니아 수용액과 같이, 수소이온농도지수가 증류수와 다른 용액에 분산되는 경우에는 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130)은 수소이온농도지수에 관계없이 용해도가 높게 유지되는 반면, 계면활성 화합물(120)의 용해도는 현저하게 떨어진다. 이에 의해 계면활성 화합물(120)을 포함하는 금속 나노입자의 경우에는 암모니아 용액에 대한 용해도가 낮은 문제가 있다. 하지만, 본 발명에 따르면 계면활성 화합물(120)을 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜(130)로 리간드를 대체함으로써 표면 개질된 금속 나노입자(100)를 제조하여 수소이온농도지수에 크게 의존하지 않고 분산성이 유지 및 향상될 수 있다.

상기에서 설명한 바에 따르면, 표면 개질된 금속 나노입자(100)는 수소이온농도 지수에 영향을 적게 받고, 완충 용액 내에서의 높은 분산성을 나타낸다. 특히, 제조 공정 중에 포함된 계면활성 화합물(120)로부터 유래된 리간드가 제거되더라도 금속 나노입자(100) 자체의 분산성에 영향을 주지 않는다. 또한, 금속 나노입자(100)에 DNA나 이종 물질의 도입을 용이하게 하는 장점이 있다. 이에 따라 DNA를 이용한 금속 나노입자(100)의 자기조립에 관한 연구 분야에도 안정적으로 이용될 수 있다.

이하에서는, 구체적인 실시예 및 비교예들을 통해서, 본 발명에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

제조예 1

폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드를 이용하여 제조된 구형 금 나노입자를 증류수 1 mL에 분산하였다. 이때, 금 나노입자의 농도가 4×10^-12M이 되도록 분산시켰다(도 5의 (a) SEM 사진 참조).

동시에, 분자량이 10,000 g/mol이고 작용기로서 아민기와 티올기를 갖는 폴리에틸렌글리콜(상기 화학식 1 참조)을 0.001 g/mL로 2 mL의 초순수에 용해시켜 리간드 용액을 준비하였다.

상기와 같이 준비된 금 나노입자 용액 1 mL를 물 10 mL와 혼합한 후, 상기 리간드 용액 2 mL를 첨가하였다. 이 혼합 용액을 진탕기를 이용하여 7일동안 교반하였다.

이후, 불필요한 화합물을 제거하기 위해서, 구형 금 나노입자를 15,000 g에서 40분간 원심분리를 진행하여 침전시켜, 침전 용액을 수득하였다. 상기 침전 용액 중에서 1 mL를 취하여 초순수에 다시 분산시켰다. 이어서, 금 나노입자 4,000 g에서 20 분동안 입자의 침전을 진행한 후, 초음파 분산기에서 1분 동안 재분산 시켰다. 원심분리, 침전 용액의 수득 및 재분산 공정을 한 사이클로 하여 10회 반복함으로써 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드를 제거하였다(도 5의 (b) SEM 사진 참조).

금 나노입자의 표면이 아민기와 티올기를 갖는 폴리에틸렌글리콜로 개질된 금속 나노입자를 0.49 mL 취하여 초순수에 분산시킨 후, 0.1 M의 인산나트륨 용액 0.5 mL와, 0.1 M의 트리스-EDTA 완충용액(tris-EDTA buffer solution) 0.01 mL와 혼합하였다.

이후에, 4-(엔-말레이미도메틸)시클로헥산-1-카르복실릭산 3-설포-엔-하이드록시석신이미드 에스터 나트륨 염을 0.001 g/mL의 농도로 녹인 용액 0.1 mL를 투입한 후, 37℃에서 4시간동안 교반하였다. 다시 트리스-EDTA 완충 용액을 이용하여 4회 세척을 진행하여 유기물을 제거하였다. 이때, 원심 분리를 이용하였으며, 2,000 g에서 20분간 진행하였고, 분산은 초음파 분산기에서 1분 동안 진행하였다(도 6은 제조 결과물에 대한 TEM 사진임).

이어서, 세척된 입자를 0.01 M의 트리스-EDTA 완충 용액 0.2 mL에 분산시키고, 이 중에서 0.05 mL를 취하여 0.01 M의 트리스-EDTA 완충 용액 0.05 mL에 투입하였다. 0.1 M의 인산나트륨 용액 0.1 mL와 혼합한 다음 0.0001 g/mL의 농도에 녹인 티올기를 갖는 폴리에틸렌글리콜과 형광 물질인 Cy3이 있는 용액 0.02 mL와 혼합한 후, 4℃로 24 시간동안 교반 없이 반응시켰다. 이후 0.01 M의 트리스-EDTA 완충 용액으로 4회, 2,000 g에서 20분간 세척을 수행하였다(도 7은 제조 결과물에 대한 TEM 사진임).

특성 평가

도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 복합체를 제조하는 공정에서 각 단계에서 제조된 결과물을 나타낸 투과전자현미경(TEM) 사진들을 도시한 도면들로서, 도 5 내지 도 7 각각을 참조하면, 계면활성 화합물을 아민기 및 티올기를 갖는 폴리에틸렌 글리콜로 개질하더라도 구형으로 수계에서 균일하게 분산되는 것을 확인할 수 있고, 링커 화합물과 반응시키더라도 구형으로 수계에서 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기와 같은 방법으로 제조된 샘플 1에 대해서 공초점 현미경 및 주사전자 현미경으로 촬영하였고, 그 결과를 도 8에 나타낸다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 나노입자의 주사전자 현미경 사진과 공초점 현미경 사진을 나타낸 도면으로서, 이를 참조하면, 형광 분석 결과 입자에서 강하게 형광이 나타내는 것을 확인할 수 있고, 이는 폴리에틸렌 글리콜이 금 나노입자에 도입되었다는 것을 나타낸다.

또한, 미반응 물질에 의해서 형광이 측정되는지 여부를 판단하기 위해서 SEM 사진을 얻은 것을 참조하면, 세척이 완전하게 이루어져 미반응 물질, 즉, 원래의 계면활성 화합물이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기와 같은 방법으로 샘플 1을 제조하는 공정의 각 단계에서 얻어진 결과물에 대해서, 자외선-가시광선 분광 광도계(UV-vis spectrophotometer)를 이용하여 분석하였고, 도 9에 나타낸다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 복합체를 제조하는 공정에서 각 단계에서 제조된 결과물에 대해 자외선-가시광선 분광 광도계를 이용하여 측정된 흡광도 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9에서, AuNPs는 표면 개질 전의 계면활성 화합물이 포함되어 있는 경우에 대한 그래프이고, Au(SH-PEG-NH2)NPs는 표면 개질된 경우의 그래프이며, Au(SH-PEG-NH2-Sulfo/SMCC)NPs는 링커 화합물과 반응된 경우의 그래프이며, Au(SH-PEG-NH2-Sulfo/SMCC-SH-PEG-Cy3)NPs는 추가적으로 티올기를 갖는 폴리에틸렌글리콜과 형광 물질인 Cy3과 결합한 경우의 그래프를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 입자의 뭉침으로 인해 흡광되는 부분이 실질적으로 나타나지 않았음을 확인할 수 있다. 즉, 이를 통해서 뭉침 없이 금 나노입자가 수계에서 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.

제조예 2

티올기를 갖는 폴리에틸렌글리콜과 형광 물질인 Cy3이 있는 용액을 이용하지 않는 것을 제외하고는 상기에서 설명한 제조예 1과 실질적으로 동일한 공정을 통해서, 금 나노입자, 티올기 및 아민기를 포함하는 폴리알킬렌 글리콜 리간드 및 링커를 포함하는 구조를 갖는 샘플 입자 2(Au(SH-PEG-NH2-Sulfo/SMCC)NPs)를 제조하였다.

제조예 3

상기 제조예 2에서 준비된 샘플 2에 대해서 DNA-1을 도입하여 복합체 샘플 1을 준비하였다. 이때, DNA-1은 5'-/SH/Cy3/TTTTTTTTTCCTACTTC-3'로 나타내고, DNA-1의 티올기가 상기 샘플 입자 2에 포함된 링커와 결합하여 탄소-황-Cy3-TTTTTTTTTCCTACTTC을 형성하였다. 또한, 상기 제조예 2에서 준비된 샘플 2에 대해서 DNA-2를 도입하여 복합체 샘플 2를 준비하였다. 이때, DNA-2는 5'-/SH/TTTTTTTTTGAAGTAGG-3'로 나타내고, DNA-2의 티올기가 상기 샘플 입자 2에 포함된 링커와 결합하여 탄소-황-TTTTTTTTTGAAGTAGG을 형성하였다.

이어서, DNA-1을 포함하는 복합체를 0.01 M의 트리스-EDTA 완충 용액 0.2 mL에 분산시킨 용액을 준비하고, DNA-2를 포함하는 복합체를 0.01 M의 트리스-EDTA 완충 용액 0.2 mL에 분산시킨 용액을 준비한 후, 용액들 각각을 50 ㎕씩 취하여 혼합한 후 0.1 M의 인산나트륨 용액 0.1 mL에 투입하고 다시 교반기에서 교반하였다.

이후, 상온에서 24 시간동안 방치하여 DNA 결합을 통한 클러스터가 형성될 수 있도록 유도하였다(도 10 참조).

상기의 복합체에 포함된 금속 코어로서의 금 나노입자의 직경은 40 nm인 것을 이용하여 상기 공정을 수행하였다. 다른 예로서, 금 나노입자의 직경이 90 nm인 것을 이용하여 상기 공정을 수행하였다.

클러스터 구조 확인

제조예 3에 따라 제조된 복합체에 대해서 주사전자 현미경(SEM) 사진들을 촬영하였다. 그 결과를 도 11에 나타낸다.

도 11은 이종 물질로서 DNA를 갖는 복합체들이 형성한 클러스터의 주사전자 현미경(SEM) 사진들을 도시한 도면이다.

도 11에서, 위의 8개의 SEM 사진들은 금 나노입자의 직경이 40 nm인 경우의 결과이고, 아래의 8개의 SEM 사진들은 금 나노입자의 직경이 90 nm인 경우의 결과이다.

도 11을 도 10과 함께 참조하면, DNA-1를 포함하는 복합체와 DNA-2를 포함하는 복합체는 서로 반대되는 염기서열이 서로 결합함으로써 적어도 2개 이상의 복합체들이 클러스터를 형성할 것을 예상할 수 있고, 도 11에서와 같이 여러 개의 복합체들이 서로 결합되어 있는 클러스터로 나타나는 것을 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 표면 개질된 금속 나노입자
110: 금속 코어
130: 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌글리콜
120: 계면활성 화합물 500: 복합체

Claims

금속 코어와, 상기 금속 코어의 표면에 배치되고 골격이 폴리알킬렌 글리콜이며 폴리알킬렌 글리콜의 일단에 티올기가 연결되고 타단에 아민기가 연결된 하기 화학식 1로 나타내는 리간드를 포함하고,
상기 리간드의 티올기가 상기 금속 코어의 표면에 상호 작용하며 배치되며, 상기 리간드의 아민기가 외곽으로 노출된 구조를 가짐으로써 용매에서 단분산계를 이루도록 분산되는 것을 특징으로 하는,
표면 개질된 금속 나노입자;
[화학식 1]

상기 화학식 1에서, n은 정수를 나타내되, 상기 화학식 1로 나타내는 리간드의 몰 질량(molar mass)이 1,000 g/mol 내지 30,000 g/mol의 범위 내에 포함되도록 하는 정수를 나타낸다.
제1항에 있어서,
상기 금속 코어는 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
표면 개질된 금속 나노입자.
금속 코어;
상기 금속 코어의 표면에 배치되고 골격이 폴리알킬렌 글리콜이되, 폴리알킬렌 글리콜의 일단에 티올기가 연결되고 타단에 아민기가 연결되며, 티올기가 상기 금속 코어의 표면에 상호 작용하며 상기 금속 코어의 표면에 배치되고, 아민기가 상기 금속 코어의 표면에서 외부를 향해 노출된 구조를 갖는 리간드;
상기 리간드의 아민기와 펩티드 결합을 형성하여 폴리알킬렌 글리콜에 연결되되 상기 리간드에서 외부를 향해 연결된 링커; 및
상기 링커와 화학 결합을 통해 연결되고, DNA 및 단백질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이종 물질을 포함하는,
복합체.
제3항에 있어서,
상기 링커와 상기 이종 물질은
이종 물질에 포함된 티올기를 통해서 서로 연결된 것을 특징으로 하는,
복합체.
금속 코어의 표면에 계면활성 화합물이 배치된 금속 나노입자를 준비하는 단계;
상기 금속 나노입자의 표면에 배치된 상기 계면활성 화합물을, 하기 화학식 1로 나타내는 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜을 이용하여 교환하여 상기 계면활성 화합물이 제거되는 동시에 금속 코어의 표면에 티올기가 결합하고 외부로 아민기가 노출되도록 리간드가 배치되도록 금속 나노입자의 표면을 개질하는 단계; 및
외부에 아민기가 노출되도록 상기 리간드로 표면 개질된 금속 나노입자에 DNA 및 단백질 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이종 물질을 도입하는 단계를 포함하는,
복합체의 제조 방법;
[화학식 1]

상기 화학식 1에서, n은 정수를 나타내되, 상기 화학식 1로 나타내는 리간드의 몰 질량(molar mass)이 1,000 g/mol 내지 30,000 g/mol의 범위 내에 포함되도록 하는 정수를 나타낸다.
제5항에 있어서,
상기 금속 나노입자의 표면을 개질하는 단계는
계면활성 화합물을 포함하는 금속 나노입자를 티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜을 포함하는 용액과 혼합하는 단계;
원심분리하여 침전물을 형성하는 단계; 및
상기 침전물을 재분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
복합체의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 금속 나노입자를 형성하는 단계는
티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜과 함께, 인산 완충 용액을 이용하는 것을 특징으로 하는,
복합체의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 이종 물질을 도입하는 단계는
티올기 및 아민기 함유 폴리알킬렌 글리콜이 리간드로 결합한 금속 나노입자와 링커 화합물을 반응시키는 단계; 및
상기 링커 화합물과 반응한 금속 나노입자와 상기 이종 물질을 반응시키는 단계를 포함하고,
상기 링커 화합물과 상기 아민기가 반응하여 펩티드 결합을 형성하며,
상기 이종 물질에 포함된 티올기를 통해 상기 링커 화합물과 상기 이종 물질이 연결된 것을 특징으로 하는,
복합체의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 링커 화합물은 4-(엔-말레이미도메틸)시클로엑산-1-카르복실릭산 3-설포-엔-하이드록시석신이미드 에스터 나트륨 염(4-(N- Maleimidomethyl)cyclohexane-1-carboxylic acid 3-sulfo-N-hydroxysuccinimide ester sodium salt, sulfo-SMCC, 설포-에스엠씨씨)인 것을 특징으로 하는,
복합체의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 금속 코어는 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
복합체의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 계면활성 화합물은 양이온성 계면활성 화합물인 것을 특징으로 하는,
복합체의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 금속 코어는 금을 포함하고,
상기 계면활성 화합물은 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드, 세틸트리메틸암모늄브로마이드, 헥사데실피리디움클로라이드, 시트르산나트륨 및 폴리비닐피롤리돈 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
복합체의 제조 방법.