KR101840410B1 - Sensor comprising silica chemically bound with spiropyran - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 포함하는 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor comprising silica chemically bonded to spiropyran and a method of making the same.
스파이로파이란(sipropyran, SP) 분자는 도 1에서 보는 바와 같이 빛, 열, 힘, 용매 등 여러 가지 자극에 대하여 고리 열림반응(ring opening reaction)을 통해 구조상의 변화를 겪고, 이는 보라색과 형광특성의 변화를 통해 가시적으로 관찰된다. 따라서 최근 센서물질로서 많은 관심을 받고 있다.As shown in FIG. 1, the sipropyran (SP) molecule undergoes a structural change through a ring opening reaction with various stimuli such as light, heat, force, and solvent, And is observed visually. Recently, it has attracted much interest as a sensor material.
스파이로파이란 분자는 분자단위의 물질로서 센서물질로 적용하기 위해서는 액체상태로 녹이거나 고체상태인 가루로 사용해야 한다. 하지만, 스파이로파이란은 액체 상태에서는 시간이 지남에 따라 스파이로파이란 분자의 안정성이 감소한다는 단점이 있고, 고체 가루 상태에서는 수많은 분자들이 뭉쳐져 있어 필요 이상의 분자를 소비해야 하는 문제점이 있다.The spiropyran molecule is a molecule-based material that must be dissolved or dissolved in a liquid state to be used as a sensor material. However, the spiropyran has a disadvantage in that the stability of the pieran molecule decreases with time in the liquid state, and in the solid powder state, a large number of molecules are aggregated, which consumes more molecules than necessary.
따라서, 스파이로파이란 분자를 표면적이 넓은 다양한 모양과 크기의 담지체에 단층(monolayer)로 결합시켜, 분자 안정성을 증가시키고 최소한의 양으로 효율적인 센싱 효과를 나타내는 복합입자 센서를 개발하는 기술이 필요하다.Therefore, there is a need to develop a compound particle sensor that combines spiropyran molecules with monolayer of various shapes and sizes of carriers having a wide surface area, increases molecular stability and exhibits an efficient sensing effect with a minimal amount .
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하고 용매 극성 또는 자외선 조사 여부를 분석할 수 있는 등의 센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 분석방법 등을 제공하고자 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a sensor capable of overcoming the problems of the prior art and analyzing whether solvent polarity or ultraviolet ray is irradiated, a method for producing the same, and an analysis method using the same.
본 발명의 일 측면은 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 포함하는 센서로서, 상기 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카는 하기 화학식 1의 구조를 갖고, 하기 화학식에서 R은 화학적 용해도 조절용 치환기인 것을 특징으로 하는 센서에 관한 것이다.One aspect of the present invention is a sensor comprising silica chemically bonded with spiropyran, wherein the silica chemically bonded to the spiropyran has a structure represented by the following formula (1), wherein R is a substituent for controlling chemical solubility .
[화학식 1][Chemical Formula 1]
. .
본 발명의 다른 측면은 (B) 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란과 표면에 히드록시기가 도입된 실리카 입자를 혼합하고 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 스파이로파이란이 화학 결합된 센서의 제조방법으로서, 상기 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란은 하기 화학식 2의 구조를 갖고, 하기 화학식 2에서 R은 화학적 용해도 조절용 치환기인 것을 특징으로 하는 하기 화학식 1의 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing a spiropyran chemically coupled sensor comprising (B) mixing spiropyran having a carboxyl group introduced at one end thereof and silica particles having a hydroxy group introduced into its surface and performing an esterification reaction Wherein the spirofilane having a carboxyl group introduced at one end thereof has a structure represented by the following formula (2), and R in the following formula (2) is a substituent for controlling the chemical solubility of the spirofuran- And a manufacturing method thereof.
[화학식 2](2)
[화학식 1][Chemical Formula 1]
. .
본 발명의 또 다른 측면은 (A') 표면에 히드록시기가 도입된 실리카 입자 표면에 하기 화학식 3a의 화합물과 에스테르화 반응시켜 하기 화학식 3의 물질을 제조하는 단계, 및 (B') 상기 화학식 3의 물질과 하기 화학식 2b의 화합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하기 화학식 1의 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카의 제조방법에 관한 것이다. According to another aspect of the present invention, there is provided a process for preparing a compound represented by the following formula (3) by esterifying a compound represented by the following formula (3a) on the surface of silica particles having a hydroxy group introduced on its surface, A process for preparing silica chemically bonded with spiropyran according to
[화학식 3a][Chemical Formula 3]
[화학식 3](3)
[화학식 2b](2b)
본 발명의 또 다른 측면은 (a) 제1항 또는 제2항에 따른 센서를 용매에 투입하는 단계를 포함하는 용매 극성 측정방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to (a) a solvent polarity measurement method comprising the step of injecting the sensor according to the above (1) or (2) into a solvent.
본 발명의 또 다른 측면은 (a') 제1항 또는 제2항에 따른 센서를 포함하는 시료에 400 내지 600 nm 사이의 파장의 빛의 흡광도를 측정하는 단계, 및 (b) 상기 측정된 흡광도로부터 상기 스파이로파이란의 MC 형태와 SP 형태의 비율을 결정하는 단계를 포함하는 자외선 조사 여부 분석방법에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for measuring the absorbance of a sample, comprising the steps of: (a ') measuring an absorbance of light having a wavelength of 400 to 600 nm on a sample including the sensor according to the first or second aspect; and (b) And determining the ratio of the MC form and the SP form of the spiropyran to the ultraviolet irradiation.
이와 같은 본 발명에 의해 위에서 언급한 종래 기술의 문제점을 극복하고 센서를 별도 정제 없이 고순도로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 이용하여 용매 극성 또는 자외선 조사 여부를 쉽게 분석할 수 있다.According to the present invention, it is possible to overcome the above-mentioned problems of the prior art and to manufacture the sensor with high purity without further purification, and to easily analyze whether the solvent polarity or ultraviolet ray is irradiated.
도 1. SP 분자의 화학구조; SP 분자는 외부의 자극(빛, 열, 힘, 용매 등)에 반응하여 SP 형태에서 MC 형태로 고리 열림반응이 일어나고, 그 결과 색과 형광특성이 변화한다. 가시광선 영역의 빛을 받으면 SP 분자는 SP 형태라고 불리는 고리가 닫힌 상태로 회귀되고 이 반응은 가역적이다.
도 2. 실시예 1을 통한 SP 분자의 합성과 SP-실리카 복합입자 제조의 반응식; (a) 한쪽 끝에 카르복실기(COOH)가 위치한 SP 분자의 합성 (COOH-SP-R), (b) SP 분자와 하이드록실기(OH)로 표면 처리된 실리카 입자의 화학결합을 통한 SP-실리카 복합입자의 제조.
도 3. 제조방법 2를 통한 SP-실리카 복합입자 제조의 모식도; SP 분자가 화학적으로 결합된 SP-실리카 복합입자의 제조
도 4. 합성전의 하이드록실기(OH)로 표면 처리된 실리카 입자(왼쪽)와 SP이 화학적으로 결합된SP-실리카 복합입자 비교
도 5. 용매의 극성도에 따른 SP-실리카 복합입자의 센서 역할
도 6. 400 내지 600 nm 파장에서의 흡광 스펙트럼의 비교; 처리하지 않은 실리카(검은 실선), SP-실리카 복합입자/UV 조사전(붉은 점선), SP-실리카 복합소재/UV 조사 후(붉은 실선)Figure 1. Chemical structure of SP molecules; The SP molecule reacts to external stimuli (light, heat, force, solvent, etc.), and the ring opening reaction occurs in the form of SP in the form of SP, resulting in changes in color and fluorescence properties. When light in the visible light region is received, the SP molecule returns to a closed state, called the SP form, and the reaction is reversible.
2. Synthesis of SP molecules and Example of SP-silica composite particles in Example 1; (COOH-SP-R), (b) SP-silica complex through the chemical bonding of silica particles surface-treated with SP molecules and hydroxyl groups (OH) Preparation of particles.
Figure 3 is a schematic diagram of the preparation of SP-silica composite particles through Production Method 2; Preparation of SP-silica composite particles in which SP molecules are chemically bonded
Figure 4. Comparison of silica particles (left) surface-treated with hydroxyl groups (OH) before synthesis and SP-silica composite particles chemically bonded with SP
Figure 5. Sensor role of SP-silica composite particles according to solvent polarity
6. Comparison of absorption spectra at 400 to 600 nm wavelength; Silica solid (black solid line), SP-silica composite particle / UV group dictionary (red dotted line), SP-silica composite material / UV irradiated (red solid line)
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 측면은 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 포함하는 센서로서, 상기 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카는 하기 화학식 1의 구조를 갖고, 하기 화학식에서 R은 화학적 용해도 조절용 치환기인 것을 특징으로 하는 센서에 관한 것이다.One aspect of the present invention is a sensor comprising silica chemically bonded to spiropyran, wherein the silica chemically bonded to the spiropyran has a structure represented by the following formula (1), wherein R is a substituent for controlling chemical solubility .
[화학식 1][Chemical Formula 1]
. .
본 발명에 있어서, 화학적 용해도 조절용 치환기인 R의 예에는 하이드록실기(OH), 카르복실기(COOH), 아민기(NH2) 중에서 선택된 1종의 치환기를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 화학적 용해도를 고려하여 결정할 수 있다.In the present invention, examples of R, which is a substituent for controlling the chemical solubility, include one kind of substituent selected from the group consisting of a hydroxyl group (OH), a carboxyl group (COOH) and an amine group (NH 2 ) . ≪ / RTI >
화학적 용해도는 SP 분자를 실리카 표면에 화학결합시킬 때 필수적으로 고려해야 할 실험 조건이다. SP 분자가 용매에 완전히 녹아야 실리카 표면의 하이드록실기(OH)와 반응이 진행되기 때문에, 사용하는 용매에 최적의 화학적 용해도를 갖는 R 작용기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 하기 화학식 2에서 R 작용기가 카르복실기(COOH)인 스파이로파이란의 경우 테트라하이드로퓨란(THF) 및 디메틸포름아미드(DMF)는 잘 녹지만, 기타 용매 에탄올, 메탄올, 디클로로메탄 등에 대해서는 화학적 용해도 나쁘기 때문에 SP 분자를 실리카에 붙이기 위해서는 THF와 DMF가 유리하다.Chemical solubility is an essential condition to be considered when chemically bonding SP molecules to the silica surface. Since the SP molecule is completely dissolved in the solvent, the reaction with the hydroxyl group (OH) on the surface of the silica proceeds, so that the R-functional group having the optimal chemical solubility can be determined. For example, tetrahydrofuran (THF) and dimethylformamide (DMF) are well soluble in the case of spiropyran where R functional group is carboxyl group (COOH) in the following formula (2), but other solvents such as ethanol, methanol, dichloromethane, Because of the poor solubility, THF and DMF are advantageous for attaching SP molecules to silica.
[화학식 2](2)
일 구현예에 있어서, 상기 센서는 용매 극성 감지 또는 자외선 감지용 센서이다.In one embodiment, the sensor is a solvent polarity sensing or ultraviolet sensing sensor.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 센서를 포함하는 용매 극성 감지 또는 자외선 감지용 센서에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a sensor for solvent polarity sensing or ultraviolet light sensing comprising a sensor according to various embodiments of the present invention.
본 발명의 다른 측면은 (B) 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란과 표면에 히드록시기가 도입된 실리카 입자를 혼합하고 에스테르화 반응을 수행하는 단계를 포함하는 스파이로파이란이 화학 결합된 센서의 제조방법으로서, 상기 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란은 하기 화학식 2의 구조를 갖고, 하기 화학식 2에서 R은 화학적 용해도 조절용 치환기인 것을 특징으로 하는 하기 화학식 1의 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카의 제조방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing a spiropyran chemically coupled sensor comprising (B) mixing spiropyran having a carboxyl group introduced at one end thereof and silica particles having a hydroxy group introduced into its surface and performing an esterification reaction Wherein the spirofilane having a carboxyl group introduced at one end thereof has a structure represented by the following formula (2), and R in the following formula (2) is a substituent for controlling the chemical solubility of the spirofuran- And a manufacturing method thereof.
[화학식 2](2)
[화학식 1][Chemical Formula 1]
. .
일 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계 전에 (A) 하기 화학식 2a의 화합물과 하기 화학식 2b의 화합물을 반응시켜 상기 화학식 2의 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란을 수득하는 단계를 추가로 포함하고, 하기 화학식 2a에서 X는 플루오린, 염소, 아이오딘 중에 선택된 1종이다.In one embodiment, step (B) is preceded by (A) reacting a compound of formula (2a) and a compound of formula (2b) to obtain spirofilane having carboxyl groups at one end of formula , And X in the formula (2) is one selected from fluorine, chlorine and iodine.
[화학식 2a](2a)
[화학식 2b](2b)
. .
다른 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계는 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(EDC), N,N'-디사이클로핵실카르보디이미드(DCC), 1,1'-카르보닐디이미다졸(DIC) 중에서 선택된 1종 이상의 커플링제가 추가되어 반응이 수행된다.In another embodiment, step (B) comprises reacting 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), N, N'- dicyclohexylcarbodiimide '- carbonyldiimidazole (DIC) is added to perform the reaction.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 실리카 : 상기 커플링제 : 상기 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란을 4.5-5.5 : 1 : 2.5-3.5의 비율로 투입하여 반응을 수행한다. 위 수치 범위를 벗어나는 경우 60 μm 실리카의 표면적을 기준으로 합성효율과 흡광도가 크게 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.In another embodiment, the silica: the coupling agent: the spirofilane having a carboxyl group introduced at one end thereof is introduced at a ratio of 4.5-5.5: 1: 2.5-3.5 to perform the reaction. If the value is out of the above range, synthesis efficiency and absorbance may be significantly lowered based on the surface area of 60 μm silica, which is not preferable.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (A) 단계는 (i) 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란, 디클로로메탄(DCM), 아세톤 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 용매에서 (ii) 100 내지 120 ℃의 온도 및 (iii) 5 내지 8 시간의 반응 시간 동안 수행된다.In another embodiment, step (A) comprises the steps of: (i) contacting a solvent selected from the group consisting of ethanol, methanol, tetrahydrofuran, dichloromethane (DCM), acetone and mixtures of two or more thereof, And (iii) a reaction time of 5 to 8 hours.
또한, 상기 (B) 단계는 (i) 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란, 디클로로메탄(DCM), 아세톤 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 용매에서 (ii) 0 내지 40 ℃의 온도 및 (iii) 16 내지 18 시간의 반응 시간 동안 수행된다.(Ii) at a temperature of 0 to 40 DEG C and (iii) at a temperature of 16 [deg.] C, To 18 hours of reaction time.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계는 0 내지 5 ℃의 반응 온도와 4 내지 4.5의 pH 조건에서 수행된다. 상기 온도 범위를 벗어나거나 상기 pH 범위를 벗어나는 경우 실리카와 상기 화학식 2의 SP 분자 사이의 물리적인 흡착이 크게 증가하고 화학적 결합은 크게 저하될 수 있어 바람직하지 않다.In another embodiment, step (B) is carried out at a reaction temperature of from 0 to 5 < 0 > C and a pH of from 4 to 4.5. When the temperature is out of the above-mentioned range or out of the above-mentioned pH range, the physical adsorption between silica and the SP molecule of the above-mentioned formula (2) may be greatly increased, and the chemical bond may be significantly lowered.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계는 하기 순서대로 반응이 진행되어 수행된다. 상기와 같은 세부 반응공정과 상기 반응조건을 따름으로써 반응의 효율과 부반응 억제에 탁월한 효과가 발현될 수 있음을 확인하였다.In another embodiment, the step (B) is carried out in the following order. It was confirmed that excellent effects can be exhibited in the reaction efficiency and the suppression of the side reaction by following the detailed reaction process and the reaction conditions as described above.
(B1) 상기 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란을 용매에 투입하는 단계,(B1) introducing spirofion having a carboxyl group introduced into the solvent into the solvent,
(B2) 상기 용액의 온도를 65 내지 75 ℃로 승온하는 단계,(B2) raising the temperature of the solution to 65 to 75 DEG C,
(B3) 상기 용액의 온도를 0 내지 5 ℃로 낮추고 상기 커플링제를 투입하는 단계,(B3) lowering the temperature of the solution to 0 to 5 DEG C and introducing the coupling agent,
(B4) 상기 용액의 pH를 4 내지 4.5로 조절하는 단계,(B4) adjusting the pH of the solution to 4 to 4.5,
(B5) 상기 용액에 상기 실리카를 투입하는 단계.(B5) introducing the silica into the solution.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계 전에 (A2) 하기 전처리 과정을 수행하는 단계를 추가로 포함한다. 이러한 전처리 과정을 통해 상기 실리카 표면에 존재하는 OH 작용기의 활성화를 극대화함으로써 반응성이 크게 향상될 수 있다.In still another embodiment, the method further includes the step of performing the following pre-processing step (A2) before the step (B). Through such pretreatment, the reactivity can be greatly improved by maximizing the activation of OH functional groups present on the silica surface.
(A2-1) 550 내지 650 ℃에서 4 내지 6 시간 이상 가열하여 불순물을 제거하는 단계,(A2-1) heating at 550 to 650 DEG C for 4 to 6 hours to remove impurities,
(A2-2) 황산과 과산화수소 2.5-3.5 : 1 부피비로 혼합한 용액으로 추가 불순물을 제거하는 단계.(A2-2) Step of removing additional impurities from the solution mixed with sulfuric acid and hydrogen peroxide 2.5-3.5: 1 by volume.
본 발명을 통해 고효율/고흡광 특성을 보여주는 최적화된 SP-실리카 센서 소재의 합성조건은 이하 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다.The synthesis conditions of an optimized SP-silica sensor material exhibiting high efficiency / high absorption characteristics through the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
본 발명의 또 다른 측면은 (A') 표면에 히드록시기가 도입된 실리카 입자 표면에 하기 화학식 3a의 화합물과 에스테르화 반응시켜 하기 화학식 3의 물질을 제조하는 단계, 및 (B') 상기 화학식 3의 물질과 하기 화학식 2b의 화합물을 반응시켜 하기 화학식 1의 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하기 화학식 1의 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카의 제조방법에 관한 것이다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for preparing a compound represented by the following formula (3) by esterifying a compound represented by the following formula (3a) on the surface of silica particles having a hydroxy group introduced on its surface, A process for preparing silica chemically bonded with spiropyran according to
[화학식 3a][Chemical Formula 3]
[화학식 3](3)
[화학식 2b](2b)
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식에서 X는 플루오린, 염소, 아이오딘 중에 선택된 1종이고, R은 화학적 용해도 조절용 치환기이다.In the above formula, X is one kind selected from fluorine, chlorine and iodine, and R is a substituent for controlling the chemical solubility.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (A') 단계는 (i) 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(EDC), N,N'-디사이클로핵실카르보디이미드(DCC), 1,1'-카르보닐디이미다졸(DIC) 중에서 선택된 1종 이상의 촉매 하에서 (ii) 극성 용매를 사용하여 수행된다. 극성 용매의 예에는 알코올과 물이 포함되나, 이에 한정되지 않는다. 반응은 0 내지 40 ℃의 온도 16 내지 18 시간의 반응시간 동안 수행된다. 본 발명을 통해 고효율/고흡광 특성을 보여주는 최적화된 SP-실리카 센서 소재의 합성조건은 이하 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다.In yet another embodiment, step (A ') comprises: (i) reacting a compound of formula (I) with a compound selected from the group consisting of 1-ethyl-3- (3- dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), N, N'- dicyclohexylcarbodiimide ), 1,1'-carbonyldiimidazole (DIC), and (ii) a polar solvent. Examples of polar solvents include, but are not limited to, alcohols and water. The reaction is carried out for a reaction time of from 16 to 18 hours at a temperature of from 0 to 40 占 폚. The synthesis conditions of an optimized SP-silica sensor material exhibiting high efficiency / high absorption characteristics through the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (B') 단계는 상기 화학식 2b의 화합물을 용해할 수 있는 용매에서 100 내지 120 ℃의 온도 5 내지 8 시간의 반응시간 동안 수행된다.In another embodiment, step (B ') is performed in a solvent capable of dissolving the compound of formula (2b) at a temperature of 100 to 120 ° C for a reaction time of 5 to 8 hours.
이와 같은 본 발명에 따른 2가지 제조방법 중에서 스파이로파이란 분자를 독립적으로 합성하는 첫 번째 제조방법은 다소 복잡한 과정(컬럼 크로마토그래피, 추출, 재결정 등)을 통해 합성된 스파이로파이란 분자를 불순물로부터 정제하는 과정이 필수적이다. 이는 시간 소모적이고 실제 공정으로 도입할 경우 가격을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다. 반면, 담지체를 이용하여 스파이로파이란 분자의 합성을 돕는 두 번째 제조방법은 별도의 복잡한 정제과정 없이 쉽게 회수가 가능하여 경제적인 스파이로파이란 분자를 담지화할 수 있는 장점이 있다.Among the two manufacturing methods according to the present invention, the first method for independently synthesizing spiropyran molecules is to purify the spiropyran molecules synthesized through a more complicated process (such as column chromatography, extraction, recrystallization, etc.) Is essential. This is time consuming and can lead to price increases when introduced into actual processes. On the other hand, the second manufacturing method for supporting the synthesis of spiropyran molecules by using a carrier is advantageous in that it can be easily recovered without a complicated purification process, thereby supporting the piran molecules with an economical spy.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 실리카 : 상기 커플링제 : 상기 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란을 4.5-5.5 : 1 : 2.5-3.5의 비율로 투입하여 반응을 수행한다. 위 수치 범위를 벗어나는 경우 60 μm 실리카의 표면적을 기준으로 합성효율과 흡광도가 크게 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.In another embodiment, the silica: the coupling agent: the spirofilane having a carboxyl group introduced at one end thereof is introduced at a ratio of 4.5-5.5: 1: 2.5-3.5 to perform the reaction. If the value is out of the above range, synthesis efficiency and absorbance may be significantly lowered based on the surface area of 60 μm silica, which is not preferable.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (B') 단계는 0 내지 5 ℃의 반응 온도와 4 내지 4.5의 pH 조건에서 수행된다. 상기 온도 범위를 벗어나거나 상기 pH 범위를 벗어나는 경우 실리카와 상기 화학식 2b의 화합물 사이의 물리적인 흡착이 크게 증가하고 화학적 결합은 크게 저하될 수 있어 바람직하지 않다.In another embodiment, step (B ') is carried out at a reaction temperature of 0 to 5 ° C and a pH of 4 to 4.5. If the temperature is out of the above-mentioned range or out of the above range, the physical adsorption between the silica and the compound of the formula (2b) may be greatly increased, and the chemical bonding may be significantly lowered.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (A') 단계 전에 (a) 하기 전처리 과정을 수행하는 단계를 추가로 포함한다. 이러한 전처리 과정을 통해 상기 실리카 표면에 존재하는 OH 작용기의 활성화를 극대화함으로써 반응성이 크게 향상될 수 있다.In yet another embodiment, (a) before step (A ') further comprises performing the following pre-treatment process. Through such pretreatment, the reactivity can be greatly improved by maximizing the activation of OH functional groups present on the silica surface.
(a1) 550 내지 650 ℃에서 4 내지 6 시간 이상 가열하여 불순물을 제거하는 단계,(a1) heating at 550 to 650 DEG C for 4 to 6 hours to remove impurities,
(a2) 황산과 과산화수소 2.5-3.5 : 1 부피비로 혼합한 용액으로 추가 불순물을 제거하는 단계.(a2) removing additional impurities from the mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide in a volume ratio of 2.5-3.5: 1.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 (B') 단계는 하기 순서대로 반응이 진행되어 수행된다. 상기와 같은 세부 반응공정과 상기 반응조건을 따름으로써 반응의 효율과 부반응 억제에 탁월한 효과가 발현될 수 있음을 확인하였다.In another embodiment, the step (B ') is carried out by performing the reaction in the following order. It was confirmed that excellent effects can be exhibited in the reaction efficiency and the suppression of the side reaction by following the detailed reaction process and the reaction conditions as described above.
(B1') 상기 화학식 2b의 화합물을 용매에 투입하는 단계,(B1 ') introducing the compound of formula (2b) into a solvent,
(B2') 상기 용액의 온도를 65 내지 75 ℃로 승온하는 단계,(B2 ') raising the temperature of the solution to 65 to 75 DEG C,
(B3') 상기 용액의 온도를 0 내지 5 ℃로 낮추고 상기 커플링제를 투입하는 단계,(B3 ') lowering the temperature of the solution to 0 to 5 DEG C and introducing the coupling agent,
(B4') 상기 용액의 pH를 4 내지 4.5로 조절하는 단계,(B4 ') adjusting the pH of the solution to 4 to 4.5,
(B5') 상기 용액에 상기 실리카를 투입하는 단계.
(B5 ') introducing the silica into the solution.
본 발명의 또 다른 측면은 (a) 제1항 또는 제2항에 따른 센서를 용매에 투입하는 단계를 포함하는 용매 극성 측정방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to (a) a solvent polarity measurement method comprising the step of injecting the sensor according to the above (1) or (2) into a solvent.
용매의 극성이 높을수록 용액의 붉은색이 짙어지며, 이를 통해서 별도의 분광학적 분석 없이 육안으로도 용매의 극성을 정성적으로 파악할 수 있다.The higher the polarity of the solvent, the darker the red color of the solution, and the polarity of the solvent can be grasped visually even without a separate spectroscopic analysis.
본 발명의 또 다른 측면은 (a') 제1항 또는 제2항에 따른 센서를 포함하는 시료에 400 내지 600 nm 사이의 파장의 빛을 조사하여 색깔을 육안으로 관찰하는 단계를 포함하는 자외선 조사 여부 분석방법에 관한 것이다.(A ') irradiating a sample containing the sensor according to the first or second aspect with light having a wavelength of 400 to 600 nm and observing the color with naked eyes, The present invention relates to a method of analyzing whether
만일 본 발명의 여러 구현예에 따른 센서가 포함된 시료가 자외선에 조사되지 않은 경우라면 그 시료는 빛을 거의 흡수하지 않아 옅은 노란색 또는 살색을 띠게 된다. 반면, 시료가 자외선에 조사된 경우에는 빛 흡수로 인해 갈색 또는 붉은 갈색을 띠게 되어, 육안으로도 쉽게 확인할 수 있다.If the sample including the sensor according to various embodiments of the present invention is not irradiated with ultraviolet rays, the sample hardly absorbs light and becomes pale yellow or fleshy. On the other hand, when the sample is irradiated with ultraviolet rays, it becomes brown or reddish brown due to light absorption, so that it can be visually confirmed.
다만 자외선 조사 후 가시광선에 충분히 조사된 시료라면 다시 옅은 노란색 또는 살색을 띠게 된다.However, if the sample is sufficiently irradiated with visible light after ultraviolet irradiation, it will again become pale yellow or fleshy.
본 발명의 또 다른 측면은 (a') 제1항 또는 제2항에 따른 센서를 포함하는 시료에 400 내지 600 nm 사이의 파장의 빛의 흡광도를 측정하는 단계, 및 (b) 상기 측정된 흡광도로부터 상기 스파이로파이란의 MC 형태와 SP 형태의 비율을 결정하는 단계를 포함하는 자외선 조사 여부 분석방법에 관한 것이다. 이러한 비율을 통해서 자외선 조사량에 대한 정량적인 분석도 가능할 수 있다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of measuring the absorbance of a sample, comprising the steps of: (a ') measuring an absorbance of light having a wavelength of 400 to 600 nm on a sample including the sensor according to the first or second aspect; and (b) And determining the ratio of the MC form and the SP form of the spiropyran to the ultraviolet irradiation. Quantitative analysis of ultraviolet radiation dose may be possible through this ratio.
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 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.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. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.
실시예Example
스파이로파이란 분자를 담지체에 결합시키기 위해서 스파이로파이란 분자의 한쪽 끝에는 담지체와 화학적으로 결합이 가능한 작용기를 포함하고 있어야 한다. 지체로 실리카 분말을 사용하여 스파이로파이란 분자와 결합하여 복합입자 센서를 아래 2가지 방법에 의해 제조하였다.In order to bind the spiropyran molecule to the carrier, one end of the spiropyran molecule must contain a functional group capable of chemically bonding with the carrier. The composite particle sensor was fabricated by the following two methods by combining with spiropyran molecules using silica powder as a lag.
실시예 1: 스파이로파이란 분자의 합성 후 실리카 분말과 결합하여 복합입자 센서 제조Example 1: Synthesis of Spiropyran Molecule Combined with silica powder to prepare composite particle sensor
스파이로파이란 분자를 독립적으로 합성한 후, 이를 실리카 분말에 결합하여 복합입자 센서를 제조하였다. 표면이 OH기인 실리카 분말과 화학적 결합을 위해, 한쪽 끝에 카르복실기(COOH)가 위치하고 다른 한쪽에는 다른 작용기(R)가 위치한 스파이로파이란 분자를 먼저 합성한 후 이를 실리카 분말에 결합시키는 방법을 각각 도 2a와 도 2b에 나타내었다.The spiropyran molecules were independently synthesized and then bonded to silica powder to produce a composite particle sensor. For chemical bonding with silica powder whose surface is an OH group, a method of first synthesizing a pyran molecule with a spy where a carboxyl group (COOH) is located at one end and another functional group (R) is located at the other end, And Fig. 2B.
구체적으로, 스파이로파이란 분자를 독립적인 합성한 후 실리카 분말에 결합시키는 제조방법의 반응식인 도 2에 제시된 바와 같이, 스파이로파이란 분자에 실리카 분말과의 결합을 위해 한쪽 끝에 카르복실기(COOH)가 도입되어 있어야 한다.Specifically, as shown in FIG. 2, which is a reaction formula of the production method of synthesizing spiropyran molecules independently and bonding them to silica powder, a carboxyl group (COOH) is introduced at one end for bonding with the silica powder to the spiropyran molecule .
단계 1에서는 5-카르복실-1,2,3,3-테트라메틸-3H-인돌륨 요오다이드인 ① Part (A) 구조와 2-히드록시-5-니트로-벤즈알데히드인 ② Part (B) 구조를를 반응 몰수에 맞게 섞고, 두 시약을 녹일 수 있는 적절한 용매(ethanol, methanol, THF, DCM, acetone 등)에서 반응시킬 수 있으며, 본 실시예에서는 에탄올을 용매로 사용하였다. 100 내지 120 ℃에서 5 내지 8 시간 동안 반응시킬 수 있으며, 본 실시에서는 100 ℃에서 5 시간 동안 반응을 수행하였다.In
이때 반응을 촉진시키기 위해 소량의 촉매(piperidine 같은 질소계 화합물)를 소량 첨가할 수도 있으며, 본 실시예에서는 Triethylamine를 촉매로 사용하였다. 이와 같은 반응이 완료되어 일련의 정제과정(추출과 역상 컬럼)을 거쳐 COOH-SP-R 구조의 ③ 분자가 수득하였다. 이때 R 작용기는 용매와 잘 섞일 수 있는 화학적 용해도를 생각하여 자유롭게 결정하면 된다.In this case, a small amount of a catalyst (nitrogen-based compound such as piperidine) may be added in a small amount in order to accelerate the reaction. In this embodiment, triethylamine is used as a catalyst. After completion of the reaction, a ③ molecule of the COOH-SP-R structure was obtained through a series of purification steps (extraction and reversed phase column). The R-functional group can be freely determined by considering the chemical solubility which can be well mixed with the solvent.
단계 2에서는 하이드록실기(OH)로 표면 처리된 실리카 분말, ④에 COOH-SP-R, ③을 결합하여 최종적으로 스파이로파이란이 화학적으로 결합된 실리카 복합입자를 제조하는 단계를 보여준다. 이때 반응을 원활히 하기 위해 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드(EDC) 등의 커플링제를 첨가하였다. 용매는 스파이로파이란을 녹일 수 있는 어떤 용매(ethanol, methanol, THF, DCM, acetone 등)도 가능하다. (반응온도: 0 ℃, 반응시간: 16 시간).In step 2, a silica powder surface-treated with a hydroxyl group (OH), and COOH-SP-R, ③ are bonded to ④ to finally produce silica composite particles chemically bonded with spiropyran. At this time, a coupling agent such as 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) was added to facilitate the reaction. The solvent can be any solvent (ethanol, methanol, THF, DCM, acetone, etc.) that can dissolve the spiropyran. (Reaction temperature: 0 占 폚, reaction time: 16 hours).
실리카 분말에 SP를 합성시키는 경우, 실리카 표면에 존재하는 OH 작용기의 극대화를 위해 다음의 전처리 과정을 거친다. 1) 600 ℃에서 가열하여 불순물을 제거, 2) 황산과 과산화수소 3:1 부피비로 혼합한 용액으로 추가 불순물을 제거한 후, 표면에 오염되지 않은 순도 높은 OH기를 생성시켜 반응성을 향상시킬 수 있다.When SP is synthesized on the silica powder, the following pretreatment process is performed to maximize the OH functional groups present on the silica surface. 1) It is heated at 600 ℃ to remove impurities, 2) Mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide in volume ratio of 3: 1 can remove the additional impurities and improve the reactivity by generating OH groups with high pollution on the surface.
60 μm 실리카의 표면적을 기준으로, 실리카 : EDC coupling agent : SP는 5:1:3의 질량비로 반응시킬 때 높은 합성효율과 최상의 흡광도를 나타낸다.Based on the surface area of 60 μm silica, the silica: EDC coupling agent: SP exhibits high synthesis efficiency and the highest absorbance when reacted at a mass ratio of 5: 1: 3.
실리카와 SP 사이의 물리적인 흡착을 최소화면서 화학적인 결합을 만들어주기 위해 0 ℃ 이하의 합성온도가 바람직하다. 이때 낮은 온도로 인한 느린 반응성은 용매의 pH를 4 내지 4.5로 맞추어 주면 어느 정도 보정된다. 따라서 흡착을 최소화하고 화학적인 결합을 극대화하는 실험조건은 0 ℃의 반응온도와 4 내지 4.5 사이의 pH이다.A synthesis temperature below 0 ° C is desirable to minimize chemical adsorption between silica and SP while at the same time producing chemical bonds. The slow reactivity due to the low temperature is corrected to some extent by adjusting the pH of the solvent to 4 to 4.5. Thus, the experimental conditions for minimizing adsorption and maximizing chemical bonding are a reaction temperature of 0 ° C and a pH between 4 and 4.5.
실리카, EDC coupling agent, SP의 반응순서 역시 SP-실리카의 합성효율에 큰 영향을 준다. 용매에 EDC와 SP을 넣어 반응시킨 후 이를 실리카에 결합시키는 순서로 실험을 진행하면, SP이 용매에 녹는 속도가 굉장히 낮기 때문에 (SP의 용해 kinetics가 상당히 느림) 불완전한 반응이 진행된다. 따라서, 다음의 과정을 거치는 것이 바람직하다; 1) 용매에 SP을 넣는다, 2) 용매의 온도를 70 ℃로 올려서 SP의 용해속도를 증대시킨다, 3) 온도를 반응온도인 0 ℃로 낮춘 후, EDC를 넣어준다, 4) 아세트산을 이용하여 pH를 4 내지 4.5로 맞춘다, 5) 실리카 분말을 첨가한다.The reaction sequence of silica, EDC coupling agent, and SP also greatly affects the synthesis efficiency of SP-silica. When EDC and SP are added to the solvent and the reaction is carried out in the order of bonding to silica, the dissolution rate of the SP in the solvent is extremely low (the dissolution kinetics of the SP is considerably low) and incomplete reaction proceeds. Therefore, it is desirable to go through the following process; 1) add SP to the solvent, 2) raise the solvent temperature to 70 ° C to increase the dissolution rate of the SP, 3) lower the temperature to 0 ° C as the reaction temperature, then add EDC, and 4) adjust the pH to 4 to 4.5, 5) add silica powder.
실시예 2: 담지체를 이용하여 SP-실리카 복합입자 센서의 제조Example 2: Preparation of SP-silica composite particle sensor using carrier
도 3에서 볼 수 있듯이 담지체에 Part(A)와 Part(B)를 차례로 화학적으로 결합시킴으로써, SP-실리카 복합입자 센서, ⑥를 제조할 수 있다. 즉, 실리카 분말에 Part(A), ①을 먼저 esterification 반응을 통해 화학적으로 결합시켜서 Part(A)-실리카 화학물을 합성한 후, Part(B)를 연쇄적으로 반응시켜 최종적으로 SP-실리카 복합입자를 제조하는 것이다.As can be seen from FIG. 3, SP-silica composite particle sensor, ⑥, can be manufactured by chemically bonding Part (A) and Part (B) sequentially to the support. Part (A) -silica chemistry was synthesized by first chemically bonding Part (A), ① to the silica powder through esterification reaction and then reacting Part (B) in a chain reaction. Finally, SP-silica composite To produce particles.
도 3에서의 단계 1에서는 본 실시예에서와 마찬가지로 실리카 입자, ④와 Part(A), ①를 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)카르보디이미드 (EDC) 촉매 하에 반응시킬 수 있다. 이때 용매는 Part(A)가 잘 녹는 어떤 용매도 사용 가능하며(알콜류, 극성용매, 물 등), 본 실시예에서는 에탄올을 용매로 사용하였다. 반응은 0 내지 40 ℃ 16 내지 18시간의 반응시간이 가능하나, 본 실시에서는 0 ℃에서 16시간 동안 반응을 수행하였다. In
실리카 분말에 Part(A)를 합성시키는 경우, 실리카 표면에 존재하는 OH 작용기의 극대화를 위해 다음의 전처리 과정을 거친다. 1) 600 ℃에서 가열하여 불순물을 제거, 2) 황산과 과산화수소 3:1 부피비로 혼합한 용액으로 추가 불순물을 제거한 후, 표면에 오염되지 않은 순도 높은 OH기를 생성시켜 반응성을 향상시킬 수 있다.When Part (A) is synthesized on silica powder, the following pretreatment process is carried out to maximize OH functional groups present on the silica surface. 1) It is heated at 600 ℃ to remove impurities, 2) Mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide in volume ratio of 3: 1 can remove the additional impurities and improve the reactivity by generating OH groups with high pollution on the surface.
60 μm 실리카의 표면적을 기준으로, 실리카 : EDC coupling agent : Part(A)는 5:1:3의 질량비로 반응시킬 때 높은 합성효율과 최상의 흡광도를 나타낸다.Based on the surface area of 60 μm silica, the silica: EDC coupling agent: Part (A) exhibits high synthesis efficiency and the highest absorbance when reacted at a mass ratio of 5: 1: 3.
실리카와 Part(A) 사이의 물리적인 흡착을 최소화면서 화학적인 결합을 만들어주기 위해 0 ℃ 이하의 합성온도가 바람직하다. 이때 낮은 온도로 인한 느린 반응성은 용매의 pH를 4 내지 4.5로 맞추어 주면 어느 정도 보정된다. 따라서 흡착을 최소화하고 화학적인 결합을 극대화하는 실험조건은 0 ℃의 반응온도와 4 내지 4.5사이의 pH이다.A synthesis temperature below 0 ° C is desirable to minimize chemical adsorption between the silica and Part (A) while creating chemical bonds. The slow reactivity due to the low temperature is corrected to some extent by adjusting the pH of the solvent to 4 to 4.5. Thus, the experimental conditions for minimizing adsorption and maximizing chemical bonding are a reaction temperature of 0 ° C and a pH between 4 and 4.5.
실리카, EDC coupling agent, Part(A)의 반응순서 역시 Part(A)-실리카의 합성효율에 큰 영향을 준다. 용매에 EDC와 Part(A)를 넣어 반응시킨 후 이를 실리카에 결합시키는 순서로 실험을 진행하면, Part(A)가 용매에 녹는 속도가 굉장히 낮기 때문에 (Part(A)의 용해 kinetics가 상당히 느림) 불완전한 반응이 진행된다. 따라서, 다음의 과정을 거치는 것이 바람직하다; 1) 용매에 Part(A)을 넣는다, 2) 용매의 온도를 70 ℃로 올려서 Part(A)의 용해속도를 증대시킨다, 3) 온도를 반응온도인 0 ℃로 낮춘 후, EDC를 넣어준다, 4) 아세트산을 이용하여 pH를 4 내지 4.5로 맞춘다, 5) 실리카 분말을 첨가한다.The reaction sequence of silica, EDC coupling agent, Part (A) also has a great effect on the synthesis efficiency of Part (A) - silica. When EDC and Part (A) were added to the solvent and reacted, the reaction was carried out in the order of bonding to the silica. Part (A) had a very low dissolution rate in the solvent (dissolution kinetics of Part (A) An incomplete reaction proceeds. Therefore, it is desirable to go through the following process; 1) Add Part (A) to the solvent, 2) increase the dissolution rate of Part (A) by raising the solvent temperature to 70 ° C, 3) lower the temperature to 0 ° C as the reaction temperature, 4) Adjust pH to 4 to 4.5 with acetic acid, 5) Add silica powder.
또한 Part(A)-실리카 합성직후 알코올류(에탄올, 메탄올…)로 세정해주는 단계를 추가하면 최종물질인 SP-실리카의 센서효과를 극대화 할 수 있다. Part(A)-실리카의 경우 Part(A)의 할로겐이온(X-)의 활성이 시간에 따라 급속히 감소하기 때문으로 생각되고 따라서 알코올 류의 용매를 통해 이를 안정화하는 과정이 상당히 도움이 되고, 이것은 Part(B)와의 반응성을 향상시켜주는 결과로 이어진다.
In addition, the addition of a step of washing with Part (A) -silica immediately after synthesis with alcohols (ethanol, methanol ...) can maximize the sensor effect of the final SP-silica. In the case of Part (A) -silica, it is considered that the activity of the halogen ion (X-) of Part (A) rapidly decreases with time, and thus the process of stabilizing it through the solvent of alcohol is considerably helpful. Resulting in improved reactivity with Part (B).
단계 2에서는 단계 1에서 얻어진 화합물 ⑤를 아무런 정제과정 없이 Part(B)가 녹을 수 있는 용매에서 반응시켜서 최종적으로 SP-실리카 복합입자를 얻을 수 있으며(반응온도: 100 내지 120 ℃, 반응시간: 5 내지 8 시간), 본 실시에서는 100 ℃에서 5 시간 동안 반응을 수행하였다.In Step 2, the compound (5) obtained in
시험예Test Example
실시예 2를 통해 제조된 SP-실리카 복합입자의 사진을 도 4에 나타내었다. 시중에서 쉽게 구매할 수 있는 하이드록실기(OH)로 표면 처리된 실리카 입자의 경우 고운 하얀색의 가루형태를 띠는데 반해, 스파이로파이란 분자를 화학적으로 결합하면 오른쪽과 같이 살색(옅은 노랑색)을 띠게 됨을 확인할 수 있다. 실험결과 실리카 대비 스파이로파이란의 합성농도가 진해짐에 따라, SP-실리카 복합입자의 색은 옅은 노랑색에서 노랑색으로 바뀌어 감을 확인할 수 있었다.A photograph of the SP-silica composite particle prepared in Example 2 is shown in FIG. The silica particles surface-treated with a hydroxyl group (OH) that can be easily purchased in the market have a fine white powder form, whereas when chemically bonded with the spiropyran molecule, they become fleshy (pale yellow) Can be confirmed. As a result, it was confirmed that the color of the SP-silica composite particles changed from pale yellow to yellow as the synthesis concentration of spiropyran increased compared to silica.
스파이로파이란에 카르복실기(COOH)가 포함되지 않으면 실리카 입자 표면의 하이드록실기(OH)와 화학적 결합반응이 없이 단순히 흡착(adsorption)된다. 이 경우 SP-실리카 복합입자가 합성된 것처럼 보이더라도 용매를 넣고 저어주면, 스파이로파이란 분자가 용매로 떨어져나감을 확인할 수 있다. 즉, 스파이로파이란와 실리카 입자의 화학적 반응은 복합입자의 안정성에 필수적이다.If the spiropyranecarboxylic group (COOH) is not contained, it simply adsorbs the hydroxyl group (OH) on the surface of the silica particle without any chemical bonding reaction. In this case, even if the SP-silica composite particle appears to be synthesized, it can be confirmed that when the solvent is added and stirred, the spiropyran molecules fall off into the solvent. That is, the chemical reaction of the spiropyran and silica particles is essential for the stability of the composite particles.
SP-실리카 복합입자의 센서감도를 확인해 보기 위해서 SP-실리카를 3가지 다른 용매(hexane, tetrahydrofuran(THF), water)에 넣고 5분 후에 다시 회수하였다(도 5). 사진에서 볼 수 있듯이 hexane, THF, water 순으로 점점 붉어지는데 이는 용매의 극성도 점점 강해지는 것과 일치한다(용매의 극성: hexane < THF < water).To confirm the sensor sensitivity of the SP-silica composite particles, SP-silica was added to three different solvents (hexane, tetrahydrofuran (THF), water) and recovered again after 5 minutes (FIG. As can be seen in the picture, hexane, THF, and water are gradually reddish in order, which is consistent with increasing solvent polarity (solvent polarity: hexane <THF <water).
도 5에서 보여진 사진 아래의 그래프는 극성 정도에 따라 붉은색이 점점 강해지는 것을 RGB 분석을 통한 수치로 나타낸 것이다. 이렇듯 용매의 극성이 증가함에 따라 SP-실리카 입자의 색이 붉어짐을 정량적으로 분석할 수 있고, 이를 통해 SP-실리카 복합입자는 용매의 극성 정도에 대한 센서물질로 사용이 가능하다.The graph below the photograph shown in FIG. 5 shows that the red color becomes stronger depending on the degree of polarity, and the RGB analysis shows the value. As the polarity of the solvent increases, the color of SP-silica particles can be quantitatively analyzed. As a result, the SP-silica composite particles can be used as a sensor material for the degree of polarity of the solvent.
SP-실리카 복합입자는 용매의 극성뿐만 아니라 빛(자외선/가시광선)에도 민감한 센서 특성을 보여준다. 아무런 처리하지 않은 실리카와 SP-실리카 복합입자를 UV에 5분 조사한 후, 400 내지 600 nm 파장 범위에서의 흡광 스펙트럼을 측정해 보았다. (스파이로파이란은 고리 열림반응을 통해 활성화 되었을 때 강한 형광특성을 나타내고 이것은 흡광 스펙트럼을 통해 분석 가능하다.) 도 6에서 보여지듯이, 자외선 처리를 하지 않은 실리카 입자의 경우 400 내지 600nm사이의 빛을 거의 흡수하지 않지만(옅은 노란색 또는 살색), SP-실리카 복합입자의 경우 UV 조사 후 확연한 빛의 흡수를 보여주고 있다(붉은색 또는 붉은 갈색).The SP-silica composite particles exhibit sensor characteristics that are sensitive to the polarity of the solvent as well as light (ultraviolet / visible). The untreated silica and SP-silica composite particles were irradiated with UV for 5 minutes and then the absorption spectra were measured in the wavelength range of 400 to 600 nm. (Spiropyran exhibits strong fluorescence properties when activated through the ring opening reaction, which can be analyzed via the absorption spectrum.) As shown in Figure 6, silica particles without UV treatment emit light between 400 and 600 nm Although not nearly absorbed (light yellow or flesh colored), the SP-silica composite particles show a distinct absorption of light after UV irradiation (red or reddish brown).
SP-실리카 복합입자의 UV 조사 전후의 흡광 스펙트럼도 큰 차이를 보여주고 있다. UV 조사 전에는 실리카에 결합되어 있는 스파이로파이란 분자의 대부분이 SP 형태(고리가 닫힌 형태)이고 소량만이 MC 형태(고리가 열린 형태)으로 존재하지만, UV를 5분간 조사해주면 더 많은 SP 형태가 MC 형태로 바뀌기 때문에 흡광 스펙트럼의 세기가 늘어나는 현상을 잘 보여주고 있다. 이를 통해, SP 형태와 MC 형태 사이의 존재 비율에 대한 정량적인 계산도 가능하다.The absorption spectra of the SP-silica composite particles before and after UV irradiation show a large difference. Prior to UV irradiation, most of the spiropyran molecules bound to silica are in the SP form (ring closed form) and only a small amount exist in the MC form (ring open form). However, if UV is irradiated for 5 minutes, more SP form MC type, the intensity of the absorption spectrum is increasing. It is also possible to quantitatively calculate the ratio between the SP and MC shapes.
Claims (19)
상기 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란은 하기 화학식 2의 구조를 갖고, 하기 화학식 2에서 R은 화학적 용해도 조절용 치환기인 것을 특징으로 하는 하기 화학식 1의 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 포함하는 센서의 제조방법:
[화학식 2]
[화학식 1]
.(B) a process for producing a sensor comprising spiropyran chemically bonded silica comprising mixing spiropyran having a carboxyl group introduced at one end thereof and silica particles having a hydroxy group introduced on its surface and performing an esterification reaction ,
Wherein the spirofilane having a carboxyl group at one end thereof has a structure represented by the following formula (2), and R in the following formula (2) is a substituent for controlling chemical solubility. : ≪
(2)
[Chemical Formula 1]
.
하기 화학식 2a에서 X는 플루오린, 염소, 아이오딘 중에 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 포함하는 센서의 제조방법:
[화학식 2a]
[화학식 2b]
.4. The method of claim 3, further comprising the step of (A1) reacting a compound of the formula (2a) and a compound of the formula (2b) to obtain a spiropyran having a carboxyl group at one end thereof and,
A process for producing a sensor comprising silica chemically bonded with spiropyran, wherein X in the following formula (2) is one selected from the group consisting of fluorine, chlorine and iodine.
(2a)
(2b)
.
상기 (B) 단계는 (i) 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란, 디클로로메탄(DCM), 아세톤 및 이들 2종 이상의 혼합물 중에서 선택된 용매에서 (ii) 0 내지 40 ℃의 온도 및 (iii) 16 내지 18 시간의 반응 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 스파이로파이란이 화학 결합된 실리카를 포함하는 센서의 제조방법.7. The method according to claim 6, wherein said step (A1) comprises: (i) a solvent selected from the group consisting of ethanol, methanol, tetrahydrofuran, dichloromethane (DCM), acetone, (iii) a reaction time of 5 to 8 hours,
(Ii) at a temperature of 0 to 40 DEG C and (iii) at a temperature of from 16 to 18 DEG C, and (iii) at a temperature of from 0 to 40 DEG C in a solvent selected from the group consisting of ethanol, methanol, tetrahydrofuran, dichloromethane Wherein the spiropyran is carried out during the reaction time of the reaction.
(B1) 상기 일단에 카르복실기가 도입된 스파이로파이란을 용매에 투입하여 용액을 수득하는 단계,
(B2) 상기 용액의 온도를 65 내지 75 ℃로 승온하는 단계,
(B3) 상기 용액의 온도를 0 내지 5 ℃로 낮추고 상기 커플링제를 투입하는 단계,
(B4) 상기 용액의 pH를 4 내지 4.5로 조절하는 단계,
(B5) 상기 용액에 상기 실리카를 투입하는 단계.[8] The method according to claim 7, wherein the step (B) is performed by performing the reaction in the following order:
(B1) adding a spirofuran having a carboxyl group at one end thereof to a solvent to obtain a solution,
(B2) raising the temperature of the solution to 65 to 75 DEG C,
(B3) lowering the temperature of the solution to 0 to 5 DEG C and introducing the coupling agent,
(B4) adjusting the pH of the solution to 4 to 4.5,
(B5) introducing the silica into the solution.
(A2-1) 550 내지 650 ℃에서 4 내지 6 시간 이상 가열하여 불순물을 제거하는 단계,
(A2-2) 황산과 과산화수소 2.5-3.5 : 1 부피비로 혼합한 용액으로 추가 불순물을 제거하는 단계.10. The method of claim 9, further comprising the step of: (A) pre-treating (A2) before the step (B)
(A2-1) heating at 550 to 650 DEG C for 4 to 6 hours to remove impurities,
(A2-2) Step of removing additional impurities from the solution mixed with sulfuric acid and hydrogen peroxide 2.5-3.5: 1 by volume.
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