KR101905734B1 - 철 이온과 수은 이온의 순차적 비색 검출센서 및 이를 이용한 철 이온과 수은 이온의 순차적 비색검출방법 - Google Patents

Abstract

비표지 금 나노로드(label-free AuNRs)를 포함하는, 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색 검출센서가 제공된다.

Description

철 이온과 수은 이온의 순차적 비색 검출센서 및 이를 이용한 철 이온과 수은 이온의 순차적 비색검출방법{A SEQUENTIAL COLORIMETRIC DETECTION SENCER OF IRON(III) AND MERCURY(II) AND SEQUENTIAL COLORIMETRIC DETECTION METHODE OF IRON(III) AND MERCURY(II) USING THE SAME}

본 발명은 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색 검출센서 및 이를 이용한 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색검출방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 선택성, 민감성 및 검출한계에서 매우 우수하고 실시간으로 탐지할 수 있는 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색 검출센서 및 이를 이용한 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색검출방법에 관한 것이다.

철 이온(Fe^{3 +})은 인체 생화학 작용에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 혈액 내 산소 운반과 미토콘드리아 호흡 체인에서 효소 작용의 보조인자를 담당 역할을 하고 있다. 그러나 인체 내 고농도의 철 이온은 암과 심장, 췌장 그리고 간 등에 기능 장애를 일으킬 수 있다.

수은(Hg^{2 +})은 주요한 환경오염 물질 중 하나이며 발전소, 화석연료 및 고형 폐기물 소각로 등에서 대기로 방출되는 이 오염물질로써 유기체에 축척되는 것으로 알려져 있다. 또한 독성이 강한 중금속으로 생물학적 시스템에 장기간의 손상을 일으킬 수 있다. 저 농도의 수은에 장시간 노출되면 인간은 심하게 해를 입을 수 있으며 뇌, 심장, 신장, 폐 및 면역체계 손상으로 고통 받을 수 있다. 수은은 높은 용해도 때문에 물에서 주로 발견된다. 그러므로 환경, 식품 및 생체 시료에서 수은 이온을 매우 선택적이고 효율적이게 측정할 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.

철과 수은 이온의 분석법으로는 주로 고성능 액체 크로마토그래피(High Performance Liquid Chromatography, HPLC), 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, ICP/MS), 전기화학적 방법(electrochemical assay) 및 원자 흡광 광도계 (Atomic Absorption Spectrometer, AAS) 등이 제안 되었다.

하지만, 환경오염 시료, 법과학 시료, 음용수, 의약품, 화학물질 취급 산업현장 등에서 철 이온(Fe^{3 +})과 수은(Hg^{2 +})을 순차적으로 신속하게 검출하고 분석할 수 있는 기술이 여전히 요구되고 있으며, 실시간 측정과 미반응 센서의 재활용이 가능하며, 높은 안정성을 갖고, 소규모로 제작이 가능한 센서 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 비표지 금 나노로드를 이용하여 검출대상 물질인 철 이온(Fe³⁺)과 수은(Hg^{2 +}) 이온에 대해 순차적으로 검출이 가능하고, 선택성, 민감성 및 검출한계에서 매우 우수하고 실시간으로 탐지할 수 있는 기반을 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 비표지 금 나노로드(label-free AuNRs)를 포함하는, 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색 검출센서가 제공된다.

이때, 상기 비표지 금 나노로드는 가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율의 변화에 따라 색상이 변하는 것일 수 있다.

또한, 상기 비표지 금 나노로드는 철 이온(Fe^{3 +})에 의해 식각되면, 상기 비표지 금 나노로드의 가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율이 변화되어 철 이온(Fe³⁺)을 선택적으로 검출하는 것일 수 있다.

상기 비표지 금 나노로드의 가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율은 5:1 내지 7:1일 수 있으며, 상기 비표지 금 나노로드이 철 이온(Fe^{3 +})에 의해 식각되면 가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율이 2:1 내지 1:1로 변하는 것일 수 있다.

또한, 상기 비표지 금 나노로드는 상호 응집되면 색상이 변할 수 있으며, 상기 비표지 금 나노로드가 수은 이온(Hg^{2 +})과 반응하면, 금 나노로드간에 상호 응집되어 수은 이온(Hg^{2 +})을 선택적으로 검출하는 것일 수 있다.

상기 비표지 금 나노로드는 세틸트리메틸암모늄브롬(Cetyltrimethyl ammonium bromide: CTAB) 하에서 염화금산수화물(HAuCl₄·H₂O)을 소디움 보로하이드라이드(NaBH₄)로 환원시켜 형성될 수 있다.

상기 비표지 금 나노로드는 철 이온(Fe^{3 +})에 의해 식각이 진행되고, 안정제 또는 환원제에 의해 식각이 완료되는 것일 수 있다.

상기 비색 검출센서의 색상이 붉은색 계열에서 청색 계열로 변하여, 철 이온(Fe³⁺)을 선택적으로 검출하는 것일 수 있다.

아울러, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 구현예에 따르면 비표지 금 나노로드(label-free AuNRs)를 포함하는 비색 검출센서 용액을 준비하는 단계; 상기 비색 검출센서 용액에 검출 대상 시료를 투입하는 단계; 상기 검출 대상 시료의 반응 및 대기 단계; 및상기 비색 검출센서 용액의 색 변화에 의해 검출대상 시료 내 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 검출하는 감지단계;를 포함하는 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색검출방법이 제공된다.

이때, 상기 철 이온(Fe^{3 +}) 또는 수은 이온(Hg^{2 +})의 검출 가능 농도는 0.01 ppm 이상일 수 있다.

또한, 상기 검출 대상 시료를 투입하는 단계 전에, 비색 검출센서 용액의 pH 또는 온도를 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 검출 대상 시료를 투입하는 단계서의 비색검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 450 nm 내지 700 nm의 범위를 포함하고,

상기 검출대상 시료 내에 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})이 존재할 경우, 감지단계에서의 비색 검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 500 nm 내지 700 nm의 범위를 포함할 수 있다.

상기 감지하는 단계는 비색 검출센서 용액의 흡광도비를 이용한 것일 수 있으며, 상기 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)는 0.2 내지 3 일 수 있다.

또한, 상기 비색 검출센서 용액의 pH는 3 내지 11일 수 있다.

아울러, 상기 검출 대상 시료의 반응 및 대기 단계는 30분 이내일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 금 나노로드 입자를 이용한 비색 센서는 철(Fe³⁺)과 수은(Hg^{2 +})의 순차적 검출을 통해, 선택성과 감도가 높아 비색검출에 매우 적합하며, 재활용이 가능하다. 뿐만 아니라 환경 시료, 법과학 검체, 음료수, 의약품, 화학물질 취급 산업현장 등에서 비색 센서를 통한 신속한 검출과, 실시간 측정과 지속적 관리를 가능하게 실용적으로 널리 활용 될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금 나노로드가 철 이온(Fe^{3 +})에 의해 식각되고, 이를 안정제 또는 환원제로 안정시킨 후 다시 수은 이온(Hg^{2 +})으로 인해 응집되어 색깔 변화를 통한 비색센서 일련의 과정을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 비표지 금 나노로드의 TEM 사진, (b) 철 이온(Fe^{3 +})에 의해 식각된 경우, 및 (c) 수은 이온(Hg^{2 +})으로 인해 결합된 금 나노로드의 TEM 사진이다.
도 3은 금 나노로드에 철 이온(Fe^{3 +}) 첨가 후 여러 가지 금속이온 및 음이온을 첨가할 경우, 금 나노로드의 (a) 색변화 사진, (b) 흡광 스펙트럼, 및 (c) 흡광도비 (A₆₄₀/A₇₈₀) 그래프, (d) 정량곡선이다.
도 4는 환원제인 아스코르브산(ascorbic acid)의 양에 따른 수은 1 ppm 상에서 비색센서용액의(a) 색변화 사진, 및(b) 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 4에서 금 나노로드에 수은 이온(Hg^{2 +})과 여러 가지 음이온 및 금속 이온을 첨가할 경우, 비색센서 용액의 (a) 색변화 사진, (b) 흡광 스펙트럼, 및 (c) 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀) 그래프이다.
도 6은 실시예 5에서 수은 이온(Hg^{2 +}) 첨가 후 pH 변화에 따른 비색센서 용액의(a) 색변화 사진, 및 (b) 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 6에서 수은 이온(Hg^{2 +}) 첨가 후 반응 온도에 따른 비색센서 용액의 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 7에서 수은 이온(Hg^{2 +})의 농도별로 시간에 따른 비색센서 용액의 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 8에서 수은 이온(Hg^{2 +})의 농도에 따른 비색센서 용액의 (a) 색변화 사진, (b) 흡광 스펙트럼, (C) 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)에 대한 정량곡선 그래프이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서상에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에서 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색 검출센서는 비표지 금 나노로드(label-free AuNRs)를 포함한다.

상기 비색 센서의 금 나노로드 입자는 본 발명의 유해물 검출 센서로 활용하기 위하여 용액 상에 고르게 분산되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로 나노로드의 형태는 막대기형이 가장 적합하다. 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 검출을 위한 금 나노로드의 식각에 의한 비색 검출 센서로서, 금 나노로드(AuNRs) 표면에 개질제를 붙이지 않는 비표지(label-free) 나노로드와 pH 조건, 안정제 또는 환원제 종류와 양, 계면활성제의 양, 검출한계 등을 조절함을 특징으로 한다.

또한, 금 나노로드의 형태는 막대기형이 가장 적합하며 종횡비는 5 내지 7 대 1 일 수 있다. 가로 대 세로의 크기 차이가 심할수록, 파장이 길어지는 적색이동(red shift)이 일어나고, 반대의 경우 파장이 짧아지는 청색이동(blue shift)이 일어나는데, 본 발명에 따른 비표지 금 나노 로드는 철 이온(Fe^{3 +})에 의한 식각으로 종횡비에 따른 뚜렷한 색변화를 나타낼 수 있다.

또한, 상기 비색 검출센서는 철 이온 (Fe^{3 +})으로 식각이 될 수 있다. 식각된 금 나노로드의 종횡비는 2 내지 1인 것을 특징으로 하며 청색이동(blue shift)을 일으키는 것을 특징으로 하며, 식각 작용을 일으키는 철 이온(Fe^{3 +}) 이온에 의해 파장범위 700 nm 내지 450 nm로의 색변화를 나타내는 것을 특징으로 한다.

또한, 철 이온에 의해 진행 되는 식각에 의한 반응을 중지 또는 조절하기 위한 안정제 또는 환원제를 첨가한 후 검출 대상 물질(Hg^{2 +})과 반응 후 응집(aggregation)되어 나노로드 용액의 색상 변화를 특징으로 한다. 이때 안정제로 아스코빅 산(ascobic acid)일 수 있다.

안정화된 나노로드는 상기 검출대상 물질인 수은 이온(Hg^{2 +})과 반응하여, 막대기 형태의 사슬(chain) 고리형 나노로드의 결합으로 응집되어 색상 변화를 일으킬 수 있다.

이 색변화에 따라 비색 검출이 가능한 비색검출 센서로 활용될 수 있다.

상기 비색 검출 센서는 철 이온(Fe^{3 +})검출과 수은 이온(Hg^{2 +}) 검출의 순차적 비색 검출 센서일 수 있다.

상기 비색 검출센서의 색변화는 붉은색, 청색에서 보라색 또는 분홍색으로 진행된다.

상기 비색 검출 센서는 계면활성제인 CTAB(Cetyltrimethylammonium bromide)를 8 내지10 mM 농도로 함유할 수 있다.

상기 비색 검출 센서는 pH 3 내지 11의 범위에서 수은 이온(Hg^{2 +})을 검출하며, pH 7에서 검출 조건이 최적화된다.

상기 비색 검출센서는 상온 내지 50 ℃의 온도 범위에서 수은 이온(Hg^{2 +})을 검출할 수 있다.

상기 비색 검출 센서는 수은 이온(Hg^{2 +})의 검출 반응은 3 분 이내에 진행된다.

또한, 금 나노로드는 세틸트리메틸암모늄브롬(Cetyltrimethyl ammonium bromide: CTAB) 하에서 염화금산수화물(HAuCl₄·H₂O)을 소디움 보로하이드라이드(NaBH₄)로 환원시켜 금 나노입자를 제조한 후에 아스코르브산(Ascorbic acid)으로 한 번 더 환원시켜 제조할 수 있다.

제조된 금 나노로드 입자는 특정한 이온에 의한 화학적 에칭으로 가로 및 세로 크기 변화로 인한 색상의 변화가 발생하는데 대표적으로 철 이온(Fe^{3 +})과 크롬 이온(Cr⁶⁺), 구리이온(Cu^{2 +}), 질산 음이온(NO₂ ^-) 및 시안 음이온(CN^-)에 의한 환원으로 크기 및 가로, 세로의 비율에 변화가 발생할 수 있다.

또한, 화학적 에칭 이온과 반응한 금 나노 입자 지속적으로 식각 되는 것을 방지 및 제어하기 위한 안정제 및 환원제를 추가할 수 있다.

크기가 제어 된 금 나노로드와 선택적으로 반응하는 이온의 추가하여, 금 나노로드(AuNRs)들은 가로, 세로의 크기가 변화함에 따라 색상이 변화될 수 있으므로, 나노로드를 식각하는 특정 물질을 측정 및 모니터링 하는 센서 등에 다양하게 응용될 수 있다.

아울러, 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 비표지 금 나노로드(label-free AuNRs)를 포함하는 비색 검출센서 용액을 준비하는 단계, 상기 비색 검출센서 용액에 검출 대상 시료를 투입하는 단계, 상기 검출 대상 시료의 반응 및 대기 단계, 및 상기 비색 검출센서 용액의 색 변화에 의해 검출대상 시료 내 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 검출하는 감지단계;를 포함하는 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색검출방법이 제공된다.

이때, 상기 검출 대상 시료를 투입하는 단계 전에, 비색 검출센서 용액의 pH 또는 온도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 검출 대상 시료를 투입하는 단계서의 비색검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 450 nm 내지 700 nm의 범위를 포함하고, 상기 검출대상 시료 내에 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg^{2 +})이 존재할 경우, 감지단계에서의 비색 검출센서가 나타내는 색 방출 파장은 500 nm 내지 700 nm의 범위를 포함하는 것일 수 있다.

상기 감지하는 단계는 비색 검출센서 용액의 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 이용한 것일 수 있으며, 상기 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)는 0.2 내지 3 일 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가지는 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

제조예1 : 금 나노로드의 제조

0.1 M Cetyl Trimetyl Ammonium Bromide (CTAB) 3.75 mL에 0.01 M HAuCl₄ 0.125 mL를 첨가하고 교반한 후 아이스에 보관하였다. 이 혼합물에 0.01 M NaBH₄ 0.3 mL를 첨가하고 2 분간 섞은 후 상온에서 2 시간 보관하였다. 이 때 용액은 노랑색에서 진한 노랑색으로 변하고, 그 다음 옅은 갈색으로 변하게 된다. 이렇게 얻어진 용액은 나노로드를 만드는 시드(seed) 용액으로 사용되었다.

0.01 M AgNO₃ 0.27mL, 0.01 M HAuCl₄ 1.8 mL 및 0.1 M CTAB 42.75 mL을 상온에서 혼합하였다. 이 혼합물에 0.1 M 아스코르브산 0.288 mL 및 상기 시드 용액 0.189 mL를 첨가한 후, 6 시간 동안 방치하였다.

제조된 비색센서 용액의 사진 및 금 나노로드의 TEM 사진을 도 2a에 나타내었다. 제조된 금 나노로드의 크기는 가로 및 세로가 최대 50 및 10 nm 이었고, 나노로드의 표면 공명 현상으로 인하여 용액은 진한 빨강색이었다.

제조예 2: 비색센서의 제조

제조예 1에서 제조된 금 나노로드 용액 10 mL에 1000 ppm 철 이온(Fe^{3 +})을 0.1 mL 첨가하고 약 100 ℃ 에서 30분 동안 교반한다. 이 때 금 나노로드가 양 끝 쪽부터 식각되기 시작하면서, 용액은 진한 빨강색에서 진한 초록색으로 변하고, 그 다음 진한 파랑색으로 변하게 된다. 이 혼합물에 환원제인 0.1 M 아스코르브산 0.2 mL을 첨가한 후, 온도가 상온으로 떨어질 때까지 교반을 하였다.

제조된 비색센서 용액의 사진 및 금 나노로드의 TEM 사진을 도 2b에 나타내었다. 제조된 금 나노로드의 크기는 가로 및 세로가 최대 30 및 10 nm이었고, 나노로드의 표면 공명현상으로 인하여 용액은 진한 청색이었다.

실시예 1: 철 이온( Fe ^{3 +} ), 수은 이온( Hg ^{2 +} )에 의한 색변화

도 1를 참조하면, 제조예 1에서 제조된 나노로드는 철 이온(Fe^{3 +})이 첨가된 후 식각되어 타원형이 되었고, 수은 이온(Hg^{2 +})이 첨가된 후에는 짧은 금 나노로드들이 결합된 모양으로 바뀌었음을 확인할 수 있다.

제조예 2에서 제조된 비색센서 용액에 철 이온(Fe^{3 +})을 첨가하여 철 이온(Fe³⁺) 농도가 1 ppm이 되게 하였다. 비색센서 용액의 색변화 사진 및 금 나노로드의 TEM 사진을 도 2에 나타내었다.

상기 용액에 수은 이온(Hg^{2 +})을 첨가하여 수은 이온(Hg^{2 +}) 농도가 1 ppm이 되게 하였다. 비색센서 용액의 색변화 사진 및 금 나노로드의 TEM 사진을 도 2에 나타내었다.

실시예 2: 여러가지 이온들에 대한 금 나노로드 용액의 선택성

제조예 1에서 얻은 비색센서 용액의 pH 7로 조절하였다. 상온에서 pH 7의 비색센서 용액에 8가지 음이온(F^-(24), Cl^-(25), Br^-(26), I^-(27), NO₂ ^-(28), NO₃ ^-(29), PO₄ ^3-(30), SO₄ ^2-(31)) 및 23 가지 양이온(Fe^{3 +}(1), Hg^{2 +}(2), Li⁺(3), Na⁺(4), K⁺(5), Ag⁺(6), Ba^{2 +}(7), Ca^{2 +}(8), Cd^{2 +}(9), Co^{2 +}(10), Cu^{2 +}(11), Ga^{2 +}(12), Mn^{2 +}(13), Mg^{2 +}(14), Ni²⁺(15), Pb^{2 +}(16), Sn^{2 +}(17), Zn^{2 +}(18), Al^{3 +}(19), As^{3 +}(20), Ti^{3 +}(21), Ge^{4 +}(22), Cr⁶⁺(23))을 첨가하여 30분간 반응시키고 색변화를 관찰하였다. 도 3a는 반응 후 각 시료의 사진이고, 도 3b는 UV-vis 스펙트럼이며, 도 3c는 흡광도비(A₆₄₀/A₇₈₀)그래프이다.

도 3a에서 철 이온(Fe^{3 +})이 첨가된 비색센서 용액은, 다른 음이온 및 금속이온이 첨가 된 비색센서 용액과 달리, 진한 파랑색으로 변하여 확연한 차이를 보였다. 이는 금 나노로드 입자에 대한 식각 현상이 철 이온(Fe^{3 +})에 의해서만 일어남을 의미한다.

도 3b에서 다른 이온이 첨가된 용액들은 비색센서 용액과 매우 유사한 흡광 스펙트럼을 보이고, 524 nm, 및 780 nm에서 흡광 피크를 가지며, 780 nm에서 매우 강한 흡광도를 보인다. 반면에, 철 이온(Fe^{3 +})이 첨가된 용액은 780 nm에서는 흡광 피크가 없으며, 640 nm에서 흡광도 피크를 보인다.

도 3c는 각 시료의 스펙트럼을 흡광도비(A₆₄₀/A₇₈₀)로 나타내었는데, 다른 시료와 달리 철 이온(Fe^{3 +})이 첨가된 용액은 적어도 10배 이상 높은 흡광도비를 보여 준다. 높은 흡광도비는 (Fe^{3 +})에 대한 선택성이 매우 우수함을 의미한다.

실시예 3: 환원제(ascorbic acid) 양에 따른 금 나노입자의 반응성

제조예 2과 동일한 방법으로 비색센서 용액을 제조하되, 아스코르브산(ascorbic acid)의 사용량을 각각 0 (대조군), 2, 4, 6, 8, 10 mM 으로 달리하였다. 각각의 비색센서 용액에 수은 이온(Hg^{2 +}) 농도가 1 ppm이 되도록 수은 이온(Hg²⁺)을 첨가한 후 반응을 진행시켰다. 반응 후 색변화 사진을 도 4a에 나타내었다.

실시예 4: 여러가지 이온들에 대한 비색센서용액의 선택성

제조예 2에서 얻은 비색센서 용액의 pH를 7로 조절하였다. 8 가지 음이온 (F^-(24), Cl^-(25), Br^-(26), I^-(27), NO₂ ^-(28), NO₃ ^-(29), PO₄ ^3-(30), SO₄ ^2-(31)) 및 23 가지 양이온(Fe^{3 +}(1), Hg^{2 +}(2), Li⁺(3), Na⁺(4), K⁺(5), Ag⁺(6), Ba^{2 +}(7), Ca^{2 +}(8), Cd²⁺(9), Co^{2 +}(10), Cu^{2 +}(11), Ga^{2 +}(12), Mn^{2 +}(13), Mg^{2 +}(14), Ni^{2 +}(15), Pb^{2 +}(16), Sn²⁺(17), Zn^{2 +}(18), Al^{3 +}(19), As^{3 +}(20), Ti^{3 +}(21), Ge^{4 +}(22), Cr^{6 +}(23))을 첨가하여 30분간 반응시키고 색변화를 관찰하였다. 도 5a는 반응 후 각 시료의 사진이고, 도 5b는 UV-vis 스펙트럼이며, 도 5c는 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀) 그래프이다.

도 5a에서 수은 이온(Hg^{2 +})이 첨가된 비색센서 용액은, 다른 음이온 및 금속이온이 첨가된 비색센서 용액과 달리, 분홍색으로 변하여 확연한 차이를 보였다. 이는 금 나노로드 입자에 대한 식각 현상이 수은 이온(Hg^{2 +})에 의해서만 일어남을 의미한다.

도 5b에서 다른 이온이 첨가된 용액들은 비색센서 용액과 매우 유사한 흡광 스펙트럼을 보이고, 524 nm 및640 nm에서 흡광 피크를 가지며, 640 nm에서 매우 강한 흡광도를 보인다. 반면에, 수은 이온(Hg^{2 +})이 첨가된 용액은 640 nm에서는 흡광 피크가 없으며, 550 nm에서 흡광도 피크를 보인다.

도 5c는 각 시료의 스펙트럼을 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)로 나타내었는데, 다른 시료와 달리 수은 이온(Hg^{2 +})이 첨가된 용액은 적어도 2배 이상 높은 흡광도비를 보여 준다. 높은 흡광도비는 수은 이온(Hg^{2 +})에 대한 선택성이 매우 우수함을 의미한다.

실시예 5: pH에 따른 금 나노로드 반응성

제조예 2에서 얻은 비색센서 용액의 pH를 조절하여 각각 pH 3 내지 11인 시료를 준비하였다. pH의 조절을 위해 1M HCl 및 1M NaOH를 이용하였다. 그런 다음, 각 시료에 수은 이온(Hg^{2 +})을 첨가하여 수은 이온(Hg^{2 +}) 농도가 1 ppm이 되게 하였다. 각 시료의 사진을 도 6a에 나타내었고, UV-vis로 흡광도비를 측정하여 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀) 그래프를 도 5b에 나타내었다.

도 6a를 보면, pH 5 이하에서는 색변화가 거의 일어나지 않았으며, 이를 통해 금 나노로드와 수은 이온(Hg^{2 +})이 반응하지 않음을 알 수 있다. pH 6부터 반응을 시작하였고, pH 6 내지 9에서 보라색을 띄어 금 나노로드가 결합된 상태임을 알 수 있다.

도 6b의 흡광도비 그래프를 참조하면, pH 6에서 가장 높은 흡광도를 나타내고, pH 6 이후부터는 흡광도가 점차 낮아졌다. 이로부터, 본 발명에 따른 비색센서 용액은 pH 7에서 가장 반응성이 강함을 알 수 있다.

실시예 6: 반응온도에 따른 금 나노로드 반응성

제조예 2에서 얻은 비색센서 용액의 pH 7로 조절한 후, 온도를 20, 30, 40, 및 50 ℃로 각기 달리한 4개의 시료를 준비하였다. 각 시료에 수은 이온(Hg^{2 +})을 1 ppm 이 되도록 첨가한 후, 각 시료의 온도를 유지시키면서 30분 동안 반응시키고, 색상 변화를 관찰하였다. 각 시료의 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 도 5에 나타내었다.

색 변화를 관찰한 결과, 반응 온도가 높아짐에 따라 도 1에 나타낸 바와 같은 색변화의 진행이 매우 빨라짐을 알 수 있었다.

도 7를 보면, 20 ℃ 내지 30 ℃에서는 흡광도비 변화가 크지 않았으나, 40 ℃ 이상에서부터 흡광도비가 증가함을 알 수 있고, 이는 나노로드 입자와 수은 이온(Hg²⁺)의 반응성이 커지기 때문이다. 따라서 금 나노로드와 수은 이온(Hg^{2 +})의 반응성을 높이려면 적어도 40 ℃ 이상이 적합한 온도라 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 신속한 수은 이온(Hg^{2 +}) 검출을 위해서 필요에 따라 적절히 반응 온도를 상승시킬 수 있다.

실시예 7: 반응시간에 따른 금 나노로드 반응성

제조예 2에서 얻은 비색센서 용액의 pH를 7로 조절하고, 40 ℃에서 반응을 진행하였다. 5 개의 시료에 수은(Hg^{2 +})을 각각 0, 0.4, 0.8, 1.2 및 1.6 ppm 이 되도록 첨가한 후, 시간에 따라 지속적으로 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 측정하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8을 보면, 수은(Hg^{2 +})의 모든 농도에서 흡광도비는 30초까지는 매우 빠른 속도로 증가하다가, 30초 이후, 90초 까지는 서서히 증가하였다. 그리고, 2 분부터는 반응이 거의 일어나지 않음을 알 수 있다. 따라서, 상기 조건 하에서 금 나노로드와 수은(Hg^{2 +})의 반응은 2분 정도에 완료되며, 수은(Hg^{2 +}) 검출의 최적 시간은 반응 후 3분으로 여겨진다.

실시예 8: 비색센서용액의 민감성 및 검량곡선 (철이온 검출후 수은 이온 검출법 개발)

제조예 1에서 얻은 비색센서 용액을 pH 7로 조절하고, 철 이온(Fe^{3 +})을 각각 0 내지 14 ppm 이 되도록 첨가한 후, 상온에서 30분 동안 반응을 진행하였다.

그리고, 제조예 2에서 얻은 비색센서 용액을 pH 7로 조절하고, 수은 이온(Hg²⁺)을 각각 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4 및1.6 pm 이 되도록 첨가한 후, 상온에서 30분 동안 반응을 진행하였다.

도 3d는 철 이온(Fe^{3 +})의 농도에 따른 정량곡선이고, 도 9c는 수은 이온(Hg²⁺) 농도별 정량곡선이다. 표 1은 도 3d는 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 정량곡선 그래프로 작성한 것인데, 정량선 y = 0.5007x + 0.1171, 흡광계수(r²)은 0.9877로 매우 우수한 결과를 얻었다. 아래 표 1은 도 9c의 그래프에 대한 상세 값을 기재한 것이다.

방정식	y = a + b*x
중량	instrumental
잔차제곱합(RSS)	0.4480
Pearson's r	0.99472
Adj. R-Square	0.98771
		값	표준오차
B	절편	0.1171	0.1765
	기울기	0.5007	0.0211

표 2는 도 9c는 수은 이온(Hg^{2 +}) 농도별 범위를 측정한 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 정량곡선 그래프로 작성한 것인데, 정량선 y = 1.5101x + 0.2610, 흡광계수(r²)은 0.9986로 매우 우수한 결과를 얻었다. 아래 표 1은 도 9c의 그래프에 대한 상세 값을 기재한 것이다.

아래 표 2는 도 9c의 그래프에 대한 상세 값을 나타낸 것이다.

방정식	Y = a + b*x
중량	instrumental
잔차제곱합(RSS)	0.01615
Pearson's r	0.99935
Adj. R-Square	0.99862
		값	표준오차
B	절편	0.261	0.0087
	기울기	1.5101	3.36394 x10-4

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (18)

1. 비색 검출센서로서,
   가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율이 5:1 내지 7:1인 비표지 금 나노로드(label-free AuNRs)를 포함하고,
   철 이온(Fe³⁺)에 의한 상기 비표지 금 나노로드의 식각이 진행되어, 상기 비색 검출센서가 붉은색 계열에서 청색 계열로 변하며 철 이온(Fe³⁺)을 선택적으로 검출하고,
   수은 이온(Hg²⁺)과의 반응에 의하여 상기 식각된 비표지 금 나노로드가 상호 응집되어, 상기 비색 검출센서가 청색 계열에서 붉은색 계열로 변하며 수은 이온(Hg²⁺)을 선택적으로 검출하는, 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색 검출센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 비표지 금 나노로드는 철 이온(Fe³⁺)에 의해 식각되면, 상기 비표지 금 나노로드의 가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율이 변화되어 철 이온(Fe³⁺)을 선택적으로 검출하는, 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색 검출센서.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 비표지 금 나노로드가 철 이온(Fe³⁺)에 의해 식각되면 가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율이 2:1 내지 1:1로 변하는 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색 검출센서.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 비표지 금 나노로드는 세틸트리메틸암모늄브롬(Cetyltrimethyl ammonium bromide: CTAB) 하에서 염화금산수화물(HAuCl₄·H₂O)을 소디움 보로하이드라이드(NaBH₄)로 환원시켜 형성되는, 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색 검출센서.
9. 제1항에 있어서,
   상기 비표지 금 나노로드는 철 이온(Fe³⁺)에 의해 식각이 진행되고, 안정제 또는 환원제에 의해 식각이 완료되는, 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색 검출센서.
10. 삭제
11. 가로의 평균 직경과 세로의 평균 직경간 비율이 5:1 내지 7:1인 비표지 금 나노로드(label-free AuNRs)를 포함하는 비색 검출센서 용액을 준비하는 단계;
    상기 비색 검출센서 용액에 검출 대상 시료를 투입하는 단계;
    상기 검출 대상 시료의 반응 및 대기 단계; 및
    상기 비색 검출센서 용액의 색 변화에 의해 검출대상 시료 내 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 검출하는 감지단계;를 포함하고,
    상기 감지단계는 철 이온(Fe³⁺)에 의한 상기 비표지 금 나노로드의 식각이 진행되어, 상기 비색 검출센서 용액이 붉은색 계열에서 청색계열로 변하며 철 이온(Fe³⁺)을 선택적으로 검출하고; 나아가 수은 이온(Hg²⁺)과의 반응에 의하여 상기 식각된 비표지 금 나노로드가 상호 응집되어, 상기 비색 검출센서 용액이 청색 계열에서 붉은색 계열로 변하며 수은 이온(Hg²⁺)을 선택적으로 검출하는 것인, 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색검출방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 철 이온(Fe^{3 +}) 또는 수은 이온(Hg^{2 +})의 검출 가능 농도는 0.01 ppm 이상인 것인 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색검출방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 검출 대상 시료를 투입하는 단계 전에, 비색 검출센서 용액의 pH 또는 온도를 조절하는 단계;를 더 포함하는 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색검출방법.
14. 제11항에 있어서,
    상기 검출 대상 시료를 투입하는 단계에서의 상기 비색 검출센서 용액이 나타내는 색 방출 파장은 450 nm 내지 700 nm의 범위를 포함하고,
    상기 검출대상 시료 내에 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)이 존재할 경우, 감지단계에서의 비색 검출센서 용액이 나타내는 색 방출 파장은 500 nm 내지 700 nm의 범위를 포함하는 것인 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색검출방법.
15. 제11항에 있어서,
    상기 감지하는 단계는 비색 검출센서 용액의 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)를 이용한 철 이온(Fe³⁺)과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색검출방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 흡광도비(A₅₅₀/A₆₄₀)는 0.2 내지 3 인 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색검출방법.
17. 제11항에 있어서,
    상기 비색 검출센서 용액의 pH는 3 내지 11인 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg^{2 +})의 순차적 비색검출방법.
18. 제11항에 있어서,
    상기 검출 대상 시료의 반응 및 대기 단계는 30분 이내인 철 이온(Fe^{3 +})과 수은 이온(Hg²⁺)의 순차적 비색검출방법.

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