KR101937421B1 - 중금속 이온 검출용 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

중금속 이온 검출용 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 및 형광염료를 포함하는 중금속 이온 검출용 조성물, 이의 제조방법, 및 상기 중금속 이온 검출용 조성물을 이용하여 중금속 이온을 검출하는 방법을 제공한다.
본 발명의 중금속 이온 검출용 조성물을 이용하면 형광 공명 에너지 전이 효과에 의한 색 변화를 즉각적으로 확인할 수 있는 화학 센서를 제공 할 수 있다.

Description

중금속 이온 검출용 조성물 및 이의 제조방법{Composition for detecting heavy metal and method of manufacturing thereof}
본 발명은 폴리에틸렌이민(PEI, Polyethyleneimine)으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) (PSMA, poly (styrene-co-maleic anhydride))을 이용한 중금속 이온 검출용 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 중금속 이온을 검출하는 방법에 관한 것이다.
최근 환경공학적, 생명공학 공정에서의 중요성으로 인해 중금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법에 대한 관심이 고조되고 있다.
기존의 중금속 모니터링을 위한 측정 방법은 고체시료를 이용한 방사화분석법, α선-스펙트로메트리, 액체시료를 이용한 형광분석법, 자외선 흡광도법, 자외선 흡광광도법, ICP 발광분광법, ICP질량분석법 등이 있으나, 이러한 방법들은 현장에서 즉각적인 확인이 어려운 기술적 한계가 있었다. 또한, 시료 채취를 통하여 샘플 분석을 하기 위해 실험실로 보내지는 시간 동안 오염 확산을 피할 수 없는 문제점이 있었다. 이와 같이 기존 환경 센서 및 모니터링 기술은 휴대가 용이하지 않고 현장에서 분석하는데 어려움이 있어 즉각적인 정보 산출이 어렵다는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 부대 장비 없이 정성적인 물리화학적 특성을 통하여 현장에서 즉각적으로 육안으로 중금속 검출을 확인할 수 있는 화학 센서를 개발하고자 예의 노력을 한 결과, 폴리에틸렌이민으로 표면개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 소수성 부분에 형광 염료가 침착되어 있는 경우, 폴리에틸렌이민의 형광특성으로 인한 형광 공명 에너지 전이 효과에 의해 중금속 이온의 즉각적인 검출이 가능함을 확인하여, 이를 기초로 본 발명을 완성한 것이다.
일본 공개특허 제2003-194798호
본 발명의 목적은 폴리에틸렌이민(PEI, Polyethyleneimine)으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)(PSMA, poly (styrene-co-maleic anhydride)) 및 형광염료를 포함하는 중금속 이온 검출용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기 중금속 이온 검출용 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기 중금속 이온 검출용 조성물을 이용하여 중금속 이온을 검출하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1양태는 폴리에틸렌이민(PEI, Polyethyleneimine)으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)(PSMA, poly (styrene-co-maleic anhydride)) 및 형광염료를 포함하는 중금속 이온 검출용 조성물을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)에 폴리에틸렌이민을 첨가하여 에스터화 반응을 통해 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)을 제조하는 단계; 및 형광염료를 첨가하는 단계;를 포함하는 제1양태에 따른 중금속 이온 검출용 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제3양태는 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 및 형광염료를 포함하는 조성물에 검출 대상 시료를 투입하는 단계; 및 상기 조성물의 색 변화에 의해 검출 대상 시료 내의 중금속 이온을 검출하는 단계를 포함하는, 중금속 이온을 검출하는 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명은 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 표면의 친수성 부분에는 폴리에틸렌이민이 부가되고 소수성 부분에는 형광염료가 침착되어 있는 상태에서 양이온 중합체인 폴리에틸렌이민이 킬레이션(chelation)을 통해 구리이온에 대한 흡착제로 사용되며, 형광염료와 구리이온의 거리변화에 따른 형광특성의 변화에 기초한 것이다.
종래 코어 쉘 형태의 중금속 이온 검출용 조성물은 소수성부분과 친수성부분이 그라프트(graft) 반응을 통해 결합되어 있었으며, 이 때, 그라프트(graft) 반응의 수율이 낮으며, 물 등의 용매에 친수성 부분이 용해될 가능성이 높으며, 용해되지 않은 친수성 부분의 두께를 조절하기 어려운 단점이 있었다.
이에 반해, 본 발명에 따른 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) (PSMA-PEI)은 코어-쉘 형태로 폴리에틸렌이민과 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)이 화학적으로 결합되어 있다. 구체적으로, 개시제를 도입하여 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 내의 말레산 무수물(MA, Maleic anhydride)이 에스터화 반응(esterification reaction)에 의해 고리가 열리면서 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)은 폴리에틸렌이민 내의 아민과 화학적으로 결합한다. 이에 따라, 본 발명의 PSMA-PEI는 물 또는 알코올에 용해되지 않고 안정하게 중금속 이온을 검출할 수 있다.
또한 기존의 중금속 이온 검출용 물질은 즉각적으로 검출이 쉽지 않고, 민감도가 낮아 소량의 중금속 이온을 검출하는데 어려움이 있었다.
반면, 본 발명에 따른 중금속 이온 검출용 조성물은 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)이 화학적으로 결합되고, 형광염료가 PSMA 소수성 부분에 침착되어 코어-쉘 구조의 PSMA가 중금속 이온과 결합하는 즉시 형광 공명 에너지 전이 효과에 따라 색변화를 나타내 검출이 이루어지고, 1uM의 낮은 농도의 중금속 이온까지 검출하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 PSMA-PEI는 말레산 무수물(MA)의 비율을 조절함으로써 반응하는 폴리에틸렌이민(PEI) 함량을 조절하거나, PEI 함량을 조절하여 최적의 중금속 이온 검출용 조성물을 제공할 수 있다.
또한, MA/PEI 함량을 조절함으로써, PSMA-PEI 입자의 크기와 형성되는 폴리에틸렌이민의 쉘(shell) 두께, 입자 크기, 형광염료와 폴리에틸렌이민에 흡착된 중금속 이온간의 거리를 조절할 수 있다. 이에 따라, 중금속 이온 검출시 FRET 효율에 적용되는
Figure 112017041562718-pat00001
식에서 r값을 조절하여 FRET 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 검출용 조성물은 폴리에틸렌이민에 의해 PSMA-PEI 코어쉘의 코어 내에 침착되어 있는 형광염료와 중금속 이온 사이의 거리가 조절되어 방출 파장이 변화하게 됨으로써, 형광 특성이 나타날 수 있다.
보다 구체적으로, 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 표면의 친수성 부분에는 폴리에틸렌이민이 부가되고 소수성 부분에는 형광염료가 침착된다. 이 때, 양이온 중합체인 폴리에틸렌이민의 킬레이션을 통해 구리이온에 대한 흡착제로 사용된다. 이러한 특성에 의해 형광염료와 중금속 이온의 거리변화에 따라 나일레드의 입사파장인 λex = 552nm와 방출파장인 λem = 636nm에서 형광 강도가 변화하였다.
이에 기초하여, 본 발명은 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 및 형광염료를 포함하는 중금속 이온 검출용 조성물을 제공한다.
본 발명의 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)은 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 표면의 친수성 부분에는 폴리에틸렌이민이 결합되고, 소수성 부분에는 형광염료가 침착된 코어-쉘 구조를 갖는다.
상기 폴리에틸렌이민이 중금속 이온을 흡착하면, 상기 형광염료는 중금속 이온과 반응하여 형광 공명 에너지 전이 (FRET, Fluorescence Resonance Energy Transfer) 효과를 가질 수 있다.
상기 형광 공명 에너지 전이 효과란, 주개(donor)와 받개(acceptor)가 일정한 거리에 있을 때 주개에서 받개로 공명에 의해 에너지가 전달되는 효과를 말한다. 주개는 일반적으로 받개에 비해 더 짧은 파장의 빛을 방출하며, 받개의 방출 파장과 주개의 흡수 파장이 중첩되는 경우 공명에 의해 에너지가 전달될 수 있다.
본 발명의 일실시예로서, 주개는 형광염료, 받개는 중금속 이온일 수 있다.
상기 중금속 이온은 구리 이온(Cu2+), 코발트 (Co2+), 아연 이온 (Zn2+), 카드뮴 이온 (Cd2+), 납 이온 (Pb2+) 및 수은(Hg2+) 이온으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상 일 수 있으며, 바람직하게는 구리 이온일 수 있다.
상기 형광염료는 나일레드, 플루오레세인(fluorescein), 나일블루, 플로로신, 플루오세인 이소티오시아네이트(FITC, fluoresein Isothiocyanate), 로다민, 테트라메틸로다민(TMR, Tetramethylrhodamine), 루시퍼 엘로우, B-파이토에리쓰린, 9-아크리딘이소티오시아네이트, 루시퍼 엘로우 VS, 4-아세트아미도-4'-이소티오-시아나토스틸벤-2,2'-다이설폰산, 7-다이에틸아미노-3-(4'-이소티오시아토페닐)-4-메틸쿠마린, 석시니미딜-파이렌부티레이트, 4-아세트아미도-4'-이소티오시아나토스틸벤-2,2'-다이설폰산 유도체, 텍사스 레드, 알렉사 플루오르, 4,6-디아미디노-2-페닐인돈 (DAPI, 4,6-diamidino-2-phenylindole), 쿠마린, 리사민, 이소티오시아네이트, 에리쓰로신 이소티오시아네이트, 다이에틸렌트리아민 펜타아세테이트, 1-다이메틸아미노나프틸-5-설포네이트, 1-아닐리노-8-나프탈렌 설포네이트, 2-p-토우이디닐-6-나프탈렌 설포네이트, 3-페닐-7-이소시아나토쿠마린, 9-이소티오시아나토아크리딘, 아크리딘 오렌지, N-(p-(2-벤족사조일릴)페닐)멜레이미드, 벤족사디아졸, 스틸벤, 파이렌, 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 나일레드일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서는 중금속 이온의 검출 효율이 최대로 나타날 수 있는 말레산 무수물과 폴리에틸렌이민의 함량 비율을 확인한 결과, 말레산 무수물 대비 폴리에틸렌이민의 함량이 1 내지 8배일 때 중금속 검출 효과가 높았다. 보다 구체적으로, 폴리에틸렌이민의 함량이 높을수록 형광 공명 에너지 전이 효과가 높아지나, 말레산 무수물 대비 폴리에틸렌이민이 8배 이상부터는 형광 공명 에너지 전이 효율이 더 이상 증가하지 않음을 확인하였다. 또한, 폴리에틸렌이민의 함량이 높을 수록 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 입자 크기가 감소함을 확인하였으며, 폴리에틸렌이민의 양이 너무 적을 경우 입자 크기가 커지고, 폴리에틸렌이민에 흡착된 중금속 이온과 형광 염료간의 거리가 가까워지지 않아 중금속 이온 검출 효율이 떨어짐을 확인하였다.
이에 따라 본 발명에서는 중금속 이온 검출 효율이 높은 최적의 말레산 무수물 대비 폴리에틸렌이민의 함량, 입자 크기, 중금속 이온과 형광 염료간의 거리를 새롭게 밝힌 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 총 중량 대비 폴리에틸렌이민의 함량은 1 : 1 내지 8일 수 있다.
본 발명에서 폴리에틸렌이민의 함량은 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 말레산 무수물 중량 기준으로 1 내지 8배(중량)일 수 있으며, 구체적으로는 2 내지 8배일 수 있으며, 보다 구체적으로는 3 내지 8배일 수 있다.
본 발명에서 상기 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)은 코어-쉘 형태일 수 있으며, 상기 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 입자 크기는 100nm 내지 1um일 수 있다.
또한, 최적의 중금속 이온의 검출을 위해 폴리에틸렌이민에 흡착된 중금속 이온과 형광 염료간의 거리는 1 내지 3nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수치범위에서 고감도의 중금속 이온 검출 능력을 가질 수 있으며, 그 이외의 범위인 경우 검출 효율이 감소할 수 있다.
본 발명의 다른 양태로서, 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)에 폴리에틸렌이민을 첨가하여 에스터화 반응을 통해 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)을 제조하는 단계; 및 형광염료를 첨가하는 단계; 를 포함하는, 제1양태에 따른 중금속 이온 검출용 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 형광염료는 형광염료를 유기 용매에 혼합시켜 제조할 수 있다.
상기 유기 용매는 디클로로메탄(dichlroromethane), 클로로포름(chloroform), 아세토나이트릴(acetonitrile), 알킬아세테이트(alkyl acetate), 벤젠(bezene), 톨루엔(toluene), 에테르(ether), 1,2-디알콕시에탄(1,2-dialkoxy ethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 또는 알카놀(alkanol)일 수 있다.
상기 폴리에틸렌이민은 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 말레산 무수물 중량 기준으로 1 내지 8배(중량)의 함량으로 첨가될 수 있다.
상기 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)은, 개시제를 도입하여 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 내의 말레산 무수물(MA, Maleic anhydride)이 에스터화 반응(esterification reaction)에 의해 고리가 열리면서 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)은 폴리에틸렌이민 내의 아민과 화학적으로 결합하여 제조될 수 있다.
상기 형광염료는 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 소수성 부분에 침착될 수 있다. 이에 따라, 상기 중금속 이온 검출용 조성물은 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)이 화학적으로 결합되고, 형광염료가 PSMA 소수성 부분에 침착되어 코어-쉘 구조를 가진다.
본 발명의 다른 양태로서, 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 및 형광염료를 포함하는 조성물에 검출 대상 시료를 투입하는 단계; 및 상기 조성물의 색 변화에 의해 검출 대상 시료 내의 중금속 이온을 검출하는 단계를 포함하는, 중금속 이온을 검출하는 방법을 제공한다.
상기 중금속 이온의 농도는 1uM (0.063546 ppm) 내지 10uM (0.63546 ppm)일 수 있다. 본 발명에 따른 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)을 포함하는 조성물을 이용할 경우, 1uM (0.063546 ppm) 내지 10uM (0.63546 ppm) 범위의 미량의 구리 이온을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 1 uM 수준의 높은 민감도를 가지며, 구리 이온을 선택적으로 검출할 수 있음을 확인하였다.
본 발명에 따른 폴리에틸렌이민으로 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)을 이용하여 즉각적으로 중금속 이온을 검출할 수 있는 조성물은 물 또는 알코올에 용해되지 않고 안정하게 중금속 이온을 검출할 수 있으며, 높은 민감도를 가지는 바 소량의 중금속 이온도 즉각적 검출이 가능한 효과가 있다.
도 1은 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 조성물의 제조에 관한 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 PSMA와 PSMA-PEI의 모폴로지에 관한 SEM, TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 MA, PSMA, PSMA-PEI의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 PSMA, PSMA-PEI의 1H-NMR를 나타낸 그래프이다.
도 5는 PSMA-PEI의 UV-VIS 스펙트럼 및 구리 이온 농도에 따른 형광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 구리 이온 농도에 따른 색변화를 나타낸 것이다.
도 7은 말레산무수물과 폴리에틸렌이민 함량에 따른 구리이온과 형광염료와의 거리변화를 나타낸 것이다.
도 8은 말레산무수물과 폴리에틸렌이민 함량에 따른 입자 크기 변화를 나타낸 것이다.
도 9는 말레산무수물 및 폴리에틸렌이민 함량과 구리 이온 농도에 따른 흡광도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 말레산무수물 및 폴리에틸렌이민 함량에 따른 형광 강도 분석 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 중금속 이온 검출용 조성물의 제조
먼저, 250ml 사이즈의 이중 자켓 반응기에 질소 퍼징된 상태에서 탈 이온수(D.I water) 100ml를 투입하고 70로 가온 후, 말레산 무수물(maleic anhydride) 1.5g을 투입하였다 말레산 무수물이 모두 용해된 후, 개시제인 AIBN을 0.075g을 투입하였다. 이후 스티렌 단량체(styrene monomer) 8.5g을 투입 후 300rpm으로 12시간 교반하여 PSMA [poly (styrene-co-maleic anhydride)]를 제조하였다.
다음, 탈이온수 40ml에 폴리에틸렌이민을 말레산 무수물 대비 1 내지 8배까지 투입하여 상온에서 300rpm으로 12시간 교반하였다. 그 결과, 말레산 무수물을 에스터화하여 고리열림반응이 일어나며, 고리 열린 말레산 무수물이 폴리에틸렌이민과 쉘을 형성한다.
디클로로메탄(dichloromethane)을 이용하여 나일레드를 5 × 10-3 M 용액으로 제조하고 제조된 나일레드 용액 0.4 mL를 에스터화된 PSMA-PEI 입자를 탈이온수 5ml에 분산시켰다.
형광 용액과 PSMA-PEI 분산 용액을 25ml 플라스크에 넣고 24시간 동안 상온에서 300rpm으로 교반하여, PSMA 입자 표면의 소수성 부분에는 형광염료인 나일레드(NR, Nile red)가 침착된 조성물을 제조하였다. 이때, 조성물을 포함하는 반응기는 상자로 덮어두어 빛이 들어가지 않도록 하였다. 도 1은 상기 중금속 이온 검출용 조성물의 제조에 관한 모식도를 나타낸 것이다. 상기 조성물에서 PSMA 표면의 친수성 부분에는 폴리에틸렌이민이 부가되고, 소수성 부분에는 나일레드가 침착되어 형광 염료인 나일레드가 양이온성 고분자인 폴리에틸렌이민에 의해 형광 특성이 변함을 관찰함으로써 구리 이온을 검출할 수 있다.
실험예 1. PSMA-PEI 의 물성 분석
도 2는 PSMA와 PEI로 개질된 PSMA의 모폴로지(morphology)를 확인하기 위하여 SEM, TEM 이미지를 나타낸 것으로, 도 2의 좌측 상단은 PSMA, 우측 상단은 PSMA-PEI의 SEM 이미지를 각각 나타낸 것이다. SEM 이미지로부터 PSMA에 PEI 부가하는 경우 표면이 거칠게 변하는 것을 확인할 수 있었다. 도 2의 좌측 하단은 PSMA, 우측 하단은 PSMA-PEI의 TEM 이미지를 각각 나타낸 것이다. TEM 이미지로부터 PEI로 개질된 PSMA는 코어-쉘 형태가 됨을 확인할 수 있었으며, 표면이 거칠어지고 입경 크기가 증가함을 확인할 수 있었다.
도 3는 MA, PSMA, 및 PSMA-PEI의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 말레산 무수물의 경우 1267과 1704 cm-1로부터 anhydride carbonyl group을 확인할 수 있었다. PSMA-PEI의 경우 640 cm-1 (amide 1)과 1550 cm-1 (amide 2)로부터 아마이드 기를 확인하였으며, 말레산 무수물의 1704 cm-1가 이동하여 1720 cm-1에서 피크를 나타내었다.
도 4는 PSMA와 PSMA-PEI의 반응성 여부를 확인하기 위한 1H-NMR 분석 그래프를 나타낸 것이다. 도 4의 좌측은 PSMA의 NMR 분석 그래프를 나타낸 것으로, PSMA는 1.8-3.6 ppm에서 넓은 두 봉우리 피크가 형성되어 메틸렌과 3차 탄소의 메인 체인을 나타내며 1.25의 피크는 메틸렌 그룹을 나타낸다 또한, 7.0-7.8 ppm의 피크에서 스티렌이 존재함을 확인할 수 있었다. 한편, 도 4의 우측 그래프에서 PSMA-PEI 는 2.4-3.1 ppm에서 오버랩핑되어 PEI 블록이 있음을 확인할 수 있었다.
도 5는 PSMA-PEI 의 구리 이온과의 반응성을 확인하기 위한 UV-VIS 스펙트럼 및 형광 스펙트럼을 나타낸 것이다. PSMA-PEI가 구리 이온과 반응시 UV-VIS 스펙트럼의 흡수 밴드가 650 nm 부근에서 증가하였으며, 형광 스펙트럼으로부터 구리 이온의 농도가 높아질수록 푸른색을 띄며 피크가 강해짐을 확인할 수 있었다.
또한, 형광 스펙트럼의 강도 역시 555nm 부근에서 증가함을 확인할 수 있었다. 상기 도 5로부터 PSMA-PEI 코어-쉘 형태 입자는 수중에서 구리 이온을 선택적으로 검출할 수 있는 화학 센서로 사용될 수 있을 것으로 보인다.
실험예 2. 구리 이온 검출 실험
구리 이온의 정량적인 감지가 가능한지 확인하기 위해, 도 6과 같이 실시예 1에 따른 조성물에, 각각 구리 이온 1uM (0.063546 ppm) 내지 10uM (0.63546 ppm)이 포함된 검출 대상 시료를 투입하고, 색변화를 관찰하였다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 구리 이온의 농도가 증가할수록 나일레드가 침착된 센서가 분홍색에서 파랑색으로 변하는 것을 시각적으로 확인할 수 있었다. 이를 통해, 구리 이온이 검출되는 것을 알 수 있다. 한편, 이는 양이온 중합체인 폴리에틸렌이민이 킬레이션을 통해 구리이온과 결합함에 따른 것으로, 폴리에틸렌이민이 흡착제로 작용하여 형광염료와 구리이온의 거리 변화를 조절해 형광 특성을 나타내게 된다.
실험예 3. 폴리에틸렌이민 함량에 따른 입자크기, 구리와 형광염료와의 거리, 쉘(shell)의 두께 확인 실험
폴리에틸렌이민 함량에 따른 구리이온 검출 강도를 확인하기 위하여, 형광 적정 실험을 진행하였다. 구체적으로, 형광 적정 실험은 10ml 부피 플라스크에 PSMA-PEI 입자 분산액과 물을 넣고 스펙트럼을 기록하였다. Cu(NO3)2 1mM 용액을 농도별로 첨가 후 15분 후 분석을 진행하였다. 그 결과를 하기 표 1 및 도 7 및 도 8에 나타내었다.
PSMA EA
(Oxygen) 		PEI/MA E Distance (r)
(nm) 		particle size(nm)
Figure 112017041562718-pat00002
Figure 112017041562718-pat00003
9.5:0.5 0.13 % 1 X X X
1.5 0.36 3.3 726.0
2 0.52 3.0 624.8
4 0.66 2.7 622.3
8 0.86 2.2 589.9
10 0.89 2.1 585.9
9:1 0.26 % 1 0.31 3.4 951.8
1.5 0.38 3.2 878.3
2 0.54 2.9 865.1
4 0.87 2.2 810.9
8 0.97 1.7 715.1
10 0.97 1.7 666.4
8.5:1.5 0.5 % 1 0.40 3.2 1392.0
1.5 0.62 2.8 877.0
2 0.61 2.8 873.4
4 0.89 2.1 797.2
8 0.97 1.7 718.1
10 0.97 1.7 687.3
각각의 PSMA(PS:MA의 비율을 9.5:0.5, 9:1, 8.5:1.5)에서 MA의 비율별로 1 ~10배까지 PEI를 부가하였다. PEI의 양이 증가할수록 FRET의 효율이 증가하며 거리가 감소함을 확인할 수 있었으며, 9:1과 8.5:1.5에서는 PEI의 비율이 MA대비 8배 이상부터는 효율과 거리가 유지 되어지는 것이 확인되었다. 9.5:0.5 에서도 8배부터는 효율의 증가치와 거리가 미미함에 따라 MA:PEI의 함량은 1: 8일때가 최적의 비율이라고 확인되었다. 위와 같이 PEI양이 증가할수록 효율이 증가하는 이유는 PEI가 MA와의 반응이 증가하여 구리이온 검출능력이 증가하기 때문으로 판단되었다. 또한 각 샘플당 PEI가 증가할수록 구리이온과 형광염료간의 거리(distance)가 감소(도 7)하고 입자크기가 감소(도 8)하는데 이는 MA의 표면에 붙어있는 PEI가 함량이 적을 시, 입자간 PEI에 의해서 응집(agglomeration)이 진행되어 입자크기가 오히려 더 증가하고 PEI의 양이 충분하여 MA와의 결합이 진행된 경우 응집(agglomeration)이 진행되지 않아 입자크기가 감소한 것으로 판단하였다. 위와 같은 이유로 너무 적은 PEI의 양은 FRET의 효율이 좋지 않고 응집이 진행되어 입자사이즈가 커지는 것을 확인할 수 있으며, 8배 이상의 PEI양은 입자의 크기와 효율에 영향을 주지 못하는 것으로 판단되었다.
또한, 구리 이온 농도 및 PSMA 및 PEI 함량에 따른 흡광도 변화 및 수치데이터는 도 9에 나타내었으며, 형광강도 데이터는 도 10에 나타내었다.
PSMA:PEI의 함량이 1:1, 1:2의 경우 1:3, 1:5, 1:7, 1:8 (중량비)보다 형광강도가 낮음을 확인할 수 있으며(도 10), 이로 인해 상대적으로 구리이온에 대한 감도가 낮은 것을 알 수 있다. 구체적으로, 도 10은 (검정색부터 위로 1:1, 1:2, 1:3, 1:5, 1:7, 1:8 (중량비)) 형광광도분석을 통한 강도를 측정한 데이터로 1배(검정색) 2배(빨강색)은 강도가 약하여 그 이상의 PEI 부가량이 필요하다고 판단되었다. 또한, PEI의 부가량이 증가할수록 강도가 강해지는 것을 확인할 수 있었다.
추가로, 도 9는 우측상단에 기재되어있는 비율(MA : PEI)이 1: 1~8까지 적용된 나노 형광센서의 샘플에 대해서 각 샘플당 구리이온의 농도를 다르게하여 UV-vis분석을 한 데이터로서 흡광도의 변화를 나타낸 결과이다. 각각 구리 이온 1uM (0.063546 ppm) 내지 10uM (0.63546 ppm)이 포함된 검출 대상 시료를 투입하고, 색변화를 관찰하였다. 구리이온의 농도가 증가할수록 750nm의 흡광도의 세기가 점점 강해지는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 농도의 변화에 대해서 반응함을 확인할 수 있었다.

Claims (12)

  1. 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 및 형광염료를 포함하는 중금속 이온 검출용 조성물로서,
    상기 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)은 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 표면의 친수성 부분에는 폴리에틸렌이민이 결합되고, 소수성 부분에는 형광염료가 침착된 코어-쉘 구조를 가지고,
    상기 폴리에틸렌이민의 함량은 상기 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 말레산 무수물 중량 기준으로 1 내지 8 배 (중량)인 것인, 중금속 이온 검출용 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌이민이 중금속 이온을 흡착하면, 상기 형광염료가 중금속 이온과 반응하여 형광 공명 에너지 전이 효과를 나타내는 것인, 중금속 이온 검출용 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중금속 이온은 구리 이온(Cu2+), 코발트 이온(Co2+), 아연 이온 (Zn2+), 카드뮴 이온 (Cd2+), 납 이온 (Pb2+) 및 수은(Hg2+) 이온으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것인, 중금속 이온 검출용 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 형광염료는 나일레드, 플루오레세인(fluorescein), 나일블루, 플로로신, 플루오세인 이소티오시아네이트(FITC, fluoresein Isothiocyanate), 로다민, 테트라메틸로다민(TMR, Tetramethylrhodamine), 루시퍼 엘로우, B-파이토에리쓰린, 9-아크리딘이소티오시아네이트, 루시퍼 엘로우 VS, 4-아세트아미도-4'-이소티오-시아나토스틸벤-2,2'-다이설폰산, 7-다이에틸아미노-3-(4'-이소티오시아토페닐)-4-메틸쿠마린, 석시니미딜-파이렌부티레이트, 4-아세트아미도-4'-이소티오시아나토스틸벤-2,2'-다이설폰산 유도체, 텍사스 레드, 알렉사 플루오르, 4,6-디아미디노-2-페닐인돈 (DAPI, 4,6-diamidino-2-phenylindole), 쿠마린, 리사민, 이소티오시아네이트, 에리쓰로신 이소티오시아네이트, 다이에틸렌트리아민 펜타아세테이트, 1-다이메틸아미노나프틸-5-설포네이트, 1-아닐리노-8-나프탈렌 설포네이트, 2-p-토우이디닐-6-나프탈렌 설포네이트, 3-페닐-7-이소시아나토쿠마린, 9-이소티오시아나토아크리딘, 아크리딘 오렌지, N-(p-(2-벤족사조일릴)페닐)멜레이미드, 벤족사디아졸, 스틸벤, 파이렌 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 중금속 이온 검출용 조성물.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 입자 크기는 100nm 내지 1um인 것인, 중금속 이온 검출용 조성물.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌이민에 흡착된 중금속 이온과 형광 염료간의 거리는 1 내지 3nm 인 것인, 중금속 이온 검출용 조성물.
  9. 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)에 폴리에틸렌이민을 첨가하여 에스터화 반응을 통해 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)을 제조하는 단계; 및
    형광염료를 첨가하는 단계;
    를 포함하는, 제1항, 제3항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 중금속 이온 검출용 조성물의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 폴리에틸렌이민은 상기 폴리(스티렌-코-말레산 무수물)의 말레산 무수물 중량 기준으로 1 내지 8 배 (중량)의 함량으로 첨가하는 것인 제조방법.
  11. 제1항, 제3항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 폴리에틸렌이민으로 표면 개질된 폴리(스티렌-코-말레산 무수물) 및 형광염료를 포함하는 조성물에 검출 대상 시료를 투입하는 단계; 및
    상기 조성물의 색 변화에 의해 검출 대상 시료 내의 중금속 이온을 검출하는 단계를 포함하는,
    중금속 이온을 검출하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중금속 이온의 농도는 1uM (0.063546 ppm) 내지 10uM (0.63546 ppm)인 것인, 중금속 이온을 검출하는 방법.
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