KR101978683B1 - 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, a) 유기산이 결합된 금 나노입자 용액을 제조하는 단계; b) 상기 a) 단계의 용액에 독성 금속 이온을 함유하는 시료를 가해주어 금 나노입자의 응집 반응을 수행하는 단계; c) 상기 b) 단계의 용액을 실리콘 기판 위에 적가 및 건조시킴으로써 상기 b) 단계에서 응집된 금 나노입자를 상기 실리콘 기판 위에 고정하는 단계; 및 d) 상기 실리콘 기판 위에 고정된 금 나노입자의 특성을 분석하는 단계를 포함하는 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 시료 중에 존재하는 극미량의 독성 금속 이온의 경우에도 우수한 민감도로 검출이 가능하며, 따라서 외식업체 및 병원 등에서의 수질 관리, 상하수도 오염 측정, 산업폐수 관리, 더 나아가 발전 후 정수기 및 식음료 산업 등에도 폭넓게 적용이 가능하다.
본 발명에 따르면 시료 중에 존재하는 극미량의 독성 금속 이온의 경우에도 우수한 민감도로 검출이 가능하며, 따라서 외식업체 및 병원 등에서의 수질 관리, 상하수도 오염 측정, 산업폐수 관리, 더 나아가 발전 후 정수기 및 식음료 산업 등에도 폭넓게 적용이 가능하다.
Description
본 발명은 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법에 관한 것이다.
알루미늄, 수은, 은, 구리, 크롬, 코발트, 구리 등과 같은 다양한 금속들은 먹이사슬을 통해서 2차, 3차 생태계를 거친 후 인체 내에 축적되게 되면 심각한 악영향을 초래할 수 있는 것으로 보고되고 있다.
특히, 알루미늄은 대표적인 금속 소재로서, 산업용 및 가정용 금속 소재로서 다방면으로 유용하게 사용되고 있다. 일반적으로, 알루미늄은 자연계의 1차 생태계에서는 10-15 M 정도의 극미량으로 포함되어 있어서, 그 자체로 인체에 악영향을 미치기는 어렵지만, 전술한 먹이사슬을 통한 축적 과정을 거칠 경우, 뼈, 뇌, 간, 심장, 비장, 근육 등 다양한 인체 조직에 악영향을 미칠 수 있는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 알루미늄 농도를 적절한 수준으로 유지하기 위한 센서의 필요성이 부각되고 있으며, 폐수처리시설뿐만 아니라, 외식업체 및 보건소, 병원 등과 같은 의료기관에서의 알루미늄 이온의 조기 검출은 국민 건강 증진을 위해서 매우 중요한 사항이다.
관련해서, Shan C. 등의 연구진은 시트르산이 캡핑된 금 나노입자를 사용하여 시료 중 알루미늄의 가시적 검출을 시도한 연구를 보고한 바 있으며 (비특허문헌 1), 상기 연구는 금 나노입자와 시트르산을 배위 결합시킨 용액에 알루미늄 이온 (Al3 +)을 첨가하게 되면, 용액의 색상이 적색에서 청색으로 변화하는 현상에 기반한 시료 중 알루미늄 이온의 검출방법을 제시한 바 있다.
그러나 전술한 방법은 광학기기를 사용하여 최대 1 μM 정도의 알루미늄 이온 농도만을 검출할 수 있는바, 검출능에 한계가 있다는 문제점을 내포하고 있다.
Shan C. "Rapid visual detection of aluminum ion using citrate capped gold nanoparticles". 2012. Analyst.
이에, 본 발명에서는 전술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하였으며, 구체적으로는, 유기산이 결합된 금 나노입자와 독성 금속 이온과의 결합시에 발생되는 표면 전하의 차이를 이용하여, 시료 중 존재하는 독성 금속 이온을 매우 극미량까지도 정확하게 선택적으로 검출가능한 기술을 제공하고자 하였다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
a) 유기산이 결합된 금 나노입자 용액을 제조하는 단계;
b) 상기 a) 단계의 용액에 독성 금속 이온을 함유하는 시료를 가해주어 금 나노입자의 응집 반응을 수행하는 단계;
c) 상기 b) 단계의 용액을 실리콘 기판 위에 적가 및 건조시킴으로써 상기 b) 단계에서 응집된 금 나노입자를 상기 실리콘 기판 위에 고정하는 단계; 및
d) 상기 실리콘 기판 위에 고정된 금 나노입자의 특성을 분석하는 단계를 포함하는 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 a) 단계의 유기산은 시트르산, 시토신, 티민 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 독성 금속 이온은 알루미늄, 수은, 은, 구리 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 d) 단계의 금 나노입자의 특성은 금 나노입자 응집물의 높이 또는 그 표면 전하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 금 나노입자 응집물의 높이는 원자력 현미경 (atomic force microscopy)에 의해서 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 금 나노입자 응집물의 표면 전하는 표면 전하 현미경 (Kelvin probe force microscopy)에 의해서 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 b) 단계의 응집 반응은 상온에서 1.5 시간 내지 3 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면 시료 중에 존재하는 극미량의 독성 금속 이온의 경우에도 우수한 민감도로 검출이 가능하며, 따라서 외식업체 및 병원 등에서의 수질 관리, 상하수도 오염 측정, 산업폐수 관리, 더 나아가 발전 후 정수기 및 식음료 산업 등에도 폭넓게 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 독성 금속 이온 검출 방법에 대한 개요도를 도시한 것이다.
도 2는 1% HAuCl4 1ml 및 1% TSC 5ml를 넣고 30분 동안 가열하면서 용액의 색상 변화를 관찰함에 있어서, 3분 간격으로 촬영한 사진들을 도시한 것이다.
도 3a 내지 3b는 HAuCl4 및 TSC를 함유한 용액에 알루미늄 시료 용액을 첨가한 직후(3a)(좌측부터 알루미늄 이온의 농도는 1 pM, 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM, 100 nM, 25 μM, 37.5 μM, 50 μM, 100 μM), 첨가 12시간 후(3b)의 사진을 각각 도시한 것이다.
도 4의 (a)는 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자와 알루미늄 이온의 결합에 의한 색 변화를 나타낸 모식도이고, (b)는 알루미늄 이온 농도 100 μM부터 1 pM까지를 금 나노입자와 1:1 반응시킨 후 육안 및 UV-VIS spectroscopy 로 확인한 결과이며, (c)는 알루미늄 이온 농도에 따른 peak wavelength, (d)는 알루미늄 이온 농도에 따른 640 nm에서의 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 대조군으로서 순수 (bare) 상태의 시트르산 코팅 금 나노입자에 대한 AFM 영상을 관찰한 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 대조군으로서 순수 (bare) 상태의 시트르산 코팅 금 나노입자에 대한 KPFM 영상을 관찰한 결과를 도시한 도면이다.
도 7a 및 7b는 각각 100 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시한 것이다.
도 8a 및 8b는 각각 10 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시한 것이다.
도 9a 및 9b는 각각 1 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시한 것이다.
도 10은 시트르산 단분자와 시트르산이 결합된 금 나노입자의 알루미늄 이온 시료(농도는 100 nM)에 대한 높이와 표면 전하를 비교 실험한 결과를 나타낸 것으로, (a)는 높이와 표면 전하 이미지, (b)는 (a)에 대한 라인프로필(line profile), (c)는 높이와 표면 전하를 수치화한 결과 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자의 알루미늄 이온 농도(0(Control), 2 amol(1 pM), 20 amol, 200 amol, 2 fmol, 20 fmol, 200 fmol)에 따른 높이와 표면 전하를 나타낸 것으로, (a)는 높이와 표면 전하 이미지, (b)는 (a)에서 화살표가 위치한 곳의 금 나노입자에 대한 라인프로필(line profile), (c)는 (a)의 이미지로부터 높이를 수치화한 결과 그래프, (d)는 (a)의 이미지로부터 표면 전하를 수피화한 결과 그래프, (e)는 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자의 다양한 중금속 이온(구리, 칼슘, 망간, 아연, 나트륨)에 대한 표면 전하를 알루미늄 이온과 비교 실험한 결과를 나타낸다.
도 12는 알루미늄 호일을 이용한 본 발명의 알루미늄 이온 검출능을 시험한 결과로서, (a)는 알루미늄 호일을 염화나트륨 1 mM을 함유한 식수에서 30분 동안 가열하기 전과 후의 이미지, (b)는 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 본 발명에 따른 시트르산 결합된 금 나노입자와 1:1 반응시킨 후의 ICP-MS 분석 결과, (c)는 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 희석한 샘플에 대한 본 발명의 검출 민감도를 나타낸다.
도 2는 1% HAuCl4 1ml 및 1% TSC 5ml를 넣고 30분 동안 가열하면서 용액의 색상 변화를 관찰함에 있어서, 3분 간격으로 촬영한 사진들을 도시한 것이다.
도 3a 내지 3b는 HAuCl4 및 TSC를 함유한 용액에 알루미늄 시료 용액을 첨가한 직후(3a)(좌측부터 알루미늄 이온의 농도는 1 pM, 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM, 100 nM, 25 μM, 37.5 μM, 50 μM, 100 μM), 첨가 12시간 후(3b)의 사진을 각각 도시한 것이다.
도 4의 (a)는 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자와 알루미늄 이온의 결합에 의한 색 변화를 나타낸 모식도이고, (b)는 알루미늄 이온 농도 100 μM부터 1 pM까지를 금 나노입자와 1:1 반응시킨 후 육안 및 UV-VIS spectroscopy 로 확인한 결과이며, (c)는 알루미늄 이온 농도에 따른 peak wavelength, (d)는 알루미늄 이온 농도에 따른 640 nm에서의 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 대조군으로서 순수 (bare) 상태의 시트르산 코팅 금 나노입자에 대한 AFM 영상을 관찰한 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 대조군으로서 순수 (bare) 상태의 시트르산 코팅 금 나노입자에 대한 KPFM 영상을 관찰한 결과를 도시한 도면이다.
도 7a 및 7b는 각각 100 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시한 것이다.
도 8a 및 8b는 각각 10 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시한 것이다.
도 9a 및 9b는 각각 1 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시한 것이다.
도 10은 시트르산 단분자와 시트르산이 결합된 금 나노입자의 알루미늄 이온 시료(농도는 100 nM)에 대한 높이와 표면 전하를 비교 실험한 결과를 나타낸 것으로, (a)는 높이와 표면 전하 이미지, (b)는 (a)에 대한 라인프로필(line profile), (c)는 높이와 표면 전하를 수치화한 결과 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자의 알루미늄 이온 농도(0(Control), 2 amol(1 pM), 20 amol, 200 amol, 2 fmol, 20 fmol, 200 fmol)에 따른 높이와 표면 전하를 나타낸 것으로, (a)는 높이와 표면 전하 이미지, (b)는 (a)에서 화살표가 위치한 곳의 금 나노입자에 대한 라인프로필(line profile), (c)는 (a)의 이미지로부터 높이를 수치화한 결과 그래프, (d)는 (a)의 이미지로부터 표면 전하를 수피화한 결과 그래프, (e)는 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자의 다양한 중금속 이온(구리, 칼슘, 망간, 아연, 나트륨)에 대한 표면 전하를 알루미늄 이온과 비교 실험한 결과를 나타낸다.
도 12는 알루미늄 호일을 이용한 본 발명의 알루미늄 이온 검출능을 시험한 결과로서, (a)는 알루미늄 호일을 염화나트륨 1 mM을 함유한 식수에서 30분 동안 가열하기 전과 후의 이미지, (b)는 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 본 발명에 따른 시트르산 결합된 금 나노입자와 1:1 반응시킨 후의 ICP-MS 분석 결과, (c)는 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 희석한 샘플에 대한 본 발명의 검출 민감도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에서는 시료 중에 존재하는 독성 금속 이온을 검출하기 위해서, 독성 금속 이온과 유기산 결합 금 나노입자 사이의 응집 반응을 이용하고자 하였으며, 기판 상에 형성된 금 나노입자 응집물의 소정 특성들을 분석함으로써, 우수한 민감도 또는 검출도로 시료 중 독성 금속 이온을 검출하고자 하였다.
본 발명에 따른 독성 금속 이온의 검출 방법은,
a) 유기산이 결합된 금 나노입자 용액을 제조하는 단계;
b) 상기 a) 단계의 용액에 독성 금속 이온을 함유하는 시료를 가해주어 금 나노입자의 응집 반응을 수행하는 단계;
c) 상기 b) 단계의 용액을 실리콘 기판 위에 적가 및 건조시킴으로써 상기 b) 단계에서 응집된 금 나노입자를 상기 실리콘 기판 위에 고정하는 단계; 및
d) 상기 실리콘 기판 위에 고정된 금 나노입자의 특성을 분석하는 단계를 포함한다.
도 1에는 본 발명에 따른 독성 금속 이온 검출 방법에 대한 개요도를 도시하였으며, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해서는, 먼저, 그 첫 번째 단계로서, 본 발명에 따른 방법에서는 금 나노입자의 표면에 유기산을 결합시킴으로써 유기산이 결합된 금 나노입자의 용액을 제조하는 단계를 수행하게 된다. 이러한 단계에서 금 나노입자의 표면에 결합이 가능한 유기산으로는, 시트르산, 시토신, 티민 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용할 수 있다.
예를 들어, 유기산으로서 시트르산을 사용하는 경우, 트리소듐시트르산 (trisodiumcitrate, TSC) 용액에 금 나노입자 전구체로서 HAuCl4 용액을 혼합한 다음 소정 시간 가열해 줌으로써 유기산이 결합된 금 나노입자 용액을 제조할 수 있게 된다.
또한, 시토신 (Cytosine) 또는 티민 (Thymine)을 사용하는 경우, 말단이 티올로 된 뉴클레오티드를 Tris-EDTA 완충용액에 용해시켜 준비하고, 금 나노입자 용액과 상기 용액을 혼합하여 상온에서 2시간 동안 반응시켜 DNA 중 시토신 또는 티민이 결합된 금 나노 입자 용액을 제조할 수 있게 된다.
다음 단계로는, 제조된 상기 a) 단계의 용액에 분석하고자 하는 독성 금속 이온을 함유한 시료를 가해주게 되는데, 이에 의해서 시료 중의 독성 금속 이온과 유기산이 결합된 금 나노입자의 응집 반응이 수행되게 된다. 하기 실시예에서는 본 발명에 따라서 분석이 가능한 독성 금속 이온으로서, 알루미늄을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 방법이 반드시 알루미늄 이온에만 한정되는 것은 아니며, 전술한 금 나노입자의 코팅 기법에 따라서 알루미늄, 수은, 은, 구리 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 다양한 독성 금속 이온의 검출이 가능하다.
한편, 상기 b) 단계 응집 반응은 상온에서 1.5 시간 내지 3 시간 동안 수행될 수 있는바, 응집 반응 시간이 1.5 시간 미만인 경우, 독성 금속 이온에 의한 금 나노입자의 응집 반응이 충분히 수행될 수 없다는 문제점이 있고, 3 시간을 초과하는 경우에는 분석에 지나치게 장시간이 소요되는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
이어서, 상기 b) 단계 응집 반응이 수행된 용액을 실리콘 기판 위에 적가 및 건조시킴으로써 상기 b) 단계에서 응집된 금 나노입자를 상기 실리콘 기판 위에 고정하는 단계를 수행하게 된다 (c) 단계). 상기 c) 단계를 수행함에 있어서 금 나노입자가 고정된 기판으로서 실리콘 재질의 기판을 예로 들었으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 후속 수행되는 원자력 현미경 분석 또는 표면 전하 현미경 분석을 수행하기에 적합한 기판으로서, 유리, 플라스틱 등의 다양한 재질을 기판들을 사용하는 것도 가능하다.
마지막으로, 기판 상에 고정된 금 나노입자의 응집물의 특성을 분석함으로써 분석 대상 시료 중의 독성 금속 이온에 대한 검출이 가능해지는 바 (d) 단계), 특히 본 발명에서는 상기 금 나노입자 응집물의 높이 또는 그 표면 전하에 대한 분석을 수행할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 분석 방법은 전술한 Shan C. 등의 육안 또는 스펙트로스코피에 의한 색상 분석에 비해서 월등하게 우수한 검출 민감도를 나타낸다. 예를 들어, 상기 금 나노입자 응집물의 높이에 대한 분석은 원자력 현미경 (atomic force microscopy)을 사용하여 수행할 수 있으며, 표면 전하에 대한 분석은 표면 전하 현미경 (Kelvin probe force microscopy)을 사용하여 측정할 수 있는데, 표면 전하 분석을 이용할 경우, 기존 색상 분석에 비해서 1000배 이상의 고감도 검출이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면 금 나노입자가 알루미늄 이온과 높은 결합력을 가지는바, 크기가 작은 유기산 단분자를 사용한 경우에 비해 알루미늄 이온의 위치를 용이하게 파악할 수 있으며, 금 나노입자의 전기적 전도도가 우수한 특성으로 인해 유기산 단분자 대비 전기적 증폭 효과를 가져올 수 있는바, 알루미늄 이온과의 결합에 따라 더욱 민감한 표면전하 분석이 가능해진다(도 1).
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실험 방법
트리소듐시트르산 (TSC) 1.00g과 물 99.00g을 섞어 1% TSC 용액을 제조하였다. 이와는 별도로, 250ml 비커에 증류수 100ml와 교반기를 넣고, 물중탕 장치를 사용하여 가열하였다. 상기 물의 온도가 90℃ 이상이 되면 차례대로 1% HAuCl4 1ml 및 1% TSC 5ml를 넣고 30분 동안 가열하면서 용액의 색상 변화를 관찰하였다. 30분 경과 후, 250ml 비커를 꺼내고 알루미늄 호일로 감싼 다음 30분 동안 냉각시켰다. 5개의 바이알을 준비하고 각각의 바이알에 상기 제조된 용액 2ml씩을 담았다.
한편, 시료로서 알루미늄 이온이 첨가된 용액을 제조하기 위해서, DW 10 ml에 만들어진 용액의 농도가 각각 10-4M, 5 × 10-4M, 10-5M, 5 × 10-5M이 되도록 Al(ClO4)3·9H2O를 첨가해 주었다 (용액 제조를 위해서 vortex를 이용하여 완전히 용해시킴).
상기 준비된 4개의 바이알에 상기 제조된 알루미늄 이온 함유 시료 용액을 각각 1ml씩 넣고, 나머지 하나에는 DW 1ml를 넣어 주었다 (변화를 관찰할 수 있도록 동영상 촬영). 충분한 시간이 경과한 후, 용액의 변화를 관찰하였다.
금 나노입자 생성에 따른 용액의 색상 변화
도 2에는 1% HAuCl4 1ml 및 1% TSC 5ml를 넣고 30분 동안 가열하면서 용액의 색상 변화를 관찰함에 있어서, 3분 간격으로 촬영한 사진들을 도시하였다.
도 2를 참조하면, 가열 시간이 경과함에 따라서 용액이 적색으로 변화하는 바, 용액 중에 금 나노입자가 형성됨을 확인할 수 있다. 이는, 시트르산이 금 이온과 반응하여 금 이온이 환원되고, 또한 시트르산이 안정제로 작용함으로써 금 입자들이 응집물을 형성함에 따른 결과이다.
다양한 농도의 알루미늄 이온을 함유한 시료의 색상 변화
(1) 전술한 바와 같이, DW 1 ml와, 1 pM, 10 pM, 100 pM, 1 nM, 10 nM, 100 nM, 25 μM, 37.5 μM, 50 μM, 100 μM의 알루미늄 이온을 함유하는 시료 용액을 각각 HAuCl4 및 TSC를 함유한 용액에 첨가해 준 다음, 그 색상 변화를 관찰하였다. 도 3a 및 3b에는 알루미늄 시료 용액 첨가 직후 사진(3a)과 첨가 12시간 후(3b)의 사진을 각각 도시하였다.
도 3a를 참조하면, 알루미늄 이온 함유 시료 용액의 첨가 직후 바로 반응이 발생되면서 용액의 색상이 적색에서 청색으로 변화하는 것을 알 수 있다. 또한, 첨가한 알루미늄 이온의 농도가 높을수록 혼합 용액의 색상이 더 짙은 청색으로 변화하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 알루미늄 이온 함유 시료 용액의 첨가 후 12시간이 경과한 이후의 용액 사진을 도 3b에 도시하였다. 도 3b를 참조하면, 용액이 투명하게 변화한 것을 관찰할 수 있지만, 도 3b의 용액을 정밀 조사하면, 용액 중에 흑색의 소립자들이 부유하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 알루미늄 입자와 금 나노입자 사이의 반응이 충분히 진행되어 금 입자의 크기가 커졌는바, 더이상 용액이 색상을 나타내지 않고, 대신에 응집된 금 입자가 흑색 소립자로서 육안관찰이 가능해졌음을 의미한다.
(2) 또한, 알루미늄 이온 농도 100 μM부터 1 pM까지를 시트르산이 결합된 금 나노입자(HAuCl4 및 TSC를 함유한 용액)와 1:1 반응시킨 후 육안 및 UV-VIS spectroscopy 로 변화를 관찰하였다.
도 4의 (a)는 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자와 알루미늄 이온의 결합에 의한 색 변화를 나타낸 모식도이고, (b)는 알루미늄 이온 농도 100 μM부터 1 pM까지를 금 나노입자와 1:1 반응시킨 후 육안 및 UV-VIS spectroscopy 로 확인한 결과이다. 이와 같이 알루미늄 이온과의 결합을 통해 금 나노입자의 집적화가 진행되면 용액의 색이 적색에서 청색으로 변화하는 것을 확인할 수 있으나, 알루미늄 이온의 농도가 50 μM 이상인 경우에만 금 나노입자의 기본 Peak wavelength 인 520 nm에서 벗어나며 그 이하의 농도에서는 색상 또는 피크의 이동이 관찰되지 않는다. 또한, 도 4의 (c)는 알루미늄 이온 농도에 따른 peak wavelength, (d)는 알루미늄 이온 농도에 따른 640 nm에서의 흡광도를 나타낸 그래프로 이를 통해 앞서 확인한 바와 같이 알루미늄 이온의 농도가 50 μM 이하인 경우에는 금 나노입자의 집적화가 이루어지지 않음을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 육안 또는 광학 장비를 통한 알루미늄 이온의 검출 방법은 매우 낮은 농도의 알루미늄 이온을 검출하기에는 적합하지 않음을 확인하였다.
원자력 현미경 및 표면 전하 현미경 측정
(1) 먼저, 원자력 현미경을 사용하여 순수 (bare) 상태의 시트르산 코팅 금 나노입자에 대한 AFM 영상을 관찰하였다. 도 5에는 그 결과를 도시하였으며, 도 5를 참조하면, AFM에 의한 높이 분석 결과, 순수 시트르산 코팅 금 나노입자는 대략 15~20 nM의 높이를 가짐을 알 수 있었다.
또한, 동일한 지점에 대해서 표면 전하 현미경 관찰을 수행하였는바, 순수 상태의 금 나노입자는 표면이 시트르산으로 코팅되어 있는데, 시트르산의 말단이 전부 카르복실기 및 수산기로 이루어져 있기 때문에, 금 나노입자의 가장 자리에서 표면 전하가 (-) 쪽으로 감소한다. 도 6에는 KPFM 분석 결과를 도시하였으며, 그 결과 순수 금 나노입자의 표면은 약 80 mV의 측정값을 가짐을 알 수 있었다.
한편, 전술한 바와 같이 순수 상태의 금 나노입자에 대한 대조군 실험을 진행한 후, 알루미늄 이온 농도를 낮춰가며 검출 한계를 알아보기 위한 실험을 진행하였다. 그 농도는 각각 100 nM, 10 nM, 1 nM로서, 금 나노입자 용액에 알루미늄 이온을 함유한 시료 용액 추가하여 2시간 동안 반응시킨 후, 그 AFM 및 KPFM 영상들을 통한 분석을 수행하였다.
도 7a 및 7b에는 각각 100 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시하였다. 도 7a를 참조하면, 100 nM의 알루미늄 이온이 추가되어 시트르산 사이에 결합함으로써, 이격되어 있던 금 나노입자들이 집적화된 것을 AFM 영상을 통해서 확인할 수 있으며, 이는 육안으로 확인이 불가능했던 사항이다. 또한, 도 7b를 참조하면, KPFM 영상 분석 결과, 금 나노입자의 가장자리와 중심부의 표면 전하 차이는 50 mV로서, 순수 상태의 금 나노입자와 비교하였을 때, 약 ~ 30 mV의 표면 전하 차이가 관찰됨을 확인할 수 있었다.
도 8a 및 8b에는 각각 10 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시하였다. 도 8a를 참조하면, 10 nM의 알루미늄 이온이 추가되어 시트르산 사이에 결합함으로써, 이격되어 있던 금 나노입자들이 집적화된 것을 AFM 영상을 통해서 확인할 수 있으며, 100 nM 시료와는 상이하게 금 나노입자들이 바닥에 퇴적되지는 않음을 알 수 있었다. 또한, 도 8b를 참조하면, KPFM 영상 분석 결과, 금 나노입자의 가장자리와 중심부의 표면 전하 차이는 45 mV로서, 순수 상태의 금 나노입자와 비교하였을 때, 약 ~ 25 mV의 표면 전하 차이가 관찰됨을 확인할 수 있었다.
도 9a 및 9b에는 각각 1 nM의 알루미늄 이온 농도를 갖는 시료에 대한 AFM 및 KPFM 영상들을 도시하였다. 도 9a를 참조하면, 1 nM의 알루미늄 이온이 추가되어 시트르산 사이에 결합함으로써, 이격되어 있던 금 나노입자들이 집적화되기는 하였으나, 이는 AFM으로도 거의 식별이 불가능한 수준이었다. 실제 영상에서도, 금 나노입자가 얼마나 결합하였는지를 용이하게 확인할 수는 없었으며, 그 높이는 16 nm로서, 대략 순수 상태와 거의 유사하였다. 또한, 도 9b를 참조하면, KPFM 영상 분석 결과, 금 나노입자의 가장자리와 중심부의 표면 전하 차이는 40 mV로서, 순수 상태의 금 나노입자와 비교하였을 때, 약 ~ 20 mV의 표면 전하 차이가 관찰됨을 확인할 수 있었다. 즉, AFM 분석 결과를 통해서는 거의 식별이 불가능하였던 극미량의 알루미늄 이온의 경우에도, KPFM 분석 결과를 통해서는 분석이 가능함을 알 수 있다.
종합하면, 본 발명에 따른 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법을 사용할 경우, 종래 검출방법으로는 검출이 불가능하였던 극미량의 독성 금속 이온까지도 우수한 식별력으로 용이하게 검출할 수 있다는 사실을 알 수 있다.
(2) 또한, 시트르산 단분자만을 사용한 경우와, 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자를 사용한 경우의 알루미늄 이온 시료에 대한 높이와 표면 전하 비교 실험을 진행하였다. 도 10은 시트르산 단분자만, 시트르산이 결합된 금 나노입자의 알루미늄 이온 시료(농도는 100 nM)에 대한 높이와 표면 전하를 비교 실험한 결과를 나타낸 것으로, (a)는 높이와 표면 전하 이미지, (b)는 (a)에 대한 라인프로필(line profile), (c)는 높이와 표면 전하를 수치화한 결과 그래프이다.
도 10을 참조하면, 단분자인 시트르산만을 이용한 경우, 샘플 표면이 평평하여 알루미늄 이온의 위치를 찾기에 어려움이 있을 뿐만 아니라 알루미늄 이온에 따라 변화하는 표면전하 값이 오차가 많음을 확인할 수 있는 반면, 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자를 이용할 경우, 알루미늄 이온의 위치를 쉽게 찾을 수 있고(금 나노입자의 위치가 곧 알루미늄 이온의 위치와 동일한 의미), 표면전하의 경우에도 그 단차가 높아 분석을 실시하기에 매우 유리하고, (c)에 나타난 바와 같이 증폭 효과로 인하여 표면전하가 매우 높게 측정되는바 검출능이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
(3) 또한, 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자를 이용하여 더욱 낮은 알루미늄 이온 농도에 대하여도 검출이 가능한지 여부를 추가 실험하였으며, 구체적으로 알루미늄 이온 농도 0(Control), 2 amol(1 pM), 20 amol, 200 amol, 2 fmol, 20 fmol, 200 fmol에 대한 높이와 표면 전하를 분석하였다. 도 11은 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자의 알루미늄 이온 농도(0(Control), 2 amol(1 pM), 20 amol, 200 amol, 2 fmol, 20 fmol, 200 fmol)에 따른 높이와 표면 전하를 나타낸 것으로, (a)는 높이와 표면 전하 이미지, (b)는 (a)에서 화살표가 위치한 곳의 금 나노입자에 대한 라인프로필(line profile), (c)는 (a)의 이미지로부터 높이를 수치화한 결과 그래프, (d)는 (a)의 이미지로부터 표면 전하를 수피화한 결과 그래프, (e)는 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자의 다양한 중금속 이온(구리, 칼슘, 망간, 아연, 나트륨)에 대한 표면 전하를 알루미늄 이온과 비교 실험한 결과를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 높이(height)의 경우 알루미늄 이온 농도가 낮을 경우에는 유의미한 차이가 발생하지 않는바, 높이 분석을 통한 이온 단위의 검출은 불가능한 반면, 알루미늄 이온의 농도에 따라 표면전하의 크기 및 단차는 증가하는바 표면 전하 분석을 통해 알루미늄 이온 농도가 극히 낮은 경우에도(2 amol의 검출 한계) 검출이 가능함을 확인하였다(b, c, d 참조). 이처럼 본 발명은 실리콘 웨이퍼 상에 시트르산 결합된 금 나노입자와 알루미늄 이온의 결합물을 극히 소량(2 μL 사용)으로 사용하면서, 광학 장비 및 기타 장비에 비해 전처리 과정을 요구하지 않으며(label-free), 높은 민감도로 이온을 검출한다는 장점이 있다. 또한, 도 11의 (e)는 기타 중금속 이온과의 선택성을 실험한 결과로, 알루미늄 이온과 비교하였을 때, 기타 중금속 이온의 경우 반응이 매우 미미하거나 없어, 본 발명과 같이 시트르산이 결합된 금 나노입자를 사용할 경우 알루미늄 이온 검출에 높은 선택성을 가짐을 확인하였다. 다만, 이는 금 나노입자의 표면에 부착된 작용기의 특성에 따른 결과로서, 작용기의 종류를 달리함으로써 다양한 중금속 이온에 대하여도 선택적으로 높은 선택성을 부여할 수 있음을 암시한다.
(4) 마지막으로, 실제 환경 내에서 발생 및 유입되는 알루미늄 이온을 검출하는 능력을 확인하고자, 주방 용기로 널리 사용되는 알루미늄 호일을 이용하여 본 발명의 알루미늄 이온 검출능을 시험하였다. 도 12는 알루미늄 호일을 이용한 본 발명의 알루미늄 이온 검출능을 시험한 결과로서, (a)는 알루미늄 호일을 염화나트륨 1 mM을 함유한 식수에서 30분 동안 가열하기 전과 후의 이미지, (b)는 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 본 발명에 따른 시트르산 결합된 금 나노입자와 1:1 반응시킨 후의 ICP-MS 분석 결과, (c)는 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 희석한 샘플에 대한 본 발명의 검출 민감도를 나타낸다.
도 12를 참조하면, (a)에 도시한 바와 같이 알루미늄 호일을 염화나트륨 1 mM을 함유한 식수(삼다수)에서 30분 가열할 경우 수질 내에서 염기와의 반응을 통해 알루미늄 산화막을 생성하여 색이 검게 변하는 것을 확인할 수 있는바, 이를 통해 알루미늄 이온이 식수 내에 함유됨을 알 수 있다. 다음으로, (b)에 나타낸 바와 같이 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 본 발명에 따라 시트르산이 결합된 금 나노입자와 1:1 반응시킨 후 ICP-MS 이온 분석 장비를 통해 확인한 결과 알루미늄 이온의 존재로 인한 금 나노입자의 집적화로 금 나노입자와 알루미늄 이온의 결합물이 침전됨을 확인하였으며, 또한 칼륨, 망간, 칼슘, 나트륨 등의 이온들이 검출됨을 확인하였다. 이때, 나트륨의 함유량이 높은 이유는 실험 당시 알루미늄 호일을 염화나트륨 1 mM을 식수에 넣고 가열하였기 때문이며, 알루미늄은 식수에 표기된 무기물질에 포함되지 않는바 알루미늄 호일로부터 유입된 것임을 확인하였다. 다음으로, (c)에 나타낸 바와 같이 알루미늄 호일을 가열하고 남은 식수를 희석한 후 검출 민감도를 확인하는 실험을 진행하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 시트르산 결합된 금 나노입자를 이용하여(2 μL 사용)으로 표면전하 현미경을 통한 검출을 실시할 경우 748.6 amol의 검출한계를 가지는 것을 확인하였는바, 본 발명에 따를 경우 실제 환경 샘플(식수, 상하수도 등)에서도 매우 높은 민감도로 알루미늄 이온을 검출할 수 있음을 확인하였다.
결론적으로 본 발명에 따르면 시료 중에 존재하는 극미량의 독성 금속 이온의 경우에도 우수한 민감도로 검출이 가능한바, 외식업체 및 병원 등에서의 수질 관리, 상하수도 오염 측정, 산업폐수 관리, 더 나아가 발전 후 정수기 및 식음료 산업 등에도 폭넓게 적용할 수 있다.
Claims (7)
- a) 유기산이 결합된 금 나노입자 용액을 제조하는 단계;
b) 상기 a) 단계의 용액에 독성 금속 이온을 함유하는 시료를 가해주어 금 나노입자의 응집 반응을 수행하는 단계;
c) 상기 b) 단계의 용액을 실리콘 기판 위에 적가 및 건조시킴으로써 상기 b) 단계에서 응집된 금 나노입자를 상기 실리콘 기판 위에 고정하는 단계; 및
d) 상기 실리콘 기판 위에 고정된 금 나노입자의 특성을 분석하는 단계를 포함하고,
상기 d) 단계의 금 나노입자의 특성은 금 나노입자 응집물의 높이 또는 그 표면 전하이며,
상기 독성 금속 이온은 알루미늄 이온인 것을 특징으로 하는 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계의 유기산은 시트르산, 시토신, 티민 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 금 나노입자 응집물의 높이는 원자력 현미경 (atomic force microscopy)에 의해서 측정하는 것을 특징으로 하는 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 금 나노입자 응집물의 표면 전하는 표면 전하 현미경 (Kelvin probe force microscopy)에 의해서 측정하는 것을 특징으로 하는 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법. - 제1항에 있어서,
상기 b) 단계의 응집 반응은 상온에서 1.5 시간 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 시료 중 독성 금속 이온의 검출 방법.
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