KR102035709B1 - Colorimetric detection sensor and method for nitrite ion using gold nanocube - Google Patents

Colorimetric detection sensor and method for nitrite ion using gold nanocube Download PDF

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Abstract

육면체 형태의 금 나노큐브(gold nanocubes)가 아질산 이온의 식각(etching)에 의해 구형으로 변화하여 아질산 이온을 검출하는 비색 검출 센서 및 이를 이용한 비색 검출 방법이 제공된다. 육면체 모양의 금 나노큐브를 포함하는 비색 검출 센서의 염농도, pH, 온도, 반응 시간 등의 반응 조건을 조절함으로써, 아질산 이온 측정 감도 및 반응 속도를 최적화 할 수 있다. 상기 비색 검출 센서 및 이를 이용한 비색 검출 방법은 생물학적 시료나, 음용수, 환경시료 등에 함유되어 있는 아질산 이온의 농도를 색상 변화를 통해 판별할 수 있어 간편하게 현장에서 실시간으로 아질산 이온의 농도를 측정하는데 활용 될 수 있다. There is provided a colorimetric detection sensor and a colorimetric detection method using the same, wherein the gold nanocubes in the form of a cube changes into a sphere by etching of nitrite ions to detect nitrite ions. By adjusting the reaction conditions such as salt concentration, pH, temperature, reaction time, and the like of the colorimetric detection sensor including a hexahedral gold nanocube, it is possible to optimize the sensitivity and reaction rate of the nitrite ion. The colorimetric detection sensor and colorimetric detection method using the same can be used to determine the concentration of nitrite ions contained in biological samples, drinking water, environmental samples, etc. by changing the color to be conveniently used to measure the concentration of nitrite ions in the field in real time. Can be.

Description

금 나노큐브를 이용한 아질산 이온의 비색 검출 센서 및 비색 검출 방법{COLORIMETRIC DETECTION SENSOR AND METHOD FOR NITRITE ION USING GOLD NANOCUBE} Colorimetric detection sensor and colorimetric detection method of nitrite ion using gold nanocube {COLORIMETRIC DETECTION SENSOR AND METHOD FOR NITRITE ION USING GOLD NANOCUBE}

본 발명은 금 나노큐브(gold nanocube)를 이용한 아질산 이온(NO2 )의 비색 검출 센서 및 비색 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 생물학적 시료나, 음용수, 환경시료 등에 함유되거나 녹아 있는 유해물질인 아질산 이온(nitrite)의 검출 및 정량을 위한 금 나노큐브(gold nanocube)를 이용한 아질산 이온(NO2 )의 비색 검출 센서 및 비색 검출 방법에 관한 것이다. Hazardous in colorimetric detection sensor and relates to a colorimetric detection method and, more particularly, to melt or containing such a biological sample, or potable water, environmental samples of - the invention is gold nano-cube (gold nanocube) for using nitrite ions (NO 2) The present invention relates to a colorimetric detection sensor and a colorimetric detection method of nitrite ion (NO 2 ) using a gold nanocube for detecting and quantifying nitrite as a substance.

유해물질 중 특히 아질산 이온(nitrite)은 장기간 노출될 경우, 전신 염증, 산화 스트레스 (oxidative stress), 그리고 혈관 내피 손상까지 가져올 수 있다. 아질산 증기를 흡입할 경우, 기도, 눈, 목에 강한 자극이 가해지며, 청색증, 호흡 곤란이 올 수 있으며, 심한 경우 폐수종으로 사망할 수도 있다. Nitrite ions, especially nitrites, can cause systemic inflammation, oxidative stress, and vascular endothelial damage after prolonged exposure. Inhalation of nitrite vapors can cause strong irritation to the airways, eyes, and throat, cyanosis, shortness of breath, and severe death of lung edema.

미국 EPA(Enviromental Protection Agency)에서는 음용수 내 허용될 수 있는 최대 아질산 허용 농도(maximum permissible concentration)를 1 ppm (1 mg/L)으로 규정[EPA 2002; EPA 2012] 하고 있으며, 이는 모든 공용으로 사용되는 물에 적용된다. The U.S. Environmental Protection Agency (EPA) sets a maximum permissible concentration of 1 ppm (1 mg / L) in drinking water [EPA 2002; EPA 2012], which applies to all commonly used water.

현재 아질산 이온 (nitrite) 측정 방법으로는 X-선 회절 분석법(X-ray Diffraction Spectroscopy, XRD), 푸리에변환 적외선 분광기(Fourier Transform Infrared Spectrometer, FT-IR), X-선 광전자 분광기(X-ray Photoelectron Spectroscopy), 액체크로마토그래피(Liquid Chromatography, LC) 및 분자의 분광흡광계량법(Molecular Absorption Spectrometry)을 통해 검출하고 있다. Current nitrite nitrite measurements include X-ray Diffraction Spectroscopy (XRD), Fourier Transform Infrared Spectrometer (FT-IR), and X-ray Photoelectron Spectroscopy. Spectroscopy, Liquid Chromatography (LC), and Molecular Absorption Spectrometry of the molecules are used for detection.

그러나, 이러한 기법은 시간이 많이 소비되고, 비용이 많이 들며, 분석 시 전문가에 숙련된 기술에 의존하게 되고 시료 준비과정이 복잡하여 여러 절차를 거치게 된다. However, these techniques are time consuming, costly, relying on expert skill in the analysis and complicated sample preparation, which leads to multiple procedures.

금 나노입자(Gold Nanoparticles) 등에서 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance) 현상이 나타나면서 특정파장을 방출하게 되고 입자의 크기, 모양 종류에 따라서 다양한 색상을 띠게 된다. 이를 통해 환경오염물질을 측정하고 모니터링 하는 센서 등에 다양하게 응용할 수 있다. Surface Plasmon Resonance occurs in gold nanoparticles, etc., and emits a specific wavelength, and has various colors depending on the size and shape of the particle. Through this, it can be applied to various sensors such as measuring and monitoring environmental pollutants.

현재까지 알려진 금속 나노입자를 이용한 아질산(Nitrite)의 검출방법으로, 미국의 노스웨스턴 대학교(Northwestern univ.)의 웨스톤 교수는 설파닐아마이드(sulfanilamide)와 나프틸에틸렌디아민(naphtylethylenediamine)을 아질산과 특이적으로 결합시켜 색깔로 구별할 수 있는 센서를 개발한 바 있다. As a method for the detection of nitrites using metal nanoparticles known to date, Professor Weston of Northwestern University of the United States of America has identified sulfanilamide and naphtylethylenediamine with nitrite. We have developed a sensor that can be combined to form a color code.

설파닐아마이드(sulfanilamide)와 나프틸에틸렌디아민(naphtylethylenediamine)은 아질산 이온에 선택적으로 결합하여 구형 금 나노입자의 붉은색을 투명하게 색상 변화를 일으키고, 아질산과 반응 시 응집 효과(aggregation effect)로 인한 흡광 강도가 감소한다. 이를 이용하여 아질산 함량을 구할 수 있다(비특허문헌 1).Sulfanilamide and naphtylethylenediamine bind selectively to nitrite ions to transparently change the red color of the spherical gold nanoparticles, and absorb light due to the aggregation effect when reacting with nitrite Strength decreases. Using this, nitrous acid content can be calculated | required (nonpatent literature 1).

또한, 중국의 난카이 대학교(Nankai university)의 얀 메이 교수는 구형 금 나노입자에 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol)과 4-아미노벤젠티올(4-aminobenzenethiol)로 개질하여 아질산 이온(NO2 )과 결합 시 흡광도가 감소함을 이용하여 음이온을 검출하였다. 이때 다양한 용매와 NaCl 농도를 이용하여 선택성이 높은 아질산 이온을 검출 할 수 있었다(비특허문헌 2). In addition, the Chinese Nankai University professor of yarn mate (Nankai university) is polyethylene glycol to spherical gold particles (polyethylene glycol) and 4-amino-benzenethiol to nitrite ion modified with (4-aminobenzenethiol) (NO 2 -) and upon engagement Negative ions were detected using reduced absorbance. At this time, it was possible to detect nitrite ions having high selectivity using various solvents and NaCl concentration (Non-Patent Document 2).

인도의 사스트라 대학교(SASTRA univ.)의 비노드 교수팀은 페놀유도체를 은 나노입자에 결합한 후 아질산 이온과 반응시켰다. 페놀 유도체로는 N,N′-bis(2-hydroxybenzyl)-1,2-diaminobenzene를 사용하여 다양한 음이온 가운데 아질산 이온과 선택적으로 반응하여, 검출할 수 있는 색 센서를 개발하였다. 색상 변화는 나노 입자의 표면에 결합되어 있는 작용기와 아질산 이온과의 흡착으로 인한 응집(aggregation)에 기인한 것이다(비특허문헌 3).Vinode's team at Sastra University, India, linked phenol derivatives to silver nanoparticles and reacted with nitrite ions. N, N'-bis (2-hydroxybenzyl) -1,2-diaminobenzene was used as a phenol derivative to develop a color sensor that can detect and react selectively with nitrite ions among various anions. The color change is due to aggregation due to adsorption of functional groups and nitrite ions bonded to the surface of the nanoparticles (Non-Patent Document 3).

인도의 나가빤삘라이 교수팀은 아자-바디피(aza-BODIPY) 화합물을 합성하여 아질산 이온(nitrite) 검출에 최적화된 화학 센서(chemosensor)를 개발하였다. 아질산이온과 아자-바디피가 결합하면서 수용액의 색이 붉은색에서 녹색으로 색상 변화가 일어나고, 수소이온 추가 효과(protonation effect)로 인해 흡광도의 영역 차이로 검출할 수 있었다(비특허문헌 4).In India, Nagapanpylai's team synthesized aza-BODIPY compounds and developed a chemical sensor optimized for the detection of nitrite ions. As the nitrite ion and the aza-body were combined, the color of the aqueous solution was changed from red to green, and due to the hydrogen ion protonation effect, it was possible to detect the difference in absorbance region (Non Patent Literature 4).

중국의 젠교수는 나노로드 입자의 식각현상을 이용한 아질산 이온 검출을 하였으며, 로드 형태에서 구형으로 입자의 모양에 따른 색상 변화를 이용하였다(비특허문헌 5).Professor Zhen of China detected nitrite ions using the etch phenomenon of nanorod particles and used the color change according to the shape of the particles from rod shape to spherical shape (Non Patent Literature 5).

비특허문헌 1: J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6362-6363[Non-Patent Document 1] J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6362-6363 비특허문헌 2: Nanoscale 2017, 9, 1811-1815Non-Patent Document 2: Nanoscale 2017, 9, 1811-1815 비특허문헌 3: Anal. Chim. Acta 2014, 842, 57-62Non-Patent Document 3: Anal. Chim. Acta 2014, 842, 57-62 비특허문헌 4: Anal. Chem. 2013, 85, 10008-10012Non-Patent Document 4: Anal. Chem. 2013, 85, 10008-10012 비특허문헌 5: Analyst, 2012, 137, 5197-5200Non-Patent Document 5: Analyst, 2012, 137, 5197-5200

본 발명의 구현예들의 목적은, 일측면에서, 금 나노큐브(gold nanocubes)를 이용하여 아질산 이온(nitrite, NO2 )을 선택성 및 측정 민감도가 높고 짧은 시간 내 검출할 수 있는, 비색 검출(colorimetric detection) 센서 및 비색 검출 방법을 제공하는 것이다.An object of embodiments of the present invention is, in one aspect, colorimetric detection, which is capable of detecting nitrite ions (nitrite, NO 2 ) using gold nanocubes and having high selectivity and measurement sensitivity and in a short time. A colorimetric detection sensor and a colorimetric detection method are provided.

본 발명의 구현예들의 목적은, 다른 일측면에서, 육면체 모양의 금 나노큐브를 포함하는 비색 검출 센서에서 염농도, pH, 온도, 반응 시간 등의 반응 조건을 조절함으로써, 아질산 이온 측정 감도 및 반응 속도를 최적화할 수 있는, 비색 검출 센서 및 비색 검출 방법을 제공하는 것이다.An object of embodiments of the present invention, in another aspect, by adjusting the reaction conditions, such as salt concentration, pH, temperature, reaction time in a colorimetric detection sensor comprising a hexahedral gold nanocube, nitrite ion measurement sensitivity and reaction rate To provide a colorimetric detection sensor and colorimetric detection method that can be optimized.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 아질산 이온(nitrite) 검출을 위한 비색 검출 센서로서, 상기 비색 검출 센서는 육면체 형상의 금 나노큐브를 포함하고, 육면체 형태의 나노큐브가 아질산 이온의 식각(etching)에 의해 구형으로 변화하여 아질산 이온을 검출하는 비색 검출 센서를 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, as a colorimetric detection sensor for nitrite ion detection, the colorimetric detection sensor includes a hexahedral gold nanocube, and the hexahedral nanocube is etched from the nitrite ion Provided is a colorimetric detection sensor that changes to a sphere by) to detect nitrite ions.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 상기 비색 검출 센서를 이용하여 아질산 이온을 검출하는 비색 검출 방법을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, there is also provided a colorimetric detection method for detecting nitrite ions using the colorimetric detection sensor.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 상기 비색 검출 센서의 제조 방법으로서, 금 나노 입자 전구체를 포함하는 시드 용액을 준비하는 단계; 상기 금 나노 입자를 나노 큐브로 성장시키기 위한 성장 용액을 준비하는 단계; 성장 용액과 시드 용액을 혼합하여 금 나노 입자를 육면체 형상의 금 나노큐브로 제조하는 단계;를 포함하는 비색 검출 센서의 제조 방법을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, there is also provided a method for manufacturing the colorimetric detection sensor, comprising: preparing a seed solution comprising gold nanoparticle precursor; Preparing a growth solution for growing the gold nanoparticles into a nanocube; It provides a method for producing a colorimetric detection sensor comprising a; mixing the growth solution and the seed solution to prepare gold nanoparticles in the form of a cube of gold nanocube.

본 발명의 구현예들에 의하면, 금 나노큐브(gold nanocubes)를 이용하여 아질산 이온(nitrite, NO2 )을 선택성 및 측정 감도가 높고 짧은 시간 내 비색 검출 법으로 검출할 수 있다. 또한, 육면체 모양의 금 나노큐브를 포함하는 비색 검출 센서의 염농도, pH, 온도, 반응 시간 등의 반응 조건을 조절함으로써, 아질산 이온 측정 감도 및 반응 속도를 최적화 할 수 있다. 아질산 이온 검출을 위한 비색 검출 센서의 색 변화를 육안 또는 장비로 확인할 수 있으며, 아질산 이온 농도 변화에 따라 색상의 변화를 정량적으로 검출한계 0.01 μg/mL 까지 측정이 가능하다. According to embodiments of the present invention, nitrite ions (nitrite, NO 2 ) may be detected using a gold nanocubes by colorimetric detection with high selectivity and measurement sensitivity and within a short time. In addition, by adjusting the reaction conditions such as salt concentration, pH, temperature, reaction time, etc. of the colorimetric detection sensor including a hexahedral gold nanocube, it is possible to optimize the sensitivity and reaction rate of nitrite ion. The color change of the colorimetric detection sensor for nitrite ion detection can be checked with the naked eye or equipment, and the change in color can be quantitatively detected up to the detection limit of 0.01 μg / mL according to the change of the nitrite ion concentration.

본 발명의 구현예들의 비색 검출 센서 및 비색 검출 방법은 생물학적 시료나, 음용수, 환경시료 등에 함유되어 있는 아질산 이온의 농도를 색상 변화를 통해 판별할 수 있어 간편하게 현장에서 실시간으로 아질산 이온의 농도를 측정하는데 활용될 수 있다. Colorimetric detection sensor and colorimetric detection method of embodiments of the present invention can determine the concentration of nitrite ions contained in biological samples, drinking water, environmental samples, etc. by changing the color to easily measure the concentration of nitrite ions in the field in real time It can be used to

도 1은 본 발명의 일 실시예에서, 금 염화수화물(HAuCl4)을 이용하여 금 나노 입자를 기능화된 금 나노큐브 (AuNCs)로 형성하고, 이후 아질산 이온(NO2 -)과 반응시켜, 나노큐브 형태가 구형의 나노입자로 식각 되는 현상 및 색상 변화를 보여주는 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에서, 육면체 큐브 모양의 금 나노 큐브(AuNCs)가 반응 전 UV-vis 스펙트럼 그래프와 나노큐브 용액의 색깔(좌), 아질산 이온의 첨가 후 금 나노큐브와 아질산 이온과의 반응물(NO2 -AuNCs) 용액 색상과 UV-vis 스펙트럼 그래프(우)의 변화를 나타내는 것이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에서, 아질산 이온과 반응 전 나노 큐브의 평균 크기를 나타내는 크기 분포 그래프 및 TEM 사진이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에서, 아질산 이온과 반응 반응 후 나노 큐브의 평균 크기를 나타내는 크기 분포 그래프 및 TEM 사진이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에서, pH에 따른 금 나노큐브의 색상 변화 사진(도 3a) 및 UV-vis 스펙트라의 변화를 나타내는 그래프(도 3b)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온 10 ppm 첨가에 따른 반응 온도의 변화에 따른 색상 변화 사진(도 4a), 스펙트럼 변화 그래프(도 4b) 및 흡광도 비(A550/A650) 그래프(도 4c)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온 10 ppm 첨가 전 후의 NaCl 농도변화에 따른 스펙트럼 변화 그래프(도 5a) 및 흡광도 비(A550/A650) 그래프(도 5b)이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온 10 ppm 첨가와 반응온도 90 ℃, NaCl 20 mM에서의 반응 시간에 따른 흡광도비(A550/A650) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온(NO2 -) 농도에 따른 반응 용액의 색상 변화(도 7a)와 흡광도 비(A550/A650) 그래프(도 7b)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온(NO2 -)과 음이온의 첨가 따른 반응 용액의 색상 변화(도 8a)와 흡광도 스펙트럼 그래프(도 8b), 및 선택성을 나타낸 흡광도비(A550/A650) 그래프(도 8c)이다.
1 illustrates, in one embodiment of the present invention, using gold chloride (HAuCl 4 ) to form gold nanoparticles into functionalized gold nanocubes (AuNCs), and then react with nitrite ions (NO 2 ) This is a schematic diagram showing the color change and phenomenon that the cube shape is etched into spherical nanoparticles.
Figure 2a is a cube cube-shaped gold nano cubes (AuNCs) in the embodiment of the present invention, UV-vis spectrum graph and color (left) of the nanocube solution before the reaction, gold nanocube and nitrite ions after addition of nitrite ions reaction of the (NO 2 - -AuNCs) solution color and UV-vis spectrum is indicative of a change in a graph (right).
Figure 2b is a TEM image and a size distribution graph showing the average size of the nanocube before reaction with nitrite ions in one embodiment of the present invention.
Figure 2c is a size distribution graph and TEM image showing the average size of the nano-cube after the reaction reaction with nitrite ions in one embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a change in color (Fig. 3a) and UV-vis spectra of the gold nanocube according to pH according to an embodiment of the present invention (Fig. 3b).
4 is a color change picture (FIG. 4A), a spectral change graph (FIG. 4B), and an absorbance ratio (A) according to a change in reaction temperature according to the addition of 10 ppm of nitrite ions to the prepared gold nanocube in an embodiment of the present invention. 550 / A 650 ) graph (Figure 4c).
FIG. 5 is a graph illustrating a spectral change graph (FIG. 5A) and an absorbance ratio (A 550 / A 650 ) graph according to NaCl concentration change before and after 10 ppm of nitrite ion is added to the prepared gold nanocube in an embodiment of the present invention. )to be.
FIG. 6 is a graph illustrating changes in absorbance ratio (A 550 / A 650 ) according to the addition of 10 ppm of nitrite ions to the prepared gold nanocube and the reaction time at a reaction temperature of 90 ° C. and 20 mM NaCl. to be.
FIG. 7 is a graph illustrating a color change (FIG. 7A) and an absorbance ratio (A 550 / A 650 ) of a reaction solution according to nitrite ion (NO 2 ) concentration in a manufactured gold nanocube (FIG. 7B). )to be.
FIG. 8 is a diagram illustrating color change (FIG. 8A) and absorbance spectrum graph (FIG. 8B), and selectivity of a reaction solution according to addition of nitrite ions (NO 2 ) and anions to a manufactured gold nanocube. Absorbance ratio (A 550 / A 650 ) graph shown (FIG. 8C).

용어 정의Term Definition

본 명세서에서 시드 용액이란 나노큐브를 만들기 위한 시드(seed)를 포함하는 용액을 의미한다. 이 시드 용액에 예컨대 10~20 nm 크기의 시드 나노입자가 존재하며 이 나노입자를 포함하는 시드 용액에 성장 용액을 혼합하여 나노입자 시드로부터 나노큐브를 성장시킬 수 있다.As used herein, the seed solution refers to a solution including a seed for making a nanocube. For example, seed nanoparticles having a size of 10 to 20 nm are present in the seed solution, and a nanocube can be grown from the nanoparticle seed by mixing a growth solution with a seed solution containing the nanoparticles.

본 명세서에서 성장 용액이란 시드 용액의 시드인 나노 입자를 나노 큐브 형태로 성장시키기 위한 용액을 의미하며, 시드 용액에 혼합하여 시드로부터 원하는 크기 및/또는 형태의 나노큐브를 얻을 수 있다.As used herein, the growth solution refers to a solution for growing nanoparticles, which are seeds of a seed solution, in a nanocube form, and may be mixed with the seed solution to obtain nanocubes having a desired size and / or shape from the seed.

본 명세서에서 기능화란 나노 입자에 검출 대상물질에 대한 선택성 및/또는 간섭효과를 향상하는 기능을 부여하는 것을 의미한다.Functionalization in the present specification means to give the nanoparticles the ability to improve the selectivity and / or interference effects on the detection target material.

본 명세서에서 구형이란 완전한 구의 형태만을 지칭하는 것이 아니며 실질적으로 구 형상인 것을 포함하는 의미이다. In the present specification, the spherical shape does not refer only to the shape of a perfect sphere, but is meant to include a substantially spherical shape.

예시적인 구현예들의 설명Description of Example Embodiments

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 아질산 이온(nitrite) 검출을 위한 비색 검출 센서로서, 상기 비색 검출 센서는 육면체 형상의 금 나노큐브를 포함하고, 육면체 형태의 나노큐브가 아질산 이온의 식각(etching)에 의해 구형으로 변화하여 아질산 이온을 검출하는 비색 검출 센서를 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, as a colorimetric detection sensor for nitrite ion detection, the colorimetric detection sensor includes a hexahedral gold nanocube, and the hexahedral nanocube is etched from the nitrite ion Provided is a colorimetric detection sensor that changes to a sphere by) to detect nitrite ions.

육면체 형태의 금 나노큐브(gold nanocubes)는, 입자 크기가 나노 크기 즉 100 nm 이하이고 입자 크기가 균일한 나노큐브로서 아질산 이온(nitrite)과 반응하여 식각이 발생하고 이로 인해 나노큐브의 구조 및 형태 변화하며, 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인한 흡광 주파수가 변화한다.A hexahedral gold nanocubes are nanocubes with a particle size of 100 nm or less and uniform particle size, which reacts with nitrite ions, resulting in etching and thus the structure and shape of the nanocube. And the absorption frequency due to surface plasmon resonance is changed.

표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance) 현상은 나노 크기 수준의 입자가 흡수된 광파에 의해 나노입자 표면의 자유전자 진동을 유발시키는 원리를 이용하는 것으로서, 이때, 공명 현상이 나타나서 특정 파장을 방출하게 되며, 입자의 크기, 모양, 종류에 따라서 다양한 색상을 띠게 되어 이를 이용하여 비색 센서로 이용할 수 있다. Surface plasmon resonance is a phenomenon that causes free electron vibrations on the surface of nanoparticles by light waves absorbed by nano-sized particles. In this case, resonance occurs and emits a specific wavelength. Depending on the size, shape, and type of a variety of colors can be used to use it as a colorimetric sensor.

본 발명의 예시적인 구현예들의 비색 검출 센서는, 특히 나노 큐브 형태를 아질산 이온이 구형으로 식각하는 형태 변화를 이용하므로, 아질산 이온 농도에 따른 센서의 선택성과 감도가 높아 비색검출 방법에 매우 적합하다. 아질산 이온으로 산화 식각(oxidative etching) 시 금속 나노 입자를 조각(carving)하는데, 나노 로드보다 나노 큐브 형태의 구조에서 크기와 모양 등을 조절하기가 용이하다. 이에 따라, 나노로드에 비하여 나노 큐브가 선택성 및 감도가 매우 우수하다. 예컨대, 아질산 이온으로 산화 시각 시 나노 로드와 달리 나노 큐브를 이용하면 검출 한계(LOD)가 현저히 작게 된다.The colorimetric detection sensor of the exemplary embodiments of the present invention is particularly suitable for the colorimetric detection method due to the high selectivity and sensitivity of the sensor according to the nitrite ion concentration because it uses a shape change in which the nitrite ion is etched in the nanocube form. . Carving metal nanoparticles during oxidative etching with nitrite ions, it is easier to control the size and shape of the nano-cube structure than the nanorods. Accordingly, the nanocube has very high selectivity and sensitivity compared to the nanorods. For example, unlike nanorods when oxidized to nitrite ions, the detection limit (LOD) is significantly reduced when using nanocubes.

예시적인 일 구현예에서, 상기 금 나노큐브는 아질산 반응 전 흡광도 600 nm 내지 700 nm와 아질산 이온과 반응 후 흡광도 500 nm 내지 600 nm에서의 흡광도비(A550/A650)가 0 내지 10일 수 있다. 흡광도 비가 0 내지 10인 범위에서 가장 명확하게 아질산 이온의 농도를 구별해낼 수 있으며, 해당 범위를 벗어나는 경우 아질산 이온의 농도 구분이 명확하지 않을 수 있다.In an exemplary embodiment, the gold nanocube may have an absorbance ratio (A550 / A650) of 0 to 10 at 600 nm to 700 nm of absorbance before nitrite and 500 nm to 600 nm of absorbance after reaction with nitrite ions. The concentration of nitrite ions can be most clearly distinguished in the range of the absorbance ratio of 0 to 10, and when the concentration is outside the range, the division of concentrations of nitrite ions may not be clear.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 센서는 금 나노큐브를 포함하는 수용액일 수 있다.In an exemplary embodiment, the colorimetric detection sensor may be an aqueous solution including gold nanocubes.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 센서는 안정화제(stabilizer)인 염을 더 포함하는 것일 수 있다. 비제한적인 예시에서, 상기 염은 NaCl일 수 있다. In an exemplary embodiment, the colorimetric detection sensor may further include a salt that is a stabilizer. In a non-limiting example, the salt can be NaCl.

비제한적인 예시에서, 염 예컨대 NaCl의 농도는 비색 검출 센서 용액에 대하여 0 초과 50 mM 이하인 것이 바람직하고, 이 범위를 벗어나는 경우 나노입자가 더 이상 나노큐브형태를 유지하지 못할 수 있다.In a non-limiting example, the concentration of salt such as NaCl is preferably greater than 0 and 50 mM or less for the colorimetric detection sensor solution, and beyond this range the nanoparticles may no longer maintain nanocube form.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 센서는 pH 3 내지 12의 범위, 바람직하게는 특히 pH 3에서 아질산 이온을 검출한다.In an exemplary embodiment, the colorimetric detection sensor detects nitrite ions in the range of pH 3-12, preferably in particular pH 3.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 센서는 반응 온도 상온 내지 90 ℃의 범위, 바람직하게는 특히 60~90 ℃에서 아질산 이온을 검출한다.In one exemplary embodiment, the colorimetric detection sensor detects nitrite ions at a reaction temperature from room temperature to 90 ° C., preferably in particular from 60 to 90 ° C.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출센서는 아질산 이온 검출 시 초기의 푸른색에서 붉은색(붉은색 또는 밝은 빨간 색)으로의 색상 변화가 나타날 수 있다.In an exemplary embodiment, the colorimetric detection sensor may exhibit a color change from the initial blue color to red color (red or bright red color) upon detection of nitrite ion.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 센서는 아질산 이온 검출 가능 농도는 0.01 ppm 이하이거나 또는 0.01 ppm 내지 1 ppm일 수 있다.In an exemplary embodiment, the colorimetric detection sensor may have a nitrite ion detectable concentration of 0.01 ppm or less, or 0.01 ppm to 1 ppm.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 센서는, 상기 나노큐브는 100 nm 이하의 직경을 가진다.In an exemplary embodiment, the colorimetric detection sensor, wherein the nanocube has a diameter of 100 nm or less.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 센서의 색변화는 육안으로 측정되거나, 또는 분광광도계, 형광광도계, 또는 색도계로 정량적으로 측정될 수 있다.In an exemplary embodiment, the color change of the colorimetric detection sensor may be measured visually or quantitatively with a spectrophotometer, a fluorometer, or a colorimeter.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 상기 비색 검출 센서를 이용하여 아질산 이온을 검출하는 비색 검출 방법을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, there is also provided a colorimetric detection method for detecting nitrite ions using the colorimetric detection sensor.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 방법은, 비색 검출 센서에 검출대상 시료를 투입하는 단계; 및 상기 비색 검출 센서의 색 변화에 의해 검출 대상 시료 내의 아질산 이온 (nitrite)을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the colorimetric detection method may include: injecting a sample to be detected into a colorimetric detection sensor; And detecting nitrite ions in the sample to be detected by the color change of the colorimetric detection sensor.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비색 검출 방법은, 비색 검출 센서의 색상 변화를 분광광도계, 형광광도계, 또는 색도계로 측정하여 검출대상 시료 내 아질산 이온의 농도를 정량하는 농도 측정 단계를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the colorimetric detection method may further include a concentration measurement step of quantifying the concentration of nitrite ions in the sample to be detected by measuring the color change of the colorimetric detection sensor with a spectrophotometer, a fluorescence photometer, or a colorimeter. have.

한편, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 상기 비색 검출 센서의 제조 방법으로서, 금 나노 입자 전구체를 포함하는 시드 용액을 준비하는 단계; 상기 금 나노 입자를 나노 큐브로 성장시키기 위한 성장 용액을 준비하는 단계; 성장 용액과 시드 용액을 혼합하여 금 나노 입자를 육면체 형상의 금 나노큐브로 제조하는 단계;를 포함하는 비색 검출 센서의 제조 방법을 제공한다. Meanwhile, in exemplary embodiments of the present invention, there is also provided a method of manufacturing the colorimetric detection sensor, comprising: preparing a seed solution containing gold nanoparticle precursor; Preparing a growth solution for growing the gold nanoparticles into a nanocube; It provides a method for producing a colorimetric detection sensor comprising a; mixing the growth solution and the seed solution to prepare gold nanoparticles in the form of a cube of gold nanocube.

제 1 용액인 시드 용액과 제 2 용액인 성장 용액을 혼합 한 후 시드 용액의 금 나노 입자 시드를 성장시키면서 모양을 변화시켜 육면체 형상의 나노큐브를 제조하는 것이다.After mixing the seed solution, which is the first solution, and the growth solution, which is the second solution, the shape is changed while growing the gold nanoparticle seed of the seed solution, thereby preparing a cube-shaped nanocube.

예시적인 일 구현예에서, 이러한 시드 용액은 금 나노 입자 전구체, 상기 금 나노 입자 전구체가 용액 특히 수용액 상태에서 안정적으로 존재할 수 있도록 하는 표면 활성제, 상기 금 나노 입자 전구체의 환원제를 포함한다.In an exemplary embodiment, such a seed solution comprises a gold nanoparticle precursor, a surface active agent which allows the gold nanoparticle precursor to be stably present in a solution, in particular an aqueous solution state, and a reducing agent of the gold nanoparticle precursor.

비제한적인 예시에서, 상기 시드 용액은 금 나노 입자 전구체인 금염화수화물, 세틸트리메틸암모늄브롬 (Cetyltrimetyl ammoniumbromide: CTAB), 환원제인 사수소붕소나트륨(NaBH4)을 포함할 수 있다. 즉, 금 나노 입자의 전구체인 금염화수화물을 표면 활성제인 CTAB 하에서 환원제인 사수소붕소나트륨으로 환원시켜 시드인 금 나노 입자를 제조하게 된다.In a non-limiting example, the seed solution may include a gold nanoparticle precursor gold chloride hydrate, cetyltrimetyl ammonium bromide (CTAB), reducing agent sodium tetraborate (NaBH 4 ). That is, the seed gold nanoparticles are prepared by reducing the gold chloride hydrate, which is a precursor of the gold nanoparticles, with sodium borohydride as a reducing agent under CTAB, which is a surface active agent.

비제한적인 예시에서, 성장 용액 역시 금 나노 입자 전구체인 금염화수화물, 표면 활성제 CTAB, 환원제인 사수소붕소나트륨을 포함할 수 있으며, 추가적으로 질산은과 아스코르빅산을 더 포함할 수 있다. In a non-limiting example, the growth solution may also include gold nanoparticle precursor gold chloride, surface active agent CTAB, reducing agent sodium tetraborate, and may further include silver nitrate and ascorbic acid.

성장 용액에서 CTAC은 시드 용액에서와 마찬가지로 나노 입자가 안정적으로 수용액 상태에 존재할 수 있도록 도와주는 표면 활성제 역할을 하는 물질이고, 질산은과 금염화수화물은 금나노 입자로부터 나노 큐브 형상이 되도록 성장시키는 재료가 된다. 아스코르빅산은 환원제의 역할을 한다. 참고로, 아스코르브산은 수용성이 탁월하며 독성이 거의 없고 생분해성도 우수하다는 장점이 있다.In the growth solution, CTAC is a material that acts as a surface activator to help the nanoparticles to be stably present in the aqueous solution as in the seed solution, and silver nitrate and gold chloride hydrate become materials to grow from the nanoparticles to the nanocube shape. . Ascorbic acid acts as a reducing agent. For reference, ascorbic acid has the advantage of excellent water solubility, little toxicity and excellent biodegradability.

예시적인 일 구현예에서, 상기 성장 용액과 시드 용액의 혼합 시 환원제에 대한 나노큐브의 몰랄 비율(molar ratio)은 0.46 ~ 2.14인 것일 수 있다. 이와 같은 나노 큐브의 몰비 범위에서 나노 큐브의 모양이 가장 잘 제조되었으며, 해당 범위를 벗어나는 경우 나노큐브의 모양이 형성되지 않거나, 너무 크게 만들어져서 침전되는 문제가 발생할 수 있다. 관련하여, 환원제의 양에 따라 나노 입자의 크기가 변하게 된다. 따라서 기본 물질인 환원제를 기준으로 나노큐브의 비를 구하는 것이 유용하다.In an exemplary embodiment, the molar ratio of the nanocube to the reducing agent when the growth solution and the seed solution are mixed may be 0.46 to 2.14. The shape of the nanocube is best manufactured in the molar ratio range of the nanocube, and if it is out of the range, the nanocube may not be formed or may be made too large to precipitate. In this regard, the size of the nanoparticles varies with the amount of reducing agent. Therefore, it is useful to obtain the ratio of the nanocube based on the reducing agent which is the basic material.

예시적인 일 구현예에서, 상기 시드 용액은 염화 세틸트리메틸암모늄 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC), 금 염화수화물(HAuCl4) 및 사수소붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4)을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the seed solution may include cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), gold chloride (HAuCl 4 ) and sodium borohydride (NaBH 4 ).

예시적인 일 구현예에서, 상기 성장 용액은 염화 세틸트리메틸암모늄 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC), 금 염화수화물(HAuCl4), 사수소붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4), 질산은(silver nitrate, AgNO3) 및 아스코빅산(ascorbic acid)을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the growth solution is cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), gold hydride (HAuCl 4 ), sodium borohydride (NaBH 4 ), silver nitrate (AgNO 3 ) And ascorbic acid.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다. Hereinafter, specific embodiments according to exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited to the following examples, and various forms of embodiments can be implemented within the scope of the appended claims, and the following examples are only common in the art while making the disclosure of the present invention complete. It is to be understood that the invention is intended to facilitate the practice of the invention.

실시예 : 금 염화 수화물(HAuClExample: Gold Chloride Hydrate (HAuCl 44 )의 육각형 크리스탈 모양 나노입자의 제조Of hexagonal crystal-shaped nanoparticles

금 나노입자의 시드 용액(seed solution)을 제조하기 위해, 염화 세틸트리메틸암모늄 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC) 100 mM 수용액에 금 염화수화물(HAuCl4) 10 mM 수용액과 사수소붕소나트륨(sodium borohydried, NaBH4) 10 mM 수용액을 섞어 반응하였다. To prepare the seed solution (seed solution) of gold nanoparticles chloride, cetyltrimethylammonium (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC) 100 gold chloride hydrate in mM aqueous solution (HAuCl 4) 10 mM aqueous solution and four hydrogen boron sodium (sodium borohydried, NaBH 4 ) And reacted with a 10 mM aqueous solution.

성장 용액(growth solution)으로, 염화 세틸트리메틸암모늄 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC) 100 mM 수용액에 금 염화수화물(HAuCl4) 10 mM 수용액, 질산은(silver nitrate, AgNO3) 10 mM 수용액 그리고 아스코빅산(ascorbic acid) 100 mM 수용액을 섞어 제조하였다.As a growth solution, in a 100 mM aqueous solution of cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), a 10 mM aqueous solution of HAuCl 4 , a 10 mM aqueous solution of silver nitrate (AgNO 3 ) and ascorbic acid ) Was prepared by mixing 100 mM aqueous solution.

성장 용액과 시드 용액의 혼합액을 24 시간 반응시킨 후 육면체 모양의 금 나노큐브(gold nanocubes)를 제조하였다. After the mixture solution of the growth solution and the seed solution was reacted for 24 hours, a cube-shaped gold nanocubes were prepared.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서, 금 염화수화물(HAuCl4)을 포함하는 시드로부터 기능화된 금 나노큐브(AuNCs)로 형성하고, 이후 아질산 이온(NO2 -)과 반응시켜, 나노큐브 형태가 구형의 나노입자로 식각 되는 현상 및 색상 변화를 보여주는 개략도이다.1 is, in one embodiment of the present invention, formed from functionalized gold nanocube (AuNCs) from a seed containing gold chloride (HAuCl 4 ), and then reacted with nitrite ions (NO 2 ), nanocube form Schematic diagram showing the phenomenon of color change and the etching of spherical nanoparticles.

도 1에서 보듯이, 금 염화수화물(HAuCl4)을 이용하여 만든 기능화된 금 나노큐브(AuNCs)를 pH 3~5 사이에서 아질산 이온(NO2 -)과 반응하게 함으로서, 큐브 형태가 구형의 나노입자로 식각되고 색상이 변화한다.As shown in FIG. 1, the functionalized gold nanocubes (AuNCs) made using gold chloride (HAuCl 4 ) are reacted with nitrite ions (NO 2 ) between pH 3 and 5, thereby making the cube form spherical nanoparticles. Etched into particles and changing color.

이와 같이, 큐빅 모양의 나노입자 표면을 아질산 이온이 지속적으로 식각(etching)하면서 구형의 나노입자로 변형되고, 이때 표면 공명현상의 변화로 색상이 변화되는데, 이 현상은 아질산 이온에서만 발생하여 아질산이온의 검출을 할 수 있는 나노 규빅 센서로 활용이 가능하다.As such, the nitrite ion continuously etches the cubic-shaped nanoparticle surface, transforming it into spherical nanoparticles, and the color changes due to the surface resonance phenomenon. This phenomenon occurs only in the nitrite ion and the nitrite ion It can be used as a nano-cubic sensor that can detect.

아래 도 2와 관련한 실시예에서는, 제조된 금 나노큐브를 pH 3, 온도 90 ℃, 20 mM NaCl에서 아질산 이온과 반응시켰다. In the example related to Figure 2 below, the prepared gold nanocube was reacted with nitrite ions at pH 3, temperature 90 ℃, 20 mM NaCl.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에서, 육면체 큐브 모양의 금 나노 큐브(AuNCs)가 아질산 이온과 반응 전 UV-vis 스펙트럼 그래프와 나노큐브 용액의 색깔(좌), 아질산 이온의 첨가 후 금 나노큐브와 아질산 이온과의 반응물(NO2 -AuNCs) 용액 색상과 UV-vis 스펙트럼 그래프(우)의 변화를 나타내는 것이다. FIG. 2A illustrates a UV-vis spectrum graph and color (left) of a nanocube solution before addition of hexahedral cube-shaped gold nanocubes (AuNCs) to react with nitrite ions, and the addition of nitrite ions. and the nitrite ion and a reaction product of - indicates the change in the (NO 2 -AuNCs) solution color and UV-vis spectrum graph (right).

도 2b는 본 발명의 일 실시예에서, 아질산 이온과 반응 전 나노입자의 평균 크기를 나타내는 크기 분포 그래프 및 TEM 사진이다. Figure 2b is a size distribution graph and TEM image showing the average size of the nanoparticles before the reaction with nitrite ions in one embodiment of the present invention.

도 2c는 본 발명의 일 실시예에서, 아질산 이온과 반응 후 나노입자의 평균 크기를 나타내는 크기 분포 그래프 및 TEM 사진이다. Figure 2c is a TEM image and a size distribution graph showing the average size of the nanoparticles after reaction with nitrite ions in one embodiment of the present invention.

도 2b 및 2c에서 알 수 있듯이, 아질산 이온과 반응 전 및 반응 후 나노입자의 평균 크기는 약 50 nm를 유지하고 있으며, 반응 전에는 육각형의 큐브 모양을 하고 있고, 반응 후 구형으로 변화했음을 알 수 있다.As can be seen in Figures 2b and 2c, the average size of the nanoparticles before and after the reaction with the nitrite ion is maintained at about 50 nm, before the reaction is a hexagonal cube shape, it can be seen that after the reaction was changed to a spherical shape. .

금 나노큐브(Nanocubes)의 pH 변화에 따른 안정성 검사Stability Test with pH Change of Gold Nanocubes

도 3는 본 발명의 일 실시예에서, pH에 따른 육각형 금 나노큐브의 색상 변화 사진(도 3a) 및 UV-vis 스펙트라의 변화를 나타내는 그래프(도 3b)이다.3 is a graph showing the change in color (Fig. 3a) and the UV-vis spectra of the hexagonal gold nanocube according to pH according to an embodiment of the present invention (Fig. 3b).

도 3a는 금 나노큐브의 안정성 검사를 위하여 pH를 2~13로 변화를 주어 관찰하였으며, 그중 pH 3~12에서 금 나노큐브는 푸른색을 나타내었다. Figure 3a was observed by changing the pH to 2 to 13 for the stability test of the gold nanocube, of which the gold nanocube showed a blue color at pH 3-12.

도 3b는 pH 변화에 따른 UV-vis 스펙트럼을 나타내는 것으로서, 강산, 강염기에 해당되는 pH(pH 2 및 pH 13)를 제외하면, 모든 pH에서 금 나노큐브(AuNCs)가 안정적인 것으로 나타났다. Figure 3b shows the UV-vis spectrum according to the pH change, except that the pH (pH 2 and pH 13) corresponding to the strong acid, strong base, gold nanocube (AuNCs) was found to be stable at all pH.

본 실시예에서는 제조된 직후 육각면 형태의 금 나노큐브가 pH 3이므로 이 pH를 선택해서 실험을 진행하였으며, 색상변화 없이 일정한 금 나노큐브 상태를 유지하는 것으로부터 안정성을 확인할 수 있었다.In the present embodiment, since the gold nanocube in the form of hexagonal surface was prepared immediately after the pH 3, the experiment was conducted by selecting the pH, and stability was confirmed from maintaining a constant gold nanocube state without color change.

금 나노큐브(nanocubes)의 반응 온도에 따른 반응성과 안정성 검사Reactivity and Stability Test of Gold Nanocubes with Reaction Temperature

제조된 금 나노큐브에 아질산 이온(NO2 -) 10 ppm을 첨가하고 20~90 ℃에서 반응 온도를 각기 달리하여 반응 시킨 후 30 분경과 후 각각의 온도에서의 색상 변화 및 UV-vis 스펙트럼 변화를 관찰하였다. The addition of 10 ppm and then the reaction by each different reaction temperature at 20 ~ 90 ℃ 30 minute and then the color change at each temperature and the UV-vis spectrum change-nitrite ions (NO 2) in the prepared gold nanoparticles cube Observed.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온 10 ppm 첨가에 따른 반응 온도의 변화에 따른 색상 변화 사진(도 4a), 스펙트럼 변화 그래프(도 4b), 흡광도 비 그래프(A550/A650)(도 4c)를 나타내는 그래프이다.4 is a color change picture (FIG. 4A), a spectral change graph (FIG. 4B), and an absorbance ratio graph (FIG. 4A) according to a change in reaction temperature according to the addition of 10 ppm of nitrite ions to the prepared gold nanocube. A 550 / A 650 ) (FIG. 4C).

도 4a에서 알 수 있듯이, 나노큐브의 반응은 50 ℃까지 크게 변화가 없었으나 60~90 ℃까지 붉은 색으로 색깔이 변화였다. 이에 따른 도 4b의 UV-vis 스펙트럼에서도 같은 결과를 보여주고 있다. 도 4c는 도 4b를 흡광도비 A550/A650로 나타내었으며 90 ℃에서 가장 높은 흡광도비를 보인다.As can be seen in Figure 4a, the reaction of the nanocube did not change significantly up to 50 ℃, but the color was changed to red up to 60 ~ 90 ℃. This shows the same result in the UV-vis spectrum of Figure 4b. FIG. 4C shows the absorbance ratio A 550 / A 650 and shows the highest absorbance ratio at 90 ° C.

금 나노큐브(nanocube)의 NaCl 농도에 따른 반응성과 안정성 검사Reactivity and Stability Tests of NaCl Concentrations in Gold Nanocubes

제조된 나노큐브에 아질산 이온(NO2 -) 10ppm을 첨가하기 전과 후에 반응 온도 90℃에서 다양한 염화나트륨 농도(1~400 mM)로, 반응 시키고 30 분 경과후 아질산 이온과 나노큐브의 변화를 관찰하였다.Before and after adding 10 ppm of nitrite ions (NO 2 ) to the prepared nanocube, the reaction was carried out at various reaction temperatures of sodium chloride (1 to 400 mM) at a reaction temperature of 90 ° C. and the change of nitrite ion and nanocube was observed after 30 minutes. .

도 5는 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온 10 ppm 첨가 전 및 후 NaCl 농도변화에 따른 스펙트럼 변화 그래프(도 5a) 및 흡광도 비 그래프(A550/A650)(도 5b)이다. 5 is a spectrum change graph (Fig. 5a) and absorbance ratio graph (A 550 / A 650 ) according to the NaCl concentration change before and after the addition of 10 ppm nitrite ion to the prepared gold nanocube in an embodiment of the present invention (Fig. 5b).

아질산 이온을 첨가하기 전의 경우, 염화나트륨 농도가 100 mM 이상에서는 금 나노큐브가 불안정해져서 푸른색이 변화 되었다. 도 5a에서 염화나트륨 농도변화에 따른, 스펙트럼의 변화에서도 같은 결과를 보여주고 있다. 도 5b는 도 5a를 흡광도비(A550/A650)로 나타내었으며, 아질산 이온 검출을 위한 최적의 염(salt)농도는 20 mM 임을 알 수 있다.Before the addition of nitrite ions, the gold nanocube became unstable and changed blue color at sodium chloride concentration of 100 mM or higher. 5a shows the same result in the change of the spectrum according to the change in sodium chloride concentration. 5B shows the absorbance ratio (A 550 / A 650 ) of FIG. 5, and it can be seen that an optimal salt concentration for nitrite ion detection is 20 mM.

금 나노큐브(nanocube)의 pH, 온도, NaCl 농도의 함수로서의 반응 속도 Reaction rate as a function of pH, temperature and NaCl concentration of gold nanocubes

제조된 나노큐브에 아질산 이온(NO2 -) 10 ppm을 첨가하고 지속적으로 흡광도비(A550/A650)를 측정하였다.10 ppm of nitrite ions (NO 2 ) were added to the prepared nanocube, and the absorbance ratio (A 550 / A 650 ) was continuously measured.

도 6은 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온 10 ppm 첨가와 반응온도 90℃, NaCl 20 mM에서의 반응 시간에 따른 흡광도비(A550/A650) 변화를 나타낸 반응 속도 그래프이다.6 is a reaction showing the change in absorbance ratio (A 550 / A 650 ) according to the reaction time at the reaction temperature of 90 ° C. and NaCl 20 mM in addition of 10 ppm of nitrite ion to the prepared gold nanocube Speed graph.

도 6에서 알 수 있듯이, 흡광도비는 30분까지는 반응속도가 가파르게 증가한 후, 30분 후부터는 더 이상의 에칭(etching) 반응이 거의 일어나지 않음을 보여주고 있다. 따라서, 나노큐브와 아질산 이온과의 반응은 30 분 정도에 반응이 완료되는 것으로 선택하였다.As can be seen in Figure 6, the absorbance ratio shows that the reaction rate increases steeply up to 30 minutes, and almost no further etching reaction occurs after 30 minutes. Therefore, the reaction between the nanocube and the nitrite ion was selected to be completed in about 30 minutes.

금 나노큐브의 음이온 화합물들에 대한 민감성 및 선택성 검사Sensitivity and Selectivity Testing of Anionic Compounds of Gold Nanocube

실시예에 따라 제조된 육면체 금 나노큐브(gold nanocube)가 아질산 이온에 대한 민감성(sensitivity) 테스트 및 다른 음이온과의 반응으로 인한 선택성(selectivity) 테스트를 수행하였다. A hexahedral gold nanocube prepared according to the example was subjected to a sensitivity test for nitrite ions and a selectivity test due to reaction with other anions.

우선 금 나노큐브를 포함하는 비색 센서에, 아질산 이온을 농도별 (0.1~10 ppm)로 첨가하여 흡광도비(A550/A650)를 측정하였다. 도 7는 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온(NO2 -) 농도에 따른 반응 용액의 색상 변화(도 7a)와 흡광도 비(A550/A650) 그래프(도 7b)이다.First, nitrite ions were added to the colorimetric sensor including the gold nanocube in concentrations (0.1 to 10 ppm) to measure the absorbance ratio (A 550 / A 650 ). FIG. 7 is a graph illustrating a color change (FIG. 7A) and an absorbance ratio (A 550 / A 650 ) of a reaction solution according to nitrite ion (NO 2 ) concentration in a manufactured gold nanocube (FIG. 7B). )to be.

도 7a와 같이 첨가된 아질산 이온의 농도가 증가함에 따라 붉은색이 증가함을 보여주고 있고, 도 7b는 흡광도비에 따른 직선성 (r2 = 0.9663)을 유지하고 있으며, 직선식 y = 0.7879x-0.1333을 나타내었다.As shown in FIG. 7A, the red color increases as the concentration of the added nitrite ion increases. FIG. 7B maintains the linearity (r 2 = 0.9663) according to the absorbance ratio, and the linear y = 0.7879x. -0.1333 is shown.

실시예의 나노큐브에 대하여, 1) NO2 , 2) NO3 , 3) Cl, 4) Br, 5) SO4 2-, 6) PO4 2-, 7) CN, 8) I, 9) F, 10) C6H4(COO)2, 11) CH3COO, 12) C3H5O(COO)3 3 과의 선택성을 실험하였다.With respect to the embodiment of the nano cube, 1) NO 2 -, 2 ) NO 3 -, 3) Cl -, 4) Br -, 5) SO 4 2-, 6) PO 4 2-, 7) CN -, 8) I -, 9) F -, 10) C 6 H 4 (COO -) 2, 11) CH 3 COO -, 12) C 3 H 5 O (COO) 3 3 - was tested and the selectivity of.

도 8은 본 발명의 일 실시예에서, 제조된 금 나노큐브에 아질산 이온(NO2 -), 기타 음이온의 첨가 따른 반응 용액의 색상 변화(도 8a)와 흡광도 스펙트럼 그래프(도 8b) 및 선택성을 나타내는 흡광도비(A550/A650) 그래프(도 8c)이다.FIG. 8 is a diagram illustrating color change (FIG. 8A), absorbance spectrum graph (FIG. 8B), and selectivity of a reaction solution according to the addition of nitrite ions (NO 2 ) and other anions to the prepared gold nanocube. It is an absorbance ratio (A 550 / A 650 ) graph (FIG. 8C) shown.

도 8a에서 아질산 이온은 타 음이온과 상이하게 붉은색을 띠며, 이러한 색상 변화만으로도 확연히 아질산 이온과 타 이온과의 반응성을 확인할 수 있다. 도 8b는 도 8a의 스펙트럼의 결과이며 아질산 이온이 타 이온과 상이한 흡광도 A550과 A650을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 도 8c는 도 8b를 흡광도 비로 나타낸 것으로 아질산 이온이 타 음이온과 달리 육면체 형태의 나노큐브의 식각에 대한 선택성이 아주 우수함을 알 수 있다. In FIG. 8A, nitrite ions have a red color differently from other anions, and only the color change can clearly confirm the reactivity of nitrite ions with other ions. FIG. 8B is a result of the spectrum of FIG. 8A and it can be seen that nitrite ions exhibit different absorbances A 550 and A 650 than other ions. FIG. 8C shows the absorbance ratio of FIG. 8B, which shows that nitrite ions have excellent selectivity for etching hexahedral nanocubes unlike other anions.

즉, 본 발명의 구현예들에 의한 검출 시스템은 다른 음이온들에 비해 아질산 이온에 대한 감도가 육안으로도 분별이 가능할 정도로 높고, 흡광도 비의 분석을 통해 다른 음이온과는 확실한 선택성이 있다는 것을 확인 할 수 있다. In other words, the detection system according to the embodiments of the present invention has high sensitivity to nitrite ions compared to other anions, so that the naked eye can be distinguished from the naked eye. Can be.

금 나노큐브를 포함하는 검출 시스템의 유효성 평가Evaluation of the effectiveness of detection systems containing gold nanocubes

실제 시료인 천연 광천수(mineral water)에서의 음이온 검출 실험을 수행하였다. 시중에서 판매 중인 천연 광천수를 구입하여, 제품 내 대상 물질의 함유 여부를 확인하였고, 대상물질이 존재하지 않음을 확인 후 시료를 공액시료 (blank)로 사용하였다. Anion detection experiments were performed in natural mineral water, which is a real sample. The natural mineral water on the market was purchased, and it was confirmed whether the target substance was contained in the product, and after confirming that the target substance did not exist, the sample was used as a conjugated sample (blank).

먼저 검출 대상시료 아질산 이온 1 ppm과 0.3 ppm이 첨가된 공액 시료를 준비하고, 실시예 5에서 작성 된 검량 곡선을 이용하여 검출된 양, 변동계수(CV), 회수율(recovery, %)을 측정하였다. First, a conjugated sample containing 1 ppm and 0.3 ppm of nitrite ions to be detected was prepared, and the detected amount, coefficient of variation (CV), and recovery (%) were measured using the calibration curve prepared in Example 5. .

첨가농도
(ug/ml)
Concentration
(ug / ml)
공액 시료에 첨가한 아질산 이온 양 (μg/ml)Amount of nitrite ion added to conjugated sample (μg / ml)
검출 농도
(ug/ml)
Detection concentration
(ug / ml)
CV(Coefficient of Variation, 변동계수)CV (Coefficient of Variation) 회수율
(%)
Recovery rate
(%)
검출한계
(ppb)
Detection limit
(ppb)
0.300.30 0.29±0.010.29 ± 0.01 3.453.45 98.5±5.2198.5 ± 5.21 9.569.56 1.001.00 1.03±0.061.03 ± 0.06 5.825.82 103.1±6.07103.1 ± 6.07

상기 표 1에서와 같이, 비색센서를 이용한 아질산 이온의 검출한계(Limit of Detection,LOD)는 0.01 ppm 이하로 나타내었다. 첨가된 0.3 ppm과 1 ppm의 검출량은 각각 0.29±0.01, 1.03±0.06이었으며, 변동계수는 3.45와 5.82 등 모두 우수하였고, 회수율 또한 98.5±5.21와 103.1±6.07 값이 나왔다.As shown in Table 1, the limit of detection (LOD) of nitrite ions using a colorimetric sensor is expressed as 0.01 ppm or less. The detected amounts of 0.3 ppm and 1 ppm were 0.29 ± 0.01 and 1.03 ± 0.06, respectively, and the coefficients of variation were excellent, including 3.45 and 5.82, and the recoveries were also 98.5 ± 5.21 and 103.1 ± 6.07.

식용수 및 음료수 등은 다양한 조성물로 이루어진 제품으로 아질산 이온 검출에는 많은 장애 인자가 존재할 수 있지만, 본 발명이 구현예들에서의 육면체 형태의 금 나노큐브가 아질산 이온의 식각에 의한 비색센서로 사용되고, 그 성능이 매우 우수하고 선택성이 높음을 알 수 있다. Drinking water and beverages are products made of various compositions, but there may be many obstacles in detecting nitrite ions. However, the present invention is used as a colorimetric sensor by etching nitrite ions. It can be seen that the performance is very good and the selectivity is high.

이상에서 본 발명의 비제한적이고 예시적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다. Although the non-limiting and exemplary embodiments of the present invention have been described above, the technical idea of the present invention is not limited to the accompanying drawings and the above description. It will be apparent to those skilled in the art that various forms of modifications can be made without departing from the spirit of the present invention, and furthermore, such modifications will be within the scope of the claims of the present invention.

Claims (18)

아질산 이온(nitrite) 검출을 위한 비색 검출 센서로서,
상기 비색 검출 센서는 육면체 형상의 금 나노큐브를 포함하고,
육면체 형상의 금 나노큐브가 아질산 이온의 식각(etching)에 의해 구형으로 변화하여 아질산 이온을 검출하는 것이며,
상기 육면체 형상의 금 나노큐브는 금 나노 입자 시드로부터 성장된 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
A colorimetric detection sensor for detecting nitrite ions (nitrite),
The colorimetric detection sensor includes a hexahedral gold nanocube,
A hexahedral gold nanocube changes to a sphere by etching of nitrite ions to detect nitrite ions.
The hexahedral gold nanocube is grown from a gold nanoparticle seed colorimetric detection sensor.
제 1 항에 있어서,
상기 비색 검출 센서는 금 나노큐브를 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The colorimetric detection sensor is a colorimetric detection sensor, characterized in that the aqueous solution containing a gold nanocube.
제 1 항에 있어서,
상기 비색 검출 센서는 안정화제(stabilizer)인 염을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The colorimetric detection sensor further comprises a salt that is a stabilizer (stabilizer).
제 3 항에 있어서,
상기 염은 NaCl인 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 3, wherein
The salt is a colorimetric detection sensor, characterized in that NaCl.
제 3 항에 있어서,
상기 염의 농도는 비색 검출 센서 용액 중 0 초과 50mM 이하인 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 3, wherein
The concentration of the salt is a colorimetric detection sensor, characterized in that more than 0 and 50mM or less in the colorimetric detection sensor solution.
제 1 항에 있어서,
상기 비색 검출 센서는 pH 3 내지 12의 범위에서 아질산 이온을 검출하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The colorimetric detection sensor is a colorimetric detection sensor, characterized in that for detecting nitrite ions in the range of pH 3 to 12.
제 1 항에 있어서,
상기 비색 검출 센서는 상온 내지 90 ℃의 범위의 반응 온도에서 반응하여 아질산 이온을 검출하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The colorimetric detection sensor is a colorimetric detection sensor, characterized in that for detecting the nitrite ion by reacting at a reaction temperature in the range of room temperature to 90 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 비색 검출 센서는 아질산 이온 검출 가능 농도는 0.01 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The colorimetric detection sensor is a colorimetric detection sensor, characterized in that the nitrite ion detectable concentration is 0.01 ppm or less.
제 1 항에 있어서,
상기 금 나노큐브는 아질산 이온 반응 전 흡광도 600 nm 내지 700 nm와 아질산 이온과 반응 후 흡광도 500 nm 내지 600 nm에서의 흡광도비 (A550/A650)가 0 내지 10인 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The gold nanocube colorimetric detection sensor, characterized in that the absorbance ratio (A550 / A650) at the absorbance of 600 nm to 700 nm before the nitrite ion reaction and the absorbance 500 nm to 600 nm after the reaction with the nitrite ion is 0 to 10.
제 1 항에 있어서,
상기 비색 검출센서는 아질산 이온 검출 시 푸른색에서 붉은 색으로의 색상 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The colorimetric detection sensor is a colorimetric detection sensor, characterized in that the color change from blue to red color when detecting nitrite ion.
제 1 항에 있어서,
상기 비색 검출 센서의 색변화는 육안으로 측정되거나, 또는 분광광도계, 형광광도계 또는 색도계로 정량적으로 측정되는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서.
The method of claim 1,
The color change of the colorimetric detection sensor is measured by the naked eye, or colorimetric detection sensor characterized in that it is measured quantitatively by a spectrophotometer, a fluorometer or a colorimeter.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 비색 검출 센서를 이용하여 아질산 이온을 검출하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 방법.
The colorimetric detection method which detects a nitrite ion using the colorimetric detection sensor in any one of Claims 1-11.
제 12 항에 있어서,
상기 비색 검출 방법은, 비색 검출 센서에 검출 대상 시료를 투입하는 단계; 및 상기 비색 검출 센서의 색 변화에 의해 검출 대상 시료 내의 아질산 이온 (nitrite)을 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 방법.
The method of claim 12,
The colorimetric detection method may include: injecting a sample to be detected into a colorimetric detection sensor; And detecting nitrite ions (nitrite) in the sample to be detected by color change of the colorimetric detection sensor.
제 12 항에 있어서,
상기 비색 검출 방법은, 비색 검출 센서의 색상 변화를 분광광도계, 형광광도계 또는 색도계로 측정하여 검출 대상 시료 내 아질산 이온의 농도를 정량하는 농도 측정 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 방법.
The method of claim 12,
The colorimetric detection method further comprises a concentration measurement step of quantifying the concentration of the nitrite ion in the sample to be detected by measuring the color change of the colorimetric detection sensor with a spectrophotometer, a fluorescence photometer or a colorimeter.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 비색 검출 센서의 제조 방법으로서,
금 나노 입자 전구체를 포함하는 시드 용액을 준비하는 단계;
상기 금 나노 입자를 나노 큐브로 성장시키기 위한 성장 용액을 준비하는 단계; 및
성장 용액과 시드 용액을 혼합하여 금 나노 입자를 육면체 형상의 금 나노큐브로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서 제조 방법.
As a manufacturing method of the colorimetric detection sensor of any one of Claims 1-11,
Preparing a seed solution comprising a gold nanoparticle precursor;
Preparing a growth solution for growing the gold nanoparticles into a nanocube; And
A method of manufacturing a colorimetric detection sensor comprising a; mixing a growth solution and a seed solution to produce gold nanoparticles into a hexahedral gold nanocube.
제 15 항에 있어서,
상기 성장 용액과 시드 용액의 혼합 시 환원제에 대한 금 나노큐브의 몰랄 비율(molar ratio)은 0.46 ~ 2.14인 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서 제조 방법.
The method of claim 15,
The molar ratio of the gold nanocube to the reducing agent (molar ratio) when the growth solution and the seed solution is mixed, characterized in that 0.46 ~ 2.14.
제 15 항에 있어서,
상기 시드 용액은 염화 세틸트리메틸암모늄 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC), 금 염화수화물(HAuCl4) 및 사수소붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서 제조 방법.
The method of claim 15,
The seed solution is cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), gold chloride (HAuCl 4 ) and sodium borohydride (sodium borohydride, NaBH 4 ) manufacturing method characterized in that it comprises a color detection sensor.
제 15 항에 있어서,
상기 성장 용액은 염화 세틸트리메틸암모늄 (cetyltrimethylammonium chloride, CTAC), 금 염화수화물(HAuCl4), 사수소붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH4), 질산은(silver nitrate, AgNO3) 및 아스코빅산(ascorbic acid)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비색 검출 센서 제조 방법.
The method of claim 15,
The growth solution is cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), gold chloride (HAuCl 4 ), sodium borohydride (NaBH 4 ), silver nitrate (AgNO 3 ) and ascorbic acid (ascorbic acid) Colorimetric detection sensor manufacturing method comprising a.
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