KR102188845B1 - 1차원 나노섬유 구조에 마약감지용 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들은 특정 마약과 반응하여 색이 변하는 마약감지 색변화 염료 물질을 나노섬유에 고르게 결착시킨 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제작하는 두가지 구체적인 방법에 있으며 첫번째 방법은 마약감지 색변화 염료 물질을 고분자 용액에 혼합시켜 전기방사용액을 제조하여 전기방사를 통해 마약감지 색변화 염료 물질이 고르게 결착된 나노섬유를 형성하는 것을 특징으로 한다. 두번째 방법은 순수한 고분자 용액을 전기방사하여 일차적으로 고분자 나노섬유 멤브레인을 합성하고, 다양한 후속 코팅 기법을 이용하여 색변화 염료 물질을 상기 고분자 나노섬유 멤브레인 상에 균일하게 코팅하는 것을 특징으로 한다. 이때, 나노섬유 내외에 걸쳐 마약감지 색변화 염료 물질이 균일하게 결착되어 반응 비표면적을 극대화 시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 제작 비용이 비교적 저렴한 전기방사를 이용하여 나노섬유 멤브레인 마약감지 색변화 센서를 대량으로 생산이 가능하다. 혹은 다양한 코팅기법을 통해 손쉽게 염료를 나노섬유 멤브레인의 표면에 추가적으로 코팅시킬 수 있다. 이를 통해, 기존의 마약감지 색변화 센서에 비해, 적은 양의 마약감지 색변화 염료량으로도 효과적인 색변화 특성을 나타낼 것으로 기대된다. 이러한 고성능의 마약감지 색변화 센서를 통해, 다양한 마약 (코카인, 모르핀, LSD)에 대한 색변화 센서 어레이를 제작할 수 있으며 마약조기 진단 키트로 사용될 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 특정 마약과 반응하여 색변화를 일으키는 마약감지 색변화 염료 물질이 1차원 나노섬유에 고르게 결착되고, 상기 나노섬유가 3차원 네트워크 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 전기방사공정을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질을 고분자 나노섬유 내부 및 표면에 고르게 결착시킨 나노섬유를 제공한다. 나노섬유의 높은 비표면적과 물질의 확산이 뛰어난 다공성 구조를 이용하며, 마약감지 색변화 염료 물질이 나노섬유에 고르게 결착되어 공기 중에 노출되는 면적을 극대화 시킨다. 이와 같은 방법으로, 최소한의 염료량으로 우수한 색변화 성능을 갖는 마약감지 색변화 염료소재가 결착된 색변화 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다양한 마약으로 인해 발생하는 사회적, 경제적 문제는 이미 심각한 수준에 있으며 더 이상 대한민국도 마약 청정국이 아니다. 국민안전특별위원장에 의하면 2017년 상반기 기준 마약류의 밀반입 적발건이 197건에 달하며 그 금액은 413억원에 달한다고 한다. 2016년 기준 마약류 사범수가 14,214명에 달하며 국내 마약중독자의 수는 최소 10만명 이상, 또한 사회적 비용도 약 2조 5천억원에 달한다고 한다. 대검찰청 자료에 따르면 마약류 범죄의 적발건 중, 전체 적발의 85% 이상의 경우가 마약 밀반입 이후, 투약 이후에 적발된다고 한다. 따라서, 마약의 유통 중 신속한 방법으로 마약류를 감지해 낼 수 있는 고속, 고성능의 마약감지 센서 개발이 필요한 실정이다.
기존에 사용되는 마약감지 센서의 경우 크고, 무거운 기기가 필요하여 휴대성이 용이하지 않으며, 분석시간이 오래 소요되는 단점으로 인해 신속한 마약 적발에 큰 한계점으로 작용되고 있다. 또한, 생체 시료 분석을 통한 마약 복용 여부 확인의 경우, 마약류 1종 분석에 70가닥의 머리카락이 필요하며, 약 3 ~ 10일의 분석시간이 소요되기 때문에 적절한 현장 대응이 불가능 하다. 또한, 현재 사용화 되어 판매하는 마약감지 색변화 센서의 경우, 고감도 반응성을 이끌어내기에 한계점이 있다.
마약감지 색변화 센서의 한 예로, 코카인 (cocaine) 지시용 색변화 센서가 있을 수 있다. 코카인은 5대 주요 밀반입 마약류중의 하나로써, 용액 또는 분말 형태로 밀반입이 이루어진다. Cobalt(II) thiocyanate는 코카인을 선택적으로 감지할 수 있는 색변화 염료물질로 널리 알려져 있다. 스캇 테스트 (Scott test)로도 알려진 상기 방법을 통해 cobalt(II) thiocyanate 색변화 염료 물질과 코카인과 반응시켜 색변화를 야기한다. 다른 예로, 필로폰 지시용 색변화 센서로 sodium nitroprusside dihydrate라는 색변화 염료가 사용된다. 시몬 테스트 (Simon's test)로도 알려진 상기 방법을 통해 sodium nitroprusside dihydrate 색변화 염료 물질을 필로폰과 화학반응시켜 색변화를 일으킨다. 위와 같이 마약과 색변화 염료간의 화학반응을 통해 색변화 반응을 이끌어 낼 수 있는데, 이때 짧은 시간에 색을 발현시킬 수 있는 고감도의 색변화 센서가 필요한 실정이다.
고감도의 색변화 센서를 제조하기 위해서는 색변화 염료 물질이 외부에 노출되는 표면적을 넓혀 많은 반응점 (reaction site)을 갖는 나노 구조 기반의 색변화 센서 소재의 개발이 필요하다. 단순한 필름 형태의 색변화 센서의 경우, 화학반응이 오직 필름 표면의 색변화 염료 물질에서만 일어나고, 필름 내부에 있는 색변화 염료 물질은 반응에 참여하지 못하여 색변화의 효율성 및 감도가 떨어진다는 단점이 있다. 따라서, 높은 표면적과 기공도를 갖는 나노구조 소재를 합성함으로써, 마약 분자들이 감지소재의 심층부까지 빠르게 확산하여 내부의 색변화 염료들과도 표면 화학반응에 참여할 수 있는 다공성 구조를 갖는 색변화 센서 소재 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 특정 마약분자와 흡착 및 반응하여 색변화를 일으키는 마약감지 색변화 염료 물질이 1차원 나노섬유 구조에 결착되어 사용 중 제품에서 탈착이 되지 않고 공기중에 노출되는 면적이 극대화된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착되고, 상기 나노섬유가 3차원 네트워크 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 고분자 나노섬유 멤브레인을 대량으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
나노섬유 내부 및 표면에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착됨에 따라 표면 거칠기가 증가되어 색변화 염료 물질이 공기 중에 노출되는 면적을 극대화시키고, 1차원 나노섬유의 높은 비표면적 및 넓은 기공도의 구조적 특성을 활용하여 적은 양의 색변화 염료 물질로도 극미량의 특정 마약을 검출해 낼 수 있는 고성능의 마약감지 색변화 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
1 차원 고분자 나노섬유 내부 내지는 표면에 마약물질과 반응하여 색이 변하는 마약감지 색변화 염료 물질이 결착되고, 상기 1 차원 고분자 나노섬유가 3 차원 네트워크 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제공한다.
일측에 따르면, 상기 3 차원 네트워크 구조는 1 차원 단일 나노섬유들이 서로 무작위적으로 얽혀 이루어진 구조 또는 1 차원 단일 나노섬유들이 일정 방향으로 정렬되어 나노섬유들이 적층된 형상의 3 차원 다공성 멤브레인 구조를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 마약감지 색변화 염료 물질은, 특정 마약분자와 흡착 및 반응 후, 가시광선 영역 안에서의 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 안에서 밖으로의 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 밖에서 안으로의 파장의 주파수 변화 또는 파장의 강도 변화로 인해 색변화 특성을 보이는 물질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 마약감지 색변화 염료 물질은 ammonium metavanadate (NH4VO3), cobalt(II) acetate [Co(C2H3O2)2], sodium nitroprusside (C5FeN6Na2O), 4-(dimethylamino)benzaledyhyde ((CH3)2NC6H4CHO), sodium carbonate (Na2CO3), copper(II) sulfate (CuSO4), cobalt thiocyanate(CoSCN), cobalt(II) thiocyanate(C2CoN2S2), vanadium sulfate(VOSO4) 및 ferric chloride (FeCl3) 중 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 마약감지 색변화 염료 물질의 직경은 1 nm ~ 1 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 마약물질과의 반응을 극대화시키기 위해, 전기방사하여 제작된 고분자 나노섬유에 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 구조적 및 물리적으로 결착되어, 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 내부 내지는 표면에 균일하게 결착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 마약감지 색변화 염료 물질로써 cobalt(II) thiocyanate를 선택하게 되는 경우, cobalt(II) thiocyanate 염료 입자는 나노섬유에 결착되며, 코카인과 반응하여 파란색의 결정이 나노섬유의 표면에 형성되면서 색변화를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 마약감지 색변화 염료 물질로써 4-(dimethylamino)benzaldehyde를 선택하게 되는 경우, 4-(dimethylamino)benzaldehyde 염료 입자는 나노섬유에 결착되며, LSD (lysergic acid diethylamide)와 반응하여 진한 파란색의 결정이 나노섬유의 표면에 형성되면서 색변화를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 마약감지 색변화 염료 물질로써 sodium nitroprusside dehydrate를 선택하게 되는 경우, sodium nitroprusside dihydrate 염료 입자는 나노섬유에 결착되며, 필로폰과 반응하여 푸른색 혹은 보라색의 결정이 나노섬유의 표면에 형성되면서 색변화를 나타내는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 직경은 100 nm ~ 10 μm 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 마약감지 색변화 염료 물질의 중량비율은 상기 나노섬유에 사용되는 고분자의 중량 대비 0.1 ~ 400 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 나노섬유를 구성하는 고분자는 폴리퍼퓨릴알콜 (PPFA), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 (PVAc, Polyvinyl acetate), 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리스티렌 (PS, Polystyrene), 폴리비닐피롤리돈 (PVP, Polyvinylpyrrolidone), 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 (PEO, Polyethylene oxide), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트 (PC), 폴리비닐클로라이드 (PVC, Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 (PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리이미드 (Polyimide), 폴리아크릴로나이트릴 (PAN, Polyacrylonitrile), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET, Polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌옥사이드 (PPO, Polypropylene oxide), 폴리비닐알콜 (PVA, Polyvinyl alcohol), 스타이렌 아크릴로나이트릴 (SAN, Styrene-acrylonitrile), 폴리카보네이트 (PC, polycarbonate), 폴리아닐린 (PANI, Polyaniline), 폴리프로필렌 (PP, Polypropylene) 및 폴리에틸렌 (PE, Polyethylene) 중 1 종 혹은 2 종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법에 있어서, (a) 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액에 마약감지 색변화 염료 물질을 함께 넣어주어 전기방사용액을 제조하는 단계; (b) 교반 과정을 통해 전기방사용액 안에 색변화 염료 물질을 분산시키는 단계; (c) 전기방사공정을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 제조하는 단계; 및 (d) 방사된 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 멤브레인 형태로 부직포에 수집하는 단계를 포함하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 제조방법은 상기 (c) 단계에서, 상기 전기방사용액에 대한 전기방사공정을 통하여 1 차원 구조의 나노섬유를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 전기방사공정에 있어서, 방사용액을 토출시키는 토출량은 0.1 ~ 500 μl/min의 범위에 포함되고, 주사기의 니들 (needle)과 집전판 사이에 인가되는 전압은 1 ~ 50 kV 범위에 포함되고, 상기 집전판은 스테인리스 스틸 (stainless steel), 종이 (paper), 부직포 (non-woven fabric) 및 플라스틱 (plastic) 기판 중 적어도 하나의 지지체를 포함하고, 상기 제조방법은 상기 (d) 단계에서, 상기 지지체의 상단에 5 ~ 1000 μm의 범위에 포함되는 두께로 복합 나노섬유 멤브레인을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법에 있어서, (a) 고분자를 용매에 용해시킨 전기방사용액을 제조하는 단계; (b) 전기방사공정을 이용하여 고분자 나노섬유를 제조하는 단계; (c) 방사된 고분자 나노섬유를 멤브레인 형태로 부직포에 수집하는 단계; 및 (d) 수집된 고분자 나노섬유 멤브레인상에 마약감지 색변화 염료 물질을 균일하게 기능화시키는 단계를 포함하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 제조방법은 상기 (b) 단계에서, 상기 전기방사용액에 대한 전기방사공정을 통하여 1 차원 구조의 나노섬유를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 전기방사공정에 있어서, 방사용액을 토출시키는 토출량은 0.1 ~ 500 μl/min의 범위에 포함되고, 주사기의 니들 (needle)과 집전판 사이에 인가되는 전압은 1 ~ 50 kV 범위에 포함되고, 상기 집전판은 스테인리스 스틸 (stainless steel), 종이 (paper), 부직포 (non-woven fabric) 및 플라스틱 (plastic) 기판 중 적어도 하나의 지지체를 포함하고, 상기 제조방법은 상기 (d) 단계에서, 상기 지지체의 상단에 5 ~ 1000 μm의 범위에 포함되는 두께로 복합 나노섬유 멤브레인을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제조방법은 상기 (d) 단계에서, 진공 필트레이션 (vacuum filtration), 함침 (dipping), 드롭코팅 (drop coating), 스핀 코팅 (spin coating) 및 스프레이 코팅 (spray coating) 중 적어도 하나의 공정 기법을 통해 상기 고분자 나노섬유 멤브레인 상에 마약감지 색변화 염료 물질을 기능화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제조방법은 상기 (d) 단계에서, 1 종의 색변화 염료 분말 또는 이온 상태뿐만 아니라, 다종의 염료가 복합적으로 기능화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제조방법들에서 용매는 물 (deionized water), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol), 포름산 (formic acid), 아세토니트릴 (acetonitrile), 나이트로메테인 (nitromethane), 초산 (acetic acid), 에탄올 (ethanol), 아세톤 (acetone), 에틸렌 글리콜 (EG, ethylene glycol), 디메틸 술폭시드 (DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide), 디메틸아세트아마이드 (DMAc, dimethylacetamide) 및 톨루엔 (toluene) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제조방법들에서 전기방사용액을 구성하는 고분자는 각각의 특정 용매에 대해 중량비 0.1 ~ 90 wt%의 범위에서 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제조방법들에 의해 제조된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서는 코카인, 모르핀 및 LSD 중 적어도 하나를 감지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 멤브레인을 합성하고 추가적으로 진공 필트레이션 코팅 기법을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 나노섬유 멤브레인에 균일하게 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1 차원 고분자 나노섬유 멤브레인을 제조하고 추가적으로 진공 필트레이션 기법을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 전기방사법을 이용하여 제작된 마약 (코카인, LSD, 필로폰) 감지 색변화 염료 물질 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate)이 고르게 결착되어 있는 마약 지시용 색변화 염료물질 복합 나노섬유 멤브레인의 주사전자 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 전기방사법을 이용하여 고분자 나노섬유 멤브레인 제작 후, 마약 (코카인, LSD, 필로폰) 감지 색변화 염료 물질 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dihydrate)이 용해된 용액의 사진 이미지 및 상기 용액을 후속 코팅한 색변화 염료가 각각 고르게 결착되어 있는 마약 지시용 색변화 염료물질 복합 나노섬유 멤브레인의 주사전자 현미경 사진이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 멤브레인을 합성하고 추가적으로 진공 필트레이션 코팅 기법을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 나노섬유 멤브레인에 균일하게 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1 차원 고분자 나노섬유 멤브레인을 제조하고 추가적으로 진공 필트레이션 기법을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 전기방사법을 이용하여 제작된 마약 (코카인, LSD, 필로폰) 감지 색변화 염료 물질 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate)이 고르게 결착되어 있는 마약 지시용 색변화 염료물질 복합 나노섬유 멤브레인의 주사전자 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 전기방사법을 이용하여 고분자 나노섬유 멤브레인 제작 후, 마약 (코카인, LSD, 필로폰) 감지 색변화 염료 물질 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dihydrate)이 용해된 용액의 사진 이미지 및 상기 용액을 후속 코팅한 색변화 염료가 각각 고르게 결착되어 있는 마약 지시용 색변화 염료물질 복합 나노섬유 멤브레인의 주사전자 현미경 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 및 그 제조 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 발명에서는 전기방사법을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 1차원 나노섬유에 균일하게 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 마약감지 색변화 가스 센서 제조 방법에 관한 것으로, 색변화 염료 물질을 복합 나노섬유 표면에 최대한 노출시켜 미량의 마약분자로도 높은 감도의 색변화 성능을 갖는 것을 특징으로 한다.
기존 마약감지 색변화 센서의 경우, 마약 분자와 색변화 염료 물질의 반응성이 상대적으로 낮으며 반응 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 또한, 색변화 성능을 높이기 위해서 과량의 색변화 염료 물질이 사용되어야 한다. 특히, 색변화 염료 물질의 색변화는 비가역적이기 때문에 색변화 센서는 1회용 제품으로 사용될 수 밖에 없지만 대다수의 마약감지 색변화 센서는 시간이 오래 소요되는 분석 장비를 활용해야 하는 문제점을 내포하고 있다. 따라서, 마약감지 색변화 센서가 상용화가 되기 위해서는 색변화 염료 물질을 사용하여 빠른 반응속도로 마약분자와 효과적으로 화학반응을 하여 선명한 색변화를 야기하는 이상적인 환경을 만들어주어야 하며, 상기 조건에서 높은 감도와 빠른 반응속도를 갖는 색변화 센서 개발이 필요한 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 특정 마약과 반응하여 색이 변하는 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법을 제공한다. 마약감지 색변화 염료 물질을 3차원 구조의 고분자 나노섬유에 결착시킴으로써 타겟 마약에 노출되는 표면적을 증대시킬 수 있다. 또한, 고분자 나노섬유의 경우 3차원 구조 사이의 기공구조를 통한 가스 및 액체의 확산이 용이하여 2차원의 필름형태의 색변화 센서에 비해 크게 향상된 감도특성을 기대할 수 있다. 하지만, 특정 마약과 색변화 염료 물질의 반응성이 충분치 않아 넓은 비표면적을 갖는 장점에도 불구하고 낮은 농도의 마약 분자를 검출하기에는 어려움이 따른다. 본 발명은 전기방사공정을 통해 마약과 색변화 염료 물질 사이의 반응성을 높일 수 있는 나노섬유의 구조적 특성을 활용하여 적은 양의 색변화 염료가 결착됨에도 높은 감도의 색변화를 유도할 수 있는 장점을 갖는 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 (101)의 모식도를 도시하고 있다. 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 (101)는 고분자 나노섬유 (102)가 3차원 네트워크 구조로 이루어진 것으로, 고분자 나노섬유 (102)에는 특정 마약 분자와 흡착 및 반응하여 색이 변하는 마약감지 색변화 염료 물질 (103)이 결착되어 있다. 이때, 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 센서 (101)는 1차원 형상의 구조를 갖는 고분자 나노섬유 (102)가 서로 무작위적으로 얽혀서 이루어진 형상 또는 일정 방향으로 정렬되어 적층된 형상의 3차원 다공성 멤브레인 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
고분자 나노섬유 (102)에는 특정 마약의 흡착 및 반응 후, 가시광선 영역 안에서 이루어지는 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 안에서 밖으로의 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 밖에서 안으로의 파장의 주파수 변화 또는 파장의 강도 변화로 인해 색변화 특성을 보이는 평균 직경의 범위가 1 nm - 1 μm인 것을 포함하는 마약감지 색변화 염료 물질 (103)이 응집됨 없이 고르게 결착되며, 이때 마약감지 색변화 염료 물질 (103)로는 ammonium metavanadate (NH4VO3), cobalt(II) acetate [Co(C2H3O2)2], sodium nitroprusside (C5FeN6Na2O), sodium carbonate (Na2CO3), copper(II) sulfate (CuSO4), cobalt thiocyanate (CoSCN), cobalt(II) thiocyanate (C2CoN2S2), vanadium sulfate (VOSO4), ferric chloride (FeCl3) 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
전기방사공정을 통해 만들어진 고분자 나노섬유 (102)의 직경은 100 nm - 10 μm 범위에 포함되는 것을 특징으로 한다. 상기에 나열된 염료 이외에도 특정 마약과 선택적인 반응 결합을 통해 색변화 특성을 나타낼 수 있는 염료라면 나노섬유 (102)와의 결착에 있어서 특정 제약을 두지는 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용된 전기방사 장치의 모식도이다. 전기방사공정을 통해 마약감지 색변화 염료 물질이 포함된 전기방사용액이 시린지 (syringe) (201)의 바늘 (needle)에서 토출되어 1차원의 복합 고분자 나노섬유 멤브레인의 형태로 나오게 된다. 시린지 (201)의 바늘에는 고전압 인가 장치 (202)에 의하여 강한 전기장이 가해지며, 토출된 전기방사용액은 집전체 (203)에 방사된다. 전기방사 과정 중에 용매는 증발되고, 1차원 구조의 나노섬유가 얻어지게 된다. 고분자 방사용액을 제조할 때 사용되는 용매는 물 (deionized water), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol), 포름산 (formic acid), 아세토니트릴 (acetonitrile), 나이트로메테인 (nitromethane), 초산 (acetic acid), 에탄올 (ethanol), 아세톤 (acetone), 에틸렌 글리콜 (EG, ethylene glycol), 디메틸 술폭시드 (DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide), 디메틸아세트아마이드 (DMAc, dimethylacetamide) 및 톨루엔 (toluene) 중 1종 혹은 2종 이상의 혼합 용매가 사용될 수 있다.
전기방사공정을 통해서 방사되는 나노섬유는 1차원 형상의 구조를 가지며, 고분자 (204), 고분자 (204)에 결착되어 특정 마약과 반응하여 색변화를 일으키는 마약감지 색변화 염료 물질 (205)로 구성된다. 고분자는 폴리퍼퓨릴알콜 (PPFA), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA, polymethyl methacrylate), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 (PVAc, polyvinyl acetate), 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리스티렌 (PS, polystyrene), 폴리비닐피롤리돈 (PVP, polyvinylpyrrolidone), 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 (PEO, polyethylene oxide), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트 (PC), 폴리비닐클로라이드 (PVC, polyvinyl chloride), 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 (PVDF, poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리이미드 (polyimide), 폴리아크릴로나이트릴 (PAN, polyacrylonitrile), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET, polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌옥사이드 (PPO, polypropylene oxide), 폴리비닐알콜 (PVA, polyvinyl alcohol), 스타이렌 아크릴로나이트릴 (SAN, styrene-acrylonitrile), 폴리카보네이트 (PC, polycarbonate), 폴리아닐린 (PANI, polyaniline), 폴리프로필렌 (PP, polypropylene) 및 폴리에틸렌 (PE, polyethylene) 중 1종 혹은 2종 이상의 고분자 혼합물이 될 수 있다. 전기방사를 수행하기에 적절한 점도를 가지기 위해서, 전기방사용액을 구성하는 고분자는 특정 용매에 중량비 0.1 - 90 wt%의 농도 범위에서 제조된다. 색변화 염료 물질의 평균 입도는 1 nm - 1 μm의 크기 범위에 포함되는 입자 형태가 사용되며, 색변화 염료 물질의 중량 비율은 고분자 매트릭스의 중량 대비 0.1 - 400 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 한다. 마약감지 색변화 염료 물질은 고분자가 용매에 용해된 고분자 용액에 분산하여 사용한다.
전기방사공정에서 전기방사용액을 토출시키는 토출량은 0.1 - 500 μl/min의 범위를 가지며 방사용액의 점도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 방사용액의 농도와 주입속도의 비율을 조절하면 최종적으로 만들어지는 나노섬유의 직경을 조절하여 제조할 수 있다. 노즐 (nozzle)과 집전판 (집전체) 사이에는 1 - 50 kV의 전압이 인가될 수 있으며, 노즐과 집전체 사이의 거리는 3 - 50 cm 범위에서 선택될 수 있다. 집전판으로는 스테인레스 스틸, 부직포, 종이, 플라스틱 기판 등 다루기 용이한 지지체가 사용되는 것을 특징으로 한다. 상기 나노섬유 멤브레인의 두께는 5 μm - 1000 μm 범위에 포함되는 것을 특징으로 한다. 5 μm 보다 섬유의 두께가 작은 경우, 수집된 나노섬유의 밀도가 충분히 높지 못해 진한 색변화 특성을 기대할 수 없으며, 1000 μm 이상으로 두꺼운 경우는 염료의 로딩양 (loading amount)이 많아 지기 때문에 5 μm - 1000 μm 의 범위에서 선택되는 것이 좋으며, 구체적으로는 10 μm - 30 μm 의 두께 범위를 갖는 멤브레인을 제조하는 것이 염료의 로딩양을 최소화 하면서 진한 색변화 특성을 얻는데 바람직하다. 또한, 마약감지 색변화 염료물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서는 특정 마약분자에 노출되는 경우, 개별의 섬유 표면에서 특정 마약분자와 상기 마약감지 색변화 염료 물질 사이의 흡착 및 표면 화학반응을 통해 색변화가 이루어진다. 이러한 멤브레인 색변화 센서는 코카인, LSD, 필로폰 등의 마약을 감지하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 구조에 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다. 본 실시예에 따른 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법은 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액에 마약감지 색변화 염료 물질을 함께 넣어주어 전기방사용액을 제조하는 단계 (410), 교반 과정을 통해 전기방사용액 안에 색변화 염료 물질을 용해시키는 단계 (420), 전기방사공정을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 제조하는 단계 (430) 및 방사된 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 멤브레인 형태로 부직포에 수집하는 단계 (440)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1 차원 고분자 나노섬유 멤브레인을 제조하고 추가적으로 진공 필트레이션 기법을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다. 본 실시예에 따른 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법은 고분자를 용매에 용해시킨 전기방사용액을 제조하는 단계 (510), 전기방사공정을 이용하여 고분자 나노섬유를 제조하는 단계 (520), 방사된 고분자 나노섬유를 멤브레인 형태로 부직포에 수집하는 단계 (530) 및 수집된 고분자 나노섬유 멤브레인상에 마약감지 색변화 염료 물질을 균일하게 기능화시키는 단계 (540)를 포함할 수 있다.
하기에서는 실시예를 통하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 실시예들에 제한되어 있는 것은 아니다.
실시예 1: 전기방사법을 이용하여 마약 (코카인, LSD, 필로폰) 감지 색변화 염료 물질 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dihydrate)이 고르게 결착되어 있는 마약 지시용 색변화 염료물질 복합 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제작
먼저, 특정 마약과 반응하여 색변화를 일으키는 색변화 염료 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate)입자를 준비한다. 시린지에 주입시킬 전기방사용액을 제조하기 위해, 분자량이 130,000 g/mol 인 폴리아크릴로나이트릴 (PAN, polyacrylonitrile) 0.25 g을 3 g의 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide)에 용해시킨다. 추가적으로, 고분자 중량 비율 대비 4 wt%의 각각의 색변화 염료 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dihydrate)를 고분자/용매 복합 용액에 포함하여 상온에서 12 시간 동안 500 rpm 의 회전수로 교반하여 방사용액을 제조한다. 충분한 교반을 통해 고분자 (PAN) 및 색변화 염료 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benxaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate)를 용매 (DMF)에 녹인 후, 혼합 전기방사용액을 이용하여 전기방사를 실시한다. 먼저, 제조된 방사용액은 시린지 (Henke-Sass Wolf, 12 ml NORM-JECTⓡ)에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여 0.5 ml/min의 토출 속도로 전기방사용액을 밀어내어 주고 방사 과정에서 사용되는 노즐 (needle, 23 gauge)과 나노섬유를 수집하는 집전체 사이의 전압을 12 kV 로 하여 전기방사를 진행한다. 이때, 집전판으로는 스테인리스 스틸 (stainless steel) 판을 사용하고, 노즐과 집전체 사이의 거리는 15 cm 를 유지한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 1 차원 나노섬유 구조에 고분자 중량 대비 각각 4 wt% 의 색변화 염료 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate)가 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유의 주사전자 현미경 사진이다. 상기 전기방사를 통해 제조된 마약감지 색변화 염료 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate)가 결착된 복합 고분자 나노섬유의 주사전자 현미경 사진을 통해, 약 200 nm ~ 800 nm 의 직경을 갖는 고분자 나노섬유상에 색변화 염료 물질이 1 μm 이하의 크기범위로 결착되어 있음을 확인할 수 있다. 특히, 상기 마약감지 색변화 염료물질이 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 균일하게 잘 결착됨으로써 형상학적으로도 구형의 울퉁불퉁한 구조적 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 도 6a는 cobalt(II) thiocyanate 염료가 결착된 고분자 나노섬유, 도 6b는 4-(dimethylamino)benzaldehyde 염료가 결착된 고분자 나노섬유, 도 6c는 sodium nitropusside dehydrate 염료가 결착된 나노섬유로 각각 코카인, LSD, 필로폰 감지용 색변화 센서로 활용될 수 있다.
실시예 2: 전기방사법을 이용하여 고분자 나노섬유 멤브레인 제작 후, 후속 코팅기법을 통해 마약 (코카인, LSD, 필로폰) 감지 색변화 염료 물질 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate)이 고르게 결착되어 있는 마약 지시용 색변화 염료물질 복합 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제작
먼저, 시린지에 주입시킬 전기방사용액을 제조하기 위해, 분자량이 130,000 g/mol 인 폴리아크릴로나이트릴 (PAN, polyacrylonitrile) 0.25 g을 3 g의 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide)에 용해시킨 후, 상온에서 12 시간 동안 500 rpm 의 회전수로 교반하여 방사용액을 제조한다. 충분한 교반을 통해 고분자 (PAN)를 용매 (DMF)에 녹인 후, 전기방사를 실시한다. 먼저, 제조된 방사용액은 시린지 (Henke-Sass Wolf, 12 ml NORM-JECTⓡ)에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여 0.5 ml/min의 토출 속도로 전기방사용액을 밀어내어 주고 방사 과정에서 사용되는 노즐 (needle, 23 gauge)과 나노섬유를 수집하는 집전체 사이의 전압을 12 kV 로 하여 전기방사를 진행한다. 이때, 집전판으로는 스테인리스 스틸 (stainless steel) 판을 사용하고, 노즐과 집전체 사이의 거리는 15 cm 를 유지한다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 있어서, 전기방사공정을 이용하여 1차원 나노섬유 멤브레인을 합성하고 추가적으로 진공 필트레이션 코팅 기법을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 나노섬유 멤브레인에 균일하게 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
상기 전기방사를 통해 수집된 고분자 나노섬유 멤브레인상에 진공 필트레이션 (vacuum filteration) 기법을 통해 색변화 염료 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate) 물질을 균일하게 기능화 시킨다. 도 7은 각각 0.1 g의 색변화 염료 (cobalt(II) thiocyanate, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, sodium nitroprusside dehydrate) 가 9 g의 탈이온수에 용해되어 있는 사진 및 진공 필트레이션 코팅기법을 이용하여 상기 색변화 염료가 용해되어 있는 용액을 나노섬유 멤브레인에 코팅시킨 후의 주사전자 현미경 사진이다. 색변화 염료 물질이 용해된 용액의 사진을 통해 각각의 색변화 염료가 용액상에 매우 균일하게 용해되어 있음을 알 수 있고, 염료 코팅 이후의 주사전자현미경 사진을 통해 약 500 nm - 2 μm 의 직경을 갖는 고분자 나노섬유상에 색변화 염료 물질이 1 μm 이하의 크기범위로 균일하게 결착되어 있음을 확인할 수 있다. 특히, 상기 마약감지 색변화 염료물질이 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 균일하게 잘 결착됨으로써 형상학적으로도 구형의 울퉁불퉁한 구조적 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 도 7a는 cobalt(II) thiocyanate 염료가 탈이온수에 용해되어 있는 용액의 사진 이미지 및 진공 필트레이션 기법을 통해 염료가 균일하게 코팅된 나노섬유의 주사전자현미경 이미지, 도 7b는 4-(dimethylamino)benzaldehyde 염료가 탈이온수에 용해되어 있는 용액의 사진 이미지 및 진공 필트레이션 기법을 통해 염료가 균일하게 코팅된 나노섬유의 주사전자현미경 이미지, 도 7c는 sodium nitropusside dehydrate 염료가 탈이온수에 용해되어 있는 용액의 사진 이미지 및 진공 필트레이션 기법을 통해 염료가 균일하게 코팅된 나노섬유의 주사전자현미경 이미지로써 각각 코카인, LSD, 필로폰 감지용 색변화 센서로 활용될 수 있다.
본 실시예에서는 코카인, LSD, 필로폰 마약의 경우에 한해서 구체적으로 설명을 하였지만, 다른 조합의 염료와 다양한 유해 마약에 대한 색변화 센서 나노섬유 멤브레인의 제작에 적용이 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (23)
1 차원 고분자 나노섬유 내부 내지는 표면에 마약물질과 반응하여 색이 변하는 마약감지 색변화 염료 물질이 결착되고, 상기 1 차원 고분자 나노섬유가 3 차원 네트워크 구조를 이루고,
상기 1 차원 고분자 나노섬유가 형성하는 멤브레인의 두께를 조절하여 상기 색변화 염료 물질의 로딩양(loading amount) 및 상기 색변화 염료 물질의 색변화 정도를 동시에 제어하되, 상기 로딩양을 감소시키고 색변화 정도를 증가시키기 위해 상기 멤브레인의 두께를 10 내지 30 μm의 범위로 조절하고,
상기 마약물질과의 반응을 극대화시키기 위해, 전기방사하여 제작된 고분자 나노섬유에 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 구조적 및 물리적으로 결착되어, 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 결착되고,
상기 마약감지 색변화 염료 물질로써 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 결착된 4-(dimethylamino)benzaldehyde 염료 입자가 LSD(lysergic acid diethylamide)와 반응하여 진한 파란색의 결정이 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 표면에 형성되면서 색변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 1 차원 고분자 나노섬유가 형성하는 멤브레인의 두께를 조절하여 상기 색변화 염료 물질의 로딩양(loading amount) 및 상기 색변화 염료 물질의 색변화 정도를 동시에 제어하되, 상기 로딩양을 감소시키고 색변화 정도를 증가시키기 위해 상기 멤브레인의 두께를 10 내지 30 μm의 범위로 조절하고,
상기 마약물질과의 반응을 극대화시키기 위해, 전기방사하여 제작된 고분자 나노섬유에 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 구조적 및 물리적으로 결착되어, 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 결착되고,
상기 마약감지 색변화 염료 물질로써 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 결착된 4-(dimethylamino)benzaldehyde 염료 입자가 LSD(lysergic acid diethylamide)와 반응하여 진한 파란색의 결정이 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 표면에 형성되면서 색변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
제1항에 있어서,
상기 3 차원 네트워크 구조는 1 차원 단일 나노섬유들이 서로 무작위적으로 얽혀 이루어진 구조 또는 1 차원 단일 나노섬유들이 일정 방향으로 정열되어 나노섬유들이 적층된 형상의 3 차원 다공성 멤브레인 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 3 차원 네트워크 구조는 1 차원 단일 나노섬유들이 서로 무작위적으로 얽혀 이루어진 구조 또는 1 차원 단일 나노섬유들이 일정 방향으로 정열되어 나노섬유들이 적층된 형상의 3 차원 다공성 멤브레인 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
제1항에 있어서,
상기 마약감지 색변화 염료 물질은, 특정 마약분자와 흡착 및 반응 후, 가시광선 영역 안에서의 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 안에서 밖으로의 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 밖에서 안으로의 파장의 주파수 변화 또는 파장의 강도 변화로 인해 색변화 특성을 보이는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 마약감지 색변화 염료 물질은, 특정 마약분자와 흡착 및 반응 후, 가시광선 영역 안에서의 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 안에서 밖으로의 파장의 주파수 변화, 가시광선 영역 밖에서 안으로의 파장의 주파수 변화 또는 파장의 강도 변화로 인해 색변화 특성을 보이는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 마약감지 색변화 염료 물질의 직경은 1 nm ~ 1 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 마약감지 색변화 염료 물질의 직경은 1 nm ~ 1 μm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
제1항에 있어서,
상기 마약물질과의 반응을 극대화시키기 위해, 전기방사하여 제작된 고분자 나노섬유에 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 구조적 및 물리적으로 결착되어, 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 내부 내지는 표면에 균일하게 결착되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 마약물질과의 반응을 극대화시키기 위해, 전기방사하여 제작된 고분자 나노섬유에 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 구조적 및 물리적으로 결착되어, 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 상기 1 차원 고분자 나노섬유의 내부 내지는 표면에 균일하게 결착되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 1 차원 고분자 나노섬유의 직경은 100 nm ~ 10 μm 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 1 차원 고분자 나노섬유의 직경은 100 nm ~ 10 μm 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
제1항에 있어서,
상기 마약감지 색변화 염료 물질의 중량비율은 상기 나노섬유에 사용되는 고분자의 중량 대비 0.1 ~ 400 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 마약감지 색변화 염료 물질의 중량비율은 상기 나노섬유에 사용되는 고분자의 중량 대비 0.1 ~ 400 wt%의 농도 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
제1항에 있어서,
상기 나노섬유를 구성하는 고분자는 폴리퍼퓨릴알콜 (PPFA), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 (PVAc, Polyvinyl acetate), 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리스티렌 (PS, Polystyrene), 폴리비닐피롤리돈 (PVP, Polyvinylpyrrolidone), 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 (PEO, Polyethylene oxide), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트 (PC), 폴리비닐클로라이드 (PVC, Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 (PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리이미드 (Polyimide), 폴리아크릴로나이트릴 (PAN, Polyacrylonitrile), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET, Polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌옥사이드 (PPO, Polypropylene oxide), 폴리비닐알콜 (PVA, Polyvinyl alcohol), 스타이렌 아크릴로나이트릴 (SAN, Styrene-acrylonitrile), 폴리카보네이트 (PC, polycarbonate), 폴리아닐린 (PANI, Polyaniline), 폴리프로필렌 (PP, Polypropylene) 및 폴리에틸렌 (PE, Polyethylene) 중 1 종 혹은 2 종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
상기 나노섬유를 구성하는 고분자는 폴리퍼퓨릴알콜 (PPFA), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA, Polymethyl methacrylate), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 (PVAc, Polyvinyl acetate), 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리스티렌 (PS, Polystyrene), 폴리비닐피롤리돈 (PVP, Polyvinylpyrrolidone), 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌 옥사이드 (PEO, Polyethylene oxide), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트 (PC), 폴리비닐클로라이드 (PVC, Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 (PVDF, Poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리이미드 (Polyimide), 폴리아크릴로나이트릴 (PAN, Polyacrylonitrile), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET, Polyethylene terephthalate), 폴리프로필렌옥사이드 (PPO, Polypropylene oxide), 폴리비닐알콜 (PVA, Polyvinyl alcohol), 스타이렌 아크릴로나이트릴 (SAN, Styrene-acrylonitrile), 폴리카보네이트 (PC, polycarbonate), 폴리아닐린 (PANI, Polyaniline), 폴리프로필렌 (PP, Polypropylene) 및 폴리에틸렌 (PE, Polyethylene) 중 1 종 혹은 2 종 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서.
마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법에 있어서,
(a) 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액에 마약감지 색변화 염료 물질을 함께 넣어주어 전기방사용액을 제조하는 단계;
(b) 교반 과정을 통해 전기방사용액 안에 마약감지 색변화 염료 물질을 분산시키는 단계;
(c) 전기방사공정을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 제조하는 단계; 및
(d) 방사된 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 멤브레인 형태로 부직포에 수집하는 단계
를 포함하고,
상기 수집된 멤브레인의 두께를 조절하여 상기 마약감지 색변화 염료 물질의 로딩양(loading amount) 및 상기 마약감지 색변화 염료 물질의 색변화 정도를 동시에 제어하되, 상기 로딩양을 감소시키고 색변화 정도를 증가시키기 위해 상기 멤브레인의 두께를 10 내지 30 μm의 범위로 조절하고,
상기 전기방사공정을 통해 제조된 복합 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 구조적 및 물리적으로 결착되고,
상기 마약감지 색변화 염료 물질로써 상기 복합 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 결착된 4-(dimethylamino)benzaldehyde 염료 입자가 LSD(lysergic acid diethylamide)와 반응하여 진한 파란색의 결정이 상기 복합 고분자 나노섬유의 표면에 형성되면서 색변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
(a) 고분자를 용매에 용해시킨 고분자 용액에 마약감지 색변화 염료 물질을 함께 넣어주어 전기방사용액을 제조하는 단계;
(b) 교반 과정을 통해 전기방사용액 안에 마약감지 색변화 염료 물질을 분산시키는 단계;
(c) 전기방사공정을 이용하여 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 제조하는 단계; 및
(d) 방사된 마약감지 색변화 염료 물질이 결착된 복합 고분자 나노섬유를 멤브레인 형태로 부직포에 수집하는 단계
를 포함하고,
상기 수집된 멤브레인의 두께를 조절하여 상기 마약감지 색변화 염료 물질의 로딩양(loading amount) 및 상기 마약감지 색변화 염료 물질의 색변화 정도를 동시에 제어하되, 상기 로딩양을 감소시키고 색변화 정도를 증가시키기 위해 상기 멤브레인의 두께를 10 내지 30 μm의 범위로 조절하고,
상기 전기방사공정을 통해 제조된 복합 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 상기 마약감지 색변화 염료 물질이 구조적 및 물리적으로 결착되고,
상기 마약감지 색변화 염료 물질로써 상기 복합 고분자 나노섬유의 내부 및 표면에 결착된 4-(dimethylamino)benzaldehyde 염료 입자가 LSD(lysergic acid diethylamide)와 반응하여 진한 파란색의 결정이 상기 복합 고분자 나노섬유의 표면에 형성되면서 색변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 전기방사용액에 대한 전기방사공정을 통하여 1 차원 구조의 나노섬유를 형성하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
상기 (c) 단계에서,
상기 전기방사용액에 대한 전기방사공정을 통하여 1 차원 구조의 나노섬유를 형성하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 전기방사공정에 있어서,
방사용액을 토출시키는 토출량은 0.1 ~ 500 μl/min의 범위에 포함되고,
주사기의 니들 (needle)과 집전판 사이에 인가되는 전압은 1 ~ 50 kV 범위에 포함되고,
상기 집전판은 스테인리스 스틸 (stainless steel), 종이 (paper), 부직포 (non-woven fabric) 및 플라스틱 (plastic) 기판 중 적어도 하나의 지지체를 포함하고,
상기 (d) 단계에서,
상기 지지체의 상단에 복합 나노섬유 멤브레인을 형성하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
상기 전기방사공정에 있어서,
방사용액을 토출시키는 토출량은 0.1 ~ 500 μl/min의 범위에 포함되고,
주사기의 니들 (needle)과 집전판 사이에 인가되는 전압은 1 ~ 50 kV 범위에 포함되고,
상기 집전판은 스테인리스 스틸 (stainless steel), 종이 (paper), 부직포 (non-woven fabric) 및 플라스틱 (plastic) 기판 중 적어도 하나의 지지체를 포함하고,
상기 (d) 단계에서,
상기 지지체의 상단에 복합 나노섬유 멤브레인을 형성하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
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제13항에 있어서,
상기 용매는 물 (deionized water), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol), 포름산 (formic acid), 아세토니트릴 (acetonitrile), 나이트로메테인 (nitromethane), 초산 (acetic acid), 에탄올 (ethanol), 아세톤 (acetone), 에틸렌 글리콜 (EG, ethylene glycol), 디메틸 술폭시드 (DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide), 디메틸아세트아마이드 (DMAc, dimethylacetamide) 및 톨루엔 (toluene) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
상기 용매는 물 (deionized water), 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran), 메탄올 (methanol), 아이소프로판올 (isopropanol), 포름산 (formic acid), 아세토니트릴 (acetonitrile), 나이트로메테인 (nitromethane), 초산 (acetic acid), 에탄올 (ethanol), 아세톤 (acetone), 에틸렌 글리콜 (EG, ethylene glycol), 디메틸 술폭시드 (DMSO, dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아마이드 (DMF, dimethylformamide), 디메틸아세트아마이드 (DMAc, dimethylacetamide) 및 톨루엔 (toluene) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 전기방사용액을 구성하는 고분자는 각각의 특정 용매에 대해 중량비 0.1 ~ 90 wt%의 범위에서 제조되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
상기 전기방사용액을 구성하는 고분자는 각각의 특정 용매에 대해 중량비 0.1 ~ 90 wt%의 범위에서 제조되는 것을 특징으로 하는 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서의 제조방법.
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| KR1020180119657A KR102188845B1 (ko) | 2018-10-08 | 2018-10-08 | 1차원 나노섬유 구조에 마약감지용 색변화 염료 물질이 결착된 마약 지시용 복합 고분자 나노섬유 멤브레인 색변화 센서 및 그 제조방법 |
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| WO2023067370A1 (en) * | 2021-10-19 | 2023-04-27 | Dubai Police General Headquarters | A composition, method and kit for extracting a narcotic compound from a biological sample |
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| KR102665445B1 (ko) * | 2021-11-24 | 2024-05-10 | 성균관대학교산학협력단 | 마약검출용 키트, 이의 제조방법 및 이를 이용한 마약의 검출방법 |
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| US4806487A (en) * | 1987-05-29 | 1989-02-21 | Analytical Innovations, Inc. | Basic drug detection method |
| KR101521417B1 (ko) * | 2013-08-12 | 2015-05-21 | 한국과학기술원 | 금속산화물 반도체 나노 구조체와 그래핀의 복합체를 이용한 가스 센서용 부재，가스 센서 및 그 제조 방법 |
| KR101792363B1 (ko) * | 2015-12-17 | 2017-10-31 | 한국과학기술원 | 황화수소가스 감지용 염료가 결착된 1차원 고분자 나노섬유를 이용한 직물형 색변화 가스센서용 부재, 색변화 가스센서 및 그 제조방법 |
| KR101983451B1 (ko) * | 2016-10-11 | 2019-05-29 | 한국과학기술원 | 균일하게 정렬된 나노섬유 멤브레인에 색염료가 기능화된 색변화 가스센서 부재 및 그 제조방법 |
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2018
- 2018-10-08 KR KR1020180119657A patent/KR102188845B1/ko active IP Right Grant
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| KR20220165343A (ko) | 2021-06-08 | 2022-12-15 | 부산대학교 산학협력단 | Ghb 색 센서, ghb 변색 키트 및 이를 이용한 센싱 방법 |
| WO2023067370A1 (en) * | 2021-10-19 | 2023-04-27 | Dubai Police General Headquarters | A composition, method and kit for extracting a narcotic compound from a biological sample |
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