KR102303886B1 - 삼중액적 기반의 이중막을 갖는 센서형 마이크로 캡슐 및 이의 제조방법 - Google Patents

삼중액적 기반의 이중막을 갖는 센서형 마이크로 캡슐 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

금속 나노입자가 분산된 코어; 상기 코어를 둘러싸고, 소수성 유체 및 계면활성제를 포함하는 오일 쉘; 및 상기 오일 쉘을 둘러싸고, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘;을 포함하는 마이크로 캡슐이 개시된다.

Description

삼중액적 기반의 이중막을 갖는 센서형 마이크로 캡슐 및 이의 제조방법{Sensor-type microcapsules with triple droplet-based double shell and preparation method thereof}
삼중액적 기반의 이중막을 갖는 센서형 마이크로 캡슐 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 높은 감도를 갖는 센서를 설계하기 위해 마이크로 캡슐에 이중막을 도입한 시스템에 관한 것이다.
금속 나노입자는 금속 나노입자의 공명 주파수에서 국소화된 표면 플라즈몬을 유도하는 가시광의 특정 파장을 선택적으로 흡수한다. 국소화된 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR) 흡수 스펙트럼은 입자 간 거리에 의존한다. 이러한 특징으로 인해 수성 매질에서 수행되는 비색 분석(colorimetric assay)을 위한 플라즈몬 나노 입자의 사용을 가능케 한다. 예를 들어 금 나노입자(Au NPs)는 화학적으로 비활성이고 입자 간 거리에 따라 색상이 크게 달라지기 때문에 플라즈몬 센서로 널리 사용되었다.
예를 들어, 직경이 10-30 nm인 개별적으로 분산된 금 나노입자는 520 nm 부근에서 최대 흡광 스펙트럼을 가지며, 적색을 띈다. 외부 인자에 의해서 금 나노입자가 응집되어 입자 간 거리가 작아지면 청색으로 변한다. 센서로 적용하기 위한 목적으로 이 기능을 활용하기 위해 금 나노입자는 특정 분자에 결합하는 수용체로 기능화된다. 이 분자들은 인접한 나노입자를 연결하여 입자 간 거리를 줄여 흡수 스펙트럼을 변경시킨다. 이상적으로, 수용체는 표적 분자에 대한 높은 결합 친화성(high binding affinity) 및 낮은 비특이적 결합(low non-specific binding)을 갖는다. 자주 사용되는 수용체로는 아미노산, 펩타이드, 올리고 뉴클레오티드 및 단백질 등이 있다.
예를 들어, 금 나노입자는 티민-Hg2 + 복합체의 형성을 통해 수은 이온(Hg2 +)의 검출을 가능케 하는 티민-rich DNA로 코팅된다(Anal. Chem. 2014, 86, 14, 6843-6849). 또한, 마그네슘 이온(Mg2 +)을 검출하기 위해 금 나노입자는 특정 효소로 코팅된다. 이들 나노입자가 효소 인식 부위 및 점착성 말단을 보유하는 DNA 이중체를 함유하는 용액에 분산되면, 나노입자가 응집되어 청색으로 나타난다. 대조적으로, 마그네슘 이온이 DNA-함유 용액에 존재하는 경우, 효소-DNA 복합체는 형성되지 않고 나노입자는 개별적으로 분산되어 적색으로 나타난다(Small 2011, 7, 1987).
이러한 연구가 센서 적용을 위한 목적으로 플라즈몬 나노입자의 힘을 훌륭하게 보여 주지만, 원시 샘플에서 표적 분자를 검출하는 경우에 이러한 플라즈몬 나노입자들을 사용하는 것은 어렵다.
나노입자는 샘플 유체에 의해 희석되어 나노입자가 함유된 유체의 색 강도의 감소를 야기한다. 또한, 많은 분자, 특히 생물학적 샘플에 존재하는 분자는 나노입자의 표면에 비특이적으로 결합하여 분석의 감도를 감소시킨다. 나노입자가 분자-선택적 투과를 갖는 쉘에 의해 캡슐화되면 이러한 어려움이 완화될 수 있다. 종래 센싱 프로브를 포함하는 캡슐은 예를 들어 층별(LbL) 증착을 통해 제조된 바 있다.
그러나, 이들 캡슐의 투과성은 제어하기 어려워서 표적 분자의 효율적이고 선택적인 전달이 보장될 수 없다. 또한, 센서의 캡슐화 효율이 낮다. 최근 미세 유체 공학의 진보는 기능성 마이크로 캡슐을 생성하기위한 다양한 주형으로서 작용할 수 있는 다중 에멀젼 액적의 제조를 가능케 하였다(Lab Chip 2016, 16, 3415). 마이크로 캡슐의 쉘은 코어를 주변환경과 연결하는 규칙적인 기공을 함유할 수 있도록 설계될 수 있으며, 이에 의해 이들 캡슐에 크기-선택적 투과성을 부여할 수 있다.
그러나, 원하는 분자의 높은 투과율을 유지하고 충분한 기계적 안정성을 확보하면서 투과의 차단 임계 값(cut-off threshold)을 제어하는 것은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있고, 차단 임계 값에 대한 정확한 제어는 분자-선택적 투입을 조절하고 캡슐 내부의 센싱 물질을 유지하는 데 중요하다. 이러한 선택적 투과성을 나타내는 캡슐은 플라즈몬 나노입자 기반 센서의 감도 및 정확도를 강하게 증가시킬 것이다.
본 발명의 일 측면에서의 목적은 높은 감도를 갖는 센서를 설계할 수 있는 마이크로 캡슐을 제공하는 것으로, 이중 쉘 구조를 통해 높은 반응속도와 크기 선택적 특성이 조절가능하여 타겟물질과 센서물질의 특징에 따라 다양한 설계가 가능한 마이크로 캡슐을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
금속 나노입자가 분산된 코어;
상기 코어를 둘러싸고, 소수성 유체 및 계면활성제를 포함하는 오일 쉘; 및
상기 오일 쉘을 둘러싸고, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘;을 포함하는 마이크로 캡슐이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
내부에 물 흐름을 포함하는 제1상 및 오일 흐름을 포함하는 제2상을 포함시키기 위한 외부관; 상기 외부관의 내부 중, 제1상 측에 위치하고, 내부에 오일 흐름을 포함하는 제3상을 포함시키기 위한 제1 내부관; 상기 제1 내부관과 마주보게 위치하며, 상기 외부관의 내부 중 제2상 측에 위치하는 제2 내부관; 및 상기 제1 내부관 내에 위치하며, 상기 제2 내부관 방향으로 물 흐름을 주입하는 주입관;을 포함하는 미세 유체 시스템을 준비하는 단계;
상기 미세 유체 시스템의 외부관에 하이드로젤 폴리머 단량체를 포함하는 물 흐름인 제1상을 형성하고, 상기 제1상과 반대 방향으로 흐르는 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제2상을 형성하는 단계;
상기 제1 내부관에 계면활성제 및 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제3상을 형성하고, 상기 주입관을 통해 금속 나노입자를 포함하는 물 흐름을 주입하여 제2 내부관 내에서 액적을 형성하는 단계; 및
상기 액적을 젤화시키는 단계;를 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법이 제공된다.
나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서
금속 나노입자가 분산된 코어; 상기 코어를 둘러싸고, 소수성 유체 및 계면활성제를 포함하는 오일 쉘; 및 상기 오일 쉘을 둘러싸고, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘;을 포함하는 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 센서가 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 계면활성제를 함유하는 오일 쉘을 통해 수은 이온의 투입을 선택적으로 허용하여 검출 선택성이 향상된다. 또한, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘에 의한 높은 반응속도를 나타낸다. 이와 같이, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 오일 쉘과 하이드로젤 쉘의 이중막 구조가 도입되어 빠른 투과속도와 높은 감도를 갖고, 타겟물질의 검출을 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
도 1에서 a는 수은 이온 검출을 위한 캡슐 센서 플랫폼의 개략도로, 캡슐 센서는 단일 코어 및 이중 쉘로 구성되며, 코어에는 라이신으로 캡핑된 금 나노입자가 포함되며, 외곽 쉘은 수은 이온에 투과성인 내부 오일 쉘 및 큰 분자를 배제하는 하이드로젤로 이루어지며, 실제 목적상 은 이온에 대해 불침투성인 것을 나타내었으며, 금 나노입자는 수은 이온의 존재 하에서 응집되어 플라즈몬 색 변화를 초래하는 것을 나타낸 것이고, b 및 c는 W/O/W/O 삼중 에멀젼 액적의 생산에 사용되는 모세관 미세 유체 시스템의 개략도(b) 및 광학 현미경(OM) 이미지(c)를 나타낸 것이고, d는 삼중 에멀젼 템플릿으로부터 캡슐 생산을 보여주는 개략도로, 외곽 쉘에서 하이드로젤 전구체는 수성 쉘 초기에 함유된 광중합 모노머에 의해 형성되고, 생성된 캡슐이 오일에서 물로 옮겨지는 것을 나타낸 것이고, e 및 f는 두 가지 다른 배율에서 캡슐의 광학 현미경(OM) 이미지로, 개별적으로 분산된 금 나노입자를 함유하는 캡슐의 붉은 색을 나타내는 이미지(e)와 건조된 하이드로젤 쉘을 나타내는 파괴된 캡슐의 SEM 이미지(f)를 나타낸 것이고,
도 2에서 a는 라이신 캡핑된 금 나노입자의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 나타낸 것이고, b는 0.1 mM, 1 mM 및 10 mM 라이신으로 처리 또는 처리되지 않은 금 나노입자의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 3에서 a는 라이신 캡핑된 금 나노입자의 수은 이온-유도된 응집의 개략도를 나타낸 것이고, b 및 c는 다양한 농도의 수은 이온을 함유하는 표면이 10 mM의 라이신으로 개질된 금 나노입자의 분산액의 흡수 스펙트럼(b) 및 0.1 mM 라이신으로 개질된 금 나노입자의 분산액의 흡수 스펙트럼(c)을 나타낸 것이고,
도 4에서 a는 삼중 에멀젼 액적에서 템플릿화된 코어-로드된 캡슐(a의 왼쪽 그림) 및 이중 에멀젼 액적에서 템플릿화된 빈 캡슐(a의 오른쪽 그림)의 개략도를 나타낸 것이고, b는 오일상에 현탁된 삼중 에멀젼 액적 및 이중 에멀젼 액적의 광학 현미경(OM) 이미지를 나타낸 것이고, c 및 d는 용기의 바닥에서 취한 물에 현탁된 코어-로딩된 캡슐의 광학 현미경 이미지(c) 및 용기의 상부에서 취한 물에 빈 캡슐의 광학 현미경 이미지(d)를 나타낸 것이고,
도 5에서 a는 다양한 농도의 수은 이온을 함유하는 용액에 현탁된 캡슐의 이미지를 나타낸 것이고, b는 0 M 수은 이온 존재 시(도 5의 b에서 왼쪽 사진) 및 10-7 M 수은 이온 존재 시(도 5의 b에서 오른쪽 사진) 캡슐의 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이고, c는 다양한 농도의 수은 이온을 함유하는 용액에 현탁된 캡슐의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이고, d는 수은 이온의 농도에 따른 흡수 스펙트럼의 보정값으로, 이는 10-5 M 수은 이온일 때의 흡수 스펙트럼값으로 보정되어 A650/A520 - A650(0)/A520(0)으로 정의되며, 여기서 A650 및 A520은 650 nm 및 520 nm의 파장에서의 흡광도를 나타내고, A650(0) 및 A520(0)은 0 M 수은 이온에서의 흡광도이고, 오차 막대는 표준 편차를 나타낸 것이고, e는 0 - 0.1×10-6 M 범위의 수은 이온 농도에 따른 보정값의 선형 회귀 곡선을 나타낸 것이고, f 및 g는 0 M 및 10-6 M 수은 이온의 존재하에 4가지 다른 부피의 물에 현탁된 캡슐의 사진(f) 및 흡수 스펙트럼(g)을 나타낸 것이고,
도 6에서 a는 다양한 농도의 수은 이온을 함유하는 수용액에 분산된 Lys-Au NPs의 이미지를 나타낸 것이고, b는 다양한 농도의 수은 이온을 함유하는 벌크 분산액의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이고, c는 수은 이온 농도에 따른 흡수 스펙트럼의 보정값으로, 이는 10-5 M 수은 이온에서의 값으로 보정된 A680/A520 - A680(0)/A520(0)으로 정의되며, 오차 막대는 표준 편차를 나타낸 것이고, d는 0 - 1×10-6 M 범위의 농도에 따른 보정값의 선형 회귀 곡선을 나타낸 것이고,
도 7에서 a 및 b는 0 M 및 10-6 M 수은 이온의 존재하에 4가지 다른 부피의 벌크 분산액의 사진(a) 및 흡수 스펙트럼(b)으로, 물 또는 수은 이온 용액(샘플)을 첨가하면 금 나노입자가 현저히 희석되어 색 채도와 흡수 피크 높이가 감소하는 것을 나타낸 것이고,
도 8에서 a는 10-6 M 수은 이온을 포함하는 용액에서 금 나노입자의 응집을 보여주는 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이고, b는 캡슐을 10-6 M 수은 이온을 함유하는 용액에 현탁시킨 후 표시된 시간에 취한 캡슐의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이고, c는 시간에 따른 흡수 스펙트럼의 변화를 나타낸 것이고,
도 9는 다양한 분자량의 FITC-태그된 덱스트란 수용액에 현탁된 마이크로젤의 공초점 현미경 이미지로 마이크로젤은 PEGDA: 물의 질량비가 7:3 (상단), 3:7 (중간) 및 1:9 (하단) 인 단일 에멀젼 액적의 광경화로부터 만들어진 것이고,
도 10에서 a 및 b는 증류수, 10-6 M 수은 이온, 10-3 M BSA, 10-6 M 수은 이온 및 10-3 M BSA를 포함하는 수용액에서 캡슐의 사진(a) 및 흡수 스펙트럼(b)으로, BSA의 존재 하에서도 수은 이온-유도된 색 및 스펙트럼 변화가 관찰되는 것을 보여주는 것이고, c 및 d는 동일한 용액 세트에서 금 나노입자의 벌크 분산액의 사진(c) 및 흡수 스펙트럼(d)으로, BSA가 존재하는 경우 색 및 스펙트럼 변화가 관찰되지 않음을 보여주는 것이고, e 및 f는 증류수 및 9가지 다른 이온을 함유한 수용액에 분산된 캡슐의 사진(e) 및 흡수 스펙트럼(f)으로, 색 변화는 수은 이온에서만 관찰되는 것을 보여주는 것이고, g 및 h는 동일한 용액 세트에서 금 나노입자의 벌크 분산액의 사진(g) 및 흡수 스펙트럼(h)으로, 색 변화는 은 이온 및 수은 이온에 대해 관찰되는 것을 보여주는 것이고,
도 11에서 a는 실험의 개략도로, W/O 에멀젼은 Lys-Au NPs의 분산액 상부에 위치하며, 여기서 수은 이온 또는 은 이온은 에멀젼에 적재되고, 이온의 이동으로 분산액이 적색에서 진한 청색으로 바뀌고 스펙트럼 피크의 적색 이동을 유발하는 것을 나타낸 것이고, b 내지 e는 각 계면활성제((b) ABIL EM 90 (cetyl PEG/PPG-10/1 Dimethicone), (c) SPAN 80 (sorbitan monooleate), (d) PGPR (polyglycerol polyricinoleate), and (e) Brij 93 (polyethylene glycol oleyl ether))에 대하여 계면활성제의 분자 구조, 에멀젼의 수은 및 은 이온에 대한 사진 및 lys-Au NPs의 분산액의 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이고,
도 12에서 a는 코어가 pH 11의 시트레이트-캡핑된 금 나노입자의 수성 분산액인 삼중 에멀젼 액적의 형성을 보여주는 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이고, b는 단분산 삼중 에멀젼 액적의 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이고, c는 지시된 바와 같이 다양한 농도의 납 이온에서의 캡슐 현탁액의 사진을 나타낸 것이고, d는 다양한 농도의 납 이온에서 캡슐의 흡광도 스펙트럼으로, 농도가 50 ppm을 초과하면 흡광도 피크가 적색 이동하는 것을 나타낸 것이고, e는 표시된 바와 같이 다양한 농도의 납 이온에서 캡슐의 광학 현미경 이미지를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 측면에서
금속 나노입자가 분산된 코어;
상기 코어를 둘러싸고, 소수성 유체 및 계면활성제를 포함하는 오일 쉘; 및
상기 오일 쉘을 둘러싸고, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘;을 포함하는 마이크로 캡슐이 제공된다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐에 대하여 상세히 설명한다.
금속 나노입자는 국소화된 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)의 응집-유도에 따른 흡수 스펙트럼 피크의 이동을 이용하여 특정 표적분자의 비색 검출을 위해 사용된다. 그러나, 벌크 용액에 분산된 금속 나노입자는 접착 분자에 의해 오염되는 경향이 있으며, 분산액은 샘플 유체에 의해 희석되는 경향이 있어, 정제되지 않은 순수한 샘플에 대한 직접적인 적용이 제한된다.
이에, 본 발명에서는 다양한 플라즈몬 나노입자 기반 센서에 적용할 수 있는 분자 침투에 대해 진보된 조절이 가능한 캡슐 센서 플랫폼을 제공하고자 하며, 이에 적용 가능한 마이크로 캡슐을 제공한다.
상기 마이크로 캡슐은 센싱 물질로 채워진 수성 코어가 초박형 중간(또는 내부) 오일 쉘 및 외곽 하이드로젤 쉘로 둘러싸인 구조를 가진다. 하이드로젤 쉘은 큰 접착 분자가 코어로 확산되는 것을 방지하여 센싱 물질의 오염을 방지하고, 오일 쉘은 선택적으로 투과성이므로 센서의 선택성을 더욱 향상시킨다. 이러한 이중 쉘 구조는 센싱 물질을 코어 내에 가두고 희석되지 않도록 하여 일관된 광학 특성을 보장한다. 또한, 이러한 마이크로 캡슐 기반의 센서는 적은 양의 센싱 물질이 사용될 수 있기 때문에 벌크 분산액을 적용한 경우보다 높은 감도를 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에서 제공되는 이중 쉘 구조를 가지는 캡슐은 빠른 투과속도와 높은 감도를 갖고, 타겟물질의 검출을 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 코어, 중간 쉘, 외곽 쉘을 포함하는 이중 쉘 구조를 갖는 마이크로 캡슐로서, 코어는 금속 나노입자가 분산되어 있다.
또한, 상기 코어는 수성 매질을 포함하고, 상기 코어는 물을 포함할 수 있다.
나아가, 상기 코어에 분산된 금속 나노입자의 함량은 0.1 w/w% 내지 5.0 w/w%일 수 있고, 0.5 w/w% 내지 4.0 w/w%일 수 있으며, 1.0 w/w% 내지 3.0 w/w%일 수 있고, 1.5 w/w% 내지 2.0 w/w%일 수 있으며, 1.7 w/w% 내지 1.9 w/w%일 수 있다. 상기 코어에 분산시킨 금속 나노입자의 함량이 상기 범위로 형성됨으로써 센서로의 적용에 있어서 우수한 감도를 나타낼 수 있다.
상기 코어의 반경은 80 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있고, 90 ㎛ 내지 120 ㎛일 수 있으며, 100 ㎛ 내지 130 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 중간 쉘로 오일 쉘을 포함하고, 상기 오일 쉘은 소수성 유체 및 계면활성제를 포함한다.
구체적으로, 상기 소수성 유체는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 하이드로카본 오일 및 플로로카본 오일 등을 사용할 수 있으나, 소수성 유체라면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
또한, 상기 계면활성제는 비이온성 계면 활성제, 음이온계 계면 활성제, 양이온계 계면 활성제 및 양성 계면 활성제 등의 계면 활성제를 사용할 수 있으나, 오일상을 안정화시킬 수 있는 계면활성제면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
상기 오일 쉘에서 계면활성제의 함량은 0.1 w/w% 내지 10.0 w/w%일 수 있고, 1.0 w/w% 내지 9.0 w/w%일 수 있으며, 2.0 w/w% 내지 8.0 w/w%일 수 있고, 3.0 w/w% 내지 7.0 w/w%일 수 있으며, 4.0 w/w% 내지 6.0 w/w%일 수 있다. 상기 오일 쉘에 포함된 계면활성제의 함량이 상기 범위로 형성됨으로써 오일 쉘은 선택적으로 표적분자의 확산을 방지 또는 허용할 수 있다.
상기 오일 쉘의 두께는 0.1 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 것이 바람직하고, 0.3 ㎛ 내지 4.0 ㎛인 것이 더욱 바람직하고, 0.5 ㎛ 내지 3.0 ㎛인 것이 바람직하고, 0.7 ㎛ 내지 2.0 ㎛인 것이 더욱 바람직하고, 0.8 ㎛ 내지 1.5 ㎛인 것이 가장 바람직하다. 초박형으로 형성된 오일 쉘을 통해 표적분자의 선택적 투과가 가능하여 센서의 선택성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐은 외곽 쉘로 하이드로젤 쉘을 포함하고, 상기 하이드로젤 쉘은 하이드로젤 쉘을 포함한다.
상기 하이드로젤 쉘은 하이드로젤 폴리머 단량체로 형성되고, 상기 하이드로젤 폴리머 단량체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)) 및 하이드록시에틸 메타크릴레이트 등을 단독으로 사용하거나 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트를 사용할 수 있다.
상기 하이드로젤 쉘에 크기-선택적 투과성을 도입하기 위해 가교 밀도를 조절하여 하이드로젤 쉘의 메쉬 크기를 제어할 수 있다.
상기 하이드로젤 쉘의 두께는 10 ㎛ 내지 45 ㎛인 것이 바람직하고, 15 ㎛ 내지 40 ㎛인 것이 더욱 바람직하고, 20 ㎛ 내지 35 ㎛인 것이 바람직하고, 25 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 더욱 바람직하고, 27 ㎛ 내지 29 ㎛인 것이 가장 바람직하다. 상기 범위의 두께로 형성된 하이드로젤 쉘은 접착 분자가 코어로 확산되는 것을 방지하여 센싱 물질의 오염을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
내부에 물 흐름을 포함하는 제1상(10) 및 오일 흐름을 포함하는 제2상(20)을 포함시키기 위한 외부관(1); 상기 외부관의 내부 중, 제1상 측에 위치하고, 내부에 오일 흐름을 포함하는 제3상(30)을 포함시키기 위한 제1 내부관(2); 상기 제1 내부관과 마주보게 위치하며, 상기 외부관의 내부 중 제2상 측에 위치하는 제2 내부관(3); 및 상기 제1 내부관 내에 위치하며, 상기 제2 내부관 방향으로 물 흐름(40)을 주입하는 주입관(4);을 포함하는 미세 유체 시스템(100)을 준비하는 단계;
상기 미세 유체 시스템(100)의 외부관(1)에 하이드로젤 폴리머 단량체를 포함하는 물 흐름인 제1상(10)을 형성하고, 상기 제1상과 반대 방향으로 흐르는 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제2상(20)을 형성하는 단계;
상기 제1 내부관(2)에 계면활성제 및 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제3상(30)을 형성하고, 상기 주입관(4)을 통해 금속 나노입자를 포함하는 물 흐름(40)을 주입하여 제2 내부관(3) 내에서 액적을 형성하는 단계; 및
상기 액적을 젤화시키는 단계;를 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법은 내부에 물 흐름을 포함하는 제1상(10) 및 오일 흐름을 포함하는 제2상(20)을 포함시키기 위한 외부관(1); 상기 외부관의 내부 중, 제1상 측에 위치하고, 내부에 오일 흐름을 포함하는 제3상(30)을 포함시키기 위한 제1 내부관(2); 상기 제1 내부관과 마주보게 위치하며, 상기 외부관의 내부 중 제2상 측에 위치하는 제2 내부관(3); 및 상기 제1 내부관 내에 위치하며, 상기 제2 내부관 방향으로 물 흐름(40)을 주입하는 주입관(4);을 포함하는 미세 유체 시스템(100)을 준비하는 단계를 포함한다.
본 발명에서는 이중 쉘 구조를 갖는 마이크로 캡슐 제조를 위해 미세 유체 시스템을 준비하여 수중유중수중유(Water-in-Oil-in-Water-in-Oil; W/O/W/O)의 삼중 에멀젼 액적을 제조하여 이를 탬플릿으로 사용한다.
잘 제어된 방식으로 W/O/W/O 삼중 에멀젼 액적을 생성하기 위해 모세관 유체 시스템을 적용하며, 제1 내부관(2)과 제2 내부관(3)은 서로 평행하게 위치하며 제1 내부관은 제2 내부관 방향으로 주입구가 형성되어 있고, 제2 내부관은 제1 내부관의 주입과와 마주하는 수집구를 포함한다. 외부관(1)은 제1 내부관과 제2 내부관을 모두 수용하며 제1 내부관과 제2 내부관의 외부에 형성되는 제1상(10) 및 제2상(20)을 수용하며 하나의 채널을 형성한다.
구체적인 일례로, 도 1의 b에 나타낸 바와 같이, 상기 미세 유체 시스템(100)은 내부에 물 흐름을 포함하는 제1상(10) 및 오일 흐름을 포함하는 제2상(20)을 포함시키기 위한 외부관(1)이 형성되어 있다. 이때, 상기 외부관 내부의 제1상 측에는 제1 내부관(2)이 위치하며, 상기 제1 내부관과 마주보게 위치하도록 상기 외부관 내부의 제2상 측에 제2 내부관(3)을 위치시킨다. 또, 상기 제1 내부관 내에는 제2 내부관 방향으로 물 흐름을 주입하기 위한 주입관(4)이 형성되어 있다. 상기와 같이 준비된 미세 유체 시스템을 통해 빠른 유속으로 W/O/W/O 삼중 에멀젼 액적을 제조할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법은 상기 미세 유체 시스템(100)의 외부관(1)에 하이드로젤 폴리머 단량체를 포함하는 물 흐름인 제1상(10)을 형성하고, 상기 제1상과 반대 방향으로 흐르는 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제2상(20)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 단계는 삼중 액적을 형성하기 위해 외부관(1)에 제1상(10) 및 제2상(20)에 포함되는 물질들을 사용하여 외부관 내부에 흐름을 형성하는 단계로, 제1상으로 하이드로젤 폴리머 단량체를 포함하는 물 흐름을 형성하고, 제2상으로 상기 물 흐름과 반대 방향으로 흐르는 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름을 형성한다.
구체적으로, 상기 하이드로젤 폴리머 단량체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)) 및 하이드록시에틸 메타크릴레이트 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 구체적인 일례로, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1상은 계면활성제 및 광개시제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 비이온성 계면 활성제, 음이온계 계면 활성제, 양이온계 계면 활성제 및 양성 계면 활성제 등의 계면 활성제를 사용할 수 있으나, 물 흐름을 안정화시킬 수 있는 계면활성제면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
상기 광개시제는 하이드로젤 폴리머 단량체의 가교를 유도하는 것이면 제한되지 않고 사용할 수 있고, 일례로 상기 광개시제는 2-하이드록시-1-[4-(2-하이드록시데톡시)페닐]-2-메틸프로판-1-온(2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methylpropan-1-one), 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온(2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one), 2-벤질-2-(디메틸아미노)-1-[4-(4-모르폴리닐)페닐]-1-부타논(2-Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(4-morpholinyl)phenyl]-1-butanone), 1-하이드록시사이클로헥실 벤조페논 (1-Hydroxycyclohexyl benzophenone), 1-하이드록시사이클로헥실 페닐케톤 (1-Hydroxycyclohexyl phenylketone), 2-하이드록시-4'-(2-하이드록시에톡시)-2-메틸프로피어페논(2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone), 2,2-다이메톡시-1,2-다이페닐에탄온(2,2-Dimethoxy-1,2-di(phenyl)ethanone) 및 메탄온,1,1'-(페닐포스피니리덴)비스[1-(2,3,6-트리메틸페닐)](Methanone,1,1'(phenylphosphinylidene)bis[1-(2,4,6-trimethylphenyl)]) 등을 사용할 수 있다.
상기 제1상의 물 흐름은 하이드로젤 폴리머 단량체 및 물을 포함하고, 상기 하이드로젤 폴리머 단량체 및 물의 혼합비율은 5:5 내지 9:1의 중량비일 수 있고, 6:4 내지 8:2의 중량비일 수 있으며,7:3의 중량비일 수 있다.
상기 제1상의 물 흐름에 포함되는 계면활성제의 함량은 0.1 w/w% 내지 2 w/w%일 수 있고, 0.3 w/w% 내지 1.5 w/w%일 수 있으며, 0.5 w/w% 내지 1.3 w/w%일 수 있고, 0.7 w/w% 내지 1.2 w/w%일 수 있다.
상기 제1상의 물 흐름에 포함되는 광개시제의 함량은 0.1 w/w% 내지 2.0 w/w%일 수 있고, 0.3 w/w% 내지 1.5 w/w%일 수 있으며, 0.5 w/w% 내지 1.2 w/w%일 수 있고, 0.6 w/w% 내지 1.0 w/w%일 수 있다.
또한, 상기 소수성 유체는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 하이드로카본 오일 및 플로로카본 오일 등을 사용할 수 있으나, 소수성 유체라면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
상기 제2상의 오일 흐름은 계면활성제를 더 포함할 수 있다. 상기 계면활성제는 비이온성 계면 활성제, 음이온계 계면 활성제, 양이온계 계면 활성제 및 양성 계면 활성제 등의 계면 활성제를 사용할 수 있으나, 오일 흐름을 안정화시킬 수 있는 계면활성제면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
상기 제2상의 오일 흐름에 포함되는 계면활성제의 함량은 0.1 w/w% 내지 10.0 w/w%일 수 있고, 1.0 w/w% 내지 9.0 w/w%일 수 있으며, 2.0 w/w% 내지 8.0 w/w%일 수 있고, 3.0 w/w% 내지 7.0 w/w%일 수 있으며, 4.0 w/w% 내지 6.0 w/w%일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법은 상기 제1 내부관(2)에 계면활성제 및 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제3상(30)을 형성하고, 상기 주입관(4)을 통해 금속 나노입자를 포함하는 물 흐름(40)을 주입하여 제2 내부관(3) 내에서 액적을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 단계는 삼중 에멀젼 액적을 형성하는 단계로, 제1 내부관(2)에 오일 쉘을 형성하기 위한 계면활성제 및 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제3상(30)을 형성하고, 상기 주입관(4)을 통해 코어를 형성하기 위한 금속 나노입자를 포함하는 물 흐름(40)을 주입하여 제2 내부관(3) 내에 삼중 에멀젼 액적을 형성한다.
구체적으로, 상기 제3상에 포함되는 게면활성제는 비이온성 계면 활성제, 음이온계 계면 활성제, 양이온계 계면 활성제 및 양성 계면 활성제 등의 계면 활성제를 사용할 수 있으나, 오일상을 안정화시킬 수 있는 계면활성제면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
상기 제3상에 포함되는 계면활성제의 함량은 0.1 w/w% 내지 10.0 w/w%일 수 있고, 1.0 w/w% 내지 9.0 w/w%일 수 있으며, 2.0 w/w% 내지 8.0 w/w%일 수 있고, 3.0 w/w% 내지 7.0 w/w%일 수 있으며, 4.0 w/w% 내지 6.0 w/w%일 수 있다. 상기 제3상은 마이크로 캡슐의 오일 쉘을 형성하기 위한 것으로, 계면활성제의 함량이 상기 범위로 형성됨으로써 오일 쉘은 선택적으로 표적분자의 확산을 방지 또는 허용할 수 있다.
또한, 상기 물 흐름(40)에 포함되는 금속 나노입자의 함량은 0.1 w/w% 내지 5.0 w/w%일 수 있고, 0.5 w/w% 내지 4.0 w/w%일 수 있으며, 1.0 w/w% 내지 3.0 w/w%일 수 있고, 1.5 w/w% 내지 2.0 w/w%일 수 있으며, 1.7 w/w% 내지 1.9 w/w%일 수 있다. 상기 코어에 분산시킨 금속 나노입자의 함량이 상기 범위로 형성됨으로써 센서로의 적용에 있어서 우수한 감도를 나타낼 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐의 제조방법은 상기 액적을 젤화시키는 단계를 포함한다.
이때, 상기 젤화는 광 조사(UV 조사)에 의해 수행될 수 있으며, 광 조사에 의해 상기 삼중 액적의 하이드로젤 쉘을 형성하는 하이드로젤 폴리머 단량체가 3차원적인 그물망 구조의 하이드로젤 입자 형태로 가교된다. 이때, 상기 그물망 구조는 복수 개의 메쉬를 포함하며, 상기 메쉬 사이즈는 상기 금속 나노입자 사이즈보다 작아 금속 나노입자는 코어 내부에 분산되어 위치하게 된다. 다만, 상기 젤화는 필요할 경우 광 중합뿐만 아니라 열중합, 이온중합 또는 냉각에 따른 물리적 젤화를 통해 수행할 수도 있다. 그리고, 상기 하이드로젤 폴리머 단량체의 농도 또는 분자량을 제어하여 그물망의 메쉬 사이즈를 조절할 수 있다.
또한, 상기 광 조사에 있어 자외선 조사는 1 내지 100 mW/cm2의 광 도에서 0.1 내지 10초 동안 수행할 수 있으나, 이중 액적이 젤화되는 조건이라면 어떤 광도와 노광시간도 가능하다.
나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서
금속 나노입자가 분산된 코어; 상기 코어를 둘러싸고, 소수성 유체 및 계면활성제를 포함하는 오일 쉘; 및 상기 오일 쉘을 둘러싸고, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘;을 포함하는 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 센서가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 센서는 캡슐의 오일 쉘을 통해 수은 이온의 투입을 선택적으로 허용하여 검출 선택성이 향상시킬 수 있으며, 하이드로젤 쉘에 의한 높은 반응속도를 나타낼 수 있어 빠른 투과속도와 높은 감도를 갖고, 타겟물질의 검출을 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
상기 금속 나노입자는 라이신으로 캡핑된 금속 나노입자를 포함할 수 있고, 상기 마이크로 센서는 수은 이온을 검출하는 마이크로 센서일 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 1> 라이신으로 캡핑된 금 나노 입자의 제조
평균 직경이 13 nm인 금 나노 입자를 K. C. Grabar, R. G. Freeman, M. B. Hommer, M. J. Natan, Anal. Chem. 1995, 67, 735. 및 G. Frens, Nat. Phys. Sci. 1973, 241, 20.에 보고된 나트륨-시트레이트 환원법(sodium-citrate reduction method)를 사용하여 합성하였다.
구체적으로, 1×10-3 M HAuCl4 (99.99 %, Sigma-Aldrich) 500 mL 수용액을 1 L 둥근 바닥 플라스크에서 격렬하게 교반하면서 끓였다. 38.8 × 10-3 M 시트르산 나트륨 (sodium citrate, Sigma-Aldrich)의 50 mL 수용액을 상기 용액에 첨가하였다. 혼합물을 100℃에서 10 분 동안 유지시킨 후, 계속 교반하면서 실온으로 냉각시켜 금 나노 입자의 분산액을 제조하였다. 상기 금 나노 입자의 분산액 및 L-라이신 수용액 (Sigma-Aldrich)을 9 : 1의 부피비로 혼합하였고, 여기서 분산액에서 금 나노 입자의 초기 농도는 2 w/w%이고, 3개의 상이한 농도로 L-라이신을 각각 1×10-3 M, 10×10-3 M 및 100×10-3 M을 첨가하였다. 혼합물을 실온에서 12시간 동안 인큐베이션 한 후, 분산액을 8000 rpm에서 원심 분리하고 증류수로 3회 세척하였다.
< 실시예 1>
미세 유체 시스템은 도 1의 b에 나타내었으며, 구체적으로 1개의 사각형 모양의 유리 모세관(1.5 mm OD, 1.05 mm ID, Atlantic International Technologies, Inc.) 내에 동축으로 조립된 2개의 점점 가늘어지는 원통형 유리 모세관(1B100F-6, World Precision Instruments, Inc)으로 구성되었다. 점점 가늘어지는 원통형 유리 모세관 중 하나는 풀러(P97, Sutter Instrument)로 당기고 팁을 샌딩하여 직경이 80㎛인 오리피스를 갖도록 형성하여 제1 내부관을 준비하였고, 다른 하나의 원통형 유리 모세관은 120㎛인 오리피스를 갖도록 형성하여 제2 내부관을 준비하였다. 1개의 가는 원통형 모세관(OD, ID는 0.1 mm 이하)을 불로 그을린 사이에 잡아당겨 더욱 가늘게 만들어 주입관을 준비하였다.
제1 내부관의 내부 표면을 트리메톡시(옥타데실) 실란(trimethoxy (octadecyl)silane; Sigma-Aldrich)으로 처리하여 표면을 소수성으로 형성하였고, 외벽을 2-[메톡시(폴리에틸옥시)프로필]트리메톡시 실란(2-[methoxy(polyethyleneoxy)propyl]trimethoxysilane; Gelest)으로 처리하여 친수성으로 형성하였다. 제2 내부관의 모든 표면을 트리메톡시(옥타데실) 실란으로 처리하였다.
상기 제1 내부관 및 제2 내부관은 사각형 모양의 유리 모세관과 조립되어 제1 내부관의 오리피스와 제2 내부관의 오리피스가 마주보도록 정렬되었고, 상기 주입관은 제1 내부관 내부에 삽입하여 위치시켰다.
제1상으로 광개시제인 0.8 w/w% Irgacure 2959(BASF), 계면활성제인 1 w/w% Pluronic F127(Sigma-Aldrich)를 포함하는 중량비가 7:3인 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)(Mw 700, Sigma-Aldrich)과 물의 혼합물을 준비하였다.
제2상 및 제3상으로 계면활성제인 5 w/w% ABIL EM90(Evonik Industries)를 포함하는 미네랄 오일(Sigma-Aldrich)을 준비하였다.
상기 제조예 1에서 제조된 라이신으로 캡핑된 금 나노입자 1.8 w/w% 수성 분산액을 준비하였다.
상기 금 나노입자를 포함하는 수성 분산액(이하, 물 흐름)과 제3상을 제1 내부관에 동시에 주입되었고, 제1상은 제1 내부관 및 외부관 사이의 간극을 통해 주입되었다. 또한, 제2상은 제2 내부관 및 외부관 사이의 간극을 통해 주입되었다. 모든 유체는 시린지 펌프(KdScientific, Inc.)를 사용하여 주입되었고, 각각의 유속은 물 흐름 150 ㎕/h-1, 제3상 200 ㎕/h-1, 제1상 350 ㎕/h-1, 제2상 3,500 ㎕/h-1이다. 에멀젼 액적의 형성은 고속 카메라 (Miro eX2 및 V7.3, Phantom)가 장착된 역현미경 (Eclipse Ti 및 TS100, Nikon)을 사용하여 관찰되었다.
하이드로젤 쉘(외곽 쉘)에서 PEGDA를 중합시키기 위해 10초 간격으로 5초 동안 UV 광 (Innocure 100N, Lichtzen)을 주기적으로 조사하였고, 제2상을 함유하는 바이알에서 액적을 수집하였다. 생성된 캡슐의 현탁액을 증류수에 첨가하고 1000 rpm에서 원심 분리하여 마이크로 캡슐을 미네랄 오일에서 물로 옮겼다.
< 실험예 1> 마이크로 캡슐의 삼중 구조 분석
본 발명에 따른 마이크로 캡슐을 포함하는 센서는 도 1의 a와 같이 단일 코어, 이중 쉘 구조를 갖는다. 수성 코어는 자유롭게 분산된 나노입자 기반의 센서를 포함한다. 내부 오일 쉘은 계면활성제 및 오일(또는 소수성 유체)의 선택에 따라 분자의 선택적 확산을 허용하고, 외곽 하이드로젤 쉘은 유체 역학적 직경이 하이드로젤의 메쉬 크기보다 작은 분자의 확산을 허용한다. 따라서, 외부 쉘은 나노입자의 표면에 비특이적으로 흡착하고 분석 감도를 저하시키는 단백질과 같은 큰 접착 분자를 배제할 수 있다. 내부 쉘은 크기 선택도 이상의 분자 선택도를 제공한다. 오일 및 계면활성제의 선택에 의해 운반될 수 없는 분자는 분자의 크기가 하이드로젤 쉘을 통해 확산되기에 충분히 작은 경우에도 실질적인 목적을 위해 코어에서 제외될 수 있다. 이 오일 쉘 의존성 투과는 센서의 분자 선택성의 본질적인 한계를 극복하는 데 효과적이다.
마이크로 캡슐 센서 플랫폼을 검증하기 위해, 라이신으로 캡핑된 금 나노입자(이하, lys-Au NPs)를 수은 이온(Hg2 +) 검출용 센서로 사용하였다. 라이신은 수은 이온(Hg2+)과 다중 리간드 복합체를 형성하기 때문에 lys-Au NPs가 수은 이온의 존재 하에서 응집될 것으로 예상된다. 이를 테스트하기 위해, 시트레이트(citrate)로 캡핑된 금 나노입자의 수성 분산액에 라이신을 첨가하여 lys-Au NPs를 준비하고 실온에서 12시간 동안 인큐베이션 하였다. 시트레이트의 카르복실기와 라이신의 1차 아민 사이의 정전기적 인력으로 인해 라이신은 나노입자 표면에 결합한다. 각 라이신은 2개의 1차 아민을 가지므로 표면이 라이신으로 완전히 덮이지 않은 나노입자를 가교시킬 수 있다. 1.8 w/w% 금 나노입자의 수성 분산액에서 라이신의 농도가 1×10-3 M로 설정되면, 금 나노입자들은 수은 이온이 없는 상태에서 응집하여 스펙트럼 변화를 일으킨다(도 2의 b 참조). 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 10×10-3 M 농도의 경우, 표면이 완전히 덮여 자체 응집이 억제되고, 수은 이온의 농도에 따라 흡수 스펙트럼이 달라진다.
< 실험예 2> 캡슐 센서의 미세 유체 생산
이중 쉘로 lys-Au NPs의 분산액을 캡슐화하기 위해 W/O/W/O 삼중 에멀젼 액적을 템플릿으로 사용한다. 에멀젼 액적은 미세 유체 시스템을 사용하여 균일한 크기 및 조성을 갖도록 제조되었다. 상기 미세 유체 시스템은 도 1의 b 및 도 1의 c에 나타낸 바와 같이, 사각형 모세관(외부관)과, 동축으로 정렬된 2개의 점점 가늘어지는 원통형 모세관(제1 내부관 및 제2 내부관)을 포함한다. 점점 가늘어지는 모세관 중 하나(제1 내부관)는 오리피스 직경이 80 ㎛이며, 내벽은 소수성이고 외벽은 친수성이다. 나머지 다른 모세관(제2 내부관)의 오리피스 직경은 120 ㎛이며 내벽 및 외벽 모두 소수성이다.
10×10-3 M 라이신으로 처리된 1.8 w/w% lys-Au NPs를 함유하는 수성 분산액을 제1 내부관을 통해 주입한다. 동시에, 계면활성제를 함유하는 미네랄 오일도 제1 내부관을 통해 주입된다. 수성 분산액은 플러그형 액적 무리를 형성하고 소수성 내벽과 접촉하지 않고 채널의 중심을 통해 흐르지만, 미네랄 오일은 내벽을 적시고 액적을 위한 연속상을 형성한다. 즉, 수성 분산액 및 오일은 주입 유리 모세관에서 불연속 코어-시스 스트림(core-sheath stream)을 형성한다. 광 개시제 및 계면활성제를 함유하는 30 중량% 물 및 70 중량% PEGDA의 혼합물을 제1상으로서 제1 내부관과 외부관 사이의 간극을 통해 주입한다. 계면활성제를 함유하는 미네랄 오일인 제2상(또는 연속상)은 제2 내부관과 외부관 사이의 간극을 통해 주입되고, 흐름 방향은 다른 모든 유체의 흐름 방향과 반대로 형성된다. 제1상 및 제2상은 내부 W/O 코어-시스 스트림이 유출되는 주입 모세관의 팁 주위에서 W/O 경계면을 형성한다. 도 1의 c에 나타낸 바와 같이, 내부 코어-시스 스트림이 W/O 경계면을 통과할 때, 4개의 상이 제2 내부관으로 흘러 W/O/W/O 삼중 에멀젼 액적을 형성한다. 내부 오일은 모세관의 표면을 따라 흐르며 박막을 형성하기 때문에, 삼중 에멀젼 액적의 오일 쉘은 매우 얇게 형성될 수 있다. 그 두께는 1.1 ㎛로 추정된다.
외곽 수성 쉘에 함유된 PEGDA의 가교 반응을 개시하기 위해, 삼중 에멀젼 액적에 자외선(UV)을 조사한다. 이에 의해, 도 1의 d의 모식도 및 도 1의 e, 도 1의 f의 광학 현미경 사진에 개략적으로 도시된 바와 같이, W/O/W/O 삼중 에멀젼 액적은 W/O/젤(Gel)/O 캡슐로 전환되고, 이는 이후 오일로부터 수용액으로 옮겨 W/O/Gel/W 캡슐이 된다. 도 1의 f에 나타낸 바와 같이, 안정한 하이드로젤 쉘의 형성은 주사 전자 현미경 (SEM) 관찰에 의해 확인된다. 코어의 평균 반경은 70 ㎛이고, 하이드로젤 쉘의 평균 반경은 120 ㎛이며, 하이드로젤 쉘의 두께는 약 28 ㎛이다. 미세 유체 시스템의 작동 동안 유속을 조정함으로써 코어의 크기 및 하이드로젤 쉘의 두께를 추가로 제어할 수 있는 한편, 얇은 오일 쉘의 두께는 불연속 액적 발생 모드에서 제어하기는 어렵다. 캡슐은 붉은색 및 캡슐 코어의 균일한 외관에 의해 확인되는 바와 같이, 응집 없이 자유롭게 분산된 개별 lys-Au NPs를 함유한다. 도 1의 b 및 도 1의 c에 도시된 바와 같이, 액적이 형성되는 동안 오일 쉘에 의해 PEGDA 및 광 개시제의 수용액으로부터 코어가 완전히 분리됨에 따라 lys-Au NPs의 분산 안정성이 달성된다. 수용성 분자가 코어로 침입하면, 금 나노입자 표면 전하 스크리닝 효과로 인해 lys-Au NPs 사이의 정전기 반발이 낮아져 응집을 유발할 수 있다. 내부 코어-시스 스트림이 불연속적이므로 O/W/O 이중 에멀젼 액적도 생성된다. 이중 에멀젼 액적은 UV 광이 조사될 때 O/Gel/O 캡슐로 변형된다. 이 캡슐은 물보다 평균 밀도가 낮기 때문에 물로 옮겨질 때 부유하게 된다. 대조적으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, W/O/Gel/W 캡슐은 물보다 높은 평균 밀도를 가지므로, 물로 이동하는 동안 O/Gel/W 캡슐로부터 자발적으로 분리된다.
< 실험예 3> 캡슐 센서의 감도 향상
캡슐이 수은 이온(Hg2 +)을 감지하기 위한 센서로 사용될 수 있는지 테스트하기 위해, 수은 이온을 포함하는 수용액에 0 M 내지 10-5 M의 농도로 현탁하였다. 도 5의 a에 나타낸 바와 같이, 수은 이온의 농도가 0 M에서 10-8 M로 증가할수록 캡슐 센서의 적색이 점차 사라진다. Hg2 + 농도가 10-7 M로 더 증가하면 색상이 갑자기 진한 청색으로 바뀐다. 도 5의 b에 광학 현미경(OM) 이미지로 나타낸 바와 같이, 수은 이온의 농도가 10-7 M를 초과하여 증가하면 유의미한 색 변화가 관찰되지 않는다. 관찰된 색 변화는 캡슐 코어에 함유된 금 나노입자의 수은 이온-유도 응집에 의해 야기된다. 따라서, 유의미한 응집에 대한 임계 수은 이온 농도는 10-8 M 내지 10-7 M이다. 도 5의 c에 나타낸 바와 같이, 수은 이온이 없으면, 캡슐 코어에 함유된 lys-Au NPs가 개별적으로 분산되어 코어가 520 nm에서 강한 흡수 피크를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 피크 위치는 수은 이온이 없는 경우 벌크 분산액의 피크 위치와 동일하며, 미세 유체 캡슐화 동안 무시할만한 응집이 있음이 추가로 확인된다. 수은 이온을 첨가하면, 나노입자는 도 5의 b에 도시된 바와 같이 응집되어 캡슐 코어의 바닥으로 가라앉기 시작한다. 도 5의 c에 나타낸 바와 같이, 이러한 응집은 최대 650 nm의 파장에서 흡수 피크를 초래한다.
흡수 피크의 강도 및 위치는 수은 이온의 농도에 따라 변한다. 수은 이온의 농도와 스펙트럼 사이의 관계를 찾기 위해 650 nm 및 520 nm에서 측정한 흡수 강도의 비율을 측정하고, 이를 수은 이온이 없는 샘플에 대해 측정한 것과 비교하였다. 도 5의 d에 나타낸 바와 같이, 얻어진 값은 10-5 M의 수은 이온 농도에 대해 얻어진 값에 의해 보정된다. 보정된 값은 0에서 10-9 M일 때 0.187, 10-8 M일 때 0.293, 10-7 M일 때 0.934, 10-6 M일 때 0.962, 10-5 M일 때 1로 증가한다. 도 5의 e에 도시된 바와 같이, 수은 이온 농도 범위 0 M 내지 10-7 M에 맞는 선형 회귀 곡선을 사용하여 검출한계(LOD)가 50×10-9 M인 것으로 추정된다. 검출한계는 3σ를 기울기로 나누어 계산할 수 있다. 여기서 표준 편차(σ)는 표준 오차의 곱과 표본 번호의 제곱근으로 표현된다. 검출한계가 10-8 M 및 10-7 M의 중간에 있기 때문에, 급격한 색 변화가 도 5의 a의 농도 변화로서 관찰된다.
캡슐 센서의 감도를 벌크 대비 물의 감도와 비교하기 위해, 0.18 w/w% lys-Au NPs 및 다양한 농도의 수은 이온을 함유하는 벌크 수성 분산액을 제조하였다. lys-Au NPs의 농도는 10배 감소하였다. 도 6의 a에 나타낸 바와 같이, 벌크 분산액은 최대 10-7 M의 수은 이온 농도에 대해 거의 변색이 없고 10-6 M에서 진한 청색으로 변한다. 도 6의 b에 나타낸 바와 같이, 흡광도 스펙트럼은 변화를 더 정량적으로 보여준다. 흡광도 스펙트럼은 10-9 M의 수은 이온 농도까지 변하지 않고 유지된다. 수은 이온 농도가 10-9 M에서 10-8 M 및 10-7 M으로 증가하면 피크 위치보다 긴 파장의 흡수 강도는 증가하는 반면 피크 위치는 520 nm로 유지된다. 수은 이온 농도가 10-7 M에서 10-6 M로 증가할 때 피크 위치에서 분명한 이동이 관찰된다. 피크 이동은 10-5 M의 수은 이온 농도에서 680 nm에 도달할 때까지 계속된다. 도 6의 c에 나타낸 바와 같이, 680 nm 내지 520 nm에서 수은 이온이 없는 샘플의 흡광도 차이와 같은 측정 변수는 10-9 M에서 0.001, 10-8 M에서 0.08, 10-7 M에서 0.242만큼 작게 나타난다. 도 6의 d에 나타낸 바와 같이, 0 M 내지 10-6 M의 수은 이온 농도 범위에 맞는 선형 회귀 곡선을 사용하여 357×10-9 M의 검출한계(LOD)를 얻었다. 이 검출한계는 캡슐 센서에서 측정한 것보다 7.14 배 더 커서 캡슐 센서의 감도가 더 높다는 것을 나타낸다. 이는 벌크 분산액보다 캡슐 센서에 사용된 금 나노입자의 양이 적기 때문이다. 벌크 샘플의 lys-Au NPs 농도는 캡슐 코어보다 10배 낮지만, 동일한 부피에 포함된 lys-Au NPs의 총 수는 9배 더 높다. 따라서, 캡슐에 함유된 각각의 lys-Au NPs는 벌크 분산액에 함유된 것에 비해 9배 더 많은 수의 수은 이온과 상호 작용할 수 있다. 검출한계에서 보면, 캡슐에 함유된 lys-Au NPs는 평균적으로 최대 4.2 수은 이온을 흡착할 수 있는 반면, 벌크 분산액의 나노입자는 3.4 수은 이온을 흡착한다. 이들 값은 비교 가능하며, 미세 유체 캡슐화 동안 감지 성능의 현저한 악화가 없음을 나타낸다. 캡슐 내 lys-Au NPs 농도를 줄임으로써 감도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 이러한 감소는 흡수 강도를 감소시켜 육안으로 비색 분석을 수행하기 어렵게 할 수 있다.
벌크와 대응되는 캡슐 센서의 장점 중 하나는 캡슐이 다른 유형 또는 부피의 샘플에 추가되더라도 캡슐 내의 나노입자 농도가 일정하게 유지된다는 것이다. 예를 들어, 도 5의 f 및 도 5의 g에 나타낸 바와 같이, 캡슐 센서는 샘플 부피가 변하더라도 수은 이온의 존재 및 부재에서 일관된 색상 및 흡광도 스펙트럼을 보여준다. 대조적으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 나노입자의 벌크 분산액은 샘플 유체에 의해 희석되어 흡수 피크의 강도가 상당히 감소된다. 이 희석은 벌크 분석의 감도를 감소시킨다.
< 실험예 4> 캡슐 센서의 빠른 응답
캡슐 기반 분석 방법은 캡슐의 코어에 포함된 lys-Au NPs에 도달하기 전에 캡슐 쉘의 두 층에 걸쳐 수은 이온이 확산되도록 요구된다. 이 확산은 분석 색상 변화의 지연을 초래한다. 이에, 캡슐 센서를 10-6 M 수은 이온을 포함하는 수용액에 노출시켜 분석 응답 시간을 측정하였다. 도 8의 a에 나타낸 바와 같이, 초기에, lys-Au NPs는 캡슐 코어에 균질하게 분포되어 있다. 배양 후 2분 이내에, lys-Au NPs는 시간이 지남에 따라 성장하는 미세한 응집체를 형성하고 10분 내에 코어의 바닥으로 가라앉는다. 응집체의 형성은 LSPR의 피크 파장을 이동시키기 때문에, 도 8의 b에 나타낸 바와 같이, 수분 내에 흡수 스펙트럼의 명백한 변화를 관찰할 수 있다. 실제로, 스펙트럼 변화는 처음 배양 후 5분 내에 관찰되지만 그 후에는 관찰되지 않는다. 센서가 5분 이상 배양된 후 시간에 따라 흡광도 강도가 약간 감소한다. 이 강도 감소가 금 나노입자 응집체의 침강 때문이라고 판단된다. 그러나, 수은 이온 농도를 정량화하는데 필요한 650 nm 및 520 nm에서 측정된 흡광도의 비는 5분의 배양 후에도 변하지 않은 채로 남아있다. 이 짧은 응답 시간은 수은 이온이 캡슐 껍질의 두 층을 통해 쉽게 확산됨을 나타낸다.
하이드로젤 쉘의 메쉬 크기는 수은 이온의 유체 역학적 직경보다 훨씬 크고 하이드로젤은 고도로 수화되어 하이드로젤이 이들 이온의 확산을 현저하게 늦출 것으로 기대하지는 않는다. 하이드로젤 중의 물 분율은 대략 45 v/v%이다. 하이드로젤 쉘의 메쉬 크기는 수중유(Water-in-Oil; W/O) 단일 에멀젼 주형과 질량비가 7:3 인 PEGDA 및 물의 동일한 조성으로 제조된 마이크로젤을 사용하여 추정될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 마이크로젤은 다양한 분자량(MWs) 10,000-70,000 g/mol의 플루오레세인 이소티오시아네이트-표지된 덱스트란(fluorescein isothiocyanate-tagged dextran; FITC)의 수용액에 현탁되고 분자의 주입은 공 초점 현미경 이미징에 의해 확인된다. 중량평균분자량(MW)이 10,000 g/mol인 덱스트란은 마이크로젤 매트릭스를 통해 확산될 수 있는 반면, MW가 20,000 g/mol인 것은 거부된다. 이는 하이드로젤이 MW가 각각 10,000 내지 20,000 g/mol인 덱스트란의 유체 역학적 직경인 5 nm 내지 7 nm의 차단 임계 값(cut-off threshold)을 나타낸다. 이 크기 차단은 대략 0.1 nm인 수은 이온의 유체 역학적 직경보다 10배 이상 높다. 차단 임계 값에 대한 혼합 비율의 영향을 추가로 조사하기 위해, 마이크로젤은 각각 덱스트란의 수용액에 현탁되어 3:7 및 1:9의 비율로 제조되었다. 3:7의 비를 갖는 마이크로젤은 MW가 20,000 g/mol인 덱스트란의 주입을 허용하면서 MW가 40,000 g/mol인 덱스트란을 거부한다. 이는 차단 임계 값이 7 nm 내지 9 nm임을 나타낸다. 1:9 비율의 마이크로젤은 MW가 40,000 g/mol인 덱스트란의 주입을 허용하는 한편, MW가 70,000 g/mol인 덱스트란을 거부함으로써 차단 임계 값이 9 nm 내지 12 nm임을 나타낸다. 즉, PEGDA의 농도가 감소함에 따라 하이드로젤이 느슨해져서 메쉬 크기 및 차단 임계 값이 증가한다.
오일 쉘을 통한 이온의 전달 메커니즘은 완전히 이해되기는 어렵다. 수은 이온은 계면활성제가 없는 미네랄 오일에서 매우 낮은 용해도를 가질 것으로 예상되므로, 이온의 직접적인 용해 및 오일 쉘을 통한 확산은 거의 일어나지 않을 것이다. 계면활성제의 도움으로 오일-물 계면 근처 오일 쉘에서 약 100 nm 크기 액적의 자발적 형성을 통해 수용성 분자는 이중 에멀젼의 오일 쉘을 통해 전송될 수 있다고 보고되었다. 오일 중의 계면활성제는 역 마이셀을 형성할 수 있고 마이셀의 코어는 에멀젼 중합과 유사한 방식으로 물에 의해 팽창된다. 이 액적은 수용성 분자를 하나의 수상에서 유상에 의해 분리된 다른 수상으로 운반할 수 있다. 그러나 이것은 수은 이온의 수송 메커니즘만이 아니다. 계면활성제와 수은 이온 사이에 상호 작용이 있을 것이며, 이는 작은 액적의 형성을 돕는다. 오일 쉘의 두께는 1.1 ㎛이므로 액적 캐리어는 이온을 단시간에 운반할 것으로 예상된다.
< 실험예 5> 캡슐 센서의 분자 선택성
금속 나노입자의 LSPR을 기반으로 하는 많은 센서는 전처리 과정 없이 샘플에 바로 적용할 때 감도를 잃는다. 일부 분자는 이러한 나노입자 또는 이온 종의 표면에 비특이적으로 흡착되어 분산을 불안정하게 하기 때문이다. 이 단점은 접착성 단백질이 나노입자의 표면을 자주 덮음으로써 그들의 감지 기능을 비활성화시키기 때문에 생물학적 샘플에 특히 두드러진다. 이러한 한계점은 하이드로젤 쉘로 나노입자를 보호함으로써 극복된다. 이러한 특징을 입증하기 위해, 본 발명자들은 고농도의 소혈청알부민(bovine serum albumin; BSA)을 함유하는 수용액에서 수은 이온을 검출하였다. 알부민은 생물학적 샘플에서 가장 일반적인 단백질 중 하나이며 다양한 표면에 비특이적으로 흡착한다. BSA의 유체 역학적 직경은 대략 7 nm이며, 하이드로젤 쉘의 제한 메쉬 크기보다 약간 더 큰 값이다. 따라서 우리는 BSA가 하이드로젤 쉘을 통과할 수 없기 때문에 캡슐 센서에 영향을 미치지 않기를 기대한다. 실제로, 도 10의 a 및 도 10의 b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 캡슐 센서는 10-6 M의 수은 이온 농도에 대해 예시된 바와 같이, 1×10-3 M의 높은 농도에서 BSA의 존재 하에서도 변함없는 감도로 수은 이온의 농도를 정량화할 수 있다. 희미한 황색은 용액에 함유된 BSA에서 유래된 것이다. 수화된 PEG 하이드로젤은 높은 친수성으로 인해 단백질에 대한 방오 효과를 나타내므로, 캡슐 센서는 훨씬 더 심각한 조건에서도 작동할 것으로 예상된다. 대조적으로, 도 10의 c 및 도 10의 d에 나타낸 바와 같이, BSA가 용액에 첨가될 때 벌크 센서의 감지 기능은 완전히 상실된다. 10-6 M의 수은 이온 및 10-3 M의 BSA를 함유하는 용액에 대해 획득된 색 및 흡광도 스펙트럼은 자유롭게 분산된 lys-Au NPs의 스펙트럼과 유사하다. 우리는 lys-Au NPs 표면에 BSA의 비특이적 흡착으로 인해 벌크 센서는 불가능하다고 생각한다. 도 10의 d에 나타낸 바와 같이, 부피가 큰 BSA는 금 나노입자 사이에서 작은 수은 이온의 흡착을 방지할 수 있다.
내부 오일 쉘은 추가 선택성을 제공한다. 오일상으로 이송될 수 있는 분자만이 오일 쉘을 통해 이송될 수 있다. 이 기능은 캡슐 센서에 대한 추가 선택성을 도입하여 잠재적으로 감지 선택도를 향상시킨다. lys-Au NPs는 수은 이온에 대해 높은 선택성을 나타낸다. K+, Fe2 +, Mg2 +, Ba2 +, Cd2 +, Sn2 + 및 Cr3 +와 같은 다른 양이온은 스펙트럼 변화를 유발하지 않는다. 스펙트럼 변화를 유도하는 유일한 다른 이온은 은 이온이다. 그러나, 은 이온에 의해 유도된 스펙트럼 변화는 수은 이온에 의해 야기된 것과 유사하여 두 이온의 구별이 어렵다. 놀랍게도, 캡슐 센서에 의해 검출되지 않도록 은 이온이 캡슐의 오일 쉘을 가로 질러 수송될 수 없다는 것을 발견했다. 따라서 캡슐 센서는 절묘한 선택성을 나타낸다. 도 10의 e 및 도 10의 f에 나타낸 바와 같이, 수은 이온이 용액에 존재할 때만 스펙트럼 변화가 관찰된다. 이것은 벌크 센서와 완전히 대조적인 것이다. 도 10의 g 및 도 10의 h에 나타낸 바와 같이, 벌크 센서는 은 이온과 수은 이온의 존재에서 스펙트럼 변화를 표시하므로 이온 유형의 명백한 식별이 매우 어렵다. 이러한 비교를 통해 벌크 분석보다 더 높은 감도를 가질뿐만 아니라 개선된 선택도를 갖는 선택적으로 투과성인 캡슐의 힘을 보여준다.
오일 쉘을 통한 수은 이온-선택적 침투의 원리는 수은 이온과 계면활성제(ABIL EM90) 사이의 상호 작용과 관련이 있다. 수송을 위한 계면활성제의 역할을 연구하기 위해, HLB(hydrophilic-liphophilic balance)가 약 5인 ABIL EM90 (cetyl PEG/PPG-10/1 Dimethicone), HLB가 4.3인 SPAN 80(sorbitan monooleate), HLB가 약 1.5인 PGPR(polyglycerol polyricinoleate), HLB가 4인 Brij 93(polyethylene glycol oleyl ether)의 4개의 다른 지용성 계면활성제를 각각 미네랄 오일에 용해하고 수송 거동 비교를 위해 조사하였다. 도 11의 a에 나타낸 바와 같이, 이러한 목적으로, 수은 이온의 수용액은 간단한 와동 혼합에 의해 5 w/w% 계면활성제를 함유하는 미네랄 오일로 각각 유화되어 W/O 에멀젼을 형성하며, 이는 lys-Au NPs의 수성 분산액의 상부에 위치된다. 또한, 도 11의 b에 나타낸 바와 같이, 동일한 실험을 은 이온으로 수행하였다. 캡슐 센서로 확인한 바와 같이, ABIL EM90 계면활성제는 수은 이온의 수송을 허용하고 은 이온를 거부하고 분산액을 적색으로 유지하면서 금 나노입자 분산액을 청색으로 만든다. 또한, 도 11의 c에 나타낸 바와 같이, SPAN 80은 은 이온을 거부하면서 수은 이온의 수송을 허용한다. 반면, 도 11의 d 및 도 11의 e에 나타낸 바와 같이, PGPR 및 Brij 93은 수은 이온 및 은 이온 모두의 수송을 허용한다. 이 실험은 계면활성제의 선택이 수송 선택성을 결정하는 데 중요하다는 것을 나타낸다. SPAN 80과 Brij 93의 HLB 값은 비슷하지만 이온 선택도는 다르다. 즉, 계면활성제와 이온의 상호 작용은 이온 함유 역 마이셀의 자발적인 형성에 영향을 미친다. 계면활성제와 이온 사이의 분자 상호 작용의 상세한 메커니즘은 여전히 결정되어야 한다.
캡슐 센서는 내부 유착에 대해 불안정한 삼중 에멀젼 액적으로 생산되면 매우 안정적이다. 우리는 캡슐 센서가 삼중 구조뿐만 아니라 금 나노입자의 높은 분산 안정성과 센싱 활동을 6개월 이상 유지한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 캡슐 센서는 증류수에 저장될 수 있고 수성 샘플의 분석이 필요할 때마다 사용될 수 있다. 반면, 수은 이온에 의한 금 나노입자의 응집체는 되돌릴 수 없다. 따라서 분석에 사용된 캡슐을 폐기해야 한다.
이와 같이, 다양한 나노입자 기반 센싱 물질과 호환되는 새로운 다목적 캡슐 센서 플랫폼을 제공한다. 캡슐 센서의 잠재력을 입증하기 위해 코어에 라이신 캡핑된 금 나노입자를 포함하는 반투과성 캡슐을 제조하고, 이를 사용하여 수은 이온 농도를 정량화하였다. 수성 코어; 오일 층 및 하이드로젤 층으로 제조 된 이중 쉘;을 포함하는 캡슐 센서는 잘 정의된 크기와 쉘 두께를 가지며, W/O/W/O 삼중 에멀젼 액적 템플릿으로 미세 유동적으로 생산된다. 이러한 제조 공정은 센싱 물질이 100% 효율로 캡슐화될 수 있다는 뚜렷한 이점을 제공한다. 또한, 캡슐화 공정 동안 센싱 물질에 화학적 또는 기계적 응력이 없어서 나노입자의 분산이 안정적으로 유지되고 표면에 추가된 기능이 그대로 유지된다. 외곽 하이드로젤 쉘은 비특이적 결합 활성을 갖는 큰 접착성 단백질과 같이 유체 역학적 직경이 메쉬 크기보다 큰 분자의 확산을 방지한다. 하이드로젤 쉘의 차단 임계 값은 하이드로젤의 가교 밀도를 조정함으로써 넓은 범위에 걸쳐 제어될 수 있다. 내부 오일 쉘은 더 작은 분자에 대한 추가의 선택적 장벽을 제공한다. 오일 및 유용성 계면활성제는 특정 표적 분자 만이 이 쉘 내로 전달되고 이 쉘을 가로 질러 수송될 수 있도록 선택될 수 있으며, 이에 따라 감지 선택성이 개선된다. 분자 선택 장벽을 형성하기 위한 적절한 오일 및 계면활성제 세트가 없거나 추가 선택이 필요하지 않은 경우, 오일 쉘은 파열되어 하이드로젤 쉘 내에 포함된 오일 액적을 형성할 수 있다. 하이드로젤 쉘이 지속됨에 따라 캡슐 센서는 여전히 코어의 센서 재료에서 큰 접착성 분자를 배제하며 센서 반응이 더욱 빨라질 수 있다. 하이드로젤 쉘에 함유된 오일 액적은 캡슐을 추가로 기능화하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 자성 나노 입자가 오일에 분산되면 오일 액적이 자기 응답성을 띌 수 있다. 이들 입자는 샘플 유체로부터 캡슐의 상향 농축 및 분리를 용이하게 한다.
본 발명의 캡슐 센서는 센싱 물질이 소량의 캡슐 코어에 한정되어 있기 때문에 벌크와 대조하여 향상된 감도를 보여준다. 또한, 캡슐을, 분석해야 하는 많은 양의 샘플에 분산시켜도 나노입자가 희석되지 않으므로 샘플 양과 상관없이 일정한 채도 및 흡수 스펙트럼이 나타난다. 벌크 대비하여 캡슐 센서의 뚜렷한 장점은 분석할 샘플에 포함될 수 있는 접착성 분자의 영향을 최소화하면서 더 높은 감도와 선택성으로 표적 분자를 검출할 수 있다는 것이다. 이 일반 캡슐 센서 플랫폼은 비색 분자 검출을 위해 설계된 다양한 LSPR 활성 금속 나노입자와 함께 사용할 수 있다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 실증 목적으로 납 이온 검출을 위해 시트르산으로 덮인 금 나노입자가 포함된 캡슐 센서를 준비하였다. pH 11 환경에서 납 이온은 시트르산으로 덮인 금 나노입자의 응집을 유발하여 색 변화를 유발한다. 캡슐 센서는 납 이온 존재시 색상 변화를 보여 주어 캡슐 센서가 다양한 감지 물질에 적절하게 작동함을 나타낸다. 납 이온은 오일 쉘을 통해 확산 될 수 있다. 중요하게는, 형광 물질 검출을 위한 FRET 기반 센서 및 라만 검출을 위한 표면 강화 라만 산란 기반 센서로 감지 물질이 추가로 소비될 수 있다.
100 : 미세 유체 시스템
1 : 외부관
2 : 제1 내부관
3 : 제2 내부관
4 : 주입관
10 : 제1상
20 : 제2상
30 : 제3상
40 : 물 흐름

Claims (15)

  1. 금속 나노입자가 분산된 코어;
    상기 코어를 둘러싸고, 소수성 유체 및 계면활성제를 포함하며, 초박형인 오일 쉘; 및
    상기 오일 쉘을 둘러싸고, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘;을 포함하는 마이크로 센서용 마이크로 캡슐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어에 분산된 금속 나노입자의 함량은 0.1 w/w% 내지 5.0 w/w%인 마이크로 캡슐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 유체는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 하이드로카본 오일 및 플로로카본 오일로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 마이크로 캡슐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오일 쉘에서 계면활성제의 함량은 0.1 w/w% 내지 10.0 w/w%인 마이크로 캡슐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오일 쉘의 두께는 0.1 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 마이크로 캡슐.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로젤 쉘은 하이드로젤 폴리머 단량체가 젤화되어 형성된 마이크로 캡슐.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하이드로젤 폴리머 단량체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)) 및 하이드록시에틸 메타크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 마이크로 캡슐.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로젤 쉘의 두께는 10 ㎛ 내지 45 ㎛인 마이크로 캡슐.
  9. 내부에 물 흐름을 포함하는 제1상 및 오일 흐름을 포함하는 제2상을 포함시키기 위한 외부관; 상기 외부관의 내부 중, 제1상 측에 위치하고, 내부에 오일 흐름을 포함하는 제3상을 포함시키기 위한 제1 내부관; 상기 제1 내부관과 마주보게 위치하며, 상기 외부관의 내부 중 제2상 측에 위치하는 제2 내부관; 및 상기 제1 내부관 내에 위치하며, 상기 제2 내부관 방향으로 물 흐름을 주입하는 주입관;을 포함하는 미세 유체 시스템을 준비하는 단계;
    상기 미세 유체 시스템의 외부관에 하이드로젤 폴리머 단량체를 포함하는 물 흐름인 제1상을 형성하고, 상기 제1상과 반대 방향으로 흐르는 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제2상을 형성하는 단계;
    상기 제1 내부관에 계면활성제 및 소수성 유체를 포함하는 오일 흐름인 제3상을 형성하고, 상기 주입관을 통해 금속 나노입자를 포함하는 물 흐름을 주입하여 제2 내부관 내에서 액적을 형성하는 단계; 및
    상기 액적을 젤화시키는 단계;를 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 소수성 유체는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 하이드로카본 오일 및 플로로카본 오일로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1상은 계면활성제 및 광개시제를 더 포함하는 마이크로 캡슐의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 하이드로젤 폴리머 단량체는 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)) 및 하이드록시에틸 메타크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 마이크로 캡슐의 제조방법.
  13. 금속 나노입자가 분산된 코어; 상기 코어를 둘러싸고, 소수성 유체 및 계면활성제를 포함하며, 초박형인 오일 쉘; 및 상기 오일 쉘을 둘러싸고, 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤 쉘;을 포함하는 마이크로 캡슐을 포함하는 마이크로 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 라이신으로 캡핑된 금속 나노입자인 마이크로 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 마이크로 센서는 수은 이온을 검출하는 마이크로 센서.
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