KR102628616B1 - 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점, 그의 제조방법 및 그를 이용한 전기화학적 무선 진단 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점, 그의 제조방법 및 그를 이용한 전기화학적 무선 진단 방법에 관한 것으로, 구체적으로 병원균에 따라 상이한 전기적 특성을 발현하는 폴리머를 합성하고, 상기 폴리머에 그라프트되는 화합물을 조절하여 표면 코팅성 및 용해성을 향상시킴으로써, 전기화학적으로 무선 진단이 가능하도록 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점, 그의 제조방법 및 그를 이용한 전기화학적 무선 진단 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점, 그의 제조방법 및 그를 이용한 전기화학적 무선 진단 방법에 관한 것으로, 구체적으로 병원균에 따라 상이한 전기적 특성을 발현하는 탄소 양자점을 합성하고, 상기 탄소 양자점에 그라프트되는 화합물을 조절하여 표면 코팅성 및 용해성을 향상시킴으로써, 전기화학적으로 무선 진단이 가능하도록 하는 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점, 그의 제조방법 및 그를 이용한 전기화학적 무선 진단 방법에 관한 것이다.
통상 양자점(quantum dot)은 무기물로 된 발광 반도체 소자의 일종으로, 그 재료는 일반적으로 황화은(Ag2S), 황화카트뮴(CdS), 카드뮴 셀렌(CdSe) 또는 타이타니아(TiO2) 등의 상이한 밴드갭을 갖는 이종 물질의 접합체이고, 크기는 5 내지 15 ㎚이다. 양자점의 제조 기술은 1990년대 말부터 2000년대 초에 걸쳐서 잘 확립되어 있다.
양자점은, 기존의 덩어리로 된 반도체와는 달리, 그 입자의 크기, 모양 또는 성분에 따라 독특한 다양한 광학적, 전기적 및 자기적 특성을 나타내고, 안정성이 매우 우수한 물질이다.
일반적으로, 이종 물질의 접합체로 된 양자점의 표면에 또 다른 밴드갭을 갖는 이종 물질의 접합체를 코팅시킴으로써 양자 수율(quantum yield)을 증폭시키고, 고분자를 이용한 표면 개질에 의하여 친수성을 나타내도록 변형시켜 사용하여, 인체 투입 시, 혈액과 함께 잘 혼용되어 목표하는 타깃 암세포에 잘 전달될 수 있도록 하고 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 상기 양자점은 약 2 ~ 10 ㎚(나노미터) 크기의 중심체와 ZnS(황화아연)으로 이뤄진 껍질로 구성되며, 껍질 밖 표면에 고분자 코팅을 하기 때문에 통상 10 ~ 15 ㎚ 크기의 나노입자를 가지게 되는데, 양자점의 중심체로는 CdSe(카드뮴셀레나이드), CdTe(카드뮴텔루라이드), CdS(황화카드뮴)이 주로 사용된다. 양자점은 다른 소재가 갖지 못하는 다양한 성질을 갖고 있는데, 대표적으로는, 좁은 파장대에서 강한 형광을 발생하는데, 상기 양자점이 발산하는 빛은 전도대(Conduction band)에서 가전자대(valence band)로 불안정한(들뜬) 상태의 전자가 전이되면서 발생하며, 이때 발생하는 형광은 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛을 발생하는 매우 특수한 성질이 있다. 이러한 특성 때문에, 최근에는 양자점을 세포 등 생체물질을 표지하는데 활용되고 있다.
한편, 탄소 양자점(carbon dot)은 생체 물질을 표지로 활용하고는 있지만 이를 측정하는데 복잡한 과정 및 시간이 소요되는 문제점이 있었다. 따라서, 표면 코팅 및 용해성이 우수한 폴리머를 합성하여 탄소 양자점으로 활용하는 동시에 병원균에 대하여 선택적으로 측정이 가능한 전지화학적 무선 측정 방법에 대한 개발이 시급한 실정이었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 표면 코팅성 및 용해성이 향상시켜 전기화학적으로 무선 진단이 가능한 탄소 양자점, 그의 제조방법 및 그를 이용한 전기화학적 무선 진단 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시상태는 히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A;에 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B;이 그라프트된 폴리머의 탄화물이며, 상기 탄화물의 화합물 A에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C이 더 그라프트된 것인, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 탄소 양자점의 제조방법에 있어서, 히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A를 용매에 용해시켜 용액 A를 제조하는 단계; 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B를 포함하는 용액 B를 상기 용액 A에 첨가하여 상기 화합물 A를 상기 화합물 B로 그라프트시키는 단계; 상기 화합물 B로 그라프트된 상기 화합물 A를 탄화시켜 탄화물을 제조하는 단계; 상기 탄화물을 용매에 용해시켜 탄화물 용액을 제조하는 단계; 및 상기 탄화물 용액에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C를 포함하는 용액 C를 첨가하여 상기 탄화물의 화합물 A를 상기 화합물 C로 더 그라프트시키는 단계;를 포함하는, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 탄소 양자점을 이용하는 전기화학적 무선 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점은 기판의 표면에 코팅성이 향상되고 용해성이 우수하여 병원균과 선택적으로 결합 또는 반응하여 전기화학적인 특성을 발현시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법은 상기 탄소 양자점의 코팅성 및 용해성을 향상시키는 동시에 용이하게 상기 탄소 양자점을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학적 무선 진단 방법은 병원균과 선택적으로 결합 또는 반응하여 전기화학적인 특성을 이용하여 무선으로 병원균을 선택적 진단할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1에 따라 제조한 병원균 선택적 진단 특성을 갖는 탄소 양자점에 대한 1H-NMR 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2에 따라 제조한 병원균 선택적 진단 특성을 갖는 탄소 양자점에 대한 1H-NMR 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1과 2에 따라 제조한 탄소 양자점에 대한 UV-vis 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 탄화 전인 비교예 1과 탄화 후인 비교예 2를 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2의 병원균에 대한 전기적 검출을 확인하기 위하여 소스미터(Sourcemeter) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1에 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 무선 통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 무선 통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1과 2의 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 선택적 진단에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1과 2에 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 선택적 진단에 따른 무선 통신 측정 이미지를 확인한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2에 따라 제조한 병원균 선택적 진단 특성을 갖는 탄소 양자점에 대한 1H-NMR 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1과 2에 따라 제조한 탄소 양자점에 대한 UV-vis 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 탄화 전인 비교예 1과 탄화 후인 비교예 2를 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2의 병원균에 대한 전기적 검출을 확인하기 위하여 소스미터(Sourcemeter) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1에 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 무선 통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 무선 통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1과 2의 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 선택적 진단에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1과 2에 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 선택적 진단에 따른 무선 통신 측정 이미지를 확인한 결과이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 단위 "중량부"는 각 성분간의 중량의 비율을 의미할 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"는 "A 및 B, 또는 A 또는 B"를 의미한다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시상태는 히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A;에 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B;이 그라프트된 폴리머의 탄화물이며, 상기 탄화물의 화합물 A에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C이 더 그라프트된 것인, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점은 기판의 표면에 코팅성이 향상되고 용해성이 우수하여 병원균과 선택적으로 결합 또는 반응하여 전기화학적인 특성을 발현시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A는 그라프트되는 것이다. 상술한 것으로부터 상기 화합물 A가 선택됨으로써, 상기 탄소 양자점의 입자 크기를 조절할 수 있으며, 상기 폴리머 닷 또는 탄소 양자점의 흡수하는 광파장을 조절하여 구현하고자하는 전도성 및 형광특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 화합물 A가 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B로 그라프트되는 것이다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 A가 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B로 그라프트됨으로써, 상기 탄소 양자점의 기판에 대한 코팅성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 양자점은 상기 화합물 A에 화합물 B가 그라트프된 상기 폴리머가 탄화된 탄화물인 것이다. 상술한 것과 같이 상기 폴리머의 탄화물을 이용함으로써, 기판의 표면에 코팅성이 향상되고 용해성이 우수하여 병원균과 선택적으로 결합 또는 반응하여 전기화학적인 특성을 발현시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 폴리머는 탄화되어 상기 화합물 A에 포함된 구조를 그대로 포함하거나 상기 화합물 A가 자체적으로 응집하여 하나의 다른 구조체를 형성할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 A의 구조가 그대로 유지되거나 자체적으로 응집하여 상기 탄소 양자점의 입자 크기를 조절하여 상기 탄소 양자점의 흡수하는 광파장을 조절하여 구현하고자하는 전도성 및 형광특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화물의 화합물 A에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C로 더 그라프트된 것이다. 상술한 것과 같이 상기 탄화물에 포함된 화합물 A부분이 화합물 C로 그라프트되며, 상기 화합물 C가 상술한 것으로부터 선택됨으로써, 병원균에 대한 선택성을 조절할 수 있으며, 상기 병원균인 박테리아에 따른 전기적인 특성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 화합물 A의 분자량은 1,000 g/mol 이상 10,000,000 g/mol 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 화합물 A의 분자량은 1,000 g/mol 이상 10,000,000 g/mol 이하, 5,000 g/mol 이상 9,000,000 g/mol 이하, 10,000 g/mol 이상 8,000,000 g/mol 이하, 20,000 g/mol 이상 7,000,000 g/mol 이하, 30,000 g/mol 이상 6,000,000 g/mol 이하, 40,000 g/mol 이상 5,000,000 g/mol 이하, 50,000 g/mol 이상 4,500,000 g/mol 이하, 100,000 g/mol 이상 4,000,000 g/mol 이하, 200,000 g/mol 이상 3,500,000 g/mol 이하, 300,000 g/mol 이상 3,000,000 g/mol 이하, 500,000 g/mol 이상 2,500,000 g/mol 이하 또는 1,000,000 g/mol 이상 2,000,000 g/mol 이하인 것일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 화합물 A의 분자량을 조절함으로써, 상기 탄소 양자점의 입자 크기를 조절할 수 있으며, 상기 폴리머 닷 또는 탄소 양자점의 흡수하는 광파장을 조절하여 구현하고자하는 전도성 및 형광특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 화합물 B는 도파민(dopamine), 탄닌산(tannic acid), 2-브로모-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-bromo-3′,4′-dihydroxy acetophenone), 2-클로로-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-chloro-3′,4′-dihydroxy acetophenone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 B를 선택함으로써, 상기 탄소 양자점의 친수성도를 조절할 수 있으며, 상기 배위결합될 분자 또는 원자들과의 결합강도를 조절하여 구현되는 전기적 특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 카테콜 작용기는 금(Au), 은(Ag), 이산화망간(MnO2), 구리 이온(Cu2+), 맥신(MXene), 이산화티타늄(TiO2), 산화그래핀(Graphene oxide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나와 배위결합된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 B과 배위결합되는 것을 선택함으로써, 상기 탄소 양자점의 친수성도 및 전기적인 특성을 조절하는 동시에 기판에 대한 코팅성 및 용해도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 카테콜 작용기에 포함된 두 개의 히드록시기에 상기 금(Au), 은(Ag), 이산화망간(MnO2), 구리 이온(Cu2+), 맥신(MXene), 이산화티타늄(TiO2), 산화그래핀(Graphene oxide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나와 배위결합된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 카테콜 작용기에 포함되는 두개의 히드록시기에 배위결합이 이루어짐으로써, 상기 카테콜 작용기에 의하여 구현되는 성질을 조절할 수 있으며, 상기 선택된 것들에 의하여 코팅성 및 용해도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 탄소 양자점의 제조방법에 있어서, 히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A를 용매에 용해시켜 용액 A를 제조하는 단계; 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B를 포함하는 용액 B를 상기 용액 A에 첨가하여 상기 화합물 A를 상기 화합물 B로 그라프트시키는 단계; 상기 화합물 B로 그라프트된 상기 화합물 A를 탄화시켜 탄화물을 제조하는 단계; 상기 탄화물을 용매에 용해시켜 탄화물 용액을 제조하는 단계; 및 상기 탄화물 용액에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C를 포함하는 용액 C를 첨가하여 상기 탄화물의 화합물 A를 상기 화합물 C로 더 그라프트시키는 단계;를 포함하는, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법은 상기 탄소 양자점의 코팅성 및 용해성을 향상시키는 동시에 용이하게 상기 탄소 양자점을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A를 용매에 용해시켜 용액 A를 제조하는 단계를 포함한다. 상술한 것으로부터 상기 화합물 A를 선택하고, 상기 용매에 용해시켜 용액 A를 제조함으로써, 상기 제조방법의 작업성을 향상시키는 동시에 상기 탄소 양자점의 입자 크기를 조절할 수 있으며, 상기 탄소 양자점의 흡수하는 광파장을 조절하여 구현하고자하는 전도성 및 형광특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용액 A에 포함되는 용매는 인산완충식염수를 사용하는 것일 수 있다. 나아가, 상기 용매는 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride)와 NHS(N-Hydroxysuccinimide)를 혼합하여 사용할 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 용매를 선택함으로써, 상기 화합물 A를 용이하게 용해시킬 수 있으며, 상기 용액 A의 점도를 조절하고 각 성분과의 상용성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B를 포함하는 용액 B를 상기 용액 A에 첨가하여 상기 화합물 A를 상기 화합물 B로 그라프트시키는 단계를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 용액 B를 상기 용액 A에 첨가함으로써, 상기 화합물 B를 상기 용액 A에 용이하게 첨가시킬 수 있으며, 상기 화합물 A에 상기 화합물 B가 용이하게 그라프트될 수 있다. 나아가, 상기 탄소 양자점의 친수성도를 조절하여 기판에 대한 코팅성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용액 B는 상기 화합물 B에 용매를 혼합하여 제조한 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 B에 용매를 혼합하여 제조함으로써, 상기 화합물 B를 상기 용액 A에 용이하게 용해시킬 수 있으며, 상기 화합물 A에 상기 화합물 B가 용이하게 그라프트될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용액 B에 포함되는 용매는 인산완충식염수를 사용하는 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 용매를 선택함으로써, 상기 화합물 B를 용이하게 용해시킬 수 있으며, 상기 용액 B의 점도를 조절하고 각 성분과의 상용성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 화합물 B로 그라프트된 상기 화합물 A를 탄화시켜 탄화물을 제조하는 단계를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 B로 그라프트된 상기 화합물 A인 폴리머를 탄화시킴으로써, 기판의 표면에 코팅성이 향상되고 용해성이 우수하여 병원균과 선택적으로 결합 또는 반응하여 전기화학적인 특성을 발현시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화시키는 단계는 수열합성법, 용매열합성법, 산촉매를 이용하는 방법 및 전자빔 가속기를 이용하는 방법 중 어느 하나인 것일 수 있다. 상술한 방법으로부터 상기 화합물 B로 그라프트된 상기 화합물 A인 폴리머를 탄화시킴으로써, 용이하게 상기 폴리머로부터 탄화물을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 폴리머는 탄화되어 상기 화합물 A에 포함된 구조를 그대로 포함하거나 상기 화합물 A가 자체적으로 응집하여 하나의 다른 구조체를 형성할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 A의 구조가 그대로 유지되거나 자체적으로 응집하여 상기 탄소 양자점의 입자 크기를 조절하여 상기 탄소 양자점의 흡수하는 광파장을 조절하여 구현하고자 하는 전도성 및 형광특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화물을 용매에 용해시켜 탄화물 용액을 제조하는 단계를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 탄화물을 용매에 용해시켜 탄화물 용액을 제조함으로써, 반응과정의 작업성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화물 용액에 포함되는 용매는 인산완충식염수를 사용하는 것일 수 있다. 나아가, 상기 용매는 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride)와 NHS(N-Hydroxysuccinimide)를 혼합하여 사용할 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 용매를 선택함으로써, 상기 탄화물을 용이하게 용해시킬 수 있으며, 상기 탄화물 용액의 점도를 조절하고 각 성분과의 상용성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화물 용액에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C를 포함하는 용액 C를 첨가하여 상기 탄화물의 상기 화합물 A를 상기 화합물 C로 더 그라프트시키는 단계를 포함한다. 상술한 것과 같이 상기 용액 C를 상기 탄화물 용액에 첨가함으로써, 상기 화합물 C를 상기 탄화물 용액에 용이하게 용해시킬 수 있으며, 상기 화합물 A에 상기 화합물 C가 용이하게 그라프트될 수 있다. 나아가, 병원균에 대한 선택성을 조절할 수 있으며, 상기 병원균인 박테리아에 따른 전기적인 특성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용액 C는 상기 화합물 C에 용매를 혼합하여 제조한 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 C에 용매를 혼합하여 제조함으로써, 상기 화합물 C를 상기 용액 A에 용이하게 용해시킬 수 있으며, 상기 화합물 A에 상기 화합물 C가 용이하게 그라프트될 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용액 C에 포함되는 용매는 인산완충식염수를 사용하는 것일 수 있다. 상술한 것으로부터 상기 용매를 선택함으로써, 상기 화합물 C를 용이하게 용해시킬 수 있으며, 상기 용액 C의 점도를 조절하고 각 성분과의 상용성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 용액 A, 상기 용액 B 및 상기 용액 C 각각을 제조하기 위하여 사용되는 용매는 모두 동일하거나 상이할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 용매를 동일하게 사용하거나 상이하게 사용함으로써, 상기 용액 A, 상기 용액 B 및 상기 용액 C에 대하여 상기 화합물 A, 상기 화합물 B 및 상기 화합물 C의 용해도를 조절할 수 있으며, 반응성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화물을 제조한 이후, 상기 용액 A 및 상기 용액 B에 포함된 용매를 제거하여 나노입자 분말을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 용액 A 및 상기 용액 B에 포함된 용매를 제거하여 나노입자 분말인 가루형태의 나노입자를 제조함으로써, 상기 용액 A 및 상기 용액 B에 포함된 불순물을 용이하게 제거하며, 보관 용이성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄화물의 화합물 A를 상기 화합물 C로 그라프트시키는 단계 이후, 상기 탄화물 용액 및 용액 C의 용매를 제거하여 나노입자 분말을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 탄화물 용액 및 용액 C의 용매를 제거하여 나노입자 분말인 가루형태의 나노입자를 제조함으로써, 상기 용액들 속에 포함된 불순물을 용이하게 제거하며, 보관 용이성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 화합물 A의 분자량은 1,000 g/mol 이상 10,000,000 g/mol 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 화합물 A의 분자량은 1,000 g/mol 이상 10,000,000 g/mol 이하, 5,000 g/mol 이상 9,000,000 g/mol 이하, 10,000 g/mol 이상 8,000,000 g/mol 이하, 20,000 g/mol 이상 7,000,000 g/mol 이하, 30,000 g/mol 이상 6,000,000 g/mol 이하, 40,000 g/mol 이상 5,000,000 g/mol 이하, 50,000 g/mol 이상 4,500,000 g/mol 이하, 100,000 g/mol 이상 4,000,000 g/mol 이하, 200,000 g/mol 이상 3,500,000 g/mol 이하, 300,000 g/mol 이상 3,000,000 g/mol 이하, 500,000 g/mol 이상 2,500,000 g/mol 이하 또는 1,000,000 g/mol 이상 2,000,000 g/mol 이하인 것일 수 있다. 상술한 범위에서 상기 화합물 A의 분자량을 조절함으로써, 상기 탄소 양자점의 입자 크기를 조절할 수 있으며, 상기 탄소 양자점의 흡수하는 광파장을 조절하여 구현하고자하는 전도성 및 형광특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 화합물 B는 도파민(dopamine), 탄닌산(tannic acid), 2-브로모-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-bromo-3′,4′-dihydroxy acetophenone), 2-클로로-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-chloro-3′,4′-dihydroxy acetophenone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 B를 선택함으로써, 상기 탄소 양자점의 친수성도를 조절할 수 있으며, 상기 배위결합될 분자 또는 원자들과의 결합강도를 조절하여 구현되는 전기적 특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 카테콜 작용기는 금(Au), 은(Ag), 이산화망간(MnO2), 구리 이온(Cu2+), 맥신(MXene), 이산화티타늄(TiO2), 산화그래핀(Graphene oxide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나와 배위결합된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 화합물 B와 배위결합되는 것을 선택함으로써, 상기 탄소 양자점의 친수성도 및 전기적인 특성을 조절하는 동시에 기판에 대한 코팅성 및 용해도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 카테콜 작용기에 포함된 두 개의 히드록시기에 상기 금(Au), 은(Ag), 이산화망간(MnO2), 구리 이온(Cu2+), 맥신(MXene), 이산화티타늄(TiO2), 산화그래핀(Graphene oxide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나와 배위결합된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 카테콜 작용기에 배위결합이 이루어지면서 상기 카테콜 작용기에 의하여 구현되는 성질을 조절할 수 있으며, 상기 선택된 것들에 의하여 코팅성 및 용해도를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 탄소 양자점을 이용하는 전기화학적 무선 진단 방법을 제공한다. 보다 구체적으로 상기 탄소 양자점 및 이들의 조합을 이용하는 전기화학적 무선 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학적 무선 진단 방법은 병원균과 선택적으로 결합 또는 반응하여 전기화학적인 특성을 이용하여 무선으로 병원균을 선택적으로 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 양자점이 상기 코팅된 기판에 측정하고자 하는 시료를 배치하여 저항값을 측정하는 단계; 및 기 측정된 기준값과 상기 측정된 저항값을 비교하여 상대적인 이미지로 나타내는 단계;를 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 기측정된 기준값과 측정된 저항값을 비교함으로써, 상기 박테리아의 종류 및 농도에 따른 측정값을 용이하게 전기화학적 무선 진단 장치로 이미지를 통하여 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기측정된 기준값은 상기 탄소 양자점이 상기 코팅된 기판에서 배양된 박테리아의 농도 및 종류의 변화에 따른 저항값을 측정하여 기준값으로 설정된 것일 수 있다. 상술한 것과 같이 상기 기측정된 박테리아의 농도 및 종류의 변화에 따른 저항값을 측정하여 기준값으로 설정함으로써, 측정된 저항값에 따라 박테리아의 농도 및 종류를 판단할 수 있으며, 진단 장치에 따라 용이하게 이미지로 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시상태는 상기 전기화학적 무선 진단 방법을 이용한 무선 진단 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 따른 전기화학적 무선 진단 방법은 병원균과 선택적으로 결합 또는 반응하여 전기화학적인 특성을 이용하여 무선으로 병원균을 선택적으로 진단할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1>
화합물 A로 알지네이트(Alginate) 5 g을 500 mL 둥근바닥 플라스크에 충전 후 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 150 mL에 완전히 용해시켰다. EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride) 0.37 g과 NHS(N-Hydroxysuccinimide) 0.22 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 15 mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 2 시간 동안 반응시켰다. 상기 2 시간 반응 후 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B로 도파민(dopamine) 0.18 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 20 mL에 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 24 시간동안 반응시켰다. 상기 24 시간 반응 후 24시간 동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 폴리머인 나노 입자 3.64 g을 수득하였다.
상기 수득한 나노 입자 1 g을 비커에 충전 후 증류수 50 mL를 첨가하여 용해시킨 후, 180 ℃에서 8 시간 동안 수열합성시켰다. 상기 수열합성 후 동결건조를 통해 가루형태의 탄소 양자점 0.51 g을 수득하였다.
상기 수득한 탄소 양자점 200 mg을 100 mL 둥근바닥 플라스크에 충전 후 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 20 mL에 완전히 용해시켰다. EDC 4.8 mg과 NHS 2.2 mg을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 5 mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 2 시간 동안 반응시켰다. 상기 2 시간 반응 후 화합물 C로 콜리스틴(colistin) 3.6 mg을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 5 mL에 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 24 시간 동안 반응시켰다. 상기 24 시간 반응 후 24 시간 동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 가루형태의 그라프트된 탄소 양자점 66.1 mg을 수득하였다.
상기 수득한 그라프트된 탄소 양자점 10 mg을 pH 8.5인 TBS 완충용액(Tris-buffered saline buffer) 1 mL에 용해시킨 후 실리콘 웨이퍼(si wafer) 기판을 상기 용액에 넣고 상온에서 24 시간 딥 코팅 시켰다. 상기 딥 코팅 후 증류수를 이용해 상기 기판을 세척 후 건조시켜 상기 탄소 양자점이 코팅된 기판을 수득하였다.
<실시예 2>
화합물 A로 알지네이트(Alginate) 5 g을 500 mL 둥근바닥 플라스크에 충전 후 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 150 mL에 완전히 용해시켰다. EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride) 0.37 g과 NHS(N-Hydroxysuccinimide) 0.22 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 15 mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 2 시간 동안 반응시켰다. 상기 2 시간 반응 후 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B로 도파민(dopamine) 0.18 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 20 mL에 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 24 시간동안 반응시켰다. 상기 24 시간 반응 후 24시간 동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 폴리머인 나노 입자 3.64 g을 수득하였다.
상기 수득한 나노 입자 1 g을 비커에 충전 후 증류수 50 mL를 첨가하여 용해시킨 후, 180 ℃에서 8 시간 동안 수열합성시켰다. 상기 수열합성 후 동결건조를 통해 가루형태의 탄소 양자점 0.51 g을 수득하였다.
상기 수득한 탄소 양자점 200 mg을 100 mL 둥근바닥 플라스크에 충전 후 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 20 mL에 완전히 용해시켰다. EDC 4.8 mg과 NHS 2.2 mg을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 5 mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 2 시간 동안 반응시켰다. 상기 2 시간 반응 후 화합물 C로 벤코마이신(vancomycin) 4.7 mg을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 5 mL에 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 24 시간 동안 반응시켰다. 상기 24 시간 반응 후 24 시간 동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 가루형태의 그라프트된 탄소 양자점 69.7 mg을 수득하였다.
상기 수득한 그라프트된 탄소 양자점 10 mg을 pH 8.5인 TBS 완충용액(Tris-buffered saline buffer) 1 mL에 용해시킨 후 실리콘 웨이퍼(si wafer) 기판을 상기 용액에 넣고 상온에서 24 시간 딥 코팅 시켰다. 상기 딥 코팅 후 증류수를 이용해 상기 기판을 세척 후 건조시켜 상기 탄소 양자점이 코팅된 기판을 수득하였다.
<비교예 1>
화합물 A로 알지네이트(Alginate) 5 g을 500 mL 둥근바닥 플라스크에 충전 후 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 150 mL에 완전히 용해시켰다. EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride) 0.37 g과 NHS(N-Hydroxysuccinimide) 0.22 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 15 mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 2 시간 동안 반응시켰다. 상기 2 시간 반응 후 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B로 도파민(dopamine) 0.18 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 20 mL에 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 24 시간동안 반응시켰다. 상기 24 시간 반응 후 24시간 동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 폴리머인 나노 입자 3.64 g을 수득하였다.
상기 수득한 폴리머인 나노 입자 10 mg을 pH 8.5인 TBS 완충용액(Tris-buffered saline buffer) 1 mL에 용해시킨 후 실리콘 웨이퍼(si wafer) 기판을 상기 용액에 넣고 상온에서 24 시간 딥 코팅 시켰다. 상기 딥 코팅 후 증류수를 이용해 상기 기판을 세척 후 건조시켜 폴리머가 코팅된 기판을 수득하였다.
<비교예 2>
화합물 A로 알지네이트(Alginate) 5 g을 500 mL 둥근바닥 플라스크에 충전 후 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 150 mL에 완전히 용해시켰다. EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride) 0.37 g과 NHS(N-Hydroxysuccinimide) 0.22 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 15 mL에 각각 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 2 시간 동안 반응시켰다. 상기 2 시간 반응 후 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B로 도파민(dopamine) 0.18 g을 pH 3.8인 인산완충식염수 용액 20 mL에 용해시켜 상기 둥근바닥 플라스크에 첨가한 후 상온에서 24 시간동안 반응시켰다. 상기 24 시간 반응 후 24시간 동안 투석을 진행한 뒤 동결건조를 통해 폴리머인 나노 입자 3.64 g을 수득하였다.
상기 수득한 나노 입자 1 g을 비커에 충전 후 증류수 50 mL를 첨가하여 용해시킨 후, 180 ℃에서 8 시간 동안 수열합성시켰다. 상기 수열합성 후 동결건조를 통해 가루형태의 탄소 양자점 0.51 g을 수득하였다.
상기 수득한 탄소 양자점 10 mg을 pH 8.5인 TBS 완충용액(Tris-buffered saline buffer) 1 mL에 용해시킨 후 실리콘 웨이퍼(si wafer) 기판을 상기 용액에 넣고 상온에서 24 시간 딥 코팅 시킨다. 상기 딥 코팅 후 증류수를 이용해 상기 기판을 세척 후 건조시켜 상기 탄소 양자점이 코팅된 기판을 수득하였다.
<실험예 1: 구조의 확인>
상기 실시예 1 및 2의 제조과정에서 획득된 탄소 양자점의 구조를 확인하기 위하여 1H-NMR 스팩트럼 및 UV-vis 스팩트럼을 촬영하여 그 결과를 도 1 내지 도 3에 나타내었다.
도 1은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1에 따라 제조한 병원균 선택적 진단 특성을 갖는 탄소 양자점에 대한 1H-NMR 분석결과를 나타낸 그래프이다. 도 2는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2에 따라 제조한 병원균 선택적 진단 특성을 갖는 탄소 양자점에 대한 1H-NMR 분석결과를 나타낸 그래프이다. 도 3은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1과 2에 따라 제조한 탄소 양자점에 대한 UV-vis 분석결과를 나타낸 그래프이다.
상기 도 1을 참고하면, 실시예 1의 구조는 3.5 ppm 내지 4.2 ppm의 피크로부터 알지네이트(Alginate) 구조가 포함된 것을 확인하였으며, 7.0 ppm 내지 7.6 ppm로부터 카테콜 작용기가 포함된 것을 확인하였고, 0.7 내지 3.3 ppm의 피크로부터 콜리스틴 구조가 포함된 것을 확인하였다.
상기 도 2를 참고하면, 실시예 2의 구조는 3.5 ppm 내지 4.2 ppm의 피크로부터 알지네이트(Alginate)의 구조가 포함된 것을 확인하였으며, 0.7 ppm 내지 2.7 ppm의 피크 및 5.1 ppm 내지 7.7 ppm의 피크로부터 벤코마이신(vancomycin) 구조가 포함된 것을 확인하였다.
상기 도 3을 참고하면, 실시예 1(도 3에서 'PD(Alg-Dopa)-colistin'으로 표시됨) 및 실시예 2(도 3에서 'PD(Alg-Dopa)-Vancomycin'으로 표시됨)의 구조는 300 nm 내지 360 nm의 피크로부터 도파민(dopamine) 구조를 포함한 것을 확인하였다.
<실험예 2: 폴리머 닷의 탄화 전/후 및 병원균에 대한 선택성에 따른 전기적인 특성 확인>
화합물 C가 그라프트되기 전이며 상기 탄화 전/후인 비교예 1 및 비교예 2의 전기적 특성 확인 및 병원균에 대한 선택성이 있는 실시예 1 내지 2의 전기적특성을 측정하기 위하여 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 및 소스미터(Sourcemeter)를 측정하여 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4는 탄화 전인 비교예 1(도 4에서 'Alg-Dopa'으로 표시됨)과 탄화 후인 비교예 2(도 4에서 'PD(Alg-Dopa)'으로 표시됨)를 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 4를 참고하면, 상기 도 4를 참고하면, 탄화 전인 비교예 1의 저항은 약 72 kΩ인 반면에 탄화 후인 비교예 2는 약 11 kΩ으로 전도성이 증가함을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1(도 5에서 'PD-Colistin'으로 표시됨) 내지 실시예 2(도 5에서 'PD-Vancomycin'으로 표시됨) 및 비교예 1(도 5에서 'Alg-Dopa'으로 표시됨) 내지 비교예 2(도 5에서 'PD(Alg-Dopa)'으로 표시됨)의 병원균에 대한 전기적 검출을 확인하기 위하여 소스미터(Sourcemeter) 분석결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 5를 참고하면, 비교예 1 내지 2의 경우, 그람 음성균(E. Coli) 및 그람 양성균(S. aureus) 처리 후 저항의 변화를 관찰할 수 없는 반면에 실시예 1 내지 2의 경우, 각 병원균에 대한 선택성에 따른 저항의 변화를 확인하였다.
<실험예 3: 탄소 양자점의 기판 코팅 후 박테리아 및 세포의 농도와 종류에 따른 전기적 특성 확인>
상기 실시예 1 및 2의 탄소 양자점이 코팅된 기판의 박테리아 시간 및 농도에 따른 전기적 특성 측정하기 위하여 전기화학 임피던스 분광법(EIS)에 따른 분석결과 및 무선통신 측정에 따른 박테리아의 종류 및 농도를 측정하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1에 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참고하면, 그람 음성균(E. coli)의 시간과 농도에 따라 검출되는 전기적인 반응성을 확인하기 위해 전기화학 임피던스를 측정한 결과 (a) 배양 시간 및 (b) 그람 음성균(E. coli) 농도가 증가함에 따라 저항 값 또한 증가하는 것을 통해 박테리아의 전기화학적 진단이 가능함을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 무선 통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다. 상기 도 7을 참고하면, 미리 그람 음성균(E. coli)의 농도에 따라 측정된 그람 음성균의 저항값을 기준 값으로 설정한 무선통신(Wireless)을 이용한 분석 장치에서, 그람 음성균(E. coli)의 농도에 따라 검출되는 저항값을 측정하여 상기 기준 값과 비교한 것을 이미지로 표현해 그람 음성균(E. coli) 농도를 무선 통신 측정 장치로부터 측정 가능한 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 8을 참고하면, 그람 양성균(S. aureus)의 시간과 농도에 따라 검출되는 전기적인 반응성을 확인하기 위해 전기화학 임피던스를 측정한 결과 (a) 배양 시간 및 (b) 그람 양성균(S. aureus) 농도가 증가함에 따라 저항 값 또한 증가하는 것을 통해 박테리아의 전기화학적 진단이 가능함을 확인하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시상태인 실시예 2인 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 농도 및 시간에 따른 무선 통신(Wireless) 측정 이미지를 확인한 결과이다. 상기 도 9를 참고하면, 미리 그람 양성균(S. aureus)의 농도에 따라 측정된 그람 양성균의 저항값을 기준 값으로 설정한 무선통신(Wireless)을 이용한 분석 장치에서, 그람 양성균(S. aureus)의 농도에 따라 검출되는 저항값을 측정하여 상기 기준 값과 비교한 것을 이미지로 표현해 그람 양성균(S. aureus) 농도를 무선 통신 측정 장치로부터 측정 가능한 것을 확인하였다.
<실험예 4: 탄소 양자점의 기판 코팅 후 그람 양성균과 그람 음성균의 비율에 따른 전기화학적 진단 특성 확인>
도 10은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1(도 10에서 'PD-Colistin'으로 표시됨)과 실시예 2(도 10에서 'PD-Vancomycin'으로 표시됨)의 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 선택적 진단에 따른 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 10을 참고하면, 그람 음성균(E. coli)과 그람 양성균(S. aureus)의 비율에 따라 선택적으로 검출되는 전기적인 반응성을 확인하기 위해 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 분석한 결과, (a) 그람 음성균(E. coli) 및 (b) 그람 양성균(S. aureus) 박테리아 비율이 증가함에 따라 저항 값 또한 증가하는 것을 통해 박테리아의 선택적 진단이 전기화학적으로 측정 가능함을 확인하였다.
도 11은 본 발명의 일 실시상태인 실시예 1(도 11에서 'PD-Colistin'으로 표시됨)과 실시예 2(도 11에서 'PD-Vancomycin'으로 표시됨) 에 탄소 양자점이 코팅된 기판의 병원균의 선택적 진단에 따른 무선 통신 측정 이미지를 확인한 결과이다. 상기 도 11을 참고하면, 미리 그람 음성균(E. coli)과 그람 양성균(S. aureus)의 비율에 따라 측정된 저항값을 기준 값으로 설정한 무선통신(Wireless)을 이용한 분석 장치에서, 그람 음성균(E. coli)과 그람 양성균(S. aureus)의 비율에 따라 검출되는 저항값을 측정하여 상기 기준 값과 비교한 것을 이미지로 표현해 그람 음성균(E. coli)과 그람 양성균(S. aureus)의 비율을 무선 통신 측정 장치로부터 측정 가능한 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (9)
- 히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A;에 카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B;이 그라프트된 폴리머의 탄화물이며,
상기 탄화물의 화합물 A에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C이 더 그라프트된 것인, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점. - 청구항 1에 있어서,
상기 화합물 A의 분자량은 1,000 g/mol 이상 10,000,000 g/mol 이하인 것인, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점. - 청구항 1에 있어서,
상기 화합물 B는 도파민(dopamine), 탄닌산(tannic acid), 2-브로모-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-bromo-3′,4′-dihydroxy acetophenone), 2-클로로-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-chloro-3′,4′-dihydroxy acetophenone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것인, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점. - 청구항 1에 있어서,
상기 카테콜 작용기는
금(Au), 은(Ag), 이산화망간(MnO2), 구리 이온(Cu2+), 맥신(MXene), 이산화티타늄(TiO2), 산화그래핀(Graphene oxide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나와 배위결합된 것인, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점. - 탄소 양자점의 제조방법에 있어서,
히알루로닉 산(Hyaluronic acid), 플루로닉(Pluronic), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol), 폴리(2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(Poly(2-(dimethylamino) ethyl methacrylate), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 알지네이트(Alginate), 젤라틴(Gelatin), 히드록시프로필 셀룰로스(Hydroxypropyl cellulose), 카복시 메틸셀룰로스(Carboxyl methylcellulose), 히드록시프로필 메틸셀룰로스(Hydroxypropyl methylcellulose), 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 화합물 A를 용매에 용해시켜 용액 A를 제조하는 단계;
카테콜 관능기를 포함하는 화합물 B를 포함하는 용액 B를 상기 용액 A에 첨가하여 상기 화합물 A를 상기 화합물 B로 그라프트시키는 단계;
상기 화합물 B로 그라프트된 상기 화합물 A를 탄화시켜 탄화물을 제조하는 단계;
상기 탄화물을 용매에 용해시켜 탄화물 용액을 제조하는 단계; 및
상기 탄화물 용액에 콜리스틴(colistin), 벤코마이신(vancomycin) 및 이들의 조합으로부터 선택된 하나인 화합물 C를 포함하는 용액 C를 첨가하여 상기 탄화물의 화합물 A를 상기 화합물 C로 더 그라프트시키는 단계;를 포함하는, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 탄화물을 제조한 이후,
상기 용액 A 및 상기 용액 B에 포함된 용매를 제거하여 나노입자 분말을 제조하는 단계를 더 포함하며,
상기 탄화물의 화합물 A를 상기 화합물 C로 그라프트시키는 단계 이후,
상기 탄화물 용액 및 상기 용액 C에 포함된 용매를 제거하여 나노입자 분말을 제조하는 단계를 더 포함하는, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 화합물 A의 분자량은 1,000 g/mol 이상 10,000,000 g/mol이하인 것이며,
상기 화합물 B는 도파민(dopamine), 탄닌산(tannic acid), 2-브로모-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-bromo-3′,4′-dihydroxy acetophenone), 2-클로로-3',4'-디히드록시 아세토페논(2-chloro-3′,4′-dihydroxy acetophenone) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것인, 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점의 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 탄화시키는 단계는 수열합성법, 용매열합성법, 산촉매를 이용하는 방법 및 전자빔 가속기를 이용하는 방법 중 어느 하나인 것인 탄소 양자점의 제조방법. - 청구항 1의 탄소 양자점을 이용하는 전기화학적 무선 진단 방법.
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| KR1020210075995A KR102628616B1 (ko) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 전기화학적 무선 진단이 가능한 탄소 양자점, 그의 제조방법 및 그를 이용한 전기화학적 무선 진단 방법 |
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