KR20010092637A

KR20010092637A - 기질상에 높은 아민기 밀도를 갖는 분자층을 형성하는 방법

Info

Publication number: KR20010092637A
Application number: KR1020000046606A
Authority: KR
Inventors: 박준원; 김홍진
Original assignee: 정명식; 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2001-10-26
Also published as: KR100345690B1

Abstract

본 발명은 기질상에 높은 아민기 밀도를 갖는 분자층의 형성방법을 제공한다. 상기 방법은 기질 표면에 형성되어 있는 아미노실란 분자층의 아민기를 아지리딘 유도체와 반응시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 기질 표면에서의 아민기 밀도를 대폭적으로 증가시킬 수 있다. 이와 같이 표면에 높은 아민기 밀도를 갖는 고체 기질은 DNA 칩이나 바이오칩을 개발하는데 매우 중요한 기능을 수행한다. 이밖에도 기질 표면에 원하는 분자들을 고정하고, 이들의 성질을 밝히는 표면 연구에도 중요한 표면 기질로 사용가능하다.

Description

기질상에 높은 아민기 밀도를 갖는 분자층을 형성하는 방법{Method for forming molecular layer with high amines group density on substrate}

본 발명은 기질상에 높은 아민기 밀도를 갖는 분자층의 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 아미노실란화된 기질 표면의 아민기와 아지리딘 유도체를 반응시켜 기질상에 높은 아민기 밀도를 갖는 분자층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

기질 표면의 실란화 특히 아미노실란화는 효소, 항체와 같은 생체 분자의 고정화, 무기 촉매의 고정화, 전극의 개질화, 크로마토그래피 및 이온성 고분자, 비선형 광학적 발색단, 플러렌, 포르피린, 전이금속 착물 및 무기 콜로이달 입자를 함유하는 다양한 형태의 분자들의 자기조립용 빌딩 파운데이션 형성 등의 많은 분야에 적용되고 있다.

기질 표면에 형성된 아미노실란 분자층의 화학적 및 물리적 성질은 매우 중요하다. 왜냐하면, 이는 고정화되거나 자체 조립되는 분자의 형태 및 표면밀도에 영향을 주고, 최종적으로 형성된 기능성 박막의 구조 및 성질을 결정하는 인자이기 때문이다.

한편, 기질 표면에서 개시되는 중합반응은 이의 광범위한 응용성으로 말미암아 많은 주목을 받고 있다. 중합을 수반하는 새로운 분자 구조는 기질의 표면 특성을 변화시키므로, 수요를 충족시킬 수 있도록 선택가능하다. 또한, 기질 표면에 결합된 개시제와 고분자 사슬간의 화학결합은 단순흡착된 고분자 필름에 탁월한 안전성을 부여한다.

또한, "그래프팅 프롬"(grafting from) 방법론에 따르면, 기질 표면에 바람직한 조직 형태를 만들 수 있다. 그러므로 고체 지지체 즉, 기질상에 개시된 중합에 많은 관심이 집중되고 있는 실정이다.

울만 그룹(Ulman al.)은 ω-하이드록시티올로 변형된 금(Au) 표면에 2-에틸-2-옥사졸린을 양이온적으로 중합시킬 수 있다는 연구결과를 보고하면서(J. Am. Chem. Soc.120, 243(1998)), 스티렌의 표면-개시 음이온성 중합이 "그래프팅 온투"(grafting onto) 방법에 비하여 유리한 잇점을 갖고 있다는 것을 밝혔다(J. Am. Chem. Soc.121, 1016(1999)) 그리고 최근에는 그럽 그룹(Grubb et al.)의 연구 결과에 의하면, 고리 열림 메타시스 중합(ring opening metathesis polymerization: ROMP) 촉매는 고체 지지체상에서 노르보넨(norbonene)을 중합하여 고분자 브러시를 성공적으로 만들 수 있다는 것을 보고하였다(J. Am. Chem. Soc.121, 4088(1999)).

한편, 현재까지 알려진 바에 의하면, 고체 지지체의 표면에 아민기를 형성하는 경우, 아민기 갯수는 단위면적 100Å²당 3.5개 정도이다.

그런데, 표면에 이러한 정도의 아민기 밀도를 갖는 고체 기질을 사용해서는 그 적용분야가 매우 제한적으로 개선의 여지가 많다. 이에 대하여 부연설명하자면, 다음과 같다.

즉, 표면에 아민기를 갖는 고체 기질은 DNA 칩이나 바이오칩을 제조하는 기판으로 사용가능하다. 그러나, 표면에 100Å²당 3.5개의 아민밀도를 갖는 기질은 표면에 DNA 올리고뉴클레오타이드를 붙이거나 효과가 다른 바이오 분자들을 고정시킬 때 상호작용이 약해서 강하게 고정되지 못한다. 그러므로 칩의 안정성이 좋지 못해 칩을 제조하기 어렵다.

이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 기질표면에 높은 아민기 밀도를 갖는 분자층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 아미노실란화된 기질 표면의 아민기를 아지리딘과 반응시키는 과정을 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명에 따라 아미노실란화된 기질 표면의 아민기를 보호된 아지리딘과 반응시키는 과정을 나타낸 도면이고,

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 기질 표면에 있어서, 중합 전후의 4-니트로벤즈알디이민(4-nitrobenzaldimine)의 흡광도 변화를 나타낸 도면이고,

도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따라 준비된 아미노실란화 기질 표면의 원자간력 현미경(AFM) 사진이고,

도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따라 고분지 상태를 형성한 기질 표면의 AFM 사진을 나타낸 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 기질 표면에 형성되어 있는 아미노실란 분자층의 아민기를 아지리딘 유도체와 반응시키는 것을 특징으로 하는 기질상에 아민기 함유 분자층을 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명은 기질 표면에 형성된 아미노실란 분자층의 아민기를 아지리딘 유도체와 반응시켜 기질 표면의 아민기 밀도를 현저하게 높인데 그 특징이 있다. 여기에서 아지리딘 유도체로는 화학식 1로 표시되는 아지리딘이나 보호된 아지리딘을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 보호된 아지리딘으로는 아지리딘의 질소 원자와 결합되어 있는 수소가 보호된 화합물이라면 모두 다 사용가능하다. 그중에서도 보호된 아지리딘으로는 탈보호가 용이한 화학식 2의 화합물(이하, "N-Cbz 아지리딘이"라고 함)인 것이 바람직하다.

상기 아미노실란 분자층의 아민기와 아지리딘 유도체의 반응은, 아미노실란화된 기질을 아지리딘 유도체, 산촉매 및 용매를 포함하는 조성물에 담근 다음, 이를 불활성 가스 분위기하에서 가열하는 과정을 거쳐 이루어진다.

상기 아지리딘 유도체가 아지리딘인 경우에는, 아미노실란화된 기질과 아지리딘간의 고리 열림 중합으로 고분지(highly-branched) 상태의 폴리(에틸렌이민)이 형성된다. 그리고 상기 아미노실란화된 기질이 보호된 아지리딘과 반응하는 경우에는, 상술한 아미노실란화된 기질을 보호된 아지리딘, 산촉매 및 용매를 함유하는 조성물에 담가서 가열하는 과정이후, 트리아세트산을 이용하여 탈보호하는 과정을 거쳐야 한다. 이러한 반응 결과, 아미노실란화된 기질과 아지리딘간의 고리 열림 중합으로 기질 표면에 분지 없이 선형 사슬(linear chain)이 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따라 기질 표면에 높은 아민기 밀도를 갖는 분자층을 형성하는 방법을 알아보기로 한다.

먼저, 기질 표면을 깨끗하게 세정한 다음, 이를 건조한다. 이후, 건조된 기질을 아미노실란 화합물과 용매로 된 용액에 소정시간동안 담가 아미노실란화시킨다. 여기에서 아미노실란 화합물로는 산성의 부산물을 형성하지 않는 물질로서, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필디에톡시메틸실란, 3-아미노프로필에톡시디메틸실란 등이 있다. 여기에서 아미노실란 화합물을 용해시키기 위한 용매로는 톨루엔 등을 사용한다. 그리고 본 발명의 기질은 특별히 한정되지 않으며, 실리카 기판, 용융실리카 등이 이용된다.

상술한 바와 같은 아미노실란화반응이 완결되면, 기질을 용매로 세척한 다음, 이를 건조한다.

그 후, 아미노실란화된 기질을 아지리딘 유도체, 산 촉매 및 용매로 구성된 혼합물에 담근 다음, 불활성 가스 분위기하에서 상기 결과물을 가열한다. 이 때 가열온도는 40 내지 100℃인 것이 바람직하다. 만약 가열온도가 100℃를 초과하면, 아지리딘 유도체가 열분해되고, 40℃ 미만이면, 반응성이 저하되어 바람직하지 못하다. 상기 산 촉매로는 아세트산, 파라톨루엔술폰산 등을 사용하며, 용매로는 디클로로메탄, 톨루엔, 아세토니트릴 등을 이용한다. 이어서, 기질을 유기용매로 세척한다.

한편, 아지리딘 유도체로서 보호된 아지리딘을 사용하는 경우는, 아지리딘을 사용하는 경우와는 달리, 아미노실란화된 기질과 보호된 아지리딘을 반응시킨 후, 기질 표면으로부터 보호기를 탈보호시키는 과정을 거쳐야 한다.

보호된 아지리딘으로부터 N-Cbz 아지리딘을 사용하는 경우에는, 탈보호시 기질을 니트(neat) 트리아세트산에 담근 다음, 실온에서 초음파처리하는 반응 과정에 따른다. 이후, 탈보호과정이 완결되면, 기질 표면을 다량의 용매 예를 들어 메탄올로 세척하여 기질 표면에 묻어 있는 트리아세트산을 제거해낸다.

상술한 과정에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 분자층을 갖는 기질을 얻을 수 있게 된다.

도 1을 참조하면, 아미노실란화된 기질과 아지리딘을 반응시키면 이들간의 고리 열림 중합이 일어난다. 이와 같이 중합반응이 일어나면 선형 사슬 또는 분지 사슬이 형성되며, 특히 분지는 질소 원자에서 일어나서 고분지 상태의 폴리머 즉, 폴리(에틸렌이민)을 형성한다. 이 때 아지리딘과의 반응을 실시하기 이전의 아미노실란화된 기질 표면은, 고분지 상태의 폴리머층이 형성된 기질 표면과 비교하여 그 평균 높낮이 차이가 거의 없이 전체적으로 평탄화된 구조를 갖는다. 이로써 양 기질 표면의 형태가 유사한 구조를 갖는다는 것을 알 수 있다.

그리고 도 2를 참조하면, 기질 표면상의 모든 일급 아민기들은 N-Cbz 아지리딘과 반응하여 기질 상부의 최상부 표면에 변형된 아민을 형성한다.

본 발명에 따라 얻어진 표면에 높은 아민기 밀도를 갖는 고체 기질은 DNA 칩이나 바이오칩을 개발하는데 매우 중요한 기능을 수행한다. 즉, DNA 칩의 경우 올리고뉴클레오타이드를 함유하고 있는 고분자(예를 들어 하이드로겔, 아민기를 갖는 고체 기질과 화학결합가능한 -N=C=O기를 가지고 있는 고분자)를 고체 기질 상부에 고정시키고자 할 때 기질 표면에 아민기의 수가 많을수록 기질 표면과 고분자 사이의 화학결합수가 증가함으로써 더 강하게 결합할 수 있다. 이는 칩의 안정도는 높일 수 있게 되고 칩을 제조하는 공정을 보다 용이하게 해준다. 또한 바이오칩의 경우와 같이 효소나 다른 바이오 분자들을 고정시키고자 할 때에도 기질 표면에 보다 강하게 고정될 수 있게 되며 칩의 효율을 향상시킬 수 있다. 이밖에도 기질 표면에 원하는 분자들을 고정하고, 이들의 성질을 밝히는 표면 연구에도 중요한 표면기질로 사용가능하다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

먼저, 깨끗하게 세정된 실리카 기질을 약 20mtrorr의 진공에서 건조하였다.질소 분위기하에서, 둥근 바닥 플라스크에 (3-아미노프로필)디에톡시메틸실란의 톨루엔 용액(10^-3M)을 넣은 다음, 상기 건조된 실리카 기질을 침지시키고 상온에서 반응시켰다.

상기 실란화 반응이 완결되면, 기질을 톨루엔으로 세??하여 약 120℃의 오븐에서 30분동안 건조하였다. 이어서, 기질들을 상온으로 냉각시킨 다음, 톨루엔, 톨루엔과 메탄올의 혼합용매(1:1 부피비) 및 메탄올에 순차적으로 담가 3분 초음파 세척하였다.

그 후, 아지리딘 0.2ml와 촉매량의 아세트산과 디클로로메탄 20㎖의 혼합물에 아미노실란화된 실리카 기질을 담갔다. 그리고 나서, 상기 혼합물을 질소 가스 분위기하에서 24시간동안 80℃로 가열하였다.

상기 기판을 다량의 디클로로메탄으로 철저하게 세척한 다음, 메탄올을 이용하여 3회 초음파 처리하였다. 이어서, 실온에서 진공건조하였다.

실시예 2

아지리딘 대신 벤질 1-아지리딘카르복실레이트(N-Cbz 아지리딘)를 사용하고, 반응용매로서 디클로로메탄 대신 톨루엔을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 실리카 기질의 아민기와 N-Cbz 아지리딘을 반응시켰다.

이후, N-Cbz기를 제거하기 위한 과정을 다음과 같이 실시하였다.

실리카 기질을 트리아세트산에 담근 다음, 이를 실온에서 20분동안 초음파처리하였다. 이후, 기질을 다량의 메탄올로 세척한 다음, 메탄올을 이용하여 10분동안 초음파처리하였다.

실시예 3

기질로서, 실리카 기질 대신 용융실리카를 사용하고, (3-아미노프로필)디에톡시메틸실란 대신 (3-아미노프로필)디메틸에톡시실란을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

상기 실시예 1에 있어서, 아지리딘과의 반응을 실시하기 이전의 아미노실란 분자층의 두께 및 아민기의 표면밀도를 측정하였다. 그 결과, 아미노실란 분자층의 두께는 약 8Å이고, 작용기의 표면밀도는 3.5 amines/nm²이다. 이 때 반응성 아민기의 표면밀도는, 4-니트로벤즈알데히드를 이용하여 대응하는 이민으로 변화시킨 다음, 4-니트로벤질리덴 t-부틸아민의 흡광계수를 이용하여 측정한 것이다.

한편, 아미노실란화된 기질을 아지리딘과 반응시킨 다음 실리카 기질 표면상에 형성된 분자층의 두께를 측정하였다. 측정 결과, 분자층의 두께는 약 36Å에 도달하였으며, 반응시간이 24시간 경과후에는 분자층의 두께 증가폭이 둔화되어 증가정도가 미미하였다.

실시예 1 및 실시예 3에 따라 아미노실란화된 실리카 기질과 아지리딘을 반응시키면 이들간의 고리 열림 중합이 일어난다. 이와 같이 중합반응이 일어나면 선형 사슬 또는 분지 사슬이 형성되며, 특히 분지는 질소 원자에서 일어나서 고분지 상태의 폴리머 즉, 폴리(에틸렌이민)을 형성하였다(도 1).

말단기 즉, 일급 아민의 표면밀도를 측정하면 분지 발생 여부를 판단할 수 있다. 이를 부연설명하면, 일급 아민을 4-니트로벤즈알데히드와 반응시켜 4-니트로벤즈알디이민(4-nitrobenzaldimine)으로 변화시킨 다음, 이와 같이 형성된 이민에서 기인한 284nm에서의 흡광도 변화를 조사하여 일급 아민의 표면밀도를 알 수 있게 되는 것이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 경우는 중합후에 일급 아민의 수가 증가하여 284nm에서의 흡광도가 급격하게 증가하는 결과를 나타냈다.

실시예 1에 있어서의 아민기의 절대밀도는 하기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 아미노실란후에는 3.5 amines/nm²이었다가 중합후 반응시간이 24시간 경과한 후에는 아민기의 절대밀도가 66 amines/nm²으로 급격하게 증가하였다. 이 때 아민기의 절대밀도는 물로 이민을 가수분해하여 결정하는 방법으로 조사하였다. 이와 같이 아민기의 절대밀도가 급격하게 증가한다는 것은 분지가 일어나고 있다는 것을 의미한다. 만약 분지가 일어나지 않는다면 사슬 성장에 무관하게 표면밀도가 일정하게 유지되어야 한다. 그리고 밀도는 24시간 경과후에는 증가하지 않았으며, 분자층의 두께는 24시간후 느리지만 일정하게 재증가하였다. 이러한 사실로부터 분지가 소정단계를 넘어서면 바람직하지 못하다는 것을 알 수 있었다.

단계	접촉각(。)	두께(Å)	절대밀도(일급아민수/nm²)
아미노실란후	62(±2)	8	3.5
중합후	62(±2)	36	66

용액내에서 분지를 수반하는 성장은 보통 입체장애로 인하여 3 또는 4 싸이클 진행후 멈추는 것이 일반적이다. 그러므로 표면밀도의 증가정도는 입체장애를고려해볼 때 분지와 비교하여 16배보다 작아야 한다. 그러나, 밀도가 약 19배 정도로 매우 크게 증가한다는 것은 고분자 사슬의 길이가 매우 다양하다는 것을 나타낸다. 길이 측면에서 불규칙적인 고분자 사슬이 형성되면 기질 표면이 거칠어 지고, 모노분산된 경우에 비하여 표면밀도가 높다.

한편, 상기 실시예 3에서 기질로서 낮은 아민기 표면 밀도를 갖는 기질을 사용하여 실시예 1-2와 동일한 중합반응을 실시하는 경우, 아민기의 표면밀도는 1.5 amines/nm²이었고, 분자층의 두께는 반응시간이 24시간 경과된 후 4에서 18Å으로 변화되었고 일급 아민기의 표면밀도는 48 amines/nm²으로 증가하였다. 이와 같이 표면밀도가 초기에는 낮음에도 불구하고 반응시간이 경과됨에 따라 실시예 1 및 2의 경우와 접근된 값을 갖는 것을 볼 때 최종적인 표면밀도는 반데바알스 반경에 의하여 좌우되는 분자 부피에 주로 결정된다는 사실과 충돌된다는 것을 알 수 있었다.

한편, 상기 실시예 2에 따르면, 일급 아민의 표면밀도는 4-니트로벤즈알데히드와 반응하지 않은 아민기를 끌어냄으로써 측정하였다.

측정 결과, 모든 일급 아민들은 N-Cbz과 반응하여 기질 상부의 최상부 표면에 변형된 아민을 형성하였으며(도 2), 일급 아민이 존재하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 그리고 실시예 2의 경우, 접촉각은 70。이었는데, 이는 표면이 소수성을 띤다는 것을 반영하는 것이다. 그리고 분자층의 두께는 16Å으로 증가하였고, 트리아세트산으로 탈보호시킨 후의 물접촉각은 프리스틴 아미노실란화된층의 값인 60。이었으며, 두께는 12Å으로 감소되었다.

상기 실시예 1에 따라 준비된 아미노실란화 기질과 이 기질을 아지리딘과 반응시켜 고리 열림 중합반응으로 고분지 상태의 폴리(에틸렌이민)을 형성한 기질의 표면을 원자간력현미경(Atomic Force Microscope: AFM)으로 2㎛×2㎛ 영역을 조사하였을 때, 특정 위치를 가로지르는 부분의 높이 차이가 아미노실란 기질 표면의 경우에는 4.61nm이고, 고분자 상태 기질 표면은 이보다 조금 높은 6.23nm을 보여 주었으며, 또한 고분지 상태를 형성한 표면의 평균 높낮이 차이는 11.5nm로서 아미노실란화 기질의 표면 9.89nm보다 조금 거친 표면을 형성하고 있음을 알 수 있었다. 그러나, 이들간의 평균 높낮이 차이가 그다지 크지 않고 전체적으로 평탄한 표면 구조를 보여 주며, 따라서 두 기질의 표면 형태(morphology)는 유사한 구조를 갖는 것으로 나타났다(도 4).

본 발명에 따르면, 기질 표면에서의 아민기 밀도를 대폭적으로 증가시킬 수 있다. 이와 같이 표면에 높은 아민기 밀도를 갖는 고체 기질은 DNA 칩이나 바이오칩을 개발하는데 매우 중요한 기능을 수행한다. 이밖에도 기질 표면에 원하는 분자들을 고정하고, 이들의 성질을 밝히는 표면 연구에도 중요한 표면 기질로 사용가능하다.

Claims

기질 표면에 형성되어 있는 아미노실란 분자층의 아민기를 아지리딘 유도체와 반응시키는 것을 특징으로 하는 기질상에 아민기 함유 분자층을 형성하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 아지리딘 유도체가 아지리딘 또는 보호된 아지리딘인 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 보호된 아지리딘이 하기 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 아미노실란화된 기질이 보호된 아지리딘과 반응하는 경우, 아미노실란화된 기질과 아지리딘간의 고리 열림 중합으로 기질 표면에 분지 없이 선형 사슬(linear chain)이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 아지리딘 유도체가 아지리딘인 경우, 아미노실란화된 기질과 아지리딘간의 고리 열림 중합으로 고분지(highly-branched) 상태의 폴리(에틸렌이민)을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서, 상기 아미노실란화된 기질 표면은,

고분지 상태의 폴리(에틸렌이민)층이 형성된 기질 표면과 비교하여 그 형태가 유사한 구조로 평탄화된 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 아미노실란 분자층의 아민기와 아지리딘 유도체의 반응이,

아미노실란화된 기질을 아지리딘 유도체, 산촉매 및 용매를 포함하는 조성물에 담근 다음, 이를 불활성 가스 분위기하에서 가열하는 과정을 거쳐 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 아지리딘 유도체가 보호된 아지리딘인 경우, 가열후 트리아세트산을 이용하여 탈보호하는 과정을 거치는 것을 특징으로 하는 방법.