KR20110062825A - 금-은 합금 나노 입자 칩, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출 방법 - Google Patents

금-은 합금 나노 입자 칩, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금-은 합금 나노 입자 칩, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩은 친수성 처리된 유리 기판; 상기 유리 기판 상에 형성된 자기 조립막; 및 상기 자기 조립막 상에 고정된 금-은 합금 나노 입자를 포함하며, 이와 같은 구조의 금-은 합금 나노 입자 칩을 이용하여 정수기 및 수돗물의 미생물을 용이하게 감지할 수 있으며, 또한 감지 효과를 높일 수 있다.
금-은 합금, 나노입자, 칩, 미생물

Description

금-은 합금 나노 입자 칩, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출 방법{Gold-Silver Alloy Nano Particles Chip, Method for Preparing the Chip and Method for Detecting Microorganism Using the Same}
본 발명은 금-은 합금 나노 입자 칩, 그의 제조방법 및 이를 이용한 미생물 검출 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 금-은 합금 나노 입자를 유리 표면에 고정화시켜 제작된 칩을 이용해 미생물을 광학적으로 검출하는 방법에 관한 것이다.
우리가 마시는 수돗물 및 정수기에서 나오는 물의 미생물 오염의 문제는 매우 중요한 사항이다. 따라서 마시는 물속에 미생물의 오염을 제거하기 위해 정수기 필터 속에 숯이나 은 나노 입자를 넣어 정제를 하는 기술이 활발히 연구 진행 중이다. 또한 정수기의 필터에서 나오는 물이나 수돗물 속에 오염도의 정도를 파악하는 일 역시 중요한 일이다.
종래에는 미생물에 의한 오염도에 대한 측정은 측정자의 경험이 매우 중요하 게 작용한다. 그래서 유체의 혼탁도 등을 통해 미생물의 오염도를 측정하는 것이 일반적으로 이루어졌다.
이러한 유체의 혼탁도 등으로 미생물의 오염도를 측정하는 것은 매우 주관적인 측정방법이고, 측정자에 따라 서로 다른 측정량을 보여서 그 정확도가 매우 떨어진다. 이러한 문제 때문에 미생물 농도를 정량적으로 측정할 수 있는 기술이 요구되어 미생물의 농도를 정량적으로 측정하는 기술들이 개발되었다.
이 방법 중의 하나는 스테인리스 스틸(stainless steel)을 이용하여 그 표면에 부착되는 미생물의 정도에 따라 도전율(conductivity)이 달라지는 것을 이용하는 방식이다. 즉, 스테인리스 스틸 표면에 미생물이 많이 부착될수록 그 도전율이 커지는 것을 이용하여 도전율을 측정함으로써 미생물의 농도를 추정하는 방식이다.
그러나 이와 같은 장치들은 구성이 매우 복잡하여 정수기의 필터나 다른 오염도를 측정하는데 어려워서 미생물 농도를 간단하게 측정하는 센서에 대한 개발이 필요하다.
이에 본 발명자들은 금-은 합금 나노 입자들이 미생물 표면에 있는 시스테인의 티올기와 잘 붙는 성질이 있다는 것에 착안하여, 금-은 합금 나노 입자들을 유리기판 위에 고정시켜 칩화하는 경우 미생물을 광학적으로 용이하게 검출할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 미생물을 광학적으로 용이하게 검출할 수 있는 금-은 합금 나노 입자 칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 미생물을 광학적으로 용이하게 검출할 수 있는 금-은 합금 나노 입자 칩을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는 금-은 합금 나노 입자 칩으로부터 미생물을 광학적으로 용이하게 검출할 수 있는 검출 방법을 제공하는 것이다.
상기 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 친수성 처리된 유리 기판; 상기 유리 기판 상에 형성된 자기 조립막; 및 상기 자기 조립막 상에 고정된 금-은 합금 나노 입자를 포함하는 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩을 제공한다.
본 발명에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩에서, 상기 친수성 처리된 유리 기판은 그의 표면에 수산기가 도입된 것이고, 상기 자기 조립막은 아민기를 갖는 실란 자기 조립막이다.
본 발명에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩에서, 상기 금-은 합금 나노 입자는 유리 기판 상에 1마이크로 제곱미터당 500 내지 1000개가 고정되어 있는 것이 바람직하다.
상기 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유리 기판을 친수성 처리하는 단계; 친수성 처리된 유리 기판 위에 자기 조립막을 형성하는 단계; 및 자기 조립막 위에 금-은 합금 나노 입자를 고정시키는 단계를 포함하는 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 유리 기판의 친수성 처리는 유리 기판의 표면 상에 수산기를 도입하는 것이며, 상기 수산기의 도입은 피라나 용액(H2SO4:H2O2 = 7:3)에 유리 기판을 담지시키고, 비활성 기체로 건조시키거나 또는 유리 기판의 표면을 산소 플라즈마로 처리하는 것으로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 자기 조립막은 아민기가 포함되는 실란 자기 조립막이며, 상기 자기 조립막은 APTES((3-아미노프로필)-트리에톡시실란)를 에탄올에 혼합한 혼합물을 친수성 처리된 유리 기판과 접촉시키는 것으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 자기 조립막은 유리 기판상에 열처리를 통해 고정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 금-은 합금 나노 입자는 표면화학 반응을 통해 상기 자기 조립막 위에 고정되는 것이다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유리 기판을 친수성 처리하는 단계; 친수성 처리된 유리 기판 위에 자기 조립막을 형성하는 단계; 및 자기 조립막 위에 금-은 합금 나노 입자를 고정시키는 단계를 포함하는 금-은 합금 나노 입자 칩을 제조하는 단계; 상기 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 타겟 미생물과 접촉하는 단계; 및 타겟 미생물의 존재 여부를 광학적으로 측정하는 단계를 포함하는 미생물 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 미생물 검출 방법에 있어서, 상기 타겟 미생물은 대장균인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 금-은 합금 나노 입자를 유리 표면에 고정화하여 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 이용하여 타겟 미생물을 감지하는 방법은 정수기 및 수돗물의 미생물을 용이하게 감지할 수 있으며, 또한 감지 효과를 높일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩은 친수성 처리된 유리 기판(100); 상기 유리 기판 상에 형성된 자기 조립막(200) 및 상기 자기 조립막 상에 고정된 금-은 합금 나노 입자(300)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법은 유리 기판(100)을 친수성 처리하는 단계(S11); 친수성 처리된 유리 기판(100) 위에 자기 조립막(200)을 형성하는 단계(S12); 및 자기 조립막(200) 위에 금-은 합금 나노 입자(300)를 고정시키는 단계(S13)를 포함한다.
이하, 도 1 및 도 2를 함께 조합하여, 금-은 합금 나노 입자 칩 및 그의 제조방법을 설명한다.
상기 유리 기판(100)을 친수성 처리하는 단계(S11)에서, 친수성 처리는 유리 기판(100) 상에 수산기를 도입하는 것이다.
수산기를 도입하는 방법으로 첫 번째는 피라나 용액(H2SO4:H2O2 = 7:3)에 유리 기판(100)을 담지시키고, 비활성 기체로 건조시키는 것이다. 여기서, 유리 기판의 담지 시간은 5분 내지 20분의 범위 내에서 담지시키는 것이 바람직하고, 또한, 담지시킨 후 꺼내서 증류수로 여러번 씻은 후, 질소와 같은 비활성 기체로 건조시킨다. 비활성 기체로 건조시킨 후 100℃ 내지 120℃에서 30분 내지 1시간 동안 재 건조하는 것이 더 바람직하다.
수산기를 도입하는 방법으로 두 번째는 유리 기판(100) 표면을 산소 플라즈마로 처리하는 것이다. 산소 플라즈마 처리는 유리 표면(100)을 약 100초 내지 5 분 동안 산소 플라즈마로 처리하는 것이 바람직하다.
친수성 처리된 유리 기판(100) 위에 자기 조립막(200)을 형성하는 단계(S12)에서, 친수성 처리된, 즉 수산기가 도입된 유리 기판 표면에 APTES((3-아미노프로필)-트리에톡시실란)를 에탄올에 혼합한 혼합물을 놓고 10분 내지 1시간 동안 그대로 방치하여 자기 조립막(자기조립 단분자막)(200)을 형성한다. 이후에 에탄올로 여러번 씻어준 다음에 자기 조립막이 유리 기판과 단단히 고정되도록 100 내지 150℃의 온도에서 5분 내지 30분간 열처리 하는 것이 바람직하다.
이어서, 자기 조립막의 형성을 확인하기 위하여, 타원계측법(Ellipsometry)을 이용하여 아민이 형성된 자기 조립막의 두께를 확인한다. 자기 조립막의 두께는 0.5nm 내지 0.7nm 내에서 형성되는 것이 바람직하다
자기 조립막(200) 위에 금-은 합금 나노 입자(300)를 고정시키는 단계(S13)에서, 금-은 합금 나노 입자 분산액에 자기 조립막이 형성된 유리 기판을 담지시켜 10 내지 14시간 동안 방치시킨다. 이 과정에서 금-은 나노 입자가 자기 조립막에 표면 화학 반응을 통해 고정된다. 이어서, 물로 여러 번 씻은 후 질소와 같은 비활성 기체로 건조시킨다. 여기서, 금-은 합금 나노 입자는 3가의 금(예를 들면 HAuCl4)과 1가의 은(예를 들면, AgNO3) 분자를 환원제(예를 들면, 시트르산 나트륨)를 이용하여 0가로 환원시켜 금-은 합금 나노 입자를 만든다. 이에 따라 만들어지는 금-은 나노입자는 13nm 내지 20nm 크기를 갖는 것이 바람직하다.
도 3는 본 발명의 일실시에에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩을 이용하여 미 생물을 검출하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3를 참조하면, 유리 기판을 친수성 처리하고, 친수성 처리된 유리 기판 위에 자기 조립막을 형성하고, 자기 조립막 위에 금-은 합금 나노 입자를 고정시켜 금-은 합금 나노 입자 칩을 제조하는 단계(S21), 금-은 합금 나노 입자 칩을 타겟 미생물과 접촉시키는 단계(S22) 및 타겟 미생물의 존재 여부를 광학적으로 측정하는 단계(S23)을 포함한다.
상기 금-은 합금 나노 입자 칩을 제조하는 단계(S21)은 상기 도 2를 참조하여 설명된 바와 갔다.
이어서, 금-은 합금 나노 입자 칩을 타겟 미생물과 접촉시키는 단계(S22)에서, 타겟 미생물과의 접촉은 타겟 미생물이 혼합된 용액중에 금-은 합금 나노 입자 칩을 담지시키는 방법이 이용될 수 있으며, 이 밖에도 이 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로 타겟 미생물과 접촉될 수 있다.
이어서, 타겟 미생물의 존재 여부를 광학적으로 측정하는 단계(S23)에서는 광학 측정 장치, 예를 들면 UV 스펙트로포토미터로 측정하여 미생물의 포획여부를 확인할 수 있으며, 더 나아가 미생물의 농도까지 측정한다.
이 경우 타겟 미생물로 대장균 등이 검출될 수 있다. 즉, 대장균에 있는 시스테인의 티올기가 금-은 합금 나노 입자와 결합되어, 대장균의 존재 여부를 검출할 수 있다.
따라서, 금-은 합금 나노 입자 칩은 정수기 및 수돗물의 미생물의 존재를 검출하는데 용이하게 이용될 수 있다.
실시예
유리 기판을 피라나 용액(H2SO4:H2O2 = 7:3)에 10분간 담그고 증류수로 여러 번 씻어 주고 질소 등의 비활성 기체로 천천히 건조한 후 100 ℃에서 30분간 재 건조하여 유리 기판 표면에 -OH기를 형성하였다. 이어서, 자기조립 막을 만들기 위해 에탄올 10㎖과 0.1% APTES 0.1㎖를 섞어 이를 수산(-OH)기가 형성된 유리 기판 표면에 30분 동안 놓는다. 이어서, 에탄올로 여러 번 씻어준 다음 유리 기판과의 결합을 단단하게 하기 위해 120 ℃에서 10분간 열 처리 해서 실란 자기조립막(Self-assembled monolayers)을 형성하였다. 그리고 반응이 잘 이루어졌는지 타원계측법를 이용하여 아민 (-NH2)이 형성된 SAMs 두께를 확인한다. 0.6㎚의 두께로 자기 조립막이 형성되었다. 이어서, HAuCl4과 AgNO3를 동몰로 하여 시트르산나트륨으로 환원시켜 제조된 금-은 합금 나노입자 0.4nM의 10nL 수용액에 상기 자기 조립막이 형성된 유리 기판을 담가 실온에서 12시간 방치하였다. 이어서 물로 여러 번 씻어 질소로 천천히 건조시켜 금-은 합금 나노 입자가 유리 기판에 고정된 칩을 제작하였다. 상기 제작된 칩을 전자 현미경으로 찍어 그 결과를 도 4에 나타내었다. 또한, 상기 제작된 칩을 표면을 FE-SEM으로 확인하여, 유리 표면에 금-은 합금 나노 입자 1 마이크로제곱미터당 대략 650개 정도 고정되어 있음을 확인하였다.
시험예 1
상기 실시예에서 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 대장균 농도가 각각 a) 4E7 EA/㎖, b) 4E5 EA/㎖, c) 4E3 EA/㎖ 및 d) 4E2 EA/㎖만큼 포함된 물에 48 시간 담지시킨 후, 광학적으로 측정하여 그 결과를 하기 표 1 및 도 5a 내지 도 5d에 각각 나타내었다.
a) 4E7 EA/㎖ b) 4E5 EA/㎖ c) 4E3 EA/㎖ d) 4E2 EA/㎖
흡광도의 이동폭 25.3nm 24.2nm 10nm 4nm
상기 표 1 및 하기 도 5를 참조하면, 대장균의 농도가 커질수록 흡광도의 이동폭이 커짐을 확인할 수 있었다.
시험예 2
상기 실시예에서 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 대장균 농도가 4E7 EA/mL, 4E6 EA/mL, 4E5 EA/mL,4E4 EA/mL, 4E3 EA/mL, 및 4E2 EA/mL인 물에 48 시간 담지시킨 후, 이들의 파장 변화를 측정하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 대장균 농도의 증가에 따라 파장 변화가 증가함을 확인하였다.
시험예 3
상기 실시예에서 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 대장균 농도가 4E3 EA/mL인 물에 1시간, 2시간, 4시간, 10시간, 12시간 및 48시간 담지시키고, 시간에 따른 파장 변화를 조사하고, 그 결과를 도 7(a) 및 도 7(b)에 나타내었다.
도 7(b)를 참조하면, 대장균 농도가 4E3 EA/mL에서 1시간, 2시간, 4시간, 10시간, 12시간 및 48시간 일 때 각각 0nm, 1nm, 2nm, 5nm,8nm, 그리고 30nm 파장이 이동함을 확인할 수 있었다.
시험예 4
상기 실시예에서 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 대장균 농도가 4E3 EA/mL인 물에 1시간 담지시킨 후, 금-은 합금 나노 입자 칩의 표면을 전자 현미경으로 촬영하여 그 결과를 도 8에 나타내었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩을 이용하여 미생물을 검출하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩의 표면을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 이용하여 대장균의 농도에 따른 광학적 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 이용하여 대장균의 농도에 따른 파장 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 도 7b은 본 발명의 일실시예에 따란 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩을 이용하여 시간에 따른 파장 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따란 제작된 금-은 합금 나노 입자 칩에 대장균이 포획된 전자 현미경 사진이다.

Claims (13)

  1. 친수성 처리된 유리 기판;
    상기 유리 기판 상에 형성된 자기 조립막; 및
    상기 자기 조립막 상에 고정된 금-은 합금 나노 입자를 포함하는 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 친수성 처리된 유리 기판은 그의 표면에 수산기가 도입된 것인 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 조립막은 아민기를 갖는 실란 자기 조립막인 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금-은 합금 나노 입자는 유리 기판 상에 1마이크로 제곱미터당 500 내 지 1000개가 고정되어 있는 것인 금-은 합금 나노 입자 칩.
  5. 유리 기판을 친수성 처리하는 단계;
    친수성 처리된 유리 기판 위에 자기 조립막을 형성하는 단계;
    자기 조립막 위에 금-은 합금 나노 입자를 고정시키는 단계를 포함하는 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유리 기판의 친수성 처리는 유리 기판의 표면 상에 수산기를 도입하는 것인 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 수산기의 도입은 피라나 용액(H2SO4:H2O2 = 7:3)에 유리 기판을 담지시키고, 비활성 기체로 건조시키는 것으로 수행되는 것인 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 수산기의 도입은 유리 기판의 표면을 산소 플라즈마로 처리하는 것으로 수행되는 것인 미생물 검출용 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 자기 조립막은 APTES((3-아미노프로필)-트리에톡시실란)를 에탄올에 혼합한 혼합물을 친수성 처리된 유리 기판과 접촉시키는 것으로 형성되는 것인 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 유리 기판 상에 형성된 자기 조립막은 열처리를 통해 강화하는 것인 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 금-은 합금 나노 입자는 표면화학 반응을 통해 상기 자기 조립막 위에 고정되는 것인 금-은 합금 나노 입자 칩의 제조방법.
  12. 제 1항 내지 제 4항중 어느 하나의 항에 따른 금-은 합금 나노 입자 칩을 제조하는 단계;
    금-은 합금 나노 입자 칩을 타겟 미생물과 접촉시키는 단계; 및
    타겟 미생물의 존재 여부를 광학적으로 측정하는 단계를 포함하는 미생물 검출 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 타겟 미생물은 대장균인 미생물 검출 방법.
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