KR20120101242A - Quantum dot encapsulated ps-psma nanofibers and a use of the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A polystyrene-poly(styrene-co-maleic anhydride) nanofiber composite containing quantum dots is provided to ensure durability. CONSTITUTION: A polystyrene-poly(styrene-co-maleic anhydride) nanofiber composite contains quantum dots. A sensor for gas sensing contains the nanofiber composite. The gas is a volatile organic solvent. An enzyme-nanofiber composite is prepared by fixing an enzyme to the nanofiber composite. The enzyme is esterase, chymostrypsin, or lipase. A method for preparing the composite comprises: a step of mixing polystyrene and poly(styrene-co-maleic anhydride) in a container; a step of adding dimethyl formamide(DMF), tetrahdyrofurane, or a mixture solvent of tetrahydrofurane and acetone; a step of adding quantum dots; and a step of electrospinning the mixture solution.

Description

양자점을 포함하는 폴리스틸렌-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물 및 그 응용{Quantum Dot Encapsulated PS-PSMA Nanofibers and a use of the same}Polystyrene-poly (styrene-co-maleic hydride) nanofiber composites containing quantum dots and its application {Quantum Dot Encapsulated PS-PSMA Nanofibers and a use of the same}

본 발명은 양자점을 포함하는 폴리스틸렌-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물 및 그 응용에 관한 것으로 더욱 상세하게는 양자점을 포함하는 폴리스틸렌-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물과 그것을 가스 센싱 또는 효소 고정화에 지지체로 이용하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to polystyrene-poly (styrene-co-maleic hydride) nanofiber composites comprising quantum dots and more specifically to polystyrene-poly (styrene-co-maleic hydride) comprising quantum dots. Ride) nanofiber composite and the use thereof as a support for gas sensing or enzyme immobilization.

일반적으로 전자방사로 제조된(electrospun) 기능성 나노섬유는 화학 센서, 효소 고정화, 조직 공학, 약물 전달 막 필터 및 섬유 분야 등에서 다양한 적용을 가졌다(H. S. Yoo, T. G. Kim and T. G. Park, Adv. Drug Deliv. Rev., 61 (2009) 1033-1042;J. Yoon, S. K. Chae and J.-M. Kim, J. Am. Chem. Soc., 129 (2007) 3038-3039;A. Greiner and J. Wendorff, Angew. Chem.-Int. Edit., 46 (2007) 5670-5703;J. Y. Lee, C. A. Bashur, A. S. Goldstein and C. E. Schmidt, Biomaterials, 30 (2009) 4325-4335;A. Camposeo, F. D. Benedetto, R. Stabile, A. A. R. Neves, R. Cingolani and D. Pisignano, Small, 5 (2009), 562-566;G. Ren, X. Xu, Q. Liu, J. Cheng, X. Yuan, L. Wu and Y. Wan, React. Funct. Polym., 66 (2006), 1559-1564;L. Wannatong and A. Sirivat, React. Funct. Polym., 68 (2008), 1646-1651;A. Senecal, J. Magnone, P. Marek and K. Senecal, React. Funct. Polym., 68 (2008), 1492-1434). In general, electrospun functional nanofibers have various applications in the fields of chemical sensors, enzyme immobilization, tissue engineering, drug delivery membrane filters and fibers (HS Yoo, TG Kim and TG Park, Adv. Drug Deliv. Rev., 61 (2009) 1033-1042; J. Yoon, SK Chae and J.-M. Kim, J. Am. Chem. Soc., 129 (2007) 3038-3039; A. Greiner and J. Wendorff, Angew.Chem.-Int.Edit., 46 (2007) 5670-5703; JY Lee, CA Bashur, AS Goldstein and CE Schmidt, Biomaterials, 30 (2009) 4325-4335; A. Camposeo, FD Benedetto, R. Stabile , AAR Neves, R. Cingolani and D. Pisignano, Small, 5 (2009), 562-566; G. Ren, X. Xu, Q. Liu, J. Cheng, X. Yuan, L. Wu and Y. Wan , React.Funct.Polym., 66 (2006), 1559-1564; L. Wannatong and A. Sirivat, React.Funct.Polym., 68 (2008), 1646-1651; A. Senecal, J. Magnone, P. Marek and K. Senecal, React. Funct. Polym., 68 (2008), 1492-1434).

한편 효소는 가치있는 생산물의 생성에서 중요한 역할을 하는 큰 특이성을 가지는 생체촉매이다. 그들은 식품가공, 의약품, 화학적 전환, 세제 분야, 생물학적복원, 바이오센서, 및 바이오연료 전지분야 등에 적용될 수 있다(K. M. Koeller and C. H. Wong, Nature, 2001, 409, 232-240;A. Schmid, J. S. Dordick, B. Hauer, A. Kiener, M. Wubbolts and B.Witholt, Nature, 2001, 409, 258-268;N. Duran and E. Esposito, Appl Catal B- Environ, 2000, 28, 83-99;A. Morana, A. Mangione, L. Maurelli, I. Fiume, O. Paris, R. Cannio and M. Rossi, Enzyme Microb Tech, 2006, 39, 1205-1213;E. Katz and I. Willner, J Am Chem Soc, 2003, 125, 6803-6813). 비록 효소가 중요한 생물학적 촉매이지만, 그들은 그들의 짧은 생활성 주기로 인하여 제한을 가진다. 단백질의 기능적인 역할은 주로 그들의 구조에 있다는 것을 고려하면, 효소 단백질은 국소적 환경에 의하여 유도되는 구조적 변화로 인하여 불안정화된다. 또한 반응 산물로부터 효소의 분리 및 그들의 재사용은 매우 어렵고 그것은 비용 효과의 측면에서 담체 또는 안정한 효소 시스템에 대한 필요성을 만들고, 성공적인 응용을 위한 필요한 요구이다.Enzymes, on the other hand, are biocatalysts with great specificity that play an important role in the production of valuable products. They can be applied to food processing, pharmaceuticals, chemical conversion, detergent fields, biological restoration, biosensors, and biofuel cells (KM Koeller and CH Wong, Nature , 2001, 409 , 232-240; A. Schmid, JS Dordick). , B. Hauer, A. Kiener, M. Wubbolts and B. Witholt, Nature , 2001, 409 , 258-268; N. Duran and E. Esposito, Appl Catal B- Environ , 2000, 28 , 83-99; A. Morana, A. Mangione, L. Maurelli, I. Fiume, O. Paris, R. Cannio and M. Rossi, Enzyme Microb Tech , 2006, 39 , 1205-1213; E. Katz and I. Willner, J Am Chem Soc , 2003, 125 , 6803-6813). Although enzymes are important biological catalysts, they have limitations due to their short life cycle. Given that the functional role of proteins is primarily in their structure, enzyme proteins are destabilized due to structural changes induced by the local environment. Also the separation of enzymes from the reaction products and their reuse are very difficult and it creates a need for a carrier or stable enzyme system in terms of cost effectiveness and is a necessary requirement for successful application.

이 문제점을 극복하기 위하여, 연구자들은 효소 고정화 방법을 개발하는데 몰두하였고, 고정화된 효소는 그들의 증가된 생물활성을 가지기 때문에 여러 과정에 적용될 수 있고 재사용될 수 있다. In order to overcome this problem, the researchers have been devoted to developing an enzyme immobilization method, and since immobilized enzymes have their increased bioactivity, they can be applied to various processes and reused.

효소 고정화를 위한 PS-PSMA 중합체 나노섬유의 용도는 보고되었다(B. C. Kim, S. Nair, J. B. Kim, J. H. Kwak, J. W Grate, S. H. Kim and M.B. Gu, Nanotechnology, 16 (2005), S382-S388;J.H. Lee, E.T. Hwang, B.C. Kim, S.M. Lee, B.I. Sang, Y.S. Choi, J.B. Kim and M.B. Gu, Appl. Microbiol. Biotechnol., 75 (2007), 1301-1307;B.C. Kim, S.M. Lee, D. Lofez-Ferrer, H.K. Kim, S. Nair, S.H. Kim, B.S. Kim, K. Petritis, D.G. Camp, J.W. Grate, R.D. Smith, Y.M. Koo, J.B Kim and M.B. Gu, Proteomics, 9 (2009), 1893-1900;H.K. Ahn, B.C. Kim, S.H. Jun, M.S. Chang, D.Lopez-Ferrer, R.D. Smith, M.B. Gu, S.W.  Lee, B.S. Kim and J.B. Kim, Biotechnol. Bioeng., 107 (2010), 917-923).The use of PS-PSMA polymer nanofibers for enzyme immobilization has been reported (BC Kim, S. Nair, JB Kim, JH Kwak, J. W Grate, SH Kim and MB Gu, Nanotechnology, 16 (2005), S382-S388 ; JH Lee, ET Hwang, BC Kim, SM Lee, BI Sang, YS Choi, JB Kim and MB Gu, Appl.Microbiol.Biotechnol., 75 (2007), 1301-1307; BC Kim, SM Lee, D. Lofez Ferrer, HK Kim, S. Nair, SH Kim, BS Kim, K. Petritis, DG Camp, JW Grate, RD Smith, YM Koo, JB Kim and MB Gu, Proteomics, 9 (2009), 1893-1900; HK Ahn, BC Kim, SH Jun, MS Chang, D. Lopez-Ferrer, RD Smith, MB Gu, SW Lee, BS Kim and JB Kim, Biotechnol.Bioeng., 107 (2010), 917-923).

표면 기능성화, 생체분자의 고정화 및 화학 약물과 같은 유기 물질의 혼합은 그들의 다양한 유용성을 가능하게 하지만, 양자 점(quantum dot;이하, 'QD'라 함)과 같은 무기 물질의 혼입은 중합체 매트릭스에서 양자점의 응집 등으로 인하여 성공하기가 어렵다. 따라서 나노섬유 중합체 네트워크 내에서 양자점의 단일하고 균질한 분포를 가지는 것이 바람직하고 필요하다.Surface functionalization, immobilization of biomolecules, and mixing of organic materials such as chemical drugs enable their various usefulness, but incorporation of inorganic materials, such as quantum dots (hereinafter referred to as 'QD'), can be achieved in polymer matrices. It is difficult to succeed due to aggregation of quantum dots. It is therefore desirable and necessary to have a single, homogeneous distribution of quantum dots within a nanofiber polymer network.

나노결정 양자점은 독특한 광학적 스텍트럼 특성을 가지고 광안정적 형광단이고 표지, 이미징 및 센싱 분야에 광범위하게 사용된다. 중합체 매트릭스로 충진된 를 가지는 QDs를 가지는 전자방사로 제조된 나노섬유는 wave guides로서 사용될 수 있다(H. Liu, J. Edel, L. Bellan and H. G. Craighead, Small, 2 (2006), 495-499;Q. Yang, X. Jiang, F. Gu, Z. Ma, J. Zhang and L. Tong, J. Appl. Polym. Sci., 110 (2008), 1080-1084;M. Li, J. Zhang, H. Zhang, Y. Liu, C. Wang, X. Xu, Y. Tang and B. Yang, Adv. Funct. Mater., 17 (2007), 3650-3656). 광 아래에서 깜박거림의 독특한 특성은 양자점이 잘 분포되고 매질에서 단일 나노입자로 존재한다는 것을 나타낸다.Nanocrystalline quantum dots are photostable fluorophores with unique optical spectrum properties and are widely used in the fields of labeling, imaging and sensing. Nanofibers prepared by electrospinning with QDs filled with a polymer matrix can be used as wave guides (H. Liu, J. Edel, L. Bellan and HG Craighead, Small, 2 (2006), 495-499). Yang, X. Jiang, F. Gu, Z. Ma, J. Zhang and L. Tong, J. Appl.Polym. Sci., 110 (2008), 1080-1084; M. Li, J. Zhang , H. Zhang, Y. Liu, C. Wang, X. Xu, Y. Tang and B. Yang, Adv. Funct. Mater., 17 (2007), 3650-3656). The unique nature of flickering under light indicates that the quantum dots are well distributed and exist as single nanoparticles in the medium.

본 발명에서, 본 발명자들은 독특한 물리적인 특성을 가질 수 있는 그러한 신규한 나노섬유 나노복합물(nanocomposite)이 합성된다는 것을 보고한다. 그 합성된 섬유는 가스 센싱 분야 및 다른 형과 기반 기술에 이용될 수 유도된 전기적 특성을 가진다.In the present invention, we report that such novel nanofiber nanocomposites are synthesized which may have unique physical properties. The synthesized fibers have induced electrical properties that can be used in gas sensing applications and other mold and infrastructure technologies.

본 발명은 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 신규한 물리적인 특성을 가지는 나노섬유 복합물을 제공하는 것이다.The present invention has been made in view of the above necessity, and an object of the present invention is to provide a nanofiber composite having novel physical properties.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 양자점(Quantum Dot)을 포함하는 폴리스틸렌(PS)-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a polystyrene (PS) -poly (styrene-co-maleic hydride) nanofiber composite including a quantum dot.

또 본 발명은 상기 본 발명의 나노섬유 복합물을 포함하는 가스 센싱용 센서를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a sensor for gas sensing comprising the nanofiber composite of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 가스는 휘발성 유기 용매인 것이 바람직하고, 클로로포름,다이메틸포름아마이드(DMF) 또는 테트라하이드로푸란(THF)인 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the gas is preferably a volatile organic solvent, more preferably chloroform, dimethylformamide (DMF) or tetrahydrofuran (THF), but is not limited thereto.

또한 본 발명은 효소를 상기 본 발명의 나노섬유 복합물에 고정화한 효소-나노섬유 복합체를 제공한다.The present invention also provides an enzyme-nanofiber complex in which an enzyme is immobilized on the nanofiber complex of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 효소는 시중에서 구입할 수 있는 모든 효소가 가능하며, 에스터레이즈, 키모트립신 또는 리파제인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.In one embodiment of the present invention, the enzyme may be any enzyme commercially available, preferably esterase, chymotrypsin or lipase, but is not limited thereto.

또한 본 발명은 폴리스틸렌(PS)과 폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드)를 용기에 혼합하고,In addition, the present invention is to mix the polystyrene (PS) and poly (styrene-co-maleic hydride) in the container,

상기 용기에 다이메틸포름아마이드(DMF),테트라하이드로푸란 또는 테트라하이드로푸란과 아세톤의 혼합 용매를 첨가하고, 여기에 양자점을 첨가한 후 혼합하고, To the vessel is added a mixed solvent of dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran or tetrahydrofuran and acetone, to which a quantum dot is added and mixed,

상기 제조된 혼합 용액을 전자방사하는 단계를 포함하는 양자점(Quantum Dot)을 포함하는 폴리스틸렌(PS)-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물을 제조하는 방법을 제공한다.Provided is a method for preparing a polystyrene (PS) -poly (styrene-co-maleic hydride) nanofiber composite including a quantum dot comprising electrospinning the prepared mixed solution.

본 발명의 일 구현예에 있어서 상기 폴리스틸렌(PS)과 폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드)의 혼합비는 전기방사 및 용매를 넣는 양에 대한 조건이 달라질 수 있어서 다양한 조합이 가능하고, 본 발명의 실시예에서는 4:1 중량비인 것을 채택하였으하나 이에 한정되지 아니한다. In one embodiment of the present invention, the mixing ratio of the polystyrene (PS) and poly (styrene-co-maleic hydride) may vary depending on the amount of the electrospinning and the amount of the solvent, and various combinations are possible. In the embodiment of the invention is adopted that the 4: 1 weight ratio, but is not limited thereto.

이하 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.

전자방사(Electrospinning)은 신규한 복합 나노섬유를 생성하기 위한 중합체 매트릭스에서 양자점(이하, 'QDs'라 함)과 같은 나노입자를 분포하기 위한 효과적인 방법이다. Electrospinning is an effective method for distributing nanoparticles such as quantum dots (hereinafter referred to as 'QDs') in polymer matrices for producing novel composite nanofibers.

본 발명에서, ZnS 코어 쉘 QDs을 가지는 형광 CdSe를 Polystyrene (PS) 및 Polystyrene-co-maleic anhydride (PSMA)의 4:1의 비율로 그 섬유 내에 육안 상 비드 형성없이 혼합물 내에 성공적으로 분포되었다. 얻어진 나노섬유를 주사형 전자현미경 (SEM) 및 공초점 레이져 주사 현미경(CLSM)으로 특성화하였고 최종적으로 형광 측정을 단일한 크기 분포 및 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 PS-PSMA 나노섬유의 균일성을 평가하는데 사용되었다. PS-PSMA 나노섬유 내에 QD의 혼입은 여러 센싱 분야에 적용될 수 있는 전기 전도성을 유도하였으나, QDs를 Iron oxide 또는 금 나노입자(AuNPs)로 대체한 경우에는 유사한 전기 전도성이 관찰되지 않았다. 이 나노복합물 나노섬유는 또한 휘발성 유기 화합물의 존재 하에서 2에서 3배 증가된 전기 전도성을 나타내었다. 그 얻어진 양자점 나노섬유(이하, 'Qd-NFs'라 함)은 6개월 이상의 광안정성을 가지고 단일하게 분포하는 600~650 nm 두께를 가지고, 전기적 형광 또는 가스 기반 센싱 분야에 적용될 수 있다.In the present invention, fluorescent CdSe with ZnS core shell QDs was successfully distributed in the mixture at 4: 1 ratio of Polystyrene (PS) and Polystyrene-co-maleic anhydride (PSMA) without forming naked phase beads in the fibers. The resulting nanofibers were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and confocal laser scanning microscopy (CLSM), and finally the fluorescence measurements were performed to determine the uniformity of PS-PSMA nanofibers with a single size distribution and high aspect ratio. It was used to evaluate. Incorporation of QDs into PS-PSMA nanofibers induced electrical conductivity that could be applied to many sensing applications, but similar electrical conductivity was not observed when QDs were replaced with iron oxide or gold nanoparticles (AuNPs). These nanocomposite nanofibers also exhibited an electrical conductivity of two to three times increased in the presence of volatile organic compounds. The obtained quantum dot nanofibers (hereinafter, referred to as 'Qd-NFs') have a light stability of 600 to 650 nm that are uniformly distributed with light stability of 6 months or more, and can be applied to the field of electric fluorescence or gas-based sensing.

또한 본 발명자들은 효소 고정화를 위하여 전자방사 과정을 통해서 quantum dots (QDs)가 충진된 부직 패치 타입의 중합체 나노섬유를 개발하고 이를 적용하였다. 그 QDs는 나노섬유에서 형태 강직(rigidity) 및 고도의 컴팩트니스(compactness)를 유도하는 것으로 믿어진다. 나노섬유에서 관찰된 컴팩트니스 변화는 효소의 향상된 고정화 효율을 유도할 수 있다. 에스터레이즈-나노섬유 복합물은 나노섬유의 표면상에서 효소-응집체의 크로스 링킹에 의해서 제조된다. 본 발명자들은 QDs-나노섬유와 pristine 나노섬유의 반응속도 상수를 비교하였고 QDs-나노섬유 복합물은 심지어 장기간 보관한 경우에도 할성의 손상을 나타내지 않았으며 보존된 안정성을 가지고 재사용될 수 있었다. 본 발명에서 개발된 신규한 복합물 물질은 효소 고정화를 위한 스카폴드로 성공적으로 적용될 수 있었고 형태적 조절의 용이성으로 인하여 효소 기반 과정을 위한 매력적인 담체일 수 있었다.
In addition, the inventors have developed and applied a nonwoven patch type polymer nanofibers filled with quantum dots (QDs) through an electrospinning process for enzyme immobilization. The QDs are believed to induce shape rigidity and high compactness in nanofibers. Compactness changes observed in nanofibers can lead to improved immobilization efficiency of enzymes. Esterase-nanofiber composites are prepared by cross linking of enzyme-aggregates on the surface of nanofibers. We compared the reaction rate constants of QDs-nanofibers and pristine nanofibers, and the QDs-nanofiber composites did not show breakage of halide even after long-term storage and could be reused with preserved stability. The novel composite materials developed in the present invention could be successfully applied as scaffolds for enzyme immobilization and could be attractive carriers for enzyme based processes due to the ease of morphological control.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

나노입자 Nanoparticles PSPS -- PSMAPSMA 나노섬유의 합성 및 특성 Synthesis and Properties of Nanofibers

높은 종횡비 및 단일 크기를 가지는 육안상 비드 형성없는 PS-PSMA 나노섬유에 대한 조건은 다른 여러 용매에 녹인 PS 및 PSMA의 비율을 변경하고 다른 여러 작동 전압에서 전자방사하여 결정하였다. 신규 중합체 나노섬유 복합체를 제조하기 위하여, 두 다른 방출(녹색 및 적색) 형광 소수성(TOPO) 표면 변형된 CdSe/ZnS QDs를 사용되었다. QDs 캡슐회된 나노섬유 복합물을 얻기 위해서 각각의 두 QDs를 PS-PSMA 용액에서 균일하게 혼합하고 전자방사하였다. 도 1은 565nm에서 관찰된 것과 같이 강한 방출 피크를 가지는 녹색 형광 QDs PS-PSMA 나노섬유 및 PS-PSMA 나노섬유 단독의 방출 스펙트럽 사이의 비교를 나타낸다. PS-PSMA 나노섬유는 중합체 매트릭스 자체에 관련된 400~500 nm 파장 범위의 일정 정도의 자동 형광을 나타내었다. 반면에, QDs PS-PSMA 나노섬유는 나노섬유 내에서 캡슐화된 녹색 QDs의 방출과 일치하는 높은 방출 피크를 나타내었다. 다음 이 전자방사된 부직(nonwoven) 나노섬유를 PS-PSMA 중합체 나노섬유 내에 QD의 단일한 분포를 확인하기 위하여 형광 현미경을 통해서 관찰하였다. 도 2에 도시된 형광 현미경 사진은 전자방사된 몇 나노섬유의 대표적인 이미지이다. 본 발명자들은 녹색 및 적색 QD 모두가 PS-PSMA 나노섬유 길이 방향으로 균일하게 분포된 것을 발견하였다(도 2a 및 2b). 형광 현미경 사진은 전형적인 부직 QDs PS-PSMA 나노섬유 시트(sheet)에서 QD의 분포가 균일하다는 것을 보여준다(도 2c). 일부 QDs PS-PSMA 응집체가 전자방사 용액으로부터 온 droplets에 의해서 형성되지만 그것은 나노섬유 구조 부분이 아니다. 형광 이미지는 QDs가 나노섬유 복합물을 통해서 대부분 단일한 형광 강도로 단일하게 캡슐화된 것을 나타낸다. 도 3a는 600~700 nm 사이의 두께 범위를 가지는 PS-PSMA의 SEM 이미지를 나타내고, PS-PSMA 나노섬유의 직경은 적용된 유속 및 전위(potential)의 정확한 조절에 의해서 더욱 조절될 수 있다. 수 백 나노미터의 이 두께는 그들의 수력학적 반지름(hydrodynamic radii)이 중합체 매트릭스에서 ~100 nm 이하이기 때문에 나노입자 캡슐화를 고려할 때 바람직하다. 도 3b는 유도 상자성(induced paramagnetic property)을 나타내는 영구 자석에 쉽게 끌려가는 iron oxide PS-PSMA 나노섬유의 SEM 이미지를 나타내고, 유사하게 도 3c는 PS-PSMA만으로된 나노섬유와 비교하여 유사한 형태 및 종횡비를 가지고 나노섬유의 형태적인 안정성이 혼합에 사용된 나노입자의 성질과 무관하다는 것을 금 나노입자(AuNPs) 캡슐화된 AuNPs PS-PSMA 나노섬유가 보여준다. ~ 50 nm 이하 크기의 나노입자 캡슐화는 형광 녹색 QDs PS-PSMA 나노섬유 복합물의 SEM 현미경 사진을 나타내는 도 3d에서 관찰되고 나타낸 것과 같이 전자방사된 나노섬유 결과물의 형태에 영향을 주지 않고 그것은 원래 PS-PSMA 나노섬유와 외관상 아주 유사성을 나타낸다. 얻어진 형광 현미경 사진 및 SEM 이미지로부터, 전자방사 PS-PSMA 중합체 매트릭스는 나노입자의 부분적인 물리적인 특성으로 유도된 단일하고 높은 종횡비 나노섬유 복합물을 얻기 위해서 상 분리없는 나노입자를 캡슐화하기 위한 우수한 서포트 기반을 제공한다는 결론을 얻을 수 있다.
Conditions for PS-PSMA nanofibers without gross bead formation with high aspect ratio and single size were determined by varying the proportion of PS and PSMA dissolved in different solvents and electrospinning at different operating voltages. To prepare the novel polymeric nanofiber composites, two different emission (green and red) fluorescent hydrophobic (TOPO) surface modified CdSe / ZnS QDs were used. To obtain QDs encapsulated nanofiber composites, each of the two QDs was uniformly mixed and electrospun in a PS-PSMA solution. 1 shows a comparison between emission spectra of green fluorescent QDs PS-PSMA nanofibers and PS-PSMA nanofibers alone with strong emission peaks as observed at 565 nm. PS-PSMA nanofibers exhibited some degree of auto fluorescence in the 400-500 nm wavelength range associated with the polymer matrix itself. On the other hand, QDs PS-PSMA nanofibers showed a high emission peak consistent with the release of green QDs encapsulated in nanofibers. This electrospun nonwoven nanofibers were then observed through a fluorescence microscope to identify a single distribution of QDs in the PS-PSMA polymer nanofibers. The fluorescence micrograph shown in FIG. 2 is a representative image of several electrospun nanofibers. We found that both green and red QDs were uniformly distributed in the PS-PSMA nanofiber length direction (FIGS. 2A and 2B). Fluorescence micrographs show a uniform distribution of QDs in a typical nonwoven QDs PS-PSMA nanofiber sheet (FIG. 2C). Some QDs PS-PSMA aggregates are formed by droplets from an electrospinning solution, but they are not part of the nanofiber structure. Fluorescence images show that QDs are mostly encapsulated in a single fluorescence intensity throughout the nanofiber composite. 3A shows an SEM image of PS-PSMA having a thickness range between 600 and 700 nm, and the diameter of the PS-PSMA nanofibers can be further controlled by precise control of the applied flow rate and potential. This thickness of several hundred nanometers is desirable when considering nanoparticle encapsulation because their hydrodynamic radii is ˜100 nm or less in the polymer matrix. FIG. 3B shows an SEM image of iron oxide PS-PSMA nanofibers easily attracted to permanent magnets exhibiting induced paramagnetic properties, and similarly FIG. 3C shows similar morphology and aspect ratio compared to nanofibers with PS-PSMA only AuNPs encapsulated AuNPs PS-PSMA nanofibers show that the morphological stability of the nanofibers is independent of the nature of the nanoparticles used for mixing. Nanoparticle encapsulations of size up to 50 nm did not affect the morphology of the electrospun nanofiber result as observed and shown in FIG. 3D showing SEM micrographs of fluorescent green QDs PS-PSMA nanofiber composites. It is very similar in appearance with PSMA nanofibers. From the obtained fluorescence micrographs and SEM images, the electrospun PS-PSMA polymer matrix provides an excellent support base for encapsulating nanoparticles without phase separation to obtain a single, high aspect ratio nanofiber composite derived from the partial physical properties of the nanoparticles. It can be concluded that

PSPS -- PSMAPSMA 나노복합물 나노섬유의 전도성  Conductivity of Nanocomposite Nanofibers

PS-PSMA 중합체 매트릭스 내에 AuNPs, QDs 및 iron oxides와 같은 무기 나노입자를 혼합 후, 그 나노섬유 결과물은 나노섬유 복합물에 유도된 형광 및 상자성을 얻을 것이라고 전형적으로 기대된다. 유기 중합체는 통상 절연체이고 열가소성으로 사용되므로, PS 및 PSMA 중합체 모두는 천연 중에서 전기적으로 불활성이다. 얻어진 전자방사된 나노섬유 복합물을 AuNPs, iron oxide 및 QDs와 같은 전도성 필러를 내부적으로 삽입시켜서 유도된 전기 전도성을 테스트하였다. 부직 전자방사된 PS-PSMA 나노섬유 및 그것의 복합물의 시트 전도성을 단일한 두께 및 길이로 말고, 나노섬유의 중량을 일정하게 유지하여 측정하였다. 도 4는 PS-PSMA 나노섬유 및 그것의 복합물의 전류 대 전압(I-V) 그래프를 보여준다. 생각한 것과 같이, 그 PS-PSMA 나노섬유는 기반 중합체 매트리그가 자연 중에서 절연이기 때문에 전도성을 나타내지 않았다. 그러나 무기 iron oxide 또는 금속성 AuNPs 전도성 나노입자의 삽입에 의해서, iron-oxide PS-PSMA 및 AuNPs PS-PSMA 나노섬유 복합물 모두는 유사하게 비전도성을 나타내었다. 그러나 반도체 QDs는 도 4에 나타낸 것과 같이, PS-PSMA 중합체 매트릭스 내에 전기 전도성을 유도하였다. 전도성이 QDs PS-PSMA 나노섬유를 통해서 단일하다는 것을 입증하기 위해서, 여러 길이(1.5 mm에서 20 mm)의 나노섬유 시트 전도성을 프로브 스테이션을 사용하여 측정하였다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 전기 전도성은 Ohm의 법칙에 따라 나노섬유 길이 방향을 통해 균일하고 전도성은 1.15~1.65 x 10 -6 S/m 범위로 계산된 반면 PS 전도성은 10 -16 S/m이었다. 이것은 QDs가 PSMA 사이트 체인과 상호작용하여 전하 전달을 유도한다는 것을 추측할 수 있고; 이것은 QDs를 PS 나노섬유에서 캡슐화한 경우에 관찰되지 않았다(도시 안함). 그것은 충분히 많은 양이나 전하 전달을 유도하지 않았던 10 wt% iron oxide 나노분말과 비교하여 2 wt%의 QD는 PS-PSMA 중합체 매트릭스에서 전도성을 유도할 수 있다고 결론을 낼 수 있다.After mixing inorganic nanoparticles such as AuNPs, QDs and iron oxides in the PS-PSMA polymer matrix, the nanofiber results are typically expected to achieve fluorescence and paramagnetism induced in the nanofiber composites. Since organic polymers are usually insulators and used as thermoplastics, both PS and PSMA polymers are electrically inert in nature. The resulting electrospun nanofiber composite was tested for induced electrical conductivity by internally inserting conductive fillers such as AuNPs, iron oxide and QDs. The sheet conductivity of the nonwoven electrospun PS-PSMA nanofibers and composites thereof was measured at a constant thickness and length, with the weight of the nanofibers kept constant. 4 shows a current versus voltage (IV) graph of PS-PSMA nanofibers and composites thereof. As expected, the PS-PSMA nanofibers did not exhibit conductivity because the base polymer matrix is insulated in nature. However, by insertion of inorganic iron oxide or metallic AuNPs conductive nanoparticles, both iron-oxide PS-PSMA and AuNPs PS-PSMA nanofiber composites were similarly non-conductive. However, semiconductor QDs induced electrical conductivity in the PS-PSMA polymer matrix, as shown in FIG. 4. To demonstrate that the conductivity is single through the QDs PS-PSMA nanofibers, nanofiber sheet conductivity of various lengths (1.5 mm to 20 mm) was measured using a probe station. As can be seen in Figure 4, the electrical conductivity is uniform throughout the length of the nanofiber in accordance with Ohm's law, the conductivity is calculated in the range 1.15 ~ 1.65 x 10 -6 S / m while PS conductivity is 10 -16 S / m. This can be inferred that QDs interact with the PSMA site chain to induce charge transfer; This was not observed when QDs were encapsulated in PS nanofibers (not shown). It can be concluded that 2 wt% of QD can induce conductivity in the PS-PSMA polymer matrix compared to 10 wt% iron oxide nanopowders which did not induce large amounts or charge transfers.

가스 유도된 전도성 Gas induced conductivity

전도성 충진제로 채워진 나노복합물은 이용의 용이함 및 비용적 효과로 인하여 유기 증기 센싱 적용을 위한 유용한 물질일 수 있다. 가스 증기가 중합체 매트릭스로 확산할 때, 팽창이 매트릭스의 확장을 야기하여 일어나고 분자 내부의 거리가 전도성 충진제 사이에서 증가하여 전도성이 떨어진다. 전도성이 QDs PS-PSMA 나노섬유에서 관찰되기 때문에, 이들 물질들을 가스 센서로 적용성을 테스트하였다. 전류를 세 다른 유기 용매, THF (Tetrahydrofuran), 클로로포름 및 DMF (N, N-dimethylformamide) 증기로 닫힌 유리 챔버에서 측정하였다. 단지 PS-PSMA 나노섬유를 가스 센싱 측정에 대해서 수행하였을 때, 어느 유기 용매에서도 검출가능한 전도성이 측정되지 않았다. 도 5a-c는 0.001%에서 99.9%의 포화 분위기의 클로로포름 DMF 및 THF 증기의 영향 하에서 QDs PS-PSMA 나노섬유의 가스 전도성 실험 결과를 나타내었다. 용매 농도가 증가함에 따라 QDs PS-PSMA 나노섬유에서 전도성은 매우 안정한 출력으로 빠르게 증가하였다. 이 반응은 종종 유기 용매가 나노섬유에서 저항을 증가시킬 수 있다는 것과 매우 상반된다(A. R. Hopkins and N. S. Lewis, Anal. Chem., 73 (2001), 884-892). 가스 센싱 목적을 위해, QDs PS-PSMA 나노섬유는 DMF와 비교하여 클로로포름 및 THF 증기의 존재에서 더 높은 전도성을 나타내었다. 가스 센싱 실험 후, QDs PS-PSMA 나노섬유를 용매 증기 유도된 형태 변화가 있는지를 결정하기 위해서 조사하였다. 99.9 % 용매 증기 분위기에 노출시킨 후 그 나노섬유는 형태에서 눈에 띄는 변화를 나타내지 않았던 센싱 실험이었다(도시 안 함). 이 QDs PS-PSMA 나노섬유는 반응 시간이 수 초 이내인 휘발성 유기 용매의 존재하에 안정적인 전도성 반응을 나타내었고 이들 나노섬유는 6개월 이상의 전도성의 상실이 없는 가스 센서로 재사용될 수 있다.
Nanocomposites filled with conductive fillers may be useful materials for organic vapor sensing applications due to ease of use and cost effectiveness. When gas vapor diffuses into the polymer matrix, expansion occurs resulting in the expansion of the matrix and the distance inside the molecule increases between the conductive fillers, resulting in poor conductivity. Since conductivity was observed in QDs PS-PSMA nanofibers, these materials were tested for applicability with gas sensors. Current was measured in a closed glass chamber with three different organic solvents, THF (Tetrahydrofuran), chloroform and DMF (N, N-dimethylformamide) vapor. When only PS-PSMA nanofibers were performed for gas sensing measurements, no detectable conductivity was measured in any organic solvent. 5A-C show the results of gas conductivity experiments of QDs PS-PSMA nanofibers under the influence of chloroform DMF and THF vapor in a saturated atmosphere of 0.001% to 99.9%. As the solvent concentration increased, the conductivity in QDs PS-PSMA nanofibers increased rapidly with very stable output. This reaction is often in stark contrast to the fact that organic solvents can increase resistance in nanofibers (AR Hopkins and NS Lewis, Anal. Chem., 73 (2001), 884-892). For gas sensing purposes, QDs PS-PSMA nanofibers showed higher conductivity in the presence of chloroform and THF vapor compared to DMF. After gas sensing experiments, QDs PS-PSMA nanofibers were examined to determine if there was a solvent vapor induced morphological change. After exposure to 99.9% solvent vapor atmosphere, the nanofibers were sensing experiments which showed no significant change in morphology (not shown). The QDs PS-PSMA nanofibers exhibited stable conductive reactions in the presence of volatile organic solvents with a reaction time of several seconds or less and can be reused as gas sensors without loss of conductivity for more than six months.

QDQD 캡슐화된 나노섬유의 구조적 변화 Structural Changes of Encapsulated Nanofibers

나노섬유에서 QD 캡슐화에 의한 차이는 QD를 가지는 나노섬유가 pristine 나노섬유보다 더 빽빽하고 매우 적은 나노섬유 내부의 거리를 가지고 밀접하게 패킹된 도 6a 및 도 6b에서 명확하게 확인된다. 그것의 컴팩트니스를 야기하는 QD-나노섬유의 단일한 분포는 주로 그것의 빽빽하게 패킹된 나노섬유에 기인한다. QDs-나노섬유의 컴팩트니스 및 형태의 변화는 SEM 이미지에 의해서 확인되었고(도시 안함), QDs의 농도를 증가하여 유도되어지는 것으로 밝혀졌다. QDs의 도입 후 형태의 변화의 기작은 아직 명확하지는 않지만 QDs-중합체 혼합 용액에서 QD가 QDs-나노섬유의 형태 재형성에 기여할 것으로 생각된다. 도 6c는 나노섬유의 길이 방향으로 평행선으로 배열된 QDs의 TEM 이미지를 보여주며, 따라서 나노섬유가 전자방사로 제조된 나노섬유에 강직성을 부여하는 것으로 믿어진다. 도 6d는 작은 패치로 절단된 1.5 mm2 크기의 QDs-나노섬유의 사진을 보여준다. 높은 강직성 및 힘을 가진 QDs-나노섬유는 작은 힘으로 종이와 같이 쉽게 찍어진다는 것을 발견하였다. 그러나 pristine 나노섬유에 대해서는, 패치로 나노섬유의 조작이 낮은 밀도와 강직성을 보여주는 그것의 성질에 의하여 가능하지 않았다.The difference due to QD encapsulation in the nanofibers is clearly seen in FIGS. 6A and 6B where the nanofibers with QDs are denser than the pristine nanofibers and closely packed with very little distance inside the nanofibers. The single distribution of QD-nanofibers causing its compactness is mainly due to its tightly packed nanofibers. Changes in the compactness and morphology of QDs-nanofibers were confirmed by SEM images (not shown) and found to be induced by increasing the concentration of QDs. The mechanism of morphology change after introduction of QDs is not yet clear, but it is believed that QDs contribute to the morphological reshaping of QDs-nanofibers in QDs-polymer mixed solutions. 6C shows a TEM image of QDs arranged in parallel in the longitudinal direction of the nanofibers, so it is believed that the nanofibers impart rigidity to the nanofibers produced by electrospinning. 6D shows photographs of 1.5 mm 2 sized QDs-nanofibers cut into small patches. It has been found that QDs-nanofibers with high stiffness and strength are easily stamped like paper with little force. However, for pristine nanofibers, the manipulation of nanofibers with patches was not possible due to their properties showing low density and rigidity.

효소 고정화에 On enzyme immobilization QDQD 캡슐화된 나노섬유의 응용 Application of Encapsulated Nanofibers

나노섬유에서 QDs에 의하여 유도된 구조적 변화는 효소 고정화에 영향을 줄 수 있다. 본 발명자들은 동량의 에스터레이즈 및 동량의 나노섬유를 처리한 QD로 캡슐화된 에스터레이즈-나노섬유와 에스터레이즈-pristine 나노섬유 사이의 차이를 비교하여 QD로 캡슐화된 나노섬유의 효소 고정화 효율을 평가하기 위하여 반응속도 상수를 조사하였다. 고정화 후, QD로 캡슐화된 나노섬유의 표면 상에서 효소 응집을 SEM 현미경을 사용하여 확인하였다. 도 7 A, B, C, 및 D로부터, 나노섬유 상에 응집된 효소를 명확하게 볼 수 있었다. PS-PSMA 나노섬유는 소수성이기 때문에, 그들은 도 7E의 왼편에서 볼 수 있는 것과 같이 물에서 현탁시에 용액의 표면에 뜬다. 그러나 에스터레이즈-QDs-나노섬유 복합물의 경우에, 효소-QDs-나노섬유 복합물의 패치 타입은 도 7E의 오른 편에서 나타낸 것과 같이 버퍼에서 가라 앉는다. 그 물리적 특성의 관찰된 변화는 효소의 응집의 효율에 영향을 미친다. 표 1은 양 타입 사이의 차이를 보여준다. QDs 캡슐화된 나노섬유 상에 고정된 효소는 pristine 나노섬유의 값들과 비교하여서 너 높은 Vmax 및 더 낮은 Km 값들을 갖는다. Structural changes induced by QDs in nanofibers can affect enzyme immobilization. The present inventors compared the difference between esterase-nanofibers and esterase-pristine nanofibers treated with the same amount of esterase and the same amount of nanofibers to evaluate the enzyme immobilization efficiency of the QD-encapsulated nanofibers. The reaction rate constants were investigated. After immobilization, enzyme aggregation on the surface of the nanofibers encapsulated with QD was confirmed using SEM microscopy. From Figures A, B, C, and D, the enzyme aggregated on the nanofibers was clearly visible. Because PS-PSMA nanofibers are hydrophobic, they float on the surface of the solution upon suspension in water, as can be seen on the left side of FIG. 7E. However, in the case of esterase-QDs-nanofiber complexes, the patch type of enzyme-QDs-nanofiber complexes sinks in the buffer as shown on the right side of FIG. 7E. Observed changes in their physical properties affect the efficiency of enzymatic aggregation. Table 1 shows the difference between the two types. Enzymes immobilized on QDs encapsulated nanofibers have too high V max and lower K m values compared to those of pristine nanofibers.

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표 1은 QD로 캡슐화된 에스터레이즈-나노섬유 복합물과 에스터레이즈-pristine 나노섬유 복합물 에 대한 사이의 Lineweaver-Burke plot을 요약한 표이다.Table 1 summarizes the Lineweaver-Burke plot between the QD encapsulated esterase-nanofiber composites and the esterase-pristine nanofiber composites.

본 발명자들은 양 타입의 나노섬유 복합물의 저장 및 재생 안정성을 측정하였다. 도 8은 양 경우에 저장 및 재생 안정성을 보여주고, 그 고정화된 에스터레이즈는 10회 재생 반응에서 매우 안정하고 또는 50일 이상 그들의 초기 활성을 유지하였다. 이것은 강력한 효소 응집체가 효소가 용액으로 손실되는 것을 저해하고 더 변성도 되지 않는다는 사실에 기인할 수 있다. QDs-나노섬유 복합물의 컴팩트니스는 대부분의 효소가 응집될 수 있고 QDs-나노섬유의 표면 상에서 강력한 가교를 형성함에 따라서 고정화의 효율을 증가시킨다. 결론적으로, Vmax는 더 많은 양의 효소 로딩으로 인하여 나노섬유의 것에 비하여 더 높다. 비록 Vmax 가 더 높지만, 효소의 응집은 기질과 접촉에 영향을 미치고 버퍼 용액에서 변경된 형태 및 밀도에 의하여 다른 모드의 상호작용을 수반하여서 QDs-나노섬유 복합물의 Km이 pristine의 것에 비하여 더 작아진다.
We measured the storage and regeneration stability of both types of nanofiber composites. 8 shows storage and regeneration stability in both cases, and the immobilized esterases are very stable in ten regeneration reactions or maintained their initial activity for more than 50 days. This may be due to the fact that potent enzyme aggregates inhibit the loss of enzymes into solution and are no more denaturing. The compactness of the QDs-nanofiber composites increases the efficiency of immobilization as most enzymes can aggregate and form strong crosslinks on the surface of the QDs-nanofibers. In conclusion, V max is higher than that of nanofibers due to the higher amount of enzyme loading. Although V max is higher, the aggregation of enzymes affects contact with the substrate and is accompanied by different modes of interaction by altered morphology and density in the buffer solution so that the K m of the QDs-nanofiber complex is smaller than that of pristine. Lose.

본 발명에서 알 수 있는 바와 같이, QDs는 PS-PSMA 나노섬유에서 단일하게 분포되고 캡슐화되었다. 또한 이 새롭게 합성된 나노섬유는 전기적으로 전도성을 나타내었다. 이 전도성은 QDs 및 PSMA 사이드 체인 사이에 상호작용에 주로 기인한다. 후속 실험은 이들 QD PS-PSMA 나노섬유가 1 초 이하의 반응 시간을 가지는 유기 용매를 검출하는데 사용될 수 있다는 것을 나타내었다. 따라서 이들 나노섬유는 가스 센싱 응용에 사용될 수 있고, 신속한 반응 시간 및 오랜 내구성을 가진다는 것을 본 발명에서 보여주었다.As can be seen in the present invention, QDs were uniformly distributed and encapsulated in PS-PSMA nanofibers. The newly synthesized nanofibers were also electrically conductive. This conductivity is mainly due to the interaction between the QDs and the PSMA side chain. Subsequent experiments showed that these QD PS-PSMA nanofibers can be used to detect organic solvents having a reaction time of 1 second or less. Thus, these nanofibers can be used in gas sensing applications and have been shown in the present invention to have a fast reaction time and long durability.

또한 본 발명자들은 상 분리없이 전자방사 방법으로 QDs를 사용하여 유도된 강직성을 따라서 높은 종횡비를 부여하는 형태 개선가능한(reformable) 나노섬유를 성공적으로 개발하였다. 이 나노섬유 복합물의 컴팩트니스는 QD가 중합체 매트릭스에 균일하게 분포될때 사용된 QDs의 양에 의하여 변한다. 이 새로운 타입의 QDs-나노섬유는 그것의 제조에서 잘 조절되고 용이하게 원하는 형태로 성형될 수 있다. 그 변화된 성질은 나노섬유 상에서 고정화 효소의 효율에 영향을 준다. QDs-나노섬유 상에서 고정화된 에스터레이즈는 장기간 보존 시에도 활성의 손실이 없이 매우 안정하고, 재사용될 수 있다. 더욱이 그것의 활성에 감소를 나타내지 않는다. 그 패치 타입의 이 QDs-나노섬유는 고정화가 그것의 안정성을 증가시키므로 보편적으로 효소에 적용될 수 있을 것이다. The inventors have also successfully developed reformable nanofibers that impart high aspect ratios according to the stiffness induced using QDs in an electrospinning method without phase separation. The compactness of this nanofiber composite varies with the amount of QDs used when the QDs are uniformly distributed in the polymer matrix. This new type of QDs-nanofiber is well controlled in its manufacture and can easily be molded into the desired shape. The altered properties affect the efficiency of immobilized enzymes on nanofibers. Esterases immobilized on QDs-nanofibers are very stable and can be reused even with prolonged storage without loss of activity. Moreover, there is no decrease in its activity. These QDs-nanofibers of the patch type would be universally applicable to enzymes since immobilization increases its stability.

도 1은 PS-PSMA 나노섬유 및 QDs PS-PSMA 나노섬유의 방출 스펙트럼(350 nm에서 여기 파장)을 나타낸 그림.
도 2는 a) 저 밀도 부직 555 nm QDs PS-PSMA 나노섬유 ; b) 저 밀도 부직 605 nm QDs PS-PSMA 나노섬유 ; c)고 밀도 부직 605 nm QDs PS-PSMA 나노섬유 시트의 형광 현미경 이미지를 나타낸 그림.
도 3은 a) PS-PSMA 나노섬유; b) Iron oxide PS-PSMA 나노섬유; c) AuNPs PS-PSMA 나노섬유; d) QDs PS-PSMA 나노섬유의 SEM 이미지를 나타낸 그림.
도 4는 a) 1.5 mm x 1.0 mm Iron oxide PS-PSMA 나노섬유; b) 1.5 mm x 1.0 mm AuNPs PS-PSMA 나노섬유; c) 20 mm x1.0 mm QDs PS-PSMA 나노섬유; d) 10 mm x 1.0 mm QDs PS-PSMA 나노섬유; e) 5 mm x 1.0 mm QDs PS-PSMA 나노섬유; f) 3 mm x 1.0 mm QDs PS-PSMA 나노섬유; g) 1.5 mm x 1.0 mm QDs PS-PSMA 나노섬유의 I-V 특성을 나타낸 그림.
도 5는 담체 가스로 질소를 사용한 여러 다른 농도의 용매에서 1mg의 PS-PSMA QD 나노섬유의 a) Chloroform b) DMF c) THF 용매 증기의 존재에서 5V에서 5mm 접촉 거리에서 2-프로브 방법에 의한 전류 반응을 나타낸 그림.
도 6은 본 발명에서 QDs로 캡슐화된 PS-PSMA 나노섬유의 특성을 나타낸 그림. 도 6(a)는 PS-PSMA 나노섬유, 6(b)는 QD로 캡슐화된 PS-PSMA 나노섬유의 SEM 이미지, 도 6(c)는 QD로 캡슐화된 PS-PSMA 나노섬유의 절단면 TEM 이미지이고 도 6(d)는 QD로 캡슐화된 PS-PSMA 나노섬유의 디지털 이미지이다.
도 7은 에스터레이즈 고정화 전, QDs-나노섬유의 표면 상에 효소 코팅의 SEM 이미지이고, (c)와 (d)는 고정화 후의 이미지이며, (e)는 버퍼에서 고정화 후에 pristine 나노섬유와 QD-나노섬유의 디지털 이미지이다.
도 8은 나노섬유에 상에 고정화된 에스터레이즈의 안정성을 나타낸 것으로, (a) 에스터레이즈-QDs-나노섬유 복합물, 에스터레이즈-pristine 나노섬유 복합물 및 자유 조건의 에스터레이즈의 50일간 저장 안정성, (b) 에스터레이즈-QDs-나노섬유 복합 및 에스터레이즈-pristine 나노섬유 복합물의 10회 재사용 안정성을 나타낸 그림. 상대적인 활성은 0일에서 초기에 발견된 것과 비교하여 각 시간 지점에서 잔류 활성을 사용하여 계산되었다.
1 shows emission spectra (excitation wavelength at 350 nm) of PS-PSMA nanofibers and QDs PS-PSMA nanofibers.
2 is a) low density nonwoven 555 nm QDs PS-PSMA nanofibers; b) low density nonwoven 605 nm QDs PS-PSMA nanofibers; c) Fluorescence microscopy image of high density nonwoven 605 nm QDs PS-PSMA nanofiber sheet.
3 is a) PS-PSMA nanofibers; b) Iron oxide PS-PSMA nanofibers; c) AuNPs PS-PSMA nanofibers; d) SEM image of QDs PS-PSMA nanofibers.
4 is a) 1.5 mm x 1.0 mm Iron oxide PS-PSMA nanofibers; b) 1.5 mm x 1.0 mm AuNPs PS-PSMA nanofibers; c) 20 mm x 1.0 mm QDs PS-PSMA nanofibers; d) 10 mm × 1.0 mm QDs PS-PSMA nanofibers; e) 5 mm x 1.0 mm QDs PS-PSMA nanofibers; f) 3 mm × 1.0 mm QDs PS-PSMA nanofibers; g) IV characterization of 1.5 mm x 1.0 mm QDs PS-PSMA nanofibers.
FIG. 5 shows a) Chloroform b) DMF c) of 1 mg of PS-PSMA QD nanofibers in various concentrations of solvent using nitrogen as carrier gas by the 2-probe method at 5V contact distance at 5V in the presence of vapor. Figure showing current response.
Figure 6 is a figure showing the characteristics of PS-PSMA nanofibers encapsulated with QDs in the present invention. 6 (a) is a SEM image of PS-PSMA nanofibers, 6 (b) is PSD-PSMA nanofibers encapsulated with QD, and FIG. 6 (c) is a cross-sectional TEM image of PS-PSMA nanofibers encapsulated with QD. 6 (d) is a digital image of PS-PSMA nanofibers encapsulated with QD.
7 is an SEM image of an enzyme coating on the surface of QDs-nanofibers before esterase immobilization, (c) and (d) are images after immobilization, (e) pristine nanofibers and QD- after immobilization in buffer Digital image of nanofibers.
Figure 8 shows the stability of the esterase immobilized on the nanofibers, (a) 50 days storage stability of esterase-QDs-nanofiber composites, esterase-pristine nanofiber composites and esterase under free conditions, ( b) Figure 10 shows the reuse stability of esterase-QDs-nanofiber composites and esterase-pristine nanofiber composites. Relative activity was calculated using residual activity at each time point compared to that found initially at day zero.

이하 비한정적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 의도로 기재된 것으로서 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되지 아니한다.The present invention will now be described in more detail by way of non-limiting examples. The following examples are intended to illustrate the invention and the scope of the invention is not to be construed as being limited by the following examples.

본 발명에 사용된 Polystyrene (PS) (Mw

Figure pat00002
900,000, Pressure Chemical), Poly (styrene-co-maleic anhydride) (PSMA) (Mw
Figure pat00003
240,000, Aldrich), N, N-dimethylformamide (DMF) (99.8%, Sigma-Aldrich), Tetrahydrofuran (THF) (99.5%, Sigma-Aldrich), 클로로포름 (Aldrich), 및 CdSe/ZnS QDs ( 560/605 nm ). ZnS capped CdSe QDs(tri-n-octylphosphine oxide (TOPO) 및 octadecylamine (ODA) 표면 리간드로 코팅된)는 기존에 보고된 주지된 방법(J.Jack. Li, Y.A. Wang, W. Guo, J.C. Keay, T.D. Mishima, M.B. Johnson and X. Peng, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003))을 사용하여 제조되었다. 10 nm 구연산 안정화된 금 나노입자는 전에 공개된 프로토콜(M.-D. Li, W.-L. Tseng and T.-L. Cheng, J. Chromatogr. A, 1216 (2009), 6451-6458.)을 사용하여 합성되었다. Polystyrene (PS) (Mw) used in the present invention
Figure pat00002
900,000, Pressure Chemical), Poly (styrene-co-maleic anhydride) (PSMA) (Mw
Figure pat00003
240,000, Aldrich), N, N-dimethylformamide (DMF) (99.8%, Sigma-Aldrich), Tetrahydrofuran (THF) (99.5%, Sigma-Aldrich), Chloroform (Aldrich), and CdSe / ZnS QDs (560/605 nm) ). ZnS capped CdSe QDs (coated with tri- n -octylphosphine oxide (TOPO) and octadecylamine (ODA) surface ligands) have been reported previously known methods (J. Jack. Li, YA Wang, W. Guo, JC Keay, TD Mishima, MB Johnson and X. Peng, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003)). 10 nm citric acid stabilized gold nanoparticles are described in previously published protocols (M.-D. Li, W.-L. Tseng and T.-L. Cheng, J. Chromatogr. A, 1216 (2009), 6451-6458. Was synthesized.

실시예Example 1: 전자방사( 1: Electrospinning ( ElectrospinningElectrospinning ))

120 mg의 PS 및 30 mg의 PSMA 각각을 24 mL (VWR) 유리 병에 첨가하였다. 상기 유리 병에 2 mL의 DMF를 첨가하고 결과물 용액을 상온에서 2시간 정치하였다. 그 다음 50 ㎕ 클로로포름에 녹인 2nmol의 양자점을 첨가한 후 유리병을 28℃에서 1시간 소니케이션하였다. 그 용액을 짧게 볼텍싱하고 28℃에서 30분간 추가로 소니케이션하였다. A 1.5 mL aliquot의 상기 제조된 용액을 10 mL 주사기에 각각 로딩하였다. 주사기 바늘(23 게이지)을 실험실 스탠드의 클램프로 수직하게 고정하고 그 용액을 고 전압 파워 서플라이(Gamma high voltage Research, ES 시리즈)를 사용하여 전자방사하였다. 그 계산된 전자방상 유속은 2.5 mL/hr에 고정되고, 12 kV로 전압이 적용되고 팁에서 콜렉터까지 거리는 10 cm이었다. 알루미늄 호일이 덮힌 고정 사각 써모콘(thermocon) 박스 콜렉터를 QDs PS-PSMA 나노섬유를 수집하는데 사용하였다.Each of 120 mg PS and 30 mg PSMA was added to a 24 mL (VWR) glass bottle. 2 mL of DMF was added to the glass bottle and the resulting solution was allowed to stand at room temperature for 2 hours. Then, 2 nmol quantum dots dissolved in 50 μl chloroform were added, and the glass bottle was sonicated at 28 ° C. for 1 hour. The solution was briefly vortexed and further sonicated at 28 ° C. for 30 minutes. A 1.5 mL aliquot of the prepared solution was loaded into 10 mL syringes respectively. The syringe needle (23 gauge) was held vertically with the clamp of the laboratory stand and the solution was electrospun using a Gamma high voltage Research (ES series). The calculated radial flow rate was fixed at 2.5 mL / hr, voltage was applied at 12 kV and the distance from tip to collector was 10 cm. Fixed square thermocon box collectors covered with aluminum foil were used to collect QDs PS-PSMA nanofibers.

실시예Example 2: 특성 조사 2: characterization

형광 방출 스펙트럼을 350 nm UV 광의 여기 파장을 사용한 Fluoromax4 fluorometer (Horiba Jobin Yvon, Japan)의 도움으로 얻었다. 공 초점 스캐닝 현미경(CLSM) 및 Zeiss Axiovert 200 현미경(Zeiss LSM 510 스캐닝 장치(Carl Zeiss Co. Ltd., Germany)가 구비된)을 형광 현미경에 의한 나노섬유를 조사하는데 사용하였다. 나노섬유에 존재하는 QDs를 여기하기 위하여, 405-30nm UV 다이오드 레이져를 사용하였다. 스캐닝 전자 현미경(SEM) 측정은 10 kV의 승 전압에서 S-2360N (Hitachi Co.)을 사용하여 수행되었다.
Fluorescence emission spectra were obtained with the help of Fluoromax4 fluorometer (Horiba Jobin Yvon, Japan) using an excitation wavelength of 350 nm UV light. A confocal scanning microscope (CLSM) and Zeiss Axiovert 200 microscope (equipped with Zeiss LSM 510 scanning device (Carl Zeiss Co. Ltd., Germany)) were used to examine the nanofibers by fluorescence microscopy. In order to excite the QDs present in the nanofibers, a 405-30 nm UV diode laser was used. Scanning electron microscopy (SEM) measurements were performed using S-2360N (Hitachi Co.) at a voltage of 10 kV.

QDs-나노섬유의 형태를 주사 전자 현미경(SEM;S-2360N, Hitachi Co.)으로 조사하였다. TEM을 위해서, QDs-나노섬유를 Spurr 레진 (ERL 4221, DER®736, NSA 및 DMAE의 혼합물, TedPella Inc.)으로 혼합하고 8시간 동안 중합에서 충진하였다. 그 충진된 레진을 ultramicrotome (XTXL, Boeckeler Instruments, Inc)을 사용하여 100nm의 두께로 절편화하고 200 mesh 구리 그리드 상에 마운트하였다. 그 그리드를 120kV에서 TEM (Tecnai 12, Philips, Eithoven, Netherlands)으로 관찰하고 이미지를 CCD 카메라(Multiscan 600W, Gatan)로 얻었다.The morphology of QDs-nanofibers was examined by scanning electron microscopy (SEM; S-2360N, Hitachi Co.). For TEM, QDs-nanofibers were mixed with Spurr resin (ERL 4221, DER®736, a mixture of NSA and DMAE, TedPella Inc.) and filled in polymerization for 8 hours. The filled resin was sliced to a thickness of 100 nm using ultramicrotome (XTXL, Boeckeler Instruments, Inc) and mounted on a 200 mesh copper grid. The grid was observed at 120 kV with a TEM (Tecnai 12, Philips, Eithoven, Netherlands) and images were acquired with a CCD camera (Multiscan 600W, Gatan).

실험예Experimental Example 3: 전도성 측정 3: conductivity measurement

20 mm x 1 mm 나노섬유 복합물에 대한 시트 전도성을 프로브 스테이션(MS Tech, Korea)을 사용한 Keithley electrometer로 측정하였다. 그 접촉은 프로브 스테이션 바늘을 사용하여 만들었다.그 측정을 I-V 그래프 소프트웨어를 사용하여 기록하였다. 그 복합물의 가스 민감적 특성을 가스 챔버에 연결된 두 매스 흐름 컨트롤러로 구성된 커스텀 메이드 장치적 셋업을 사용하여 질소 가스(담체 가스) 및 유기 증기(Chloroform, DMF, THF) 사이에 주기적 변화에 대한 온라인 그들의 전기 반응을 기록하여 조사하였다. 나노섬유를 전도성에서 드롭을 관찰하기 위하여 실험의 말에 공기에 노출시켰다. 가스 증기 반응 측정을 PC에 Preamp (1211, DL Instruments)로 연결된 DAQPad-6015 (BNC-2090, National Instruments)로 수행하였다. 그 데이터를 LabVIEW 프로그램으로 기록하였다. 유기 증기에 ㄴ나난나노 섬유 복합물의 노출로 유발된 효과를 닫힌 유리 챔버에서 5 mm x 1 mm 나노섬유 복합물의 끝에 금 코팅된 악어 클립으로 연결하여 조사하였다. 증기를 생성하는데 사용된 용매들은 모두 분석등급(99.9% 순도)이었다.Sheet conductivity for 20 mm x 1 mm nanofiber composites was measured with a Keithley electrometer using a probe station (MS Tech, Korea). The contact was made using a probe station needle. The measurements were recorded using I-V graph software. The gas-sensitive properties of the composites were developed on-line for periodic changes between nitrogen gas (carrier gas) and organic vapors (Chloroform, DMF, THF) using a custom made instrumental setup consisting of two mass flow controllers connected to the gas chamber. The electrical reaction was recorded and investigated. Nanofibers were exposed to air at the end of the experiment to observe the drop in conductivity. Gas vapor reaction measurements were performed with a DAQPad-6015 (BNC-2090, National Instruments) connected to a PC via Preamp (1211, DL Instruments). The data was recorded in a LabVIEW program. The effects caused by exposure of the nanonananofiber composites to organic vapors were investigated by connecting gold coated crocodile clips to the ends of the 5 mm x 1 mm nanofiber composites in a closed glass chamber. The solvents used to generate the vapor were all analytical grade (99.9% purity).

실시예Example 4: 나노섬유 상 효소 고정화 4: Nanofiber Phase Enzyme Immobilization

효소 나노섬유 복합물을 제조하기 위하여, 본 발명자들은 안정한 에스터레이즈 나노섬유 복합체를 구축하기 위하여 J. H. Lee, E. T. Hwang, B. C. Kim, S. M. Lee, B. I. Sang, Y. S. Choi, J. Kim and M. B. Gu, Appl Microbiol Biot, 2007, 75, 1301-1307에 보고된 프로토콜을 일부 변형하여 제조하였다.In order to prepare enzyme nanofiber composites, the present inventors used JH Lee, ET Hwang, BC Kim, SM Lee, BI Sang, YS Choi, J. Kim and MB Gu, Appl Microbiol Biot to construct stable esterase nanofiber composites. , 2007, 75 , 1301-1307, were made with some modifications to the protocol.

요약하면, 에스터레이즈 용액을 100 mM 인산 버퍼(pH 8.0) 내에서 10 mg/mL으로 제조하였다. 배양을 위해, 1 cm X 1 cm로 QD-나노섬유를 절단하고 유리병에서 1 mL의 효소 용액과 혼합하고 상온에서 30분간 200 rpm에서 볼텍싱하였다. 그 후에 그 유리병을 4℃에서 2시간 동안 60 rpm에서 교반하였다. 효소 응집을 위해, 그 효소를 먼저 그 유리병에 1.5 wt% gluteraldehyde 및 0.5 g ammonium sulfate을 포함하는 2mL 용액을 첨가하여 응집시키고 상온에서 2시간 동안 200 rpm에서 교반시킨 후 4℃에서 락커(30 rpm) 상에서 밤새 배양하였다. 다음 날, 모든 용액을 버리고 gluteraldehyde로 코팅된 잔류 효소-나노섬유 복합물을 새 유리병으로 옮기고 100 mM 인산 버퍼로 짧게 세척하고, gluteraldehyde 상에 잔류하는 결합되지 않은 작용기를 100 mM Tris-Cl (pH 7.8)로 캡핑하였다. 캡핑 후, 그 나노섬유 복합물을 10 mM 인산 버퍼(pH 6.5)로 3회 세척하였다. 상기 제조된 효소 나노섬유 복합물을 2 mL의 10 mM 인산 버퍼(pH 6.5)에 분산하고 추가 사용 시까지 4℃에서 저장하였다. In summary, esterase solutions were prepared at 10 mg / mL in 100 mM phosphate buffer, pH 8.0. For incubation, QD-nanofibers were cut to 1 cm × 1 cm, mixed with 1 mL of enzyme solution in a glass bottle and vortexed at 200 rpm for 30 minutes at room temperature. The vial was then stirred at 60 rpm for 2 hours at 4 ° C. For enzymatic agglomeration, the enzyme was first agglomerated by adding a 2 mL solution containing 1.5 wt% gluteraldehyde and 0.5 g ammonium sulfate to the vial and stirred at 200 rpm for 2 hours at room temperature, followed by lacquer (30 rpm) at 4 ° C. Incubated overnight). The next day, discard all solutions and transfer the remaining enzyme-nanofiber complex coated with gluteraldehyde to a new glass bottle, wash briefly with 100 mM phosphate buffer, and remove the unbound functional groups on gluteraldehyde with 100 mM Tris-Cl (pH 7.8). Capping). After capping, the nanofiber complexes were washed three times with 10 mM phosphate buffer, pH 6.5. The prepared enzyme nanofiber complex was dispersed in 2 mL of 10 mM phosphate buffer (pH 6.5) and stored at 4 ° C. until further use.

실시예Example 5: 활성 및 안정성 측정 5: activity and stability measurements

효소-QDs-나노섬유 복합물의 생물학적가용능을 생체유용성을 N, N-dimethylformamide에 녹아있는 p-nitrophenyl butyrate의 가수분해로부터 p-nitrophenol의 생성을 모니터하여 체크하였다. 요약하면 N, N-dimethylformamide에 녹아있는 20 ㎕의 50 mM p-nitrophenyl butyrate를 포함하는 1.98 mL의 100 mM 인산 버퍼(pH 6.5)를 기질로 제조하였다. 그 고정화된 에스터레이즈를 포함하는 QDs-나노섬유 복합물을 상기 기질 용액에 분산하고 200 rpm에서 교반하였다. 짧은 반응 후, 초기 활성을 A400 nm vs 시간으로부터 계산하고, 그 흡광도를 p-nitrophenol의 농도로 계산하였다. 안정성 실험을 위해, 활성 측정 후, QD 충진된 나노섬유 상에 고정화된 에스터레이즈를 100 mM 인산 버퍼 (pH 6.5)로 3회 세척하고 추후 사용을 위해 상온에서 보관하였다. 동일한 실험 프로토콜을 본 발명자가 반복적인 사용 동안 에스터레이즈-나노섬유 복합물의 안정성을 측정할 때 사용하였다. One unit (U)의 에스터레이즈 활성을 어세이 조건 하에서 1 μmol p-nitrophenol/분을 해리하는 효소의 양으로 정의하였다. 모든 샘플들을 에러 분석을 위해서 3회 반복 수행하였다. 그 결과의 표준편차는 그래프 상에서 에러 바로 나타내었다.
The bioavailability of the enzyme-QDs-nanofiber complex was checked by monitoring the production of p-nitrophenol from hydrolysis of p-nitrophenyl butyrate dissolved in N, N-dimethylformamide. In summary, 1.98 mL of 100 mM phosphate buffer (pH 6.5) containing 20 μl of 50 mM p-nitrophenyl butyrate dissolved in N, N-dimethylformamide was prepared as a substrate. The QDs-nanofiber composite comprising the immobilized esterase was dispersed in the substrate solution and stirred at 200 rpm. After a short reaction, the initial activity was calculated from A400 nm vs time and the absorbance was calculated as the concentration of p -nitrophenol. For stability experiments, after measuring activity, the esterases immobilized on QD filled nanofibers were washed three times with 100 mM phosphate buffer (pH 6.5) and stored at room temperature for later use. The same experimental protocol was used when we measured the stability of esterase-nanofiber composites during repeated use. Esterase activity of one unit (U) was defined as the amount of enzyme that dissociates 1 μmol p -nitrophenol / min under assay conditions. All samples were repeated three times for error analysis. The standard deviation of the results is shown as an error bar on the graph.

Claims (7)

양자점(Quantum Dot)을 포함하는 폴리스틸렌(PS)-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물.Polystyrene (PS) -poly (styrene-co-maleic hydride) nanofiber composite including Quantum Dot. 제 1항의 나노섬유 복합물을 포함하는 가스 센싱용 센서.Gas sensing sensor comprising the nanofiber composite of claim 1. 제 2항에 있어서, 상기 가스는 휘발성 유기 용매인 것을 특징으로 하는 가스 센싱용 센서.The gas sensing sensor of claim 2, wherein the gas is a volatile organic solvent. 효소를 제 1항의 나노섬유 복합물에 고정화한 효소-나노섬유 복합체. An enzyme-nanofiber complex in which an enzyme is immobilized on the nanofiber complex of claim 1. 제 4항에 있어서, 상기 효소는 에스터레이즈, 키모트립신 또는 리파제인 것을 특징으로 하는 효소-나노섬유 복합체.The enzyme-nanofiber complex according to claim 4, wherein the enzyme is esterase, chymotrypsin or lipase. 폴리스틸렌(PS)과 폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드)를 용기에 혼합하고,
상기 용기에 다이메틸포름아마이드(DMF),테트라하이드로푸란 또는 테트라하이드로푸란과 아세톤의 혼합 용매를 첨가하고, 여기에 양자점을 첨가한 후 혼합하고,
상기 제조된 혼합 용액을 전자방사하는 단계를 포함하는 양자점(Quantum Dot)을 포함하는 폴리스틸렌(PS)-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물을 제조하는 방법.
Mix polystyrene (PS) and poly (styrene-co-maleic hydride) into the vessel,
To the vessel is added a mixed solvent of dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran or tetrahydrofuran and acetone, to which a quantum dot is added and mixed,
Method for producing a polystyrene (PS) -poly (styrene-co-maleic hydride) nanofiber composite comprising a quantum dot (Quantum Dot) comprising the step of electrospinning the prepared mixed solution.
제 6항에 있어서 상기 폴리스틸렌(PS)과 폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드)의 혼합비는 4:1 중량비인 것을 것을 특징으로 하는 양자점(Quantum Dot)을 포함하는 폴리스틸렌(PS)-폴리(스틸렌-코-말레익 언하이드라이드) 나노섬유 복합물을 제조하는 방법.
The polystyrene (PS) -poly containing a quantum dot (dot) characterized in that the mixing ratio of the polystyrene (PS) and poly (styrene-co-maleic anhydride) is 4: 1 weight ratio (Styrene-co-maleic hydride) A method of making a nanofiber composite.
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