KR20120116711A - Method for photochemical regenerating oxidoreductase cofactor using nanotubular metal oxide-inorganic photosensitizer complex - Google Patents

Method for photochemical regenerating oxidoreductase cofactor using nanotubular metal oxide-inorganic photosensitizer complex Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A photochemical recycling method of oxidoreductase cofactor using nano-tube formed metal oxide-inorganic photo active compound composite is provided to effectively recycle the cofactor by converting photo energy into electrical energy. CONSTITUTION: A photochemical recycling method of oxidoreductase cofactor comprises the following step: manufacturing reduction type oxidoreductase cofactor by irradiating lights on the same. The nano-tube formed metal oxide-inorganic photo active compound composite is manufactured by the following steps: manufacturing a nano-tube formed metal oxide through cathode oxidation process; and coating the nano-tube formed metal oxide with inorganic photo active compound by using SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) process. The inorganic photo active compound is CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP or GaAs. The metal-oxide is TiO2, SiO2, Fe2O3, IrO2, Co3O4 or WO3. The oxidation oxidoreductase cofactor is NAD+, NADP+, FAD+ or FMN+. The oxidoreductase cofactor reproduction solvent additionally contains a redox mediator.

Description

나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체를 이용한 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법{Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Nanotubular Metal Oxide-Inorganic Photosensitizer Complex}Method for Photochemical Regenerating Oxidoreductase Cofactor Using Nanotubular Metal Oxide-Inorganic Photosensitizer Complex}

본 발명은 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체를 이용한 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 산화형 산화환원 효소 보조인자, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체 및 희생전자 주개를 함유하는 산화환원 효소 보조인자 재생용액에 빛을 조사하여 환원형 산화환원 효소 보조인자를 생성시키는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a photochemical regeneration method of a redox enzyme cofactor using a metal oxide-inorganic photosensitive complex in nanotube form, and more specifically, a redox oxide coenzyme cofactor, a metal oxide in nanotube form- The present invention relates to a photochemical regeneration method of a redox enzyme cofactor which generates a reduced redox enzyme cofactor by irradiating light to a redox enzyme cofactor regeneration solution containing an inorganic photosensitizer complex and a sacrificial electron donor.

효소를 이용한 촉매 반응은 화학 촉매와는 달리 부산물 없이 특정 물질만을 생산하는 것이 가능하여 산업적으로 반드시 필요한 정밀 화학물질을 생산하는데 있어 중요한 역할을 담당한다. 특히, 글루타민산탈수소효소(GDH, glutamate dehydrogenase), 알코올탈수소효소(ADH, alcohol dehydrogenase), 젖산탈수소효소(LDH, lactate dehydrogenase)와 같은 산화환원 효소들은 chiral compound나 alchol, aldehyde, amino acid 등 고가의 정밀 화학물질들을 생산하는데 주로 쓰여 그 활용 가치가 매우 높다.Catalytic reactions using enzymes, unlike chemical catalysts, are capable of producing only certain substances without by-products, and thus play an important role in producing industrially necessary fine chemicals. In particular, redox enzymes such as glutamate dehydrogenase (GDH), alcohol dehydrogenase (ADH), lactate dehydrogenase (LDH), and the like, are expensive and precise such as chiral compounds, alchol, aldehyde, and amino acid. It is mainly used to produce chemicals and its use value is very high.

효소는 단백질로 이루어진 주효소(apoenzyme)와 조효소(coenzyme)로 이루어지며, 상기 조효소는 금속이온 여부에 따라 보조인자(cofactor) 또는 보결족(prosthetic group)으로 구분된다. 우리가 통상적으로 말하는 조효소는 엄밀하게는 보조인자(cofactor)를 말하는 것으로서, 상기 보조인자는 기질로부터 이탈된 원자나 원자단을 일시적으로 수용하여 다른 물질에 전달하는 역할을 한다.The enzyme consists of a main enzyme (apoenzyme) and coenzyme (coenzyme) consisting of proteins, the coenzyme is divided into cofactors or prosthetic groups depending on whether the metal ion. Coenzyme, as we usually refer to, refers strictly to a cofactor, which temporarily accepts atoms or groups of atoms released from a substrate and delivers them to other materials.

특히, 산화환원 효소를 이용한 생체촉매 반응에서 보조인자는 reducing equivalent로 작용하기 때문에 효소 반응 수행에 매우 중요한 역할을 한다. 하지만 산화 또는 환원의 두 가지 형태를 가지는 보조인자는 다른 하나의 상태로 변환이 되면 더 이상 효소 반응에 사용할 수 없기 때문에 항상 효소기질과 동일한 양을 사용해야 하는데, 보조인자가 상당한 고가임을 고려했을 때 실제 산업에서 사용되기에는 경제적인 측면에서 어려움이 많다. In particular, the cofactor plays a very important role in performing the enzymatic reaction because the cofactor acts as a reducing equivalent in the biocatalytic reaction using the redox enzyme. However, cofactors having two forms of oxidation or reduction cannot always be used for enzymatic reactions when they are converted to another state, so they should always use the same amount as the enzyme substrate. There are many economic difficulties to use.

따라서, 보조인자를 재생하여 다시 사용하기 위한 연구가 진행되었으며, 대표적인 방법으로는 제 2 효소를 사용한 생화학적 방법과 전기화학적 방법이 있다. 이 중 제 2 효소를 사용한 생화학적 방법은 제 2 효소의 반응에 따른 부산물이 형성되거나 기질 간의 경쟁에서 야기되는 낮은 열역학적 평형으로 전체 반응 속도가 감소하는 등 많은 문제점을 가지고 있다. 이에, 전기화학적 재생(electrochemical regeneration)은 기존의 제 2 효소를 사용한 생화학적 방법을 대체할 수 있는 하나의 매력적인 방법으로 여겨져 왔다 (F. Hollmann et al., Biocatal. Biotransform., 22, 63, 2004). 하지만 전기화학적 재생방법에서도 NAD(P)+의 NAD(P)H로의 환원이 열역학적으로 선호되는 전압조건에서도 전극과 NAD(P)+사이의 느린 전자전달 속도로 인하여 재생 효율이 떨어지는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 균등질의 산화환원 매개체(mediator)를 사용하여 전극과 NAD(P)+사이에 전자를 전달하는 방법이 개발된 바 있다 (H. Jaegfeldt et al., Anal. Chem., 53:1979, 1981; J. Wang et al., Anal. Chim. Acta, 284:385, 1993; J. Wang et al., Anal. Chim. Acta, 360:171, 1998). Therefore, researches for regenerating and reusing cofactors have been conducted. Representative methods include biochemical and electrochemical methods using a second enzyme. Among them, the biochemical method using the second enzyme has a number of problems such as the formation of by-products according to the reaction of the second enzyme or a decrease in the overall reaction rate due to low thermodynamic equilibrium caused by competition between substrates. Thus, electrochemical regeneration has been considered as an attractive alternative to biochemical methods using conventional second enzymes (F. Hollmann et al., Biocatal. Biotransform., 22, 63, 2004 ). However, electrochemical regeneration method had in NAD (P) + NAD (P ) reduced the disadvantage in the voltage condition is thermodynamically favored due to slow the electron transfer rate between the electrode and the NAD (P) + poor reproduction efficiency to H in. To solve this problem, a method of transferring electrons between an electrode and NAD (P) + using a homogeneous redox mediator has been developed (H. Jaegfeldt et al., Anal. Chem., 53: 1979). , 1981; J. Wang et al., Anal. Chim. Acta, 284: 385, 1993; J. Wang et al., Anal. Chim. Acta, 360: 171, 1998).

구체적으로, 메틸비올로겐(methyl viologen)이 NAD(P)H에 대한 전자전달 매개체로써 Flavoenzyme(Ferredoxin reductase(FDR) 혹은 Lipoamide Dehydrogenase(LipDH))과 함께 간접적인 전기화학적 재생에 사용된 바 있으며(Dicosimo et al., J Org Chem, 46:4622, 1981), 루테늄(II) 복합체인 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)을 케톤류의 알콜로의 환원에 전자전달을 위한 매개체로 사용된 바 있고(Ogo S et al., Organometallics, 21:2964, 2002; Yaw Kai Yan et al., J Biol Inorg Chem, 11:483, 2006), 로듐 (III) 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III):[Cp*Rh(bpy)H2O]2+(이하 Mox)를 NAD(P)+에의 전자전달을 위한 매개체로 사용한 바 있으며(R. Ruppert et al., Tetrahedron Lett., 28:6583, 1987; F. Hollmann, et al., Angew. Chem., 113:190, 2001; Angew. Chem. Int. Ed., 40:169, 2001; K. Vuorilehto et al., Bioelectrochemistry, 65:1, 2004), 상기 로듐 III 복합체를 FADH2의 재생에 사용한 바 있다 (F. Hollmann et al ., Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic , 19-20:167, 2003).Specifically, methyl viologen has been used for indirect electrochemical regeneration with Flavoenzyme (Ferredoxin reductase (FDR) or Lipoamide Dehydrogenase (LipDH)) as an electron transfer medium for NAD (P) H ( Dicosimo et al., J Org Chem, 46: 4622, 1981), electron transfer of ruthenium (II) complex (hexamethylbenzene-2,2′-bipyridinechloro) ruthenium (II) to reduction of ketones with alcohols (Ogo S et al., Organometallics, 21: 2964, 2002; Yaw Kai Yan et al., J Biol Inorg Chem, 11: 483, 2006) and the rhodium (III) complex (Penta) Methylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III): mediator for electron transfer of [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ (hereinafter M ox ) to NAD (P) + (R. Ruppert et al., Tetrahedron Lett., 28: 6583, 1987; F. Hollmann, et al., Angew. Chem., 113: 190, 2001; Angew. Chem. Int. Ed., 40: 169, 2001; K. Vuorilehto et al., Bioelectrochemistry, 65: 1, 2004), The rhodium III complex has been used for the regeneration of FADH 2 (F. Hollmann et. al ., Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic , 19-20: 167, 2003).

상기 전자전달 매개체 중에서 로듐 III 복합체 Mox는 전기화학/화학적 과정을 거쳐 활성 환원체인 Mred2로 변환되어 NADH의 재생에 관여한다. Mox는 두 개의 전자를 받아들여 전기화학적인 변화로 Mred1의 상태가 된다(E-step). 이어서 상기 Mred1은 총 전자의 양은 변하지 않고 용액 상에서 하나의 양성자를 취함으로써 화학적인 과정을 통해 Mred2로 변환된다(C-step). 상기 활성 환원체인 Mred2는 전자 두 개와 양성자 하나를 NAD(P)+에 제공하여 NAD(P)H로 변환시키고, 이때 자신은 초기상태인 Mox로 돌아가게 된다. The rhodium III complex M ox in the electron transport medium is converted into M red2 , an active reducing agent , through electrochemical / chemical processes and is involved in the regeneration of NADH. M ox accepts two electrons and becomes the state of M red1 by an electrochemical change (E-step). The M red1 is then converted to M red2 through a chemical process by taking one proton in solution without changing the total amount of electrons (C-step). The active reductant M red2 provides two electrons and one proton to NAD (P) + to convert to NAD (P) H, where it returns to its initial state, M ox .

그러나 전기화학적인 재생방법은 본질적으로 전극의 표면적에 절대적으로 의존적인 수득율을 보여 생산력에 한계를 보이는 단점이 있다. 넓은 표면적의 전극을 사용하면 그만큼 높은 반응 속도와 생산력을 얻을 수 있으나 그에 따르는 기반설비 비용이 증가하게 되어 대량 생산에 어려움이 있다. However, the electrochemical regeneration method has a disadvantage in that the productivity is limited since the yield is essentially dependent on the surface area of the electrode. The use of a large surface area electrode can achieve such a high reaction rate and productivity, but there is a difficulty in mass production due to an increase in the infrastructure cost.

한편, 빛을 이용한 광화학적 보조인자 재생은 자연계에서 광합성이라는 이름으로 이미 사용되고 있는 방법이다. 식물 등 자연계의 광합성 생물체들은 태양에너지를 이용해 환원력을 재생해 보조인자(cofactor)라는 형태로 저장하고, 이렇게 재생된 보조인자 등을 빛이 없을 때 캘빈 사이클(calvin cycle)을 통해 생존에 필요한 탄수화물 등 각종 화학물질들을 합성하는 데 이용한다.On the other hand, photochemical cofactor regeneration using light is already used in the name of photosynthesis in nature. Natural photosynthetic organisms such as plants regenerate reducing power using solar energy and store them in the form of cofactors, and carbohydrates necessary for survival through the Calvin cycle in the absence of light Used to synthesize various chemicals.

광감응제를 통하여 태양광으로부터 에너지를 얻는 광화학적 재생법의 특성상 광감응제가 가능한 많은 양의 에너지를 태양광으로부터 흡수해야 하는데, 지금까지 사용했던 TiO2, ZrO2, SrTiO3, Ta2O5 등의 금속산화물 광감응제는 주로 자외선 영역의 빛을 흡수하는데 알맞은 물질이었다. 자외선 영역의 에너지가 전체 태양광 에너지의 4%에 해당한다는 사실을 고려할 때, 46%를 차지하는 가시광 영역을 흡수하는 새로운 광감응제의 개발은 필수이다.Due to the nature of the photochemical regeneration method that obtains energy from sunlight through the photosensitizer, the photoresist must absorb as much energy as possible from the sun. TiO 2 , ZrO 2 , SrTiO 3 , Ta 2 O 5 Metal oxide photosensitive agents such as these were mainly suitable for absorbing light in the ultraviolet region. Given the fact that the energy in the ultraviolet region corresponds to 4% of the total solar energy, the development of new photosensitizers that absorb 46% of the visible region is essential.

이에 비해 나노 입자들은 입자 크기를 조절함으로써 광학적 특성을 쉽게 조절할 수 있고, 저온에서 상대적으로 싼 값에 합성할 수 있으며, 부피에 비해 표면적이 넓다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들로 인해 나노 입자들은 multicolor optical coding, biological imaging, optoelectronic device 등 다양한 분야에 사용되고 있으며, 그 중에서도 CdS, CdSe, CdTe 나노 입자는 최근 각광받고 있는 태양전지에 많이 사용되고 있다. 이들 나노 입자의 높은 흡광 계수는 태양전지가 많은 양의 빛을 흡수할 수 있도록 도와주며, 뛰어난 광안정성은 오랜 기간 태양전지의 안정적인 사용이 가능하도록 해준다.On the other hand, nanoparticles have the advantage of being able to easily adjust the optical properties by controlling the particle size, synthesize at a relatively low value at low temperature, and has a large surface area compared to the volume. Due to these advantages, nanoparticles are used in various fields such as multicolor optical coding, biological imaging, and optoelectronic devices, and among them, CdS, CdSe, and CdTe nanoparticles have been widely used in solar cells that are in the spotlight recently. The high absorption coefficients of these nanoparticles help the solar cells absorb large amounts of light, and their excellent light stability enables long-term stable use of the solar cells.

한편, 무기물의 나노튜브는 광전자와 나노유체역학 분야에 적용하기 유리한 여러 특성들을 지니고 있다. 나노튜브들은 1-100nm의 안지름을 가지도록 조절할 수 있으며, 구조적으로 견고하고, 내부와 외부의 표면을 기능화 시키기 쉽다. 또한 조성과 종횡비의 조절이 가능하다. 특히 이온적 그리고 정전기적 분위기를 시공간적으로 조절할 수 있기 때문에, 펨토 리터의 부피를 가지고 생물학적, 화학적 분석이 가능한 도구를 만들 수 있다. 단일 나노튜브 트랜지스터를 이용하면 전하를 띠는 소량의 화학종이나 단일 생물학적 분자를 감지해 낼 수 있다. 금속 산화물 반도체의 field effect 트랜지스터와 유사하게, 나노유체 트랜지스터는 단일 분자를 정확하게 조정할 수 있는 집적된 나노유체 회로를 구성하기 위한 기본 단위를 형성할 수 있다. (C.N.R. Rao et al., Dalton Trans., 1, 2003; J. Goldberger et al,. Acc. Chem. Res., 39:239, 2006; 한국에너지기술연구원, '금속산화물의 나노튜브')On the other hand, inorganic nanotubes have several properties that are advantageous for application in the field of optoelectronics and nanohydrodynamics. Nanotubes can be adjusted to have an inner diameter of 1-100 nm, structurally robust, and easy to functionalize the interior and exterior surfaces. It is also possible to adjust the composition and aspect ratio. In particular, the ionic and electrostatic atmospheres can be controlled in time and space, creating a femto-liter volume for biological and chemical analysis. Single nanotube transistors can be used to detect small amounts of charged species or single biological molecules. Similar to field effect transistors in metal oxide semiconductors, nanofluidic transistors can form the basic units for building integrated nanofluidic circuits that can precisely tune a single molecule. (CNR Rao et al., Dalton Trans., 1, 2003; J. Goldberger et al., Acc. Chem. Res., 39: 239, 2006; Korea Institute of Energy Research, 'Metal Oxide Nanotubes' )

본 발명자들은 효율적으로 산화환원 효소 보조인자를 재생시키는 방법으로서, 구형의 형태를 가지는 무기 광감응제-금속산화물 복합체를 이용하여 보조인자를 재생시키는 방법을 개발하였으며(대한민국 특허 제 10-2010-0047832 호), 더욱 효율적인 산화환원 효소 보조인자의 재생방법에 대한 연구를 진행 중이다.The present inventors have developed a method for efficiently regenerating a redox enzyme cofactor, by using a spherical inorganic photosensitive-metal oxide complex to regenerate a cofactor (Korean Patent No. 10-2010-0047832). Ho), we are working on a more efficient method of regeneration of redox enzyme cofactors.

이에, 본 발명자들은 광화학적인 방법을 이용하여 높은 효율로 산화한원 효소 보조인자를 재생하는 방법을 개발하고자 예의 노력한 결과, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체를 이용하여, 보조인자를 재생하는 경우, 효율적으로 산화환원 효소 보조인자를 광화학적으로 재생할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
Accordingly, the present inventors have made intensive efforts to develop a method for regenerating oxidative enzyme enzyme cofactors with high efficiency by using a photochemical method. As a result, the cofactors using the metal oxide-inorganic photosensitizer complex in the nanotube form In the case of regeneration, it has been confirmed that the redox enzyme cofactor can be photochemically recovered efficiently, thereby completing the present invention.

본 발명의 목적은 산화환원 효소 보조인자를 태양광을 에너지원으로 하여 고효율로 재생하는 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for efficiently regenerating a redox enzyme cofactor using sunlight as an energy source.

본 발명의 다른 목적은 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a composition for regeneration of a redox enzyme cofactor.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물을 이용하여 화합물을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
Still another object of the present invention is to provide a method for preparing a compound using the redox enzyme cofactor regeneration composition.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화형 산화환원 효소 보조인자, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체 및 희생전자 주개를 함유하는 산화환원 효소 보조인자 재생용액에 빛을 조사하여 환원형 산화환원 효소 보조인자를 생성시키는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is reduced by irradiating a redox redox enzyme cofactor regeneration solution containing an oxidative redox enzyme cofactor, a metal oxide-inorganic photosensitizer complex in the form of nanotubes and a sacrificial electron donor It provides a photochemical regeneration method of a redox enzyme cofactor, characterized in that to produce a type redox enzyme cofactor.

본 발명은 또한, 산화형 산화환원 효소 보조인자, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체 및 희생전자 주개를 함유하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물을 제공한다. The present invention also provides a composition for regeneration of a redox enzyme cofactor containing an oxidative redox enzyme cofactor, a metal oxide-inorganic photosensitive agent complex in nanotube form, and a sacrificial electron donor.

본 발명은 또한, (a) 양극산화 처리를 통해 나노튜브 형태의 금속산화물을 제조하는 단계; 및 (b) SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 상기 나노튜브 형태의 금속산화물에 무기 광감응제를 코팅하는 단계를 포함하는 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체의 제조방법을 제공한다.The present invention also comprises the steps of (a) preparing a metal oxide in the form of nanotubes through anodization; And (b) coating an inorganic photosensitizer on the nanotube-type metal oxide using a successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process. Provide a method.

본 발명은 또한, 산화환원 효소와 그 보조인자를 이용한 기질의 산화환원 반응을 통해 화합물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물을 이용하여 산화환원 효소의 보조인자를 재생시키고, 상기 재생된 보조인자를 이용하여 산화환원 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for preparing a compound through a redox reaction of a substrate using a redox enzyme and a cofactor thereof, wherein the cofactor of the redox enzyme is regenerated using the composition for regenerating the redox enzyme cofactor. It provides a method for producing a compound, characterized in that to perform a redox reaction using the regenerated cofactor.

본 발명에 따른 산화환원 효소 보조인자의 재생방법은 가시광선 영역의 빛 에너지를 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체를 이용하여 전기에너지로 전환시켜 보조인자를 효율적으로 재생시킬 수 있으며, 동시에 산화환원 효소 반응을 보조인자 재생에 연결시킴으로써, 빛 에너지로부터 최종적으로 정밀 화학물질 등을 생산할 수 있어 산화환원 효소를 이용하는 다양한 생촉매 반응을 수행하는데 유용하게 사용될 수 있다.
Regeneration method of the redox enzyme cofactor according to the present invention can convert the light energy in the visible light region to electrical energy using a metal oxide-inorganic photosensitizer complex in the nanotube form, it is possible to efficiently regenerate the cofactor, At the same time, by linking the redox enzyme reaction to the cofactor regeneration, it is possible to finally produce a fine chemical from the light energy, which can be useful for carrying out various biocatalytic reactions using the redox enzyme.

도 1은 60V에서 1시간 동안 양극산화 처리하여 제조된 TiO2-CdS 나노튜브(a) 및 30V에서 12시간 동안 양극산화 처리하여 제조된 TiO2-CdS 나노튜브(b)의 SEM 이미지 및 광효소적 반응을 위한 실험장치(c)를 나타낸 것이다.
도 2는 CdS 코팅 전의 TiO2 나노튜브(a, b) 및 CdS 코팅 후의 TiO2 나노튜브(c, d)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 CdS 코팅 전의 TiO2 나노튜브(회색 실선) 및 CdS 코팅 후의 TiO2 나노튜브(검정 실선)의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 4는 CdS 코팅 전의 TiO2 나노튜브(회색 실선) 및 CdS 코팅 후의 TiO2 나노튜브(검정 실선)의 흡수 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 5는 CdS 코팅 수에 따른 TiO2-CdS 나노튜브의 흡수 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 6은 CdS 코팅 수에 따른 TiO2-CdS 나노튜브의 Cd 및 S의 구성성분비를 그래프로 나타낸 것이다.
도 7은 NADH 재생 반응식(a) 및 NADH 재생 반응 동안 NAD+ 및 NADH의 농도를 측정하기 위하여 측정된 스펙트라(b)를 나타낸 것이다.
도 8은 다른 치수를 가지는 TiO2-CdS 나노튜브의 NADH의 재생율을 그래프로 나타낸 것이다.
도 9는 CdS 코팅 수에 따른 TiO2-CdS 나노튜브 및 Al2O3-CdS 나노튜브에 의한 NADH의 재생율을 그래프로 나타낸 것이다.
도 10은 7번의 SILAR 공정을 수행하여 제조된 TiO2-CdS의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 TiO2-CdS 나노튜브의 에너지 레벨 다이아그램(energy-level diagram) 및 TiO2-CdS 나노튜브를 통한 보조인자의 재생 및 L-glutamte의 생산의 모식도를 나타낸 것이다.
도 12는 CdS 코팅 전의 Al2O3 나노튜브(a~c) 및 CdS 코팅 후의 Al2O3 나노튜브(d~g)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 13은 TiO2-CdS 나노튜브 및 Al2O3-CdS 나노튜브의 에너지 레벨 다이아그램(energy-level diagram)을 나타낸 것이다.
도 14는 실온(a), 300℃(b) 및 450℃(c)에서 annealing한 TiO2 나노튜브의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 15는 실온, 150℃, 300℃ 및 450℃에서 annealing한 TiO2 나노튜브의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 16은 실온, 150℃, 300℃ 및 450℃에서 annealing한 TiO2 나노튜브의 라만 스펙트라를 나타낸 것이다.
도 17은 실온, 150℃, 300℃ 및 450℃에서 annealing한 TiO2-CdS 나노튜브의 NADH의 재생율을 그래프로 나타낸 것이다.
도 18은 CdS 코팅 수에 따른 실온, 300℃ 및 450℃에서 annealing한 TiO2-CdS 나노튜브의 NAHD의 재생율을 그래프로 나타낸 것이다.
도 19는 나노입자성 TiO2 필름의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 20은 나노입자성 TiO2 필름의 XRD 패턴(a) 및 라만 스펙트라(b)를 나타낸 것이다.
도 21은 나노튜브형 TiO2(TiO2-CdS 나노튜브) TiO2 필름 및 나노입자성 TiO2 필름의 NADH 재생율(a) 및 나노튜브형 TiO2(TiO2-CdS 나노튜브) TiO2 필름 및 나노입자성 TiO2 필름을 통한 NADH 광재생의 모식도(b)를 나타낸 것이다.
도 22는 TiO2-CdS 나노튜브를 이용하여 생산된 L-glutamate의 농도를 그래프로 나타낸 것이다.
1 is a SEM image and photoenzyme of TiO 2 -CdS nanotube (a) prepared by anodizing for 1 hour at 60V and TiO 2 -CdS nanotube (b) prepared by anodizing for 12 hours at 30V Experimental apparatus (c) for the reaction is shown.
FIG. 2 shows SEM images of TiO 2 nanotubes (a, b) before CdS coating and TiO 2 nanotubes (c, d) after CdS coating.
FIG. 3 shows XRD patterns of TiO 2 nanotubes (gray solid line) before CdS coating and TiO 2 nanotubes (black solid line) after CdS coating.
FIG. 4 shows the absorption spectra of TiO 2 nanotubes (solid gray line) before CdS coating and TiO 2 nanotubes (solid black line) after CdS coating.
5 shows the absorption spectra of TiO 2 -CdS nanotubes according to the number of CdS coatings.
6 is a graph showing the component ratios of Cd and S of TiO 2 -CdS nanotubes according to the number of CdS coatings.
FIG. 7 shows NADH regeneration scheme (a) and spectra (b) measured to determine the concentrations of NAD + and NADH during the NADH regeneration reaction.
8 is a graph showing the regeneration rate of NADH of TiO 2 -CdS nanotubes having different dimensions.
9 is a graph showing the regeneration rate of NADH by TiO 2 -CdS nanotubes and Al 2 O 3 -CdS nanotubes according to the number of CdS coating.
10 shows an SEM image of TiO 2 -CdS prepared by performing the SILAR process seven times.
Figure 11 shows a schematic view of the TiO 2 -CdS nanotube energy level diagram (energy-level diagram) and TiO 2 -CdS production of play and L-glutamte of the cofactor by the nanotubes.
12 shows SEM images of Al 2 O 3 nanotubes (a to c) before CdS coating and Al 2 O 3 nanotubes (d to g) after CdS coating.
FIG. 13 shows an energy-level diagram of TiO 2 -CdS nanotubes and Al 2 O 3 -CdS nanotubes.
FIG. 14 shows SEM images of TiO 2 nanotubes annealed at room temperature (a), 300 ° C. (b) and 450 ° C. (c).
FIG. 15 shows XRD patterns of TiO 2 nanotubes annealed at room temperature, 150 ° C., 300 ° C. and 450 ° C. FIG.
FIG. 16 shows Raman spectra of TiO 2 nanotubes annealed at room temperature, 150 ° C., 300 ° C. and 450 ° C. FIG.
FIG. 17 is a graph showing the regeneration rate of NADH of TiO 2 -CdS nanotubes annealed at room temperature, 150 ° C., 300 ° C. and 450 ° C. FIG.
FIG. 18 is a graph showing the regeneration rate of NAHD of TiO 2 -CdS nanotubes annealed at room temperature, 300 ° C. and 450 ° C. according to the number of CdS coatings.
19 shows an SEM image of a nanoparticulate TiO 2 film.
20 shows the XRD pattern (a) and Raman spectra (b) of the nanoparticulate TiO 2 film.
21 is a nano-tube-type TiO 2 (TiO 2 -CdS nanotubes) TiO 2 films and nanoparticles NADH refresh rates (a) and the nano-tube-type TiO 2 of a castle TiO 2 film (TiO 2 -CdS nanotubes) TiO 2 films and nanoparticles A schematic diagram (b) of NADH photoregeneration through a stiff TiO 2 film is shown.
22 is a graph showing the concentration of L-glutamate produced using TiO 2 -CdS nanotubes.

본 발명은 일 관점에서, 산화형 산화환원 효소 보조인자, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체 및 희생전자 주개를 함유하는 산화환원 효소 보조인자 재생용액에 빛을 조사하여 환원형 산화환원 효소 보조인자를 생성시키는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention provides a reduction type redox by irradiating a redox redox enzyme cofactor regeneration solution containing an oxidative redox enzyme cofactor, a nanooxide-type metal oxide-inorganic photosensitive complex, and a sacrificial electron donor The present invention relates to a photochemical regeneration method of a redox enzyme cofactor, characterized by generating an enzyme cofactor.

본 발명에서 상기 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체는 양극산화 처리를 통해 나노튜브 형태의 금속산화물을 제조한 다음, SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 상기 나노튜브 형태의 금속산화물에 무기 광감응제를 코팅하여 제조할 수 있으며, 바람직하게는 SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 4번 수행하여 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체를 제조할 수 있다.In the present invention, the nanotube-type metal oxide-inorganic photosensitive composite is prepared by producing an nanotube-type metal oxide by anodizing, and then, using a successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process. The inorganic oxide sensitizer may be coated on the metal oxide of the metal oxide, and preferably, four times of successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) processes may be performed to prepare the metal oxide-inorganic photosensitive agent in the form of nanotubes. have.

본 발명은 일 양태에서, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체를 제조하기 위하여, TiO2 나노튜브를 양극산화 처리를 통해 제조한 다음, SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 CdS 나노입자를 코팅하였다. 상기 CdS가 코팅된 TiO2 나노튜브(TiO2-CdS 나노튜브)를 SEM을 이용하여 확인한 결과, TiO2 나노튜브의 평균 직경과 길이 및 TiO2 기판의 cm2 당 측정된 TiO2의 표면적은 60V에서 1시간 동안 양극산화 처리된 샘플에 대해서 각각 94.9±11.1nm, 13.8±1.1μm 및 581cm2이였으며, 30V에서 12시간 동안 양극산화 처리된 샘플에 대해서 각각, 63.4±5.8nm, 7.7±0.3μm 및 485cm2였다.In one aspect, the present invention, in order to prepare a metal oxide-inorganic photosensitive composite in the form of nanotubes, TiO 2 nanotubes are prepared by anodizing, and then using a successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process. CdS nanoparticles were coated. The CdS-coated TiO 2 nanotubes (TiO 2 -CdS nanotubes) were confirmed by SEM, and the average diameter and length of TiO 2 nanotubes and the surface area of TiO 2 measured per cm 2 of the TiO 2 substrate were 60V. Were 94.9 ± 11.1 nm, 13.8 ± 1.1 μm and 581 cm 2 for anodized samples for 1 h at, and 63.4 ± 5.8 nm and 7.7 ± 0.3 μm for anodized samples for 12 h at 30 V respectively. And 485 cm 2 .

본 발명에서 상기 무기 광감응제는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 이에 한정하지 않고, 가시광선 영역을 흡수하는 나노입자라면 어느 것이든 사용 가능하다. In the present invention, the inorganic photosensitizer may be selected from the group consisting of CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP, and GaAs, and the present invention is not limited thereto. Any inorganic particles absorbing visible light may be used. Do.

또한, 본 발명에서 상기 금속산화물은 TiO2, SiO2, Fe2O3, IrO2, Co3O4 및 WO3로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 TiO2일 수 있고, 상기 산화형 산화환원 효소 보조인자는 NAD+, NADP+, FAD+ 및 FMN+로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 NAD+일 수 있다. In addition, the metal oxide in the present invention may be selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , Fe 2 O 3 , IrO 2 , Co 3 O 4 and WO 3 , preferably TiO 2 , the oxidation The type redox enzyme cofactor may be selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + , and preferably NAD + .

상기 산화환원 효소 보조인자 재생용액은 산화환원매개체를 추가로 함유할 수 있으며, 상기 산화환원 매개체의 존재는 보조인자를 효소 반응에 활성을 갖는 형태로 재생시키는 것과 보조인자 재생의 속도를 빠르게 하는 것에 있어서 효과를 갖는 것으로, 산화환원 매개체가 존재하지 않아도, 광감응을 통한 직접적인 보조인자의 광화학적 재생이 가능하므로 산화환원 매개체의 존재가 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다.The redox coenzyme regeneration solution may further contain a redox mediator, and the presence of the redox mediator may be used to regenerate the cofactor in a form active in the enzymatic reaction and to speed up the regeneration of the cofactor. In this regard, the presence of the redox mediator does not limit the scope of the present invention because photochemical regeneration of direct cofactors is possible through the photosensitization even without the presence of the redox mediator.

본 발명에서 상기 산화환원매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체일 수 있으며, 예컨대, 상기 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)일 수 있으며, 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)일 수 있다.In the present invention, the redox mediator may be methylbiologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex. For example, the ruthenium II complex may be (hexamethylbenzene-2,2′-bipyridinechloro) ruthenium (II) yl. And the rhodium III complex may be (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III).

본 발명은 다른 양태에서, SILAR 공정 동안 TiO2 나노튜브 위의 CdS 나노입자의 형성 및 성장을 SEM 이미지, XRD(X-ray diffraction) 패턴, 흡수 스펙트라 및 구성성분(elemental composition)의 변화를 모니터링하여 확인한 결과, CdS 코팅 전에는 깨끗한 TiO2 나노튜브가 서로 잘 정렬되어 있고, 밑에 있는 Ti 기판과는 수직을 이루고 있음을 확인하였으며, CdS 코팅 후의 TiO2 나노튜브는 CdS 나노입자의 형성에 의해 거칠음(roughness)이 증가하는 것을 확인하였다.In another aspect, the present invention provides for the formation and growth of CdS nanoparticles on TiO 2 nanotubes during a SILAR process by monitoring changes in SEM images, X-ray diffraction (XRD) patterns, absorption spectra and elemental composition. As a result, it was confirmed that before the CdS coating, the clean TiO 2 nanotubes were well aligned with each other and perpendicular to the underlying Ti substrate, and the TiO 2 nanotubes after the CdS coating were roughened by the formation of CdS nanoparticles. ) Increased.

또한, 가시광선 영역에서 거의 흡광도를 나타내지 않았던 TiO2 나노튜브가 CdS 코팅 후, CdS 나노입자의 형성에 의해 가시광선 영역을 흡수하는 것을 확인하였고, CdS 코팅을 위한 SILAR 공정 사이클 수에 따른 흡수 스펙트라를 확인한 결과, CdS 코팅 후 자외선에서 가시광선 영역으로 레드-쉬프트(Red-shift) 하는 것을 확인하였으며, CdS 코팅을 위한 SILAR 공정 사이클 수에 따른 CdS가 코팅된 TiO2 나노튜브의 상대적인 구성성분을 측정한 결과, Cd 및 S의 양은 CdS 코팅 후 점차 증가하는 것을 확인하였다.In addition, it was confirmed that the TiO 2 nanotubes, which showed little absorbance in the visible region, absorbed the visible region by the formation of CdS nanoparticles after CdS coating, and absorbed spectra according to the number of SILAR process cycles for CdS coating. As a result, it was confirmed that red-shift from UV to visible region after CdS coating, and measured relative components of CdS-coated TiO 2 nanotubes according to the number of SILAR process cycles for CdS coating. As a result, it was confirmed that the amount of Cd and S gradually increased after CdS coating.

본 발명은 또 다른 양태에서, 상기 제조된 TiO2-CdS 나노튜브 필름의 광 밴드갭(optical bandgap)을 측정하였다. 그 결과, TiO2-CdS 나노튜브 필름의 광 밴드갭(optical bandgap)은 CdS 코팅 공정을 반복할수록 감소하였다. 이러한 감소는 양자구속효과(quantum confinement effect)를 의미하며, 실제 CdS 나노입자의 사이즈(예를 들어, CdS는 SILAR 공정 4 사이클 후 2.36nm의 사이즈를 가짐)는 10nm보다 더 작은 CdS에 대한 양자구속효과를 나타내는 범위에 있다 (Y. Wang et al., Phys. Rev. B, 42:7253, 1990).In another embodiment, the optical bandgap of the TiO 2 -CdS nanotube film prepared above was measured. As a result, the optical bandgap of the TiO 2 -CdS nanotube film decreased as the CdS coating process was repeated. This reduction implies a quantum confinement effect, where the actual size of CdS nanoparticles (e.g., CdS has a size of 2.36 nm after 4 cycles of SILAR process) for CdS smaller than 10 nm In the range of effect (Y. Wang et al., Phys. Rev. B, 42: 7253, 1990).

본 발명에서 상기 희생전자주개(sacrificial electron donor)는 나노튜브 형태의 금속산화물-광 감응제 복합체에서 여기된 전자가 산화환원 매개체에 전달되어 생기는 전자공극을 채우기 위한 전자를 제공해주는 물질로서, 당업자의 관점에서 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid) 또는 물 등을 이용할 수 있으나 바람직하게는 TEOA 또는 EDTA일 수 있다.In the present invention, the sacrificial electron donor is a material that provides electrons to fill the electron pores generated by the transfer of electrons excited in the nanotube-type metal oxide-photosensitive composite to the redox mediator. Triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, oxalic acid or water But preferably TEOA or EDTA.

본 발명에서 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성된 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 가시광선 영역의 빛이라면 어느 것이든 사용 가능하다.In the present invention, the light may be selected from the group consisting of tungsten-halogen lamp light, xenon lamp light, short wavelength laser light, and sunlight, but is not limited thereto, and any light may be used in the visible light region.

본 발명은 또 다른 양태에서, 광화학적 NADH 재생을 위한 CdS가 코팅된 TiO2 나노튜브 필름의 이용가능성을 테스트하기 위하여 NADH 광재생 동안, NAD+ 및 NADH의 농도를 측정한 결과, NAD+의 농도는 시간이 흐를수록 감소하는 반면, NADH의 농도는 증가하는 것을 확인하였으며, CdS를 코팅하지 않은 TiO2 나노튜브 및 크기가 다른 TiO2-CdS 나노튜브에 대한 시간에 따른 NADH의 재생율을 비교한 결과, CdS를 코팅하지 않은 TiO2 나노튜브는 NADH를 거의 재생하지 못하였으며, TiO2-CdS 나노튜브의 경우에는 포어 직경(pore diameter)이 더 클수록(94.9nm vs 63.4nm) 광재생율이 더 우수한 것을 확인하였다 (2시간 동안 50.3% vs 5.35%). 이는, 반응종의 분산이 광재생 시스템을 최적화하기 위하여 중요한 요소임을 의미한다.The invention in another aspect, for NADH optical reproducing to test the availability of a CdS the TiO 2 nanotube film coating for the photochemical NADH regeneration, as a result of measuring the concentration of NAD + and NADH, the concentration of NAD + Was decreased over time, whereas the concentration of NADH was increased, comparing the regeneration rate of NADH over time for TiO 2 nanotubes without CdS and TiO 2 -CdS nanotubes of different sizes. , TiO 2 nanotubes without CdS coating hardly regenerated NADH, and in the case of TiO 2 -CdS nanotubes, the larger pore diameter (94.9nm vs 63.4nm) showed better optical regeneration rate. Confirmation (50.3% vs 5.35% for 2 hours). This means that dispersion of reactive species is an important factor for optimizing the optical regeneration system.

본 발명은 또 다른 양태에서, CdS의 코팅 수에 따른 NADH 재생율을 비교한 결과, TiO2 나노튜브의 치수와 상관없이 SILAR 공정의 4 사이클에 의해 제조된 TiO2-CdS 나노튜브(4×TiO2-CdS) 필름이 NADH 재생율이 가장 우수한 것을 확인하였다. 이러한 결과는 CdS 코팅 수가 증가할수록 많은 양의 빛을 흡수할 수 있는 반면, 커다란 CdS 응집체(agglomerates) 형성에 의하여 TiO2 나노튜브의 채널 블록킹(channel blocking) 및 전하 분리(charge separation)의 효율성이 떨어지기 때문인 것으로 추측하였다. The present invention In another embodiment, the result of comparing the NADH refresh rate based on the number of coating of CdS, the TiO 2 -CdS prepared by four cycles of SILAR process, regardless of the size of the TiO 2 nanotubes nanotube (4 × TiO 2 -CdS) film was confirmed to have the best NADH regeneration rate. These results indicate that as the number of CdS coatings increases, a large amount of light can be absorbed, while the effectiveness of channel blocking and charge separation of TiO 2 nanotubes due to the formation of large CdS agglomerates decreases. It was assumed that it was because of losing.

본 발명은 또 다른 양태에서, TiO2-CdS 나노튜브에서 효율적인 전하 분리가 NADH 광재생의 효율성을 향상시킬 수 있음을 확인하기 위하여, CdS가 코팅된 Al2O3 나노튜브(Al2O3-CdS 나노튜브)와 TiO2-CdS 나노튜브의 NADH 광재생 효율성을 비교하였다. 먼저, Al2O3-CdS 나노튜브를 제조하여 Al2O3 나노튜브 전체 표면에 CdS 나노입자가 코팅된 것을 확인하였으며, Al2O3 나노튜브의 포어의 평균 직경 및 길이가 각각 211nm 및 60μm임을 확인하였다. 그리고, TiO2-CdS 나노튜브 및 Al2O3-CdS 나노튜브의 NADH 재생율을 측정한 결과, Al2O3-CdS 나노튜브 필름은 TiO2-CdS 나노튜브보다 더 큰 치수(평균 211nm 포어 직경 및 60μm 길이) 및 더 큰 표면적(1cm2 기판 당 1131cm2)을 가짐에도 불구하고, Al2O3-CdS 나노튜브 필름은 더 낮은 재생율을 나타내었다.In another aspect, the present invention provides a CdS coated Al 2 O 3 nanotubes (Al 2 O 3 −) to confirm that efficient charge separation in TiO 2 -CdS nanotubes can improve the efficiency of NADH photoregeneration. CdS nanotubes) and NADH photoregeneration efficiency of TiO 2 -CdS nanotubes were compared. First, Al 2 O 3 -CdS nanotubes prepared by the Al 2 O 3 nanotubes was confirmed that an CdS nanoparticles on the entire surface coating, nano-Al 2 O 3 with an average diameter and length of the pores of the tube, respectively 211nm and 60μm It was confirmed that. In addition, as a result of measuring the NADH regeneration rate of TiO 2 -CdS nanotubes and Al 2 O 3 -CdS nanotubes, the Al 2 O 3 -CdS nanotube film has a larger dimension (average 211 nm pore diameter than TiO 2 -CdS nanotubes). and despite the length of 60μm) and a larger surface area (1cm 2 has a 1131cm 2) per substrate, Al 2 O 3 -CdS nanotube film exhibited a lower refresh rate.

이러한 결과는 높은 수준의 전하 재결합(charge recombination)에 의한 것으로, TiO2-CdS 나노튜브 필름의 경우, CdS로부터 TiO2로의 전자 주입은 TiO2보다 CdS가 더욱 네거티브한(negative) 전기 대역 준위를 가지기 때문에 열역학적으로 유리하여 나노크기의 반도체 입자에서 유리하게 발생하는 전자-홀 재결합을 억제하는 반면 Al2O3-CdS 나노튜브 필름에서 여기된 전자는 TiO2-CdS 나노튜브 필름보다 더 높은 수준으로 홀과 재결합할 수 있어 NADH 광재생의 효율성이 더 낮아지는 것이다 (M은 [Cp*Rh(bpy)H20]2+ 복합체를 의미함).This result is due to high levels of recombination (charge recombination), TiO 2 -CdS nanotubes case of the film, to the TiO 2 from the CdS electron injection gajigi a CdS is more negative (negative) electric band level than the TiO 2 Due to its thermodynamic advantage, it inhibits electron-hole recombination that occurs favorably in nanoscale semiconductor particles, while electrons excited in Al 2 O 3 -CdS nanotube films have higher hole levels than TiO 2 -CdS nanotube films. Can be recombined with, resulting in a lower efficiency of NADH photoregeneration (M means [Cp * Rh (bpy) H 2 0] 2+ complex).

본 발명은 또 다른 양태에서, NADH의 광재생율을 향상시키기 위하여, 다양한 온도(실온, 150℃, 300℃ 및 450℃)에서 열처리를 통해 TiO2 나노튜브의 결정도(crystallinity)를 조절한 다음, SEM, XRD 및 라만 분석기와 같은 다중 분석 툴을 이용하여 결정화를 관찰하였다. 그 결과, 고온에서 annealing한 후에도 TiO2 나노튜브의 튜브형 형태학은 남아있었으나, 매끄러웠던 표면이 울퉁불퉁(rugged)해진 것을 확인하였고, 비정질 상태의 TiO2 나노튜브는 고온에서 annealing한 후, 아나타제 상(anatase phase)으로 결정화되는 것을 확인하였으며, 라만 스펙트라에서, annealing 온도가 증가할수록 anatase TiO2에 상응하는 피크의 세기는 Eg 밴드의 레드 쉬프트와 함께 확연하게 증가하는 것을 확인하였다. 600℃보다 높은 온도에서의 annealing은 튜브형의 구조를 방해하고 루틸 상(rutile phase)으로 상 변환(phase transformation)을 야기한다.In another aspect, the present invention is to adjust the crystallinity of the TiO 2 nanotubes by heat treatment at various temperatures (room temperature, 150 ℃, 300 ℃ and 450 ℃), in order to improve the optical regeneration rate of NADH, Crystallization was observed using multiple analysis tools such as SEM, XRD and Raman analyzer. As a result, the tubular morphology of TiO 2 nanotubes remained after annealing at high temperature, but the smooth surface was rugged, and the amorphous TiO 2 nanotubes were annealed at high temperature, followed by an anatase phase. In the Raman spectra, it was confirmed that the intensity of the peak corresponding to anatase TiO 2 increased with the red shift of the Eg band in the Raman spectra. Annealing at temperatures above 600 ° C. interferes with the tubular structure and causes phase transformation into the rutile phase.

본 발명은 또 다른 양태에서, 서로 다른 결정화를 가지는 TiO2 나노튜브를 CdS로 코팅한 다음, NADH 광재생율을 비교하였다. TiO2의 결정도가 높을수록 전자 포착(electron trapping) 사이트로서 작용하는 결함의 밀도는 낮아지기 때문에 NADH의 재생 효율은 더 높아질 것이다. 그 결과, 300℃까지 annealing 온도가 증가함에 따라 TiO2 나노결정체의 사이즈가 증가하면서, 4×TiO2-CdS 나노튜브 필름의 경우, 광재생 효율은 49.9%에서 75.2%로 약 1.5배 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 결과는 TiO2의 결정화에 따른 증가된 전자 수명(electron lifetime)에 기인된 것이다 (S. Nakade et al., J. Phys. Chem. B, 106:10004, 2002). In another embodiment, TiO 2 nanotubes having different crystallizations were coated with CdS, and then NADH photoregeneration was compared. The higher the crystallinity of TiO 2, the lower the density of defects acting as electron trapping sites, and thus the higher the regeneration efficiency of NADH. As a result, the size of the TiO 2 nanocrystals increased with annealing temperature up to 300 ° C., while the 4 × TiO 2 -CdS nanotube film had about 1.5-fold increase in photoregeneration efficiency from 49.9% to 75.2%. This result is due to the increased electron lifetime due to the crystallization of TiO 2 (S. Nakade et al., J. Phys. Chem. B, 106: 10004, 2002).

그러나, 450℃에서 처리한 TiO2 나노튜브는 효율성이 54.4%로 감소하였으며, 최근 연구 결과에 따르면 더 큰 결정의 형성은 표면적을 감소시키고, 보조인자 광재생의 효율성에서 증가된 전자 수명의 효율을 역균형화(counterbalance)시키는 것으로 보고되었다.However, TiO 2 nanotubes treated at 450 ° C reduced their efficiency to 54.4%, and recent studies show that larger crystal formation reduces surface area and increases the efficiency of electron lifetimes in the efficiency of cofactor photoregeneration. It has been reported to counterbalance.

본 발명은 또 다른 양태에서, 다양한 온도에서 annealing 후 CdS의 코팅 수에 따른 TiO2 나노튜브 필름의 NADH의 광재생율을 비교한 결과, 모든 온도에 대하여 4번의 CdS 코팅이 이루어진 경우가 가장 NADH 재생율이 우수한 것으로 확인하였다. According to another aspect of the present invention, after comparing the photoregeneration rate of NADH of TiO 2 nanotube film according to the number of coating of CdS after annealing at various temperatures, the most NADH regeneration rate was obtained when four CdS coatings were performed at all temperatures. It was confirmed to be excellent.

본 발명은 또 다른 양태에서, 광재생 효율성에서 나노구조의 TiO2 필름의 형태학 효과(morphological effect)를 조사하기 위하여, 비교실험을 위해 나노입자로 구성된 TiO2 필름(particulate TiO2 film)을 제조한 다음, 나노입자로 구성된 TiO2 필름의 형성을 SEM, XRD 및 라만 분석기를 이용하여 확인하였다.The present invention manufactured a In another aspect, in order to examine the morphological effects (morphological effect) of the TiO 2 film having a nanostructure in an optical reproducing efficiency, (particulate TiO 2 film) TiO 2 film consisting of nano-particles for comparative experiment Next, the formation of TiO 2 films composed of nanoparticles was confirmed using SEM, XRD and Raman analyzer.

그 결과, 나노입자로 구성된 필름에서 TiO2는 450℃에서 annealing된 나노튜브형 필름(tubular film)에서의 TiO2 크기와 비슷한 크기(9.3nm vs 10.4nm)를 가지면서 나노결정 아나타제(nanocrystalline anatase) 상(phase)임을 확인하였다.As a result, TiO 2 in the nanoparticle film had a size similar to TiO 2 size (9.3 nm vs 10.4 nm) in a tubular film annealed at 450 ° C., with nanocrystalline anatase phase. (phase) was confirmed.

본 발명은 또 다른 양태에서, 나노입자로 구성된 TiO2 및 나노튜브형 TiO2 필름은 CdS로 코팅한 다음 각각 NADH 재생 테스트를 수행하여 NADH 광재생의 효율성을 비교한 결과, 나노튜브형 TiO2 필름은 나노입자로 구성된 TiO2와 비교하여 적어도 4배 이상 효과적으로 NADH를 재생시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 나노튜브형 필름에서 반응종의 효율적인 분산은 NADH 광재생의 높은 효율성을 위해 중요한 요소임을 알 수 있다.The invention in another aspect, TiO 2, and nano-tube-type TiO 2 film consisting of nano-particles is a result of performing the following each NADH regeneration tests coated with CdS compare the efficiency of NADH optical reproducing, nano-tubular TiO 2 film nano It was confirmed that NADH can be regenerated at least four times more effectively than TiO 2 composed of particles. These results indicate that the efficient dispersion of reactive species in nanotube films is an important factor for the high efficiency of NADH photoregeneration.

따라서, TiO2-CdS 나노튜브 필름은 합성이 쉽고, 형태학 조절(morphology control)(J. M. Macak et al, Angew. Chem. Int. Ed., 44:7463, 2005; K. Shankar et al., J. Phys. Chem. C, 113:6327, 2009)이 용이하며 효율적인 전하 분리(P. V. Kamat, J. Phys. Chem. C, 112:18737, 2008; W.-T. Sun et al., J. Am. Chem. Soc., 130:1124, 2008) 및 반응종(reaction species)이 나노튜브를 통해 잘 분산하는 효과 등의 장점을 가진다.Thus, TiO 2 -CdS nanotube films are easy to synthesize and have morphology control (JM Macak et al, Angew. Chem. Int. Ed., 44: 7463, 2005; K. Shankar et al., J. Phys. Chem. C, 113: 6327, 2009) Easy and efficient charge separation (PV Kamat, J. Phys. Chem. C, 112: 18737, 2008; W.-T. Sun et al., J. Am. Chem. Soc., 130: 1124, 2008) and the reaction species (reaction species) has the advantage of such a good dispersion through the nanotubes.

본 발명은 다른 관점에서, 산화형 산화환원 효소 보조인자, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체 및 희생전자 주개를 함유하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to a composition for regeneration of a redox enzyme cofactor containing an oxidative redox enzyme cofactor, a metal oxide-inorganic photosensitizer complex in nanotube form, and a sacrificial electron donor.

본 발명은 또 다른 관점에서, (a) 양극산화 처리를 통해 나노튜브 형태의 금속산화물을 제조하는 단계; 및 (b) SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 상기 나노튜브 형태의 금속산화물에 무기 광감응제를 코팅하는 단계를 포함하는 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체의 제조방법에 관한 것이다.In still another aspect, the present invention provides a method for preparing a metal oxide in the form of nanotubes through anodizing; And (b) coating an inorganic photosensitizer on the nanotube-type metal oxide using a successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process. It is about a method.

상기 SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정은 필요에 따라 3~5번 수행할 수 있으며, 바람직하게는 4번일 수 있다.The successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process may be performed 3 to 5 times as needed, and preferably 4 times.

본 발명은 또 다른 관점에서, 산화환원 효소와 그 보조인자를 이용한 기질의 산화환원 반응을 통해 화합물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물을 이용하여 산화환원 효소의 보조인자를 재생시키고, 상기 재생된 보조인자를 이용하여 산화환원 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법에 관한 것이다. In another aspect, the present invention provides a method for preparing a compound through a redox reaction of a substrate using a redox enzyme and a cofactor thereof, wherein the cofactor of a redox enzyme is prepared using the composition for regenerating the redox enzyme cofactor. It relates to a method for producing a compound, characterized in that for regenerating, and performing a redox reaction using the regenerated cofactor.

본 발명에서는 자연 광합성의 광계를 통해 일어나는 보조인자 재생을 무기 감광응제-금속산화물 나노튜브를 이용해 모방하고, 포도당 합성 반응을 산화환원 효소 반응에 의한 화합물의 생산으로 대체하는 인공 광합성을 고안하였으며, '인공 광합성'이란 자연 광합성의 명반응 및 암반응을 모방한 것으로, 산화환원 효소의 보조인자를 재생시키는 명반응 및 상기 명반응에서 재생된 산화환원 효소의 보조인자를 이용하여 산화환원 효소 반응을 통해 화합물을 생산하는 암반응이 연속적으로 이루어진 것을 말한다. In the present invention, artificial photosynthesis was designed to mimic the cofactor regeneration that occurs through the photosynthesis of natural photosynthesis using inorganic photosensitive-metal oxide nanotubes, and to replace the glucose synthesis reaction with the production of compounds by redox enzyme reactions. Artificial photosynthesis' mimics the natural and photosynthetic light and dark reactions, which produce compounds through redox enzyme reactions that regenerate cofactors of redox enzymes and co-factors of redox enzymes regenerated in the light reactions. It refers to a series of cancer reactions.

본 발명에서 사용된 용어 '화합물'이란 기질로부터 보조인자를 필요로하는 산화환원 반응을 통해 합성되는 물질을 의미한다. As used herein, the term 'compound' means a substance synthesized through a redox reaction requiring a cofactor from a substrate.

본 발명에 있어서, (a) 상기 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물에 기질 및 산화환원 효소를 첨가한 다음, 빛을 조사하여 산화환원 효소 보조인자를 재생시키는 단계; 및 (b) 상기 재생된 보조인자를 이용하여 산화환원 효소 반응을 통해 제조된 화합물을 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, (a) adding a substrate and a redox enzyme to the redox enzyme cofactor regeneration composition, and then irradiating light to regenerate the redox enzyme cofactor; And (b) obtaining a compound prepared through a redox enzyme reaction using the regenerated cofactor.

본 발명에서 상기 화합물은 L-글루타메이트(L-glutamate), 락테이트(Lactate), 및 알코올(Alcohol)로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 L-글루타메이트 일 수 있다. In the present invention, the compound may be selected from the group consisting of L-glutamate, Lactate, and alcohol, and preferably L-glutamate.

본 발명에서 상기 기질은 상기 화합물의 전구체로서, a-케토글루타레이트(a-ketoglutarate), 알데하이드(Aldehydes) 및 피루베이트(Pyruvate)로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 예컨대, L-글루타메이트를 생산하기 위하여, 기질로서 a-케토글루타레이트를 사용할 수 있다.In the present invention, the substrate may be selected from the group consisting of a-ketoglutarate, aldehyde (Aldehydes) and pyruvate (Pyruvate) as a precursor of the compound, for example, to produce L- glutamate To do this, a-ketoglutarate can be used as the substrate.

본 발명에서 상기 산화환원 효소는 글루타민산탈수소효소(GDH, glutamate dehydrogenase), 알코올탈수소효소(ADH, alcohol dehydrogenase) 및 젖산탈수소효소(LDH, lactate dehydrogenase)로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 글루타민산탈수소효소일 수 있다.The redox enzyme in the present invention may be selected from the group consisting of glutamate dehydrogenase (GDH, glutamate dehydrogenase), alcohol dehydrogenase (ADH, alcohol dehydrogenase) and lactate dehydrogenase (LDH, lactate dehydrogenase), preferably glutamic acid It may be a dehydrogenase.

본 발명은 또 다른 양태에서, TiO2-CdS 나노튜브를 이용하여 L-glutamate을 합성하기 위하여, GDH(글루타메이트 탈수소효소)로 촉매된 환원적 아민 반응을 TiO2-CdS 나노튜브 필름을 이용한 NAD+로부터 NADH의 광재생과 연결하였다. 그 결과, L-glutamate는 NADH 광재생과 산화환원 효소(즉, GDH)로 촉매된 환원적 아민 반응(reductive amination reaction)을 결합하여 성공적으로 합성하였다.
In yet another aspect, the present invention provides a method for synthesizing L-glutamate using TiO 2 -CdS nanotubes, wherein the reductive amine reaction catalyzed by GDH (glutamate dehydrogenase) is carried out using NAD + using TiO 2 -CdS nanotube films. From photoregeneration of NADH. As a result, L-glutamate was successfully synthesized by combining NADH photoregeneration with a reductive amination reaction catalyzed by a redox enzyme (ie, GDH).

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

TiOTiO 22 -CdS 나노튜브 필름 제조-CdS Nanotube Film Fabrication

TiO2 나노튜브는 양극산화 처리를 통해 제조하였다 (J. M. Macak et al., Angew. Chem. Int. Ed., 44:7463, 2005; K. Shankar et al., J. Phys. Chem. C, 113:6327, 2009). TiO 2 nanotubes were prepared via anodization (JM Macak et al., Angew. Chem. Int. Ed., 44: 7463, 2005; K. Shankar et al., J. Phys. Chem. C, 113 : 6327, 2009).

먼저, 양극산화 처리 전에, Ti foil을 10mm × 40mm의 크기로 자르고 30분 동안 아세톤과 에탄올에서 ultrasonication을 수행하여 디그리즈(degrease)하였다. Ti의 양극산화 처리는 60V에서 1시간 또는 30V에서 12시간 동안 두 개의 전극 배치에서 작동 전극(working electrode)으로서 Ti foil과 상대 전극(counter electrode)으로서 다공성 흑연 펠트를 이용함으로써 수행하였다.First, before anodizing, the Ti foil was cut to a size of 10 mm × 40 mm and degreaseed by ultrasonication in acetone and ethanol for 30 minutes. Anodization of Ti was performed by using Ti foil as the working electrode and porous graphite felt as the counter electrode in two electrode arrangements for 1 hour at 60V or 12 hours at 30V.

양극산화된 TiO2 나노튜브는 양극산화 처리 동안 생성된 표면 잔해물(surface debris)을 제거하기 위하여 water/ethanol 혼합액에서 ultrasonication한 다음, 상기 양극산화 처리된 TiO2 나노튜브에 SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 CdS 나노입자를 코팅하였다 (D. R. Baker et al., Adv. Funct. Mater., 19:805, 2009). SILAR 공정의 1 사이클은 0.1M CdSO4, 증류수, 0.1M Na2S 및 증류수 순으로 각각 10분씩 연속적인 처리로 이루어지며, CdS 로딩 수준은 SILAR 공정을 반복함으로써 조절하였다 (0-7번).Anodized TiO 2 nanotubes were subjected to ultrasonication in a water / ethanol mixture to remove surface debris generated during anodization, and then to the successive ionic layer adsorption and anodized TiO 2 nanotubes. CdS nanoparticles were coated using a process (DR Baker et al., Adv. Funct. Mater., 19: 805, 2009). One cycle of the SILAR process consisted of 10 min continuous treatment of 0.1 M CdSO 4 , distilled water, 0.1 M Na 2 S and distilled water, respectively, and the CdS loading level was controlled by repeating the SILAR process (No. 0-7).

상기 제조된 CdS가 코팅된 TiO2 나노튜브(TiO2-CdS 나노튜브)를 S-4900 field emission scanning electron microscope(Hitachi High-technologies Co.)를 이용하여 확인한 결과, 도 1에 나타난 바와 같이, TiO2 나노튜브의 평균 직경과 길이 및 TiO2 기판의 cm2 당 측정된 TiO2의 표면적은 60V에서 1시간 동안 양극산화 처리된 샘플에 대해서 각각 94.9±11.1nm, 13.8±1.1μm 및 581cm2이였으며, 30V에서 12시간 동안 양극산화 처리된 샘플에 대해서 각각, 63.4±5.8nm, 7.7±0.3μm 및 485cm2였다.The prepared CdS-coated TiO 2 nanotubes (TiO 2 -CdS nanotubes) were identified using an S-4900 field emission scanning electron microscope (Hitachi High-technologies Co.), as shown in FIG. 2 nm mean diameter and length and the surface area of the TiO 2 measurements per cm 2 of the TiO 2 substrate of the tube with respect to an anode oxidation treatment, the sample for 1 hour at 60V, respectively 94.9 ± 11.1nm, 13.8 ± 1.1μm, and this was 581cm 2 , For anodized samples at 30V for 12 hours, 63.4 ± 5.8 nm, 7.7 ± 0.3 μm and 485 cm 2, respectively.

SILAR 공정 동안 TiO2 나노튜브 위의 CdS 나노입자의 형성 및 성장은 SEM 이미지, XRD(X-ray diffraction) 패턴, 흡수 스펙트라 및 구성성분(elemental composition)의 변화를 모니터링하면서 확인할 수 있다.Formation and growth of CdS nanoparticles on TiO 2 nanotubes during the SILAR process can be confirmed by monitoring changes in SEM images, X-ray diffraction (XRD) patterns, absorption spectra and elemental composition.

S-4900 field emission scanning electron microscope(Hitachi High-technologies Co.)를 이용하여 CdS의 코팅 전과 후의 SEM 이미지를 확인한 결과, 도 2에 나타난 바와 같이, CdS 코팅 전에는 깨끗한 TiO2 나노튜브가 서로 잘 정렬되어 있고, 밑에 있는 Ti 기판과는 수직을 이루고 있음을 확인하였으며, CdS 코팅 후의 TiO2 나노튜브는 CdS 나노입자의 형성에 의해 거칠음(roughness)이 증가하는 것을 확인하였다.SEM images before and after the coating of CdS were confirmed using a S-4900 field emission scanning electron microscope (Hitachi High-technologies Co.). As shown in FIG. 2, the clean TiO 2 nanotubes were well aligned with each other before CdS coating. It was confirmed that the Ti substrate was perpendicular to the underlying Ti substrate, and the TiO 2 nanotubes after CdS coating were found to increase roughness by formation of CdS nanoparticles.

또한, CdS 코팅 전과 후의 TiO2 나노튜브의 XRD 패턴을 D/MAX-RC thin-film X-ray diffractometer(Rigaku Co.)를 이용하여 scan speed, 1°/min; Cu Kα radiation, λ=1.5418Å; scan range, 20°-70°와 같은 조건에서 수집하였다.In addition, the XRD pattern of TiO 2 nanotubes before and after CdS coating using a D / MAX-RC thin-film X-ray diffractometer (Rigaku Co.) scan speed, 1 ° / min; Cu Kα radiation, λ = 1.5418 Hz; The scan range was collected under the same conditions as 20 ° -70 °.

그 결과, 도 3에 나타난 바와 같이, CdS 코팅 전 양극산화 처리된 TiO2 나노튜브(회색 실선)는 매끄러운 표면을 가지는 비정질 상(amorphous phase)임을 확인하였으며, CdS 코팅 후 TiO2 나노튜브(검정 실선)에서는 CdS 나노입자 형성에 기이한 피크를 확인하였다("S"는 기판 피크를 나타냄). As a result, as shown in FIG. 3, it was confirmed that the anodized TiO 2 nanotubes (gray solid line) before CdS coating were an amorphous phase having a smooth surface, and the TiO 2 nanotubes (black solid line) after CdS coating were confirmed. ), A peak peculiar to CdS nanoparticle formation was identified ("S" represents a substrate peak).

또한, CdS 코팅 전과 후의 TiO2 나노튜브의 흡수 스펙트라를 V/650 spectrophotometer(Jasco, Inc.)를 이용하여 확산 반사 모드(diffuse reflectance mode)에서 측정하였다. In addition, the absorption spectra of TiO 2 nanotubes before and after CdS coating were measured in diffuse reflectance mode using a V / 650 spectrophotometer (Jasco, Inc.).

그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 가시광선 영역에서 거의 흡광도를 나타내지 않았던 TiO2 나노튜브가 CdS 코팅 후, CdS 나노입자의 형성에 의해 가시광선 영역을 흡수하는 것을 확인하였다.As a result, as shown in FIG. 4, it was confirmed that the TiO 2 nanotubes, which showed little absorbance in the visible light region, absorbed the visible light region by the formation of CdS nanoparticles after CdS coating.

더욱이, CdS 코팅을 위한 SILAR 공정 사이클 수에 따른 흡수 스펙트라를 확인한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, CdS 코팅 후 자외선에서 가시광선 영역으로 레드-쉬프트(Red-shift) 하는 것을 확인하였다.Furthermore, as a result of confirming the absorption spectra according to the number of SILAR process cycles for CdS coating, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the red-shift to the visible region in the ultraviolet after CdS coating.

또한, CdS 코팅을 위한 SILAR 공정 사이클 수에 따른 CdS가 코팅된 TiO2 나노튜브의 상대적인 구성성분을 Energy-dispersive X-ray spectroscopy를 이용하여 측정한 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, Cd 및 S의 양은 CdS 코팅 후 점차 증가하였다.In addition, the relative constituents of CdS-coated TiO 2 nanotubes according to the number of SILAR process cycles for CdS coating were measured using Energy-dispersive X-ray spectroscopy, as shown in FIG. 6. The amount gradually increased after CdS coating.

계속해서, 상기 제조된 TiO2-CdS 나노튜브 필름의 광 밴드갭(optical bandgap)을 tauc's extrapolation 방법(J. Tauc et al., J. Non-Cryst. Solids, 8:569, 1972)을 통해 측정하였다.
Subsequently, the optical bandgap of the prepared TiO 2 -CdS nanotube film was measured by tauc's extrapolation method (J. Tauc et al., J. Non-Cryst. Solids, 8: 569, 1972). It was.

Figure pat00001
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그 결과, 표 1에 나타난 바와 같이, TiO2-CdS 나노튜브 필름의 광 밴드갭(optical bandgap)은 CdS 코팅 공정을 반복할수록 감소하였다. 이러한 감소는 양자구속효과(quantum confinement effect)를 의미하며, 실제 CdS 나노입자의 사이즈(예를 들어, CdS는 SILAR 공정 4 사이클 후 2.36nm의 사이즈를 가짐)는 10nm보다 더 작은 CdS에 대한 양자구속효과를 나타내는 범위에 있다 (Y. Wang et al., Phys. Rev. B, 42:7253, 1990).
As a result, as shown in Table 1, the optical bandgap of the TiO 2 -CdS nanotube film decreased as the CdS coating process was repeated. This reduction implies a quantum confinement effect, where the actual size of CdS nanoparticles (e.g., CdS has a size of 2.36 nm after 4 cycles of SILAR process) for CdS smaller than 10 nm In the range of effect (Y. Wang et al., Phys. Rev. B, 42: 7253, 1990).

TiOTiO 22 -CdS 나노튜브를 이용한 산화환원 효소 보조인자의 재생Regeneration of Redox Enzyme Cofactors Using -CdS Nanotubes

광화학적 NADH 재생 및 유기 화합물의 효소적 합성을 위한 CdS가 코팅된 TiO2 나노튜브 필름의 이용가능성을 테스트하였다.The availability of CdS coated TiO 2 nanotube films for photochemical NADH regeneration and enzymatic synthesis of organic compounds was tested.

NADH의 광재생은 420nm cut-off filter를 가지는 제논 램프(450W)로 빛을 조사하는 동안 TiO2-CdS 나노튜브를 반응액에 담궈서 수행하였다. pH 7.5의 반응액(1mM NAD+, 0.25mM [Cp*Rh(bpy)H2O]2+, 15w/v% TEOA 및 100mM 인산 완충용액) 3mL를 석영 셀(quartz cell)에 채우고, 실험하는 동안, 광전극의 외부 표면적(apparent surface area)에 대한 반응 부피의 비율은 1 cm2당 1 cm3으로 유지하였다. NADH 광재생 동안, NAD+ 및 NADH의 농도는 각각 260nm 및 340nm에서 반응액의 흡광도를 측정함으로써 측정하였다. 340nm에서 NADH의 흡광계수는 6.22mM-1cm-1이다. Photoregeneration of NADH was performed by dipping TiO 2 -CdS nanotubes into the reaction solution while irradiating light with a xenon lamp (450W) having a 420nm cut-off filter. Fill the quartz cell with 3 mL of a reaction solution of pH 7.5 (1 mM NAD + , 0.25 mM [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ , 15 w / v% TEOA and 100 mM phosphate buffer) In the meantime, the ratio of the reaction volume to the external surface area of the photoelectrode was maintained at 1 cm 3 per cm 2 . During NADH photoregeneration, the concentrations of NAD + and NADH were measured by measuring the absorbance of the reaction solution at 260 nm and 340 nm, respectively. The absorption coefficient of NADH at 340 nm is 6.22 mM -1 cm -1 .

그 결과, 도 7에 나타난 바와 같이, NAD+의 농도는 시간이 흐를수록 감소하는 반면, NADH의 농도는 증가하는 것을 확인하였다.As a result, as shown in Figure 7, the concentration of NAD + decreases over time, while it was confirmed that the concentration of NADH increases.

또한, CdS를 코팅하지 않은 TiO2 나노튜브 및 크기가 다른 TiO2-CdS 나노튜브에 대한 시간에 따른 NADH의 재생율을 비교한 결과, 도 8에 나타난 바와 같이, CdS를 코팅하지 않은 TiO2 나노튜브는 NADH를 거의 재생하지 못하였으며, TiO2-CdS 나노튜브의 경우에는 포어 직경(pore diameter)이 더 클수록(94.9nm vs 63.4nm) 광재생율이 더 우수한 것을 확인하였다 (2시간 동안 50.3% vs 5.35%).In addition, as a result of comparing the regeneration rate of NADH over time for TiO 2 nanotubes without a CdS coating and TiO 2 -CdS nanotubes of different sizes, as shown in Figure 8, TiO 2 nanotubes without a coating of CdS Showed little regeneration of NADH, and the higher the pore diameter (94.9nm vs 63.4nm) for TiO 2 -CdS nanotubes, the better the optical regeneration rate (50.3% vs 5.35 for 2 hours). %).

이는, 반응종의 분산이 광재생 시스템을 최적화하기 위하여 중요한 요소임을 의미한다.This means that dispersion of reactive species is an important factor for optimizing the optical regeneration system.

또한, CdS의 코팅 수에 따른 NADH 재생율을 비교한 결과, TiO2 나노튜브의 치수와 상관없이 SILAR 공정의 4 사이클에 의해 제조된 TiO2-CdS 나노튜브(4×TiO2-CdS) 필름이 NADH 재생율이 가장 우수한 것을 확인하였다 (도 9).In addition, results of comparing NADH refresh rate based on the number of coating of CdS, the TiO 2 -CdS prepared by four cycles of SILAR process, regardless of the size of the TiO 2 nanotubes nanotube (4 × TiO 2 -CdS) film is NADH It was confirmed that the regeneration rate was the best (Fig. 9).

이러한 결과는 CdS 코팅 수가 증가할수록 많은 양의 빛을 흡수할 수 있는 반면, 커다란 CdS 응집체(agglomerates) 형성에 의하여 TiO2 나노튜브의 채널 블록킹(channel blocking) 및 전하 분리(charge separation)의 효율성이 떨어지기 때문인 것으로 추측하였다. These results indicate that as the number of CdS coatings increases, a large amount of light can be absorbed, while the effectiveness of channel blocking and charge separation of TiO 2 nanotubes due to the formation of large CdS agglomerates decreases. It was assumed that it was because of losing.

도 10은 SILAR 공정의 7 사이클에 의해 제조된 TiO2-CdS 나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것으로, CdS 응집체 형성에 의한 채널 블록킹을 보여주고 있다. FIG. 10 is a SEM photograph of TiO 2 -CdS nanotubes prepared by 7 cycles of SILAR process, showing channel blocking by CdS aggregate formation.

한편, 최근 연구에 따르면, 더 작은 양자점은 더 큰 양자점에 비해 더 효율적으로 TiO2로 전자를 주입하며, 밴드갭이 더 클수록, CdS의 CB 경계는 더 음(negative)에 위치하여, 전자 주입을 위한 구동력(driving force, 즉, CdS 및 TiO2의 CB 경계의 위치의 차이)은 더욱 커진다 (I. Robel et al., J. Am. Chem. Soc., 129:4136, 2007).On the other hand, recent studies have shown that smaller quantum dots inject electrons more efficiently into TiO 2 than larger quantum dots, and the larger the bandgap, the more negative the CB boundary of CdS is, The driving force (ie, the difference in the position of the CB boundary of CdS and TiO 2 ) is even greater (I. Robel et al., J. Am. Chem. Soc., 129: 4136, 2007).

즉, CdS는 TiO2보다 작은 사이즈를 가지면서 CdS의 전도대역 경계(conduction band edge)는 도 11에 나타난 바와 같이, TiO2의 전도대역 경계보다 더욱더 음의 위치(negative position)에 있기 때문에(적어도 0.2V more negative), 광발생된 전자는 열역학적으로 유리하게 CdS로부터 TiO2로 빠르게 주입될 수 있다.That is, since CdS has a smaller size than TiO 2 and the conduction band edge of CdS is at a more negative position than the conduction band boundary of TiO 2 as shown in FIG. 11 (at least) 0.2V more negative), photogenerated electrons can be rapidly injected into TiO 2 from CdS in a thermodynamically advantageous manner.

따라서, TiO2-CdS 나노튜브에서 효율적인 전하 분리가 NADH 광재생의 효율성을 향상시킬 수 있음을 확인하기 위하여, CdS가 코팅된 Al2O3 나노튜브(Al2O3-CdS 나노튜브)와 TiO2-CdS 나노튜브의 NADH 광재생 효율성을 비교하였다. Thus, to confirm that efficient charge separation in TiO 2 -CdS nanotubes can improve the efficiency of NADH photoregeneration, CdS coated Al 2 O 3 nanotubes (Al 2 O 3 -CdS nanotubes) and TiO The NADH photoregeneration efficiency of 2 -CdS nanotubes was compared.

먼저, 통상적으로 이용되는 양극산화 처리된 알루미늄 산화 막을 이용하여 Al2O3 나노튜브 필름을 제조한 다음, SILAR 방법을 이용하여 CdS 나노입자로 코팅하여 Al2O3-CdS 나노튜브 필름을 제조하였으며, S-4900 field emission scanning electron microscope(Hitachi High-technologies Co.)를 이용하여 CdS의 코팅 전과 후의 SEM 이미지를 확인하였다.First, Al 2 O 3 nanotube films were prepared using commonly used anodized aluminum oxide film, and then Al 2 O 3 -CdS nanotube films were prepared by coating with CdS nanoparticles using SILAR method. SEM images before and after the coating of CdS were confirmed using a S-4900 field emission scanning electron microscope (Hitachi High-technologies Co.).

그 결과, 도 12에 나타난 바와 같이, Al2O3 나노튜브 전체 표면에 CdS 나노입자가 코팅된 것을 확인하였으며, Al2O3 나노튜브의 포어의 평균 직경 및 길이는 각각 211nm 및 60μm임을 확인하였다.Was confirmed as a result, that, Al 2 O 3 nanotubes was confirmed that an CdS nanoparticles coated on the entire surface, Al 2 O average diameter and length of the third nanotube pores are respectively 211nm and 60μm, as shown in Figure 12 .

계속해서, TiO2-CdS 나노튜브 및 Al2O3-CdS 나노튜브의 NADH 재생율을 측정한 결과, Al2O3-CdS 나노튜브 필름은 TiO2-CdS 나노튜브보다 더 큰 치수(평균 211nm 포어 직경 및 60μm 길이) 및 더 큰 표면적(1cm2 기판 당 1131cm2)을 가짐에도 불구하고, Al2O3-CdS 나노튜브 필름은 더 낮은 재생율을 나타내었다 (도 9).Subsequently, the NADH regeneration rate of TiO 2 -CdS nanotubes and Al 2 O 3 -CdS nanotubes was measured, indicating that the Al 2 O 3 -CdS nanotube films had larger dimensions (average 211 nm pores than TiO 2 -CdS nanotubes). 60μm diameter and length) and was further despite the large surface area (1cm 2 has a 1131cm 2) per substrate, it is shown a lower refresh rate, Al 2 O 3 -CdS nanotube film (FIG. 9).

이러한 결과는 높은 수준의 전하 재결합(charge recombination)에 의한 것으로, 도 13에 나타난 바와 같이, TiO2-CdS 나노튜브 필름의 경우, CdS로부터 TiO2로의 전자 주입은 TiO2보다 CdS가 더욱 음의(negative) 전기 대역 준위를 가지기 때문에 열역학적으로 유리하여 나노크기의 반도체 입자에서 유리하게 발생하는 전자-홀 재결합을 억제하는 반면 Al2O3-CdS 나노튜브 필름에서 여기된 전자는 TiO2-CdS 나노튜브 필름보다 더 높은 수준으로 홀과 재결합할 수 있어 NADH 광재생의 효율성이 더 낮아지는 것이다 (M은 [Cp*Rh(bpy)H20]2+ 복합체를 의미함).This result is due to a high level of charge recombination, and as shown in FIG. 13, in the case of TiO 2 -CdS nanotube films, electron injection from CdS to TiO 2 is more negative than that of TiO 2. negative) Because of its electrical band level, it is thermodynamically advantageous to inhibit electron-hole recombination that favorably occurs in nanoscale semiconductor particles, while electrons excited in Al 2 O 3 -CdS nanotube films are TiO 2 -CdS nanotubes. It is possible to recombine with holes to a higher level than the film, resulting in a lower efficiency of NADH photoregeneration (M means [Cp * Rh (bpy) H 2 0] 2+ complex).

계속해서, NADH의 광재생율을 향상시키기 위하여, 열처리를 통해 TiO2 나노튜브의 결정도(crystallinity)를 조절하였다. TiO2의 결정도가 높을수록 전자 포착(electron trapping) 사이트로서 작용하는 결함의 밀도는 낮아지기 때문에 NADH의 재생 효율은 더 높아질 것이다.Subsequently, in order to improve the optical regeneration rate of NADH, the crystallinity of the TiO 2 nanotubes was adjusted through heat treatment. The higher the crystallinity of TiO 2, the lower the density of defects acting as electron trapping sites, and thus the higher the regeneration efficiency of NADH.

TiO2 나노튜브 필름을 60V에서 1시간 동안 Ti foil을 양극산화 처리하여 제조한 다음, 실온, 150℃, 300℃ 및 450℃에서 2시간 동안 annealing하였다. TiO 2 nanotube films were prepared by anodizing Ti foil at 60 V for 1 hour and then annealing at room temperature, 150 ° C., 300 ° C. and 450 ° C. for 2 hours.

TiO2의 결정화는 SEM, XRD 및 라만 분석기와 같은 다중 분석 툴을 이용하여 분석하였다.Crystallization of TiO 2 was analyzed using multiple analysis tools such as SEM, XRD and Raman analyzer.

먼저, annealing 온도에 따른 TiO2 나노튜브를 S-4900 field emission scanning electron microscope(Hitachi High-technologies Co.)를 이용하여 확인한 결과, 도 14에 나타난 바와 같이, 고온에서 annealing한 후에도 TiO2 나노튜브의 튜브형 형태학은 남아있었으나, 매끄러웠던 표면이 울퉁불퉁(rugged)해진 것을 확인하였다. First, the TiO 2 nanotubes according to the annealing temperature were confirmed using an S-4900 field emission scanning electron microscope (Hitachi High-technologies Co.). As shown in FIG. 14, the TiO 2 nanotubes were annealed at a high temperature even after the annealing at high temperature. The tubular morphology remained, but the smooth surface was found to be rugged.

또한, annealing 온도에 따른 TiO2 나노튜브의 XRD 패턴을 D/MAX-RC thin-film X-ray diffractometer(Rigaku Co.)를 이용하여 scan speed, 1°/min; Cu Kα radiation, λ=1.5418Å; scan range, 20°-70°와 같은 조건에서 수집하였으며, 라만 분석기(LabRAM HR UV/Vis/NIR, Horiba Jobin Yvon,)를 이용하여 TiO2 나노결정체의 크기를 측정하였다. TiO2 나노결정체의 크기는 이전 연구에 따라 라만 스펙트라에서 Eg 밴드 피크 위치의 쉬프트(shift)를 이용하여 측정하였다 (W. F. Zhang et al., J. Phys. D: Appl. Phys., 33:912, 2000; D. Zhang et al., Adv. Funct. Mater., 16:1228, 2006).In addition, the XRD pattern of TiO 2 nanotubes according to the annealing temperature by using a D / MAX-RC thin-film X-ray diffractometer (Rigaku Co.) scan speed, 1 ° / min; Cu Kα radiation, λ = 1.5418 Hz; Scan range was collected under the same conditions as 20 ° -70 °, and the size of the TiO 2 nanocrystals was measured using a Raman analyzer (LabRAM HR UV / Vis / NIR, Horiba Jobin Yvon,). The size of TiO 2 nanocrystals was measured using a shift of the Eg band peak position in Raman spectra according to previous studies (WF Zhang et al., J. Phys. D: Appl. Phys., 33: 912, 2000; D. Zhang et al., Adv. Funct. Mater., 16: 1228, 2006).

그 결과, 도 15 및 도 16에 나타난 바와 같이, 비정질 상태의 TiO2 나노튜브는 고온에서 annealing한 후, 아나타제 상(anatase phase)으로 결정화되는 것을 확인하였으며(도 15), 라만 스펙트라에서, annealing 온도가 증가할수록 anatase TiO2에 상응하는 피크의 세기는 Eg 밴드의 레드 쉬프트와 함께 확연하게 증가하였다(도 16). As a result, as shown in Fig. 15 and 16, after the amorphous TiO 2 nanotubes at high temperature, it was confirmed that the crystallization in the anatase phase (Fig. 15), in the Raman spectra, annealing temperature As increased, the intensity of the peak corresponding to anatase TiO 2 increased significantly with the red shift of the Eg band (FIG. 16).

600℃보다 높은 온도에서의 annealing은 튜브형의 구조를 방해하고 루틸 상(rutile phase)으로 상 변환(phase transformation)을 야기한다. Annealing at temperatures above 600 ° C. interferes with the tubular structure and causes phase transformation into the rutile phase.

표 2는 상기 XRD 및 라만 분광기를 이용한 방법에 의해 측정된 anatase 나노결정체의 크기를 나타낸 것으로, annealing 온도가 증가할수록 나노결정체의 크기가 증가하였다.
Table 2 shows the size of the anatase nanocrystals measured by the method using the XRD and Raman spectroscopy, the size of the nanocrystals increased with increasing the annealing temperature.

Figure pat00002
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계속해서, 서로 다른 결정화를 가지는 TiO2 나노튜브를 CdS로 코팅한 다음, NADH 광재생율을 비교하였다. 그 결과, 도 17에 나타난 바와 같이, 300℃까지 annealing 온도가 증가함에 따라 TiO2 나노결정체의 사이즈가 증가하면서, 4×TiO2-CdS 나노튜브 필름의 경우, 광재생 효율은 49.9%에서 75.2%로 약 1.5배 증가하였다. 이러한 결과는 TiO2의 결정화에 따른 증가된 전자 수명(electron lifetime)에 기인된 것이다 (S. Nakade et al., J. Phys. Chem. B, 106:10004, 2002). 그러나, 450℃에서 처리한 TiO2 나노튜브는 효율성이 54.4%로 감소하였으며, 최근 연구 결과에 따르면 더 큰 결정의 형성은 표면적을 감소시키고, 보조인자 광재생의 효율성에서 증가된 전자 수명의 효율을 역균형화(counterbalance)시키는 것으로 보고되었다.Subsequently, TiO 2 nanotubes having different crystallizations were coated with CdS, and then NADH photoregeneration was compared. As a result, as shown in FIG. 17, the size of the TiO 2 nanocrystals increased with annealing temperature up to 300 ° C., while the 4 × TiO 2 -CdS nanotube film had a photoregeneration efficiency of 49.9% to 75.2%. Increased 1.5 times. This result is due to the increased electron lifetime of TiO 2 crystallization (S. Nakade et al., J. Phys. Chem. B, 106: 10004, 2002). However, TiO 2 nanotubes treated at 450 ° C reduced their efficiency to 54.4%, and recent studies show that larger crystal formation reduces surface area and increases the efficiency of electron lifetimes in the efficiency of cofactor photoregeneration. It has been reported to counterbalance.

한편, 다양한 온도에서 annealing 후 CdS의 코팅 수에 따른 TiO2 나노튜브 필름의 NADH의 광재생율을 비교한 결과, 도 18에 나타난 바와 같이, 모든 온도에 대하여 4번의 CdS 코팅이 이루어진 경우가 가장 NADH 재생율이 우수한 것으로 확인하였다. On the other hand, as a result of comparing the NADH optical regeneration rate of TiO 2 nanotube film according to the number of coating of CdS after annealing at various temperatures, as shown in Figure 18, the four NdH regeneration rate is the case where four CdS coatings were made for all temperatures It confirmed that this was excellent.

또한, 광재생 효율성에서 나노구조의 TiO2 필름의 형태학 효과(morphological effect)를 조사하기 위하여, 비교실험을 위해 나노입자로 구성된 TiO2 필름(particulate TiO2 film)을 제조하였다. 나노입자로 구성된 TiO2 필름(약 15μm 두께)은 통상적으로 이용되는 TiO2 나노입자 및 TTIP(titanium tetraisopropoxide)로 구성된 페이스트(paste)를 이용하여 doctor-blade 방법에 의해 제조하였다 (D. Zhang et al., Adv. Funct. Mater., 16:1228, 2006). 상기 제조된 TiO2 필름은 실온에서 밤새 annealing하고, TTIP의 가수분해(hydrolysis) 및 축합반응(condensation)을 통해 나노입자를 서로 상호연결시켜 기계적 안정성을 향상시키기 위하여 150℃에서 10분 동안 annealing하였다.In addition, the, TiO 2 film (particulate TiO 2 film) composed of nano-particles for comparative experiments to examine the effect of the morphology of the TiO 2 film nanostructures (morphological effect) in the optical reproducing efficiency was prepared. TiO 2 films composed of nanoparticles (about 15 μm thick) were prepared by the doctor-blade method using pastes composed of commonly used TiO 2 nanoparticles and titanium tetraisopropoxide (TTIP) (D. Zhang et al. , Adv.Funct. Mater., 16: 1228, 2006). The prepared TiO 2 film was annealed at room temperature overnight, and annealed at 150 ° C. for 10 minutes to interconnect the nanoparticles with each other through hydrolysis and condensation of TTIP to improve mechanical stability.

나노입자로 구성된 TiO2 필름의 형성은 SEM, XRD 및 라만 분석기를 이용하여 확인하였다.The formation of TiO 2 films composed of nanoparticles was confirmed using SEM, XRD and Raman analyzer.

그 결과, 도 19 및 도 20에 나타난 바와 같이, 나노입자로 구성된 필름에서 TiO2는 450℃에서 annealing된 나노튜브형 필름(tubular film)에서의 TiO2 크기와 비슷한 크기(9.3nm vs 10.4nm)를 가지면서 나노결정 아나타제(nanocrystalline anatase) 상(phase)이였다. As a result, as shown in FIGS. 19 and 20, in the film composed of nanoparticles, TiO 2 was similar in size (9.3 nm vs. 10.4 nm) to the TiO 2 size in the tubular film annealed at 450 ° C. It was a nanocrystalline anatase phase.

TiO2 필름에서 anatase 나노결정의 크기는 anatase 피크(101)의 FWHM(full width at half-maximum) 및 Scherrer's equation(B. D. Cullity et al., Elements of X-ray diffraction, 2001) 또는 라만 스펙트라에서 Eg 밴드 피크 위치의 쉬프트를 이용하여 계산하였다.The size of the anatase nanocrystals in the TiO 2 film was characterized by the full width at half-maximum (FWHM) of the anatase peak 101 and the Eg band at Scherrer's equation (BD Cullity et al., Elements of X-ray diffraction, 2001) or Raman spectra. Calculation was made using the shift of the peak position.

계속해서, 나노입자로 구성된 TiO2 및 나노튜브형 TiO2 필름은 CdS로 코팅한 다음 각각 NADH 재생 테스트를 수행하여 NADH 광재생의 효율성을 비교한 결과, 도 21에 나타난 바와 같이, 나노튜브형 TiO2 필름은 나노입자로 구성된 TiO2와 비교하여 적어도 4배 이상 효과적으로 NADH를 재생시킬 수 있음을 확인하였다 (도 21a). 이러한 결과는 나노튜브형 필름에서 반응종의 효율적인 분산은 NADH 광재생의 높은 효율성을 위해 중요한 요소임을 알 수 있다 (도 21b).Then, TiO 2, and nano-tube-type TiO 2 film consisting of nano-particles is a result of performing the following each NADH regeneration tests coated with CdS compare the efficiency of NADH optical reproducing, as shown in Figure 21, the nano-tube-type TiO 2 film It was confirmed that NADH can be regenerated at least four times more effectively than TiO 2 composed of silver nanoparticles (FIG. 21A). These results show that the efficient dispersion of reactive species in the nanotubular film is an important factor for the high efficiency of NADH photoregeneration (Fig. 21B).

따라서, TiO2-CdS 나노튜브 필름은 합성이 쉽고, 형태학 조절(morphology control)(J. M. Macak et al, Angew. Chem. Int. Ed., 44:7463, 2005; K. Shankar et al., J. Phys. Chem. C, 113:6327, 2009)이 용이하며 효율적인 전하 분리(P. V. Kamat, J. Phys. Chem. C, 112:18737, 2008; W.-T. Sun et al., J. Am. Chem. Soc., 130:1124, 2008) 및 반응종(reaction species)이 나노튜브를 통해 잘 분산하는 효과 등의 장점을 가진다.
Thus, TiO 2 -CdS nanotube films are easy to synthesize and have morphology control (JM Macak et al, Angew. Chem. Int. Ed., 44: 7463, 2005; K. Shankar et al., J. Phys. Chem. C, 113: 6327, 2009) Easy and efficient charge separation (PV Kamat, J. Phys. Chem. C, 112: 18737, 2008; W.-T. Sun et al., J. Am. Chem. Soc., 130: 1124, 2008) and the reaction species (reaction species) has the advantage of such a good dispersion through the nanotubes.

TiOTiO 22 -CdS 나노튜브를 이용한 L-glutamate의 생산Production of L-glutamate Using -CdS Nanotubes

L-glutamate의 광효소적 합성을 위하여, GDH(글루타메이트 탈수소효소)로 촉매된 환원적 아민 반응을 TiO2-CdS 나노튜브 필름을 이용한 NAD+로부터 NADH의 광재생과 연결하였다. 광효소적 반응을 위한 반응액으로 1mM NAD+, 0.5mM [Cp*Rh(bpy)H2O]2+, 5mM a-ketoglutarate, 100mM (NH4)2SO4, 40U GDH, 15w/v% TEOA 및 0.1M 인산 완충용액(pH7.4)을 혼합하여 제조하였다. For photoenzymatic synthesis of L-glutamate, a reductive amine reaction catalyzed by GDH (glutamate dehydrogenase) was coupled with photoregeneration of NADH from NAD + using TiO 2 -CdS nanotube films. Reaction solution for photoenzymatic reaction: 1 mM NAD + , 0.5 mM [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ , 5 mM a-ketoglutarate, 100 mM (NH 4 ) 2 SO 4 , 40U GDH, 15w / v% It was prepared by mixing TEOA and 0.1M phosphate buffer (pH 7.4).

그 결과, 도 22에 나타난 바와 같이, L-glutamate는 NADH 광재생과 산화환원 효소(즉, GDH)로 촉매된 환원적 아민 반응(reductive amination reaction)을 결합하여 성공적으로 합성하였다.
As a result, as shown in FIG. 22, L-glutamate was successfully synthesized by combining NADH photoregeneration and a reductive amination reaction catalyzed by a redox enzyme (ie, GDH).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (29)

산화형 산화환원 효소 보조인자, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체 및 희생전자 주개를 함유하는 산화환원 효소 보조인자 재생용액에 빛을 조사하여 환원형 산화환원 효소 보조인자를 생성시키는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
Irradiating a redox redox enzyme cofactor, which contains an oxidative redox enzyme cofactor, a metal oxide-inorganic photosensitive complex in nanotube form, and a sacrificial electron donor, to generate a reduced redox enzyme cofactor A photochemical regeneration method of a redox enzyme cofactor.
제1항에 있어서, 상기 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체는 양극산화 처리를 통해 나노튜브 형태의 금속산화물을 제조한 다음, SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 상기 나노튜브 형태의 금속산화물에 무기 광감응제를 코팅하여 제조된 것임을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
The method of claim 1, wherein the nanotube-type metal oxide-inorganic photosensitive composite is prepared by anodizing to prepare a nanotube-type metal oxide, and then using a successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process. A photochemical regeneration method of a redox enzyme cofactor, which is prepared by coating an inorganic photosensitizer on a nanotube-type metal oxide.
제1항에 있어서, 상기 무기 광감응제는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs로 구성된 군에서 선택되는 나노입자인 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
The method of claim 1, wherein the inorganic photosensitizer is a nanoparticle selected from the group consisting of CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP and GaAs.
제1항에 있어서, 상기 금속산화물은 TiO2, SiO2, Fe2O3, IrO2, Co3O4 및 WO3로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
The photochemical regeneration of a redox enzyme cofactor according to claim 1, wherein the metal oxide is selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , Fe 2 O 3 , IrO 2 , Co 3 O 4 and WO 3 . Way.
제1항에 있어서, 상기 산화형 산화환원 효소 보조인자는 NAD+, NADP+, FAD+ 및 FMN+로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
The method of claim 1, wherein the oxidative redox enzyme cofactor is selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + .
제1항에 있어서, 상기 산화환원 효소 보조인자 재생용액은 산화환원매개체를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
The photochemical regeneration method of redox enzyme cofactor according to claim 1, wherein the redox enzyme cofactor regeneration solution further contains a redox mediator.
제6항에 있어서, 상기 산화환원매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
7. The photochemical regeneration method of a redox enzyme cofactor according to claim 6, wherein the redox mediator is selected from the group consisting of methyl viologen, ruthenium II complex and rhodium III complex.
제7항에 있어서, 상기 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)인 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
8. The method of claim 7, wherein the ruthenium II complex is (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II).
제7항에 있어서, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광화학적 재생방법.
8. The method of claim 7, wherein the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III).
제1항에 있어서, 상기 희생전자주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올류 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광학적 재생방법.
The method of claim 1, wherein the sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, oxalic acid (Oxalic acid), an alcohol and an optical regeneration method of the redox enzyme cofactor, characterized in that selected from the group consisting of water.
제1항에 있어서, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자의 광학적 재생방법.
The optical regeneration method of redox enzyme cofactor according to claim 1, wherein the light is selected from the group consisting of tungsten-halogen lamp light, xenon lamp light, short wavelength laser light and sunlight.
산화형 산화환원 효소 보조인자, 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체 및 희생전자 주개를 함유하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
A composition for regeneration of a redox enzyme cofactor containing an oxidative redox enzyme cofactor, a metal oxide-inorganic photosensitive agent complex in the form of a nanotube, and a sacrificial electron donor.
제12항에 있어서, 상기 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체는 양극산화 처리를 통해 나노튜브 형태의 금속산화물을 제조한 다음, SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 상기 나노튜브 형태의 금속산화물에 무기 광감응제를 코팅하여 제조된 것임을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
The method of claim 12, wherein the nanotube-type metal oxide-inorganic photosensitive composite is prepared by anodizing to prepare a nanotube-type metal oxide, and then using a successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process. Redox enzyme cofactor regeneration composition, characterized in that prepared by coating an inorganic photosensitizer on the metal oxide in the form of nanotubes.
제12항에 있어서, 상기 무기 광감응제는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP 및 GaAs로 구성된 군에서 선택되는 나노입자인 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
The composition of claim 12, wherein the inorganic photosensitizer is a nanoparticle selected from the group consisting of CdS, CdSe, CdTe, PbS, ZnS, InP, and GaAs.
제12항에 있어서, 상기 금속산화물은 TiO2, SiO2, Fe2O3, IrO2, Co3O4 및 WO3로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
The composition of claim 12, wherein the metal oxide is selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , Fe 2 O 3 , IrO 2 , Co 3 O 4, and WO 3 .
제12항에 있어서, 상기 산화형 산화환원 효소 보조인자는 NAD+, NADP+, FAD+ 및 FMN+로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
The composition of claim 12, wherein the oxidative redox enzyme cofactor is selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + .
제12항에 있어서, 상기 산화환원 효소 보조인자 재생용액은 산화환원매개체를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
The composition for regeneration of a redox enzyme cofactor according to claim 12, wherein the redox enzyme cofactor regeneration solution further contains a redox mediator.
제17항에 있어서, 상기 산화환원매개체는 메틸비올로겐, 루테늄 II 복합체 및 로듐 III 복합체로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
18. The composition of claim 17, wherein the redox mediator is selected from the group consisting of methylviologen, ruthenium II complex, and rhodium III complex.
제18항에 있어서, 상기 루테늄 II 복합체는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(II)인 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
19. The composition of claim 18, wherein the ruthenium II complex is (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II).
제18항에 있어서, 상기 로듐 III 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(III)인 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
19. The composition of claim 18, wherein the rhodium III complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III).
제12항에 있어서, 상기 희생전자주개는 트리에탄올아민(Triethanolamine, TEOA), 에틸렌디아민테트라아세트산(Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 시트르산(Citric acid), 개미산(Formic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 옥살산(Oxalic acid), 알코올류 및 물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물.
The method of claim 12, wherein the sacrificial electron donor is triethanolamine (TEOA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), citric acid, formic acid, ascorbic acid, oxalic acid (Oxalic acid), a redox enzyme cofactor regeneration composition, characterized in that selected from the group consisting of alcohols and water.
다음 단계를 포함하는 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체의 제조방법:
(a) 양극산화 처리를 통해 나노튜브 형태의 금속산화물을 제조하는 단계; 및
(b) SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정을 이용하여 상기 나노튜브 형태의 금속산화물에 무기 광감응제를 코팅하는 단계.
Method for preparing a metal oxide-inorganic photosensitive composite in the form of nanotubes comprising the following steps:
(a) preparing a metal oxide in the form of nanotubes through anodization; And
(b) coating an inorganic photosensitizer on the metal oxide in the form of nanotubes using a successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process.
제22항에 있어서, 상기 SILAR(successive ionic layer adsorption and reaction) 공정은 4번 수행하는 것을 특징으로 하는 나노튜브 형태의 금속산화물-무기 광감응제 복합체의 제조방법.
23. The method of claim 22, wherein the successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) process is performed four times.
산화환원 효소와 그 보조인자를 이용한 기질의 산화환원 반응을 통해 화합물을 제조하는 방법에 있어서, 제12항의 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물을 이용하여 산화환원 효소의 보조인자를 재생시키고, 상기 재생된 보조인자를 이용하여 산화환원 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법.
In the method for producing a compound through a redox reaction of a substrate using a redox enzyme and its cofactor, the cofactor of the redox enzyme is regenerated using the composition for regenerating the redox enzyme cofactor of claim 12, Method for producing a compound, characterized in that for performing a redox reaction using the cofactor.
제24항에 있어서, (a) 제12항의 산화환원 효소 보조인자 재생용 조성물에 기질 및 산화환원 효소를 첨가한 다음, 빛을 조사하여 산화환원 효소 보조인자를 재생시키는 단계; 및 (b) 상기 재생된 보조인자를 이용하여 산화환원 효소 반응을 통해 제조된 화합물을 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법.
25. The method of claim 24, further comprising the steps of: (a) adding a substrate and a redox enzyme to the redox enzyme cofactor regenerating composition of claim 12 and then irradiating with light to regenerate the redox enzyme cofactor; And (b) obtaining a compound prepared by a redox enzyme reaction using the regenerated cofactor.
제24항에 있어서, 상기 화합물은 L-글루타메이트(L-glutamate), 락테이트(Lactate), 및 알코올(Alcohol)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법.
The method of claim 24, wherein the compound is selected from the group consisting of L-glutamate, Lactate, and alcohol.
제26항에 있어서, 상기 기질은 a-케토글루타레이트(a-ketoglutarate), 알데하이드(Aldehydes) 및 피루베이트(Pyruvate)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법.
27. The method of claim 26, wherein the substrate is selected from the group consisting of a-ketoglutarate, aldehydes and pyruvates.
제24항에 있어서, 상기 산화환원 효소는 글루타민산탈수소효소(GDH, glutamate dehydrogenase), 알코올탈수소효소(ADH, alcohol dehydrogenase) 및 젖산탈수소효소(LDH, lactate dehydrogenase)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법.
The method of claim 24, wherein the redox enzyme is selected from the group consisting of glutamate dehydrogenase (GDH, glutamate dehydrogenase), alcohol dehydrogenase (ADH, alcohol dehydrogenase) and lactate dehydrogenase (LDH, lactate dehydrogenase) Method for preparing the compound.
제25항에 있어서, 상기 빛은 텅스텐-할로겐 램프광, 제논 램프광, 단파장 레이저광 및 태양광으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 화합물의 제조방법.The method of claim 25, wherein the light is selected from the group consisting of tungsten-halogen lamp light, xenon lamp light, short wavelength laser light, and sunlight.
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