KR20120119934A - Silica Nanotubes, Manufacturing method for the same and Their Applications as Multi-Chemosensors - Google Patents

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KR20120119934A
KR20120119934A KR1020110037588A KR20110037588A KR20120119934A KR 20120119934 A KR20120119934 A KR 20120119934A KR 1020110037588 A KR1020110037588 A KR 1020110037588A KR 20110037588 A KR20110037588 A KR 20110037588A KR 20120119934 A KR20120119934 A KR 20120119934A
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Abstract

PURPOSE: A silica nanotube, a manufacturing method of the same, and a multi-sensor including the same are provided to improve selectivity to metal ions and to separate mercury or lead ions from drinking water. CONSTITUTION: A silica nanotube includes a cylindrical template containing silica. The outer side of the cylindrical template is saturated with azobenzen groups; the inner side of the cylindrical template is saturated with boron dipyrromethene groups. A azobenzen group is derived from a compound represented by chemical formula 1. In chemical formula 1, R1 is C1-5 alkyl group; R2 is C1-10 alkoxy group; R3 is a heteroatom and is non-cyclic host containing one or more oxygen and one or more nitrogen. A boron dipyrromethene group is derived from a compound represented by chemical formula 3. In chemical formula 3, X is O or S; and R3 is respectively selected from C1-7 alkyl groups.

Description

실리카 나노 튜브, 그 제조방법 및 멀티 센서로 응용{Silica Nanotubes, Manufacturing method for the same and Their Applications as Multi-Chemosensors} Silica Nanotubes, Manufacturing method for the same and Their Applications as Multi-Chemosensors}

본 발명은 멀티센서로써 확연히 다른 화학적 기능성을 실리카 나노 튜브의 내부와 외부에 도입한 나노 입자, 이의 제조방법 및 응용에 관한 것으로, 자세하게는 수은 및 납으로부터 오염된 음용수로부터 수은 및 납 이온을 고감도로 검출할 수 있으며, 화학적, 물리적 흡착을 통하여 오염된 음용수로부터 수은 및 납을 분리 및 제거할 수 있는 멀티 센서로써 확연히 다른 화학적 기능성을 실리카 나노 튜브의 내부와 외부에 도입한 나노 입자, 이의 제조방법에 관한 것이고, 상기 나노 튜브를 이용하여 광학센서, 정수 장치에 응용할 수 있는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to nanoparticles that introduce significantly different chemical functionalities into and out of silica nanotubes as multi-sensors, and to a method and application thereof. Specifically, the present invention relates to high sensitivity of mercury and lead ions from drinking water contaminated with mercury and lead. It is a multi-sensor that can detect and separate mercury and lead from contaminated drinking water through chemical and physical adsorption. The present invention relates to an optical sensor and a water purifying device using the nanotubes.

다양한 기능성을 도입한 나노 물질은 기본적으로 현대 환경, 생의학, 생물학적 응용, 촉매, 필터, 분리, 분자 분리, 저장체, 의학적 이미징, 약물 전달, 센서에 많은 이점이 있다. 구형 나노 입자와는 달리, 나노튜브는 템플레이트 합성을 이용하여 원하는 작용기를 다른 면에 독립적으로 도입할 수 있다. 현재 단분자 센싱, 생분리, 약물/단백질 전달을 위해 스마트한 다기능성 실리카 나노튜브가 만들어졌다. Matin 그룹에서는 실리카 나노튜브의 내부와 외부 표면에 서로 다른 기능성을 도입하여 수용액으로부터 친유성기의 추출을 설명했다. Nanomaterials with a variety of functionalities have many advantages in modern environments, biomedical, biological applications, catalysts, filters, separations, molecular separations, reservoirs, medical imaging, drug delivery, and sensors. Unlike spherical nanoparticles, nanotubes can use template synthesis to introduce desired functional groups independently on the other side. Smart multifunctional silica nanotubes are now being made for monomolecular sensing, bioseparation and drug / protein delivery. The Matin group described the extraction of lipophilic groups from aqueous solutions by introducing different functionalities into the inner and outer surfaces of silica nanotubes.

그러나, 실리카 나도튜브의 내부와 외부 표면에 서로 다른 작용기의 선택적인 도입을 위한 일반적인 방법은 여전히 도전과제로 남아있다.
However, the general method for the selective introduction of different functional groups into the inner and outer surfaces of silica nanotubes remains a challenge.

상기의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 수은 및 납이 함유된 오염물로부터 수은 및 납을 탐지 및 분리할 수 있는 멀티 센서로써 응용가능한 실리카 나노튜브를 제공하며, 이의 제조방법 및 응용을 제공하는데 목적이 있다.
In order to solve the above problems, the present invention provides a silica nanotube that can be applied as a multi-sensor capable of detecting and separating mercury and lead from contaminants containing mercury and lead, and to provide a method and application thereof have.

상기한 목적은 원통상인 주형의 외측면이 아조벤젠기로 포화되어 있고, 주형의 내측면이 보론-다이피로메텐기(boron-dipyrromethene, 이하, BODIPY기)로 포화되어 있으며, 상기 주형은 실리카를 포함하는 실리카 나노튜브로부터 달성된다. The above object is that the outer surface of the cylindrical mold is saturated with an azobenzene group, the inner surface of the mold is saturated with a boron-dipyrromethene group (hereinafter referred to as BODIPY group), and the mold includes silica. Is achieved from silica nanotubes.

이러한 실리카 나노튜브에 있어서, 주형의 외측면을 포화시킨 아조벤젠기는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 유래의 것이다.In such a silica nanotube, the azobenzene group which saturated the outer surface of a template is derived from the compound represented by following formula (1).

화학식 1Formula 1

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, R1은 (C1-C5)의 알킬이고, R2는 (C1-C10)알콕시기, R3는 이종원자로 1개 이상의 산소, 1개 이상의 질소를 포함하는 비고리형 호스트이다.In Formula 1, R 1 is an alkyl of (C1-C5), R 2 is a (C1-C10) alkoxy group, R 3 is a heterocyclic host containing at least one oxygen, at least one nitrogen as a hetero atom.

보다 구체적인 일 구현예에서, 주형의 외측면을 포화시킨 아조벤젠기는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 유래의 것이다.In a more specific embodiment, the azobenzene group saturating the outer surface of the template is derived from a compound represented by the following formula (2).

화학식 2(2)

Figure pat00002
Figure pat00002

본 발명의 일 구현예에 의한 실리카 나노튜브에 있어서, 주형의 내측면을 포화시킨 BODIPY기는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 유래의 것이다.In the silica nanotubes according to one embodiment of the present invention, the BODIPY group saturating the inner surface of the template is derived from the compound represented by the following formula (3).

화학식 3(3)

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 화학식 3에서, X는 산소원자(O) 또는 황원자(S)로부터 선택되며;In Formula 3, X is selected from an oxygen atom (O) or a sulfur atom (S);

R1 및 R2는 독립적으로 수소, (C1-C7)알킬기, 할로겐 원소, 니트로기, 니트릴기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기이고, 상기 알킬기 또는 아르알킬기의 알킬은 불포화 결합을 포함할 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기의 탄소원자는 N, O, S로부터 선택되는 헤테로원소로 치환될 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기는 니트로기, 니트릴기, 할로겐원소, (C1~C7)알킬기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기로부터 선택되는 치환기로 더 치환될 수 있으며;R 1 and R 2 are independently hydrogen, (C1-C7) alkyl group, halogen element, nitro group, nitrile group, (C6 ~ C20) aryl group, (C6 ~ C20) ar (C1 ~ C7) alkyl group or (C1 ~ C20) is an alkoxy group, the alkyl of the alkyl group or aralkyl group may include an unsaturated bond, the carbon atom of the alkyl group, aryl group or aralkyl group may be substituted with a hetero element selected from N, O, S, Alkyl group, aryl group or aralkyl group is nitro group, nitrile group, halogen element, (C1-C7) alkyl group, (C6-C20) aryl group, (C6-C20) ar (C1-C7) alkyl group or (C1-C20) May be further substituted with a substituent selected from an alkoxy group;

R3은 독립적으로 (C1~C7)알킬기로부터 선택되고;R 3 is independently selected from a (C1-C7) alkyl group;

a, a', b, 및 b'은 독립적으로 0내지 4의 정수이며, c, c', d, 및 d'은 독립적으로 0 내지 10의 정수이고;a, a ', b, and b' are independently integers from 0 to 4, and c, c ', d, and d' are independently integers from 0 to 10;

n 및 m은 1 내지 3의 정수이다.n and m are integers from 1 to 3.

보다 구체적인 일 구현예에서, 주형의 내측면을 포화시킨 BODIPY기는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물 유래의 것이다.In a more specific embodiment, the BODIPY group saturating the inner surface of the template is derived from a compound represented by the following formula (4).

화학식 4Formula 4

Figure pat00004
Figure pat00004

본 발명의 다른 일 구현예에서는 겔형성제를 이용하여 유리 겔 섬유를 제조하는 단계; 유기 겔 섬유에 테트라에톡시실란을 첨가하여 반응시켜 원통형의 실리카 나노튜브 주형을 제조하는 단계; 실리카 나노튜브 주형의 외측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계; 및 외측면에 아조벤젠기가 고정된 실리카 나노튜브 주형의 내측면에 BODIPY기를 고정하는 단계를 포함하는 실리카 나노튜브의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a glass gel fiber using a gel former; Adding tetraethoxysilane to the organic gel fibers and reacting to prepare a cylindrical silica nanotube template; Fixing the azobenzene group to the outer surface of the silica nanotube template; And fixing the BODIPY group to the inner surface of the silica nanotube template in which the azobenzene group is fixed to the outer surface.

본 발명의 일 구현예에 의한 실리카 나노튜브의 제조방법에서, 실리카 나노튜브 주형의 외측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 실리카 탄소나노튜브를 상기 화학식 1로 표시되는 화합물과 반응시키는 방법으로 수행될 수 있다. In the method for producing silica nanotubes according to an embodiment of the present invention, the fixing of the azobenzene group on the outer surface of the silica nanotube template may be performed by a method of reacting the silica carbon nanotubes with the compound represented by Chemical Formula 1 above. have.

보다 구체적인 일 구현예에서, 실리카 나노튜브 주형의 외측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 실리카 탄소나노튜브를 상기 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시키는 방법으로 수행될 수 있다. In a more specific embodiment, the step of fixing the azobenzene group on the outer surface of the silica nanotube template may be carried out by a method of reacting the silica carbon nanotubes with the compound represented by the formula (2).

본 발명의 일 구현예에 의한 실리카 나노튜브의 제조방법에 있어서, 실리카 나노튜브 주형의 내측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 외측면에 아조벤젠기가 고정된 실리카 나노튜브와 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 반응시키는 방법으로 수행될 수 있다. In the method for producing silica nanotubes according to an embodiment of the present invention, the step of fixing the azobenzene group on the inner surface of the silica nanotube template is a silica nanotube and the compound represented by the formula (3) having the azobenzene group fixed on the outer surface It may be carried out by a reaction method.

보다 구체적인 일 구현예에서는 실리카 나노튜브 주형의 내측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 외측면에 아조벤젠기가 고정된 실리카 나노튜브와 상기 화학식 4로 표시되는 화합물을 반응시키는 방법으로 수행될 수 있다.In a more specific embodiment, the step of fixing the azobenzene group on the inner surface of the silica nanotube template may be performed by a method of reacting the compound represented by Formula 4 with the silica nanotubes fixed with the azobenzene group on the outer surface.

본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상기 일 구현예들에 의한 실리카 나노튜브를 포함하는 멀티센서를 제공할 수 있다.In one exemplary embodiment of the present invention can provide a multi-sensor comprising the silica nanotubes according to the embodiments.

이러한 멀티센서는 나노튜브에 포화되어 있는 아조벤젠기가 수은과 반응하여 발색하는 것을 탐지하는 것일 수 있고, 또한 나노튜브에 포화되어 있는 BODIPY기가 납과 반응하여 발광하는 것을 탐지하는 멀티센서일 수 있다.
Such a multisensor may be to detect that the azobenzene group saturated in the nanotubes reacts with mercury, and may also be a multisensor to detect that the BODIPY group saturated in the nanotubes reacts with lead to emit light.

본 발명의 아조벤젠기와 BODIPY기가 치환된 실리카 나노튜브는 놀랍게도 금속 이온에 대한 선택도가 우수한 화학센서 및 수은 이온과 납 이온의 흡착제이며, 음용수로부터 수은 또는 납을 분리 및 제거할 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 아조벤젠기와 BODIPY기가 치환된 실리카 나노튜브는 발색 및 발광 물질이고, 수은이 나노 입자에 근접하여 아조벤젠 유기 수용체에 결합할 경우 발색 현상을 나타내고, 납이 나노 입자에 근접하여 BODIPY 유기 수용체에 결합할 경우, 발광 현상을 나타낸다.
The silica nanotubes substituted with the azobenzene group and the BODIPY group of the present invention are surprisingly excellent chemical sensors and adsorbents of mercury ions and lead ions, and have the effect of separating and removing mercury or lead from drinking water. The silica nanotubes substituted with the azobenzene group and the BODIPY group of the present invention are colored and luminescent materials, and when mercury binds to the azobenzene organic receptor in close proximity to the nanoparticles, color development occurs, and lead binds to the BODIPY organic receptor in proximity to the nanoparticles. In this case, light emission is exhibited.

도 1은 본 발명에 따른 다기능성 실리카나노튜브를 제조하는 공정의 일예를 도시한 것으로, (a) 젤 파이버, (b) 소산 전 SNT, (c) SNT의 외부 표면에 아조벤젠을 기본으로 한 리셉터 1의 도입(A-SNT), (d) 에탄올로 씻음으로써 1이 도입된 SNT 의 젤 파이버의 제거, (e) SNT의 내부에 BODIPY를 기본으로 한 리셉터 2의 도입(A-SNT-B)을 나타낸다.
도 2는 XPS 스펙트럼으로, (a) SNT, (b) A-SNT, (c) A-SNT-B의 XPS 스펙트럼.
도 3은 (a) A-SNT-B의 사진. (b)A-SNT-B의 SEM과 (c)A-SNT-B의 TEM 이미지.
도 4에 있어서 A는 A-SNT-B(10 mM)의 UV-vis 스펙트럼으로, (a) 수용액 (pH=7.4)에 Hg2+(10 당량) 첨가 (a) 전과 (b) 후. (c)와 (d)는 스펙트럼 (b)로부터 곡선 보정에 의해 분리된 것을 도시한 것이고, B는 (a) A-SNT-B에 Hg2+(10 당량)와 Pb2+ (10 당량) 수용액의 첨가 전의 사진, (b) A-SNT-B에 Hg2+의 첨가 후, (c) A-SNT-B에 Pb2+의 첨가 후의 사진.
도 5는 금속 이온 수용액 (pH=7.4)의 첨가에 따른 A-SNT-B (10 mM)의 형광 스펙트럼.
도 6은 UV 램프 조사에 의한 A-SNT-B로 준비된 펠렛 사진들로, (a) A-SNT-B, (b) Li+, (c) Ca2+, (d) Sr2+, (e) Co2+, (f) Cd2+, (g) Zn2+, (h) Pb2+, (i) Hg2+, (j) Cu2+, (k) Fe2+, (l) Fe3+.
도 7은 A-SNT-B를 이용함으로써 Pb2+와 Hg2+의 검출을 위한 순서도.
도 8은 A-SNT의 FT IR 스펙트럼.
도 9는 A-SNT-B의 FT IR 스펙트럼.
도 10은 A-SNT-B의 TOF-SIMS 스펙트럼.
도 11은 수용액에 분산된 A-SNT-B의 UV-vis 스펙트럼.
도 12는 (A) A-SNT의 고체 사진과 (B) A-SNT가 분산된 용액 사진으로, Hg2+의 첨가 (a) 전과 (b) 후.
도 13은 A-SNT의 형광 스펙트럼.
도 14는 A-SNT-B (10 mM)의 형광 스펙트럼으로, (a) Pb2+ 첨가 전, (b) Pb2+ 첨가 후, (c) HCl (0.01 N)/NaOH (0.01 N)의 첨가.
Figure 1 shows an example of a process for producing a multi-functional silica nanotube according to the present invention, (a) gel fiber, (b) pre-dissolution SNT, (c) receptor based on azobenzene on the outer surface of SNT Introduction of 1 (A-SNT), (d) Removal of gel fiber of SNT 1 introduced by washing with ethanol, (e) Introduction of receptor 2 based on BODIPY inside SNT (A-SNT-B) Indicates.
Figure 2 is an XPS spectrum, XPS spectrum of (a) SNT, (b) A-SNT, (c) A-SNT-B.
3 is a photograph of (a) A-SNT-B. SEM of A-SNT-B and TEM image of A-SNT-B.
In Figure 4 A is the UV-vis spectrum of A-SNT-B (10 mM), (a) before the addition of Hg 2+ (10 equivalents) to the aqueous solution (pH = 7.4) (a) and after (b). (c) and (d) show separation from curve (b) by curve correction, B is (a) Hg 2+ (10 equivalents) and Pb 2+ (10 equivalents) in A-SNT-B. Photograph before addition of aqueous solution, (b) Photograph after addition of Hg2 + to A-SNT-B, and (c) Photograph after addition of Pb 2+ to A-SNT-B.
5 is a fluorescence spectrum of A-SNT-B (10 mM) with addition of aqueous metal ion solution (pH = 7.4).
6 are pellet photographs prepared with A-SNT-B by UV lamp irradiation, (a) A-SNT-B, (b) Li + , (c) Ca 2+ , (d) Sr 2+ , ( e) Co 2+ , (f) Cd 2+ , (g) Zn 2+ , (h) Pb 2+ , (i) Hg 2+ , (j) Cu 2+ , (k) Fe 2+ , (l ) Fe 3+ .
7 is a flow chart for detection of Pb 2+ and Hg 2+ by using A-SNT-B.
8 is FT IR spectrum of A-SNT.
9 is FT IR spectrum of A-SNT-B.
10 is the TOF-SIMS spectrum of A-SNT-B.
11 is a UV-vis spectrum of A-SNT-B dispersed in an aqueous solution.
Figure 12 is a solid photograph of (A) A-SNT and (B) a solution photograph of A-SNT dispersed, before the addition of Hg 2+ (a) and (b).
13 is a fluorescence spectrum of A-SNT.
Figure 14 is a fluorescence spectrum of A-SNT-B (10 mM), (a) before addition of Pb 2+ , (b) after addition of Pb 2+ , and (c) HCl (0.01 N) / NaOH (0.01 N). adding.

이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the present invention.

본 발명은 원통상인 주형의 외측면이 아조벤젠기로 포화되어 있고, 주형의 내측면이 BODIPY(boron-dipyrromethene)기로 포화되어 있으며, 상기 주형은 실리카를 포함하는 실리카 나노튜브를 제공한다. The present invention provides a silica nanotube comprising an outer surface of a cylindrical template saturated with an azobenzene group, an inner surface of the template saturated with a boron-dipyrromethene (BODIPY) group, and the template containing silica.

이러한 실리카 나노튜브의 구조의 일예는 다음 화학식 5로 나타낼 수 있다. An example of the structure of such silica nanotubes may be represented by the following formula (5).

화학식 5Formula 5

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 화학식 5에서, A는 실리카 나노튜브, 실리카 나노 스피어, 실리카 입자(silicagel 60), 실리카 메조포러스 (SBA-15, MCM-41)에서 선택되는 지지체이고; R3은 이종원자로 1개 이상의 산소, 1개 이상의 질소를 포함하는 비고리형 호스트이다.In Chemical Formula 5, A is a support selected from silica nanotubes, silica nano spheres, silica particles (silicagel 60) and silica mesoporous (SBA-15, MCM-41); R 3 is an acyclic host containing at least one oxygen, at least one nitrogen as a heteroatom.

실리카 나노튜브는 그 생체 적합성으로 인하여 바이오분리, 약물 전달, 화상형성 및 생체 의학과 같은 분야에서 널리 사용될 것이 기대되는 무기 구조물의 한 종류이다.Silica nanotubes are a type of inorganic structure that, due to their biocompatibility, are expected to be widely used in fields such as bioseparation, drug delivery, imaging and biomedical medicine.

본 발명은 이러한 실리카 나노튜브의 내측과 외측면에 서로 다른 화학적 기능기를 도입하여 수은과 납을 탐지하는 멀티센서로 응용하기 위해, 구체적으로 음용수에 함유된 수은을 검출 및 분리하는데 이용할 수 있도록 하기 위해 실리카 나노튜브 주형의 외측면에 아조벤젠기를 포화시켰는바, 아조벤젠기는 수은과 반응하여 발색하는 현상을 나타낸다. The present invention is to introduce different chemical functional groups on the inner and outer surfaces of the silica nanotubes to be applied as a multi-sensor for detecting mercury and lead, specifically to be used to detect and separate mercury contained in drinking water When the azobenzene group was saturated on the outer surface of the silica nanotube template, the azobenzene group reacted with mercury to develop color.

구체적으로 실리카 나노튜브 주형에 포화되는 아조벤젠기는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 유래의 것인 것이 바람직할 수 있다. Specifically, it may be preferable that the azobenzene group saturated in the silica nanotube template is derived from the compound represented by the following Chemical Formula 1.

[화학식 1] [Formula 1]

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 화학식 1에서, R1은 (C1-C5)의 알킬이고, R2는 (C1-C10)알콕시기, R3는 이종원자로 1개 이상의 산소, 1개 이상의 질소를 포함하는 비고리형 호스트이다. In Formula 1, R 1 is an alkyl of (C1-C5), R 2 is a (C1-C10) alkoxy group, R 3 is a heterocyclic host containing at least one oxygen, at least one nitrogen as a hetero atom.

더욱 바람직하게 아조벤젠기는 상기 화학식 1에서 R1은 프로필기이고, R2는 에톡시기이며, R3

Figure pat00007
인 화합물(하기 화학식 2 화합물) 유래의 것이다.More preferably, in the azobenzene group, in Formula 1, R 1 is a propyl group, R 2 is an ethoxy group, and R 3 is
Figure pat00007
It is derived from a phosphorus compound (Compound 2).

[화학식 2] [Formula 2]

Figure pat00008
Figure pat00008

또한 본 발명의 실리카 나노튜브는 음용수에 함유된 납을 검출 및 분리하는데 이용할 수 있도록 그 주형의 내측면에 BODIPY기가 치환된 것이며 이러한 기능기는 납과 반응하여 발광하는 현상을 나타낸다. 바람직하기로는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 유래의 BODIPY기가 치환된 것이다.In addition, the silica nanotubes of the present invention have a BODIPY group substituted on the inner surface of the mold so as to be used for detecting and separating lead contained in drinking water, and such functional groups react with lead to emit light. Preferably, the BODIPY group derived from the compound represented by the following formula (3) is substituted.

[화학식 3] (3)

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 화학식 3에서 X는 산소원자(O) 또는 황원자(S)로부터 선택되며; In Formula 3, X is selected from an oxygen atom (O) or a sulfur atom (S);

R1 및 R2는 독립적으로 수소, (C1-C7)알킬기, 할로겐 원소, 니트로기, 니트릴기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기이고, 상기 알킬기 또는 아르알킬기의 알킬은 불포화 결합을 포함할 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기의 탄소원자는 N, O, S로부터 선택되는 헤테로원소로 치환될 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기는 니트로기, 니트릴기, 할로겐원소, (C1~C7)알킬기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기로부터 선택되는 치환기로 더 치환될 수 있으며; R1 and R2 are independently hydrogen, (C1-C7) alkyl group, halogen element, nitro group, nitrile group, (C6 ~ C20) aryl group, (C6 ~ C20) ar (C1 ~ C7) alkyl group or (C1 ~ C20) Alkoxy group, alkyl of the alkyl group or aralkyl group may include an unsaturated bond, the carbon atom of the alkyl group, aryl group or aralkyl group may be substituted with a hetero element selected from N, O, S, the alkyl group, The aryl group or aralkyl group is a nitro group, a nitrile group, a halogen element, a (C1-C7) alkyl group, a (C6-C20) aryl group, a (C6-C20) ar (C1-C7) alkyl group or a (C1-C20) alkoxy group May be further substituted with a substituent selected from;

R3은 독립적으로 (C1~C7)알킬기로부터 선택되고; R 3 is independently selected from a (C 1 -C 7) alkyl group;

a, a', b, 및 b'은 독립적으로 0내지 4의 정수이며, c, c', d, 및 d'은 독립적으로 0 내지 10의 정수이고; n 및 m은 1 내지 3의 정수이다.a, a ', b, and b' are independently integers from 0 to 4, and c, c ', d, and d' are independently integers from 0 to 10; n and m are integers from 1 to 3.

상기 화학식 3에서 R1은 독립적으로 수소, (C1~C3)알킬기 또는 할로겐 원소로부터 선택되는 것이 보다 더 바람직하다.In Formula 3, R 1 is more preferably independently selected from hydrogen, a (C1-C3) alkyl group or a halogen element.

[화학식 4] [Formula 4]

Figure pat00010

Figure pat00010

본 발명에 따른 실리카 지지체는 실리카 나노튜브를 사용할 수 있으며, 다공성이고 표면적이 넓을수록 상기 발색 수용체와 발광수용체 화합물과의 결합력이 우수하여 보다 바람직하다.As the silica support according to the present invention, silica nanotubes may be used, and the more porous and the surface area is, the more preferable the binding force between the chromophore and the light-emitting receptor compound is.

본 발명의 실리카 나노튜브는 평균 직경이 10 내지 200nm인 나노 결정인 것을 이용하는 것이 바람직하며, 공지되어 있는 제조방법에 의해 실리카 나노 튜브를 제조할 수 있다. The silica nanotubes of the present invention preferably use nanocrystals having an average diameter of 10 to 200 nm, and silica nanotubes can be produced by a known production method.

그 일예로, 실리카 나노튜브는 템플레이트로 유기 파이버를 사용함으로써 만들어질 수 있는바, 젤레이터(겔화제)를 열에 의해서 에탄올에 녹이고, TEOS(테트라에톡시실란)와 물, 벤질아민을 젤에 넣고 투명한 용액이 될 때까지 열을 가한다. 그리고 나서 반응물은 3-7일 동안 안정한 조건인 상온에 방치한다. 마지막으로 결과물질은 톨루엔으로 씻어내면 흰색의 고체를 얻을 수 있다.For example, silica nanotubes can be made by using an organic fiber as a template. The gelator (gelling agent) is dissolved in ethanol by heat, and TEOS (tetraethoxysilane), water and benzylamine are added to the gel. Heat until a clear solution is obtained. The reaction is then left at room temperature under stable conditions for 3-7 days. Finally, the resultant is washed with toluene to give a white solid.

이때 젤레이터로는 공지의 것을 사용할 nt 있으며, 그 일예로는 카르복시폴리메틸렌, 카르복시메틸 셀룰로오스, 카르복시르프로필 셀룰로오스, 폴록사머(polyxamer), 카라기난, 비이검(beegum), 카르복시비닐, 카라야고무, 크산고무, 구아검, 아라비아고무, 트라가칸트고무와 같은 제품을 이용할 수도 있지만, 이에 한정이 있는 것은 아니다. At this time, a well-known thing may be used as a gelator, and examples thereof include carboxypolymethylene, carboxymethyl cellulose, carboxysipropyl cellulose, polyxamer, carrageenan, beegum, carboxyvinyl, karaya rubber, Products such as xan rubber, guar gum, gum arabic and tragacanth rubber may be used, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 일 구현예에서는 다음 화학식 6(화합물 7) 내지 7(화합물 8)로 표시되는 화합물을 혼합하여 겔화제로 사용한다.In a specific embodiment of the present invention, a compound represented by the following Chemical Formulas 6 (Compound 7) to 7 (Compound 8) is mixed and used as a gelling agent.

화학식 66

Figure pat00011
Figure pat00011

화학식 7Formula 7

Figure pat00012

Figure pat00012

본 발명의 아조벤젠기와 BODIPY기가 치환된 실리카 나노 튜브를 제조하는 과정을 참조적으로 도시하면 도 1과 같다. Referring to the process of manufacturing a silica nanotube substituted with azobenzene group and BODIPY group of the present invention as shown in FIG.

도 1을 참조하여 설명하면, 화합물 7과 8을 혼합하여 겔 시료(a)를 준비한 다음, 여기에 TEOS를 첨가하여 반응시켜서 원통형의 실리카 나노튜브의 주형(a)을 얻는다. Referring to FIG. 1, compounds 7 and 8 are mixed to prepare a gel sample (a), and then reacted by adding TEOS thereto to obtain a template (a) of cylindrical silica nanotubes.

이렇게 형성된 실리카 나노튜브 주형은 원통형이면서 그 내부가 비어있지 않은 구조를 갖는다.The silica nanotube template thus formed has a cylindrical shape and a hollow structure thereof.

다음, 실리카 나노튜브에 아조벤젠기를 고정시키기 위해 일예로 화합물 1과 같은 아조벤젠기 함유 화합물을 실리카 나노튜브와 반응시켜 주형의 외측면에 아조벤젠기를 고정시킨다. 실리카 나노튜브의 주형은 그 내부가 비어 있지 않은 구조이기 때문에 아조벤젠기가 실리카 나노튜브의 외측면에 고정된다((c)). Next, in order to fix the azobenzene group on the silica nanotubes, an azobenzene group-containing compound such as Compound 1 is reacted with the silica nanotubes to fix the azobenzene group on the outer surface of the mold. Since the template of the silica nanotubes has a non-empty structure, the azobenzene group is fixed to the outer surface of the silica nanotubes ((c)).

그 다음, 실리카 나노튜브 주형의 내부를 세척해 내고((d)), 그 내측면에 BODIPY를 기본으로 한 리셉터(일예로 화합물 2)를 도입한다. 주형의 내부를 세척하는 데는 에탄올과 같은 알코올계 용매를 사용할 수 있으며, 이에 각별히 한정이 있는 것은 아니다.Next, the inside of the silica nanotube template is washed (d) and a BODIPY-based receptor (e.g. Compound 2) is introduced on its inner side. Alcohol-based solvents such as ethanol may be used to clean the inside of the mold, but the present invention is not particularly limited thereto.

결과적으로 얻어진 실리카 나노튜브는 주형의 외측면에 아조벤젠기가 포화되고, 내측면에 BODIPY기가 포화된 구조(A-SNT-B)이다.
The resulting silica nanotube has a structure (A-SNT-B) in which an azobenzene group is saturated on the outer side of the mold and a BODIPY group is saturated on the inner side.

본 발명의 아조벤젠기와 BODIPY기가 치환된 실리카 나노튜브는 놀랍게도 금속 이온에 대한 선택도가 우수한 화학센서 및 수은 이온과 납 이온의 흡착제이며, 음용수로부터 수은 또는 납을 분리 및 제거할 수 있는 효과가 있다. The silica nanotubes substituted with the azobenzene group and the BODIPY group of the present invention are surprisingly excellent chemical sensors and adsorbents of mercury ions and lead ions, and have the effect of separating and removing mercury or lead from drinking water.

본 발명의 아조벤젠기와 BODIPY기가 치환된 실리카 나노튜브는 발색 및 발광 물질인 것을 특징으로 하며, 수은이 나노 입자에 근접하여 아조벤젠 유기 수용체에 결합할 경우, 발색 현상을 나타내고, 납이 나노 입자에 근접하여 BODIPY 유기 수용체에 결합할 경우, 발광 현상을 나타낸다. The silica nanotubes substituted with the azobenzene group and the BODIPY group according to the present invention are characterized in that they are colored and luminescent materials. When bound to the BODIPY organic receptor, luminescence is shown.

이러한 특성에 기인하여 본 발명의 예시적인 일 구현예에서는 상기와 같은 본 발명의 실리카 나노튜브를 이용하여 멀티센서를 제조할 수 있다. Due to these characteristics, in an exemplary embodiment of the present invention, a multisensor may be manufactured using the silica nanotubes of the present invention as described above.

이렇게 제조된 멀티센서는 수은에 대해서 반응하게 되며, 이 반응에 의해 발색하면서 시료 중의 수은의 존재 유무와 그 함량의 정도를 파악할 수 있다.The multi-sensor manufactured as described above reacts to mercury, and the color sensor detects the presence of mercury in the sample and the degree of its content.

또한 납에 대해서 반응하게 되며, 이 반응에 의해 발광하면서 시료 중의 납의 존재 유무와 그 함량의 정도를 파악할 수 있다.
In addition, it reacts with lead, and it is possible to grasp the presence and absence of lead in the sample while emitting light by this reaction.

이하 본 발명을 실시예에 의거 상세하게 설명하나, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것이 아님은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by these Examples.

하기 실시예에서 평가는 다음과 같은 방법으로 수행하였다.Evaluation in the following Examples was carried out in the following manner.

(1) 구조적 특성 분석(1) structural characterization

1H 및 13C NMR 스펙트럼은 Bruker ARX 300 MHz 분광기로 측정하였다. 질량분석은 JEOL JMS-700 질량분석기를 이용하였다. 투과전자현미경(TEM) 이미지는 JEOL JEM-2100 F를 이용하여 50 keV로 측정하였다. 이미지는 Fuji Photo Film Co. LTd. FDL5000 시스템을 이용하였다. 모든 형광 스펙트럼은 RF-5310PC 분광기에 기록되었다. 1 H and 13 C NMR spectra were measured with a Bruker ARX 300 MHz spectrometer. Mass spectrometry was performed using JEOL JMS-700 mass spectrometer. Transmission electron microscopy (TEM) images were measured at 50 keV using JEOL JEM-2100 F. Image is Fuji Photo Film Co. LTd. The FDL5000 system was used. All fluorescence spectra were recorded on an RF-5310PC spectrometer.

(2) 광학적 분광 특성 분석(2) optical spectroscopic characterization

형광 방출 스펙트럼은 Shimadzu RF-5310-PC 장비를 이용하였고, 수산화금속과염소액의 모액(0.01M)은 pH 7의 물을 이용하였다. 모든 측정은 여기 조건 350 nm 및 여기, 방출 슬릭 두께 1.5 nm로 측정되었다. pH 값은 0.2 MOPS를 이용하여 조절하였다. 형광 양자 수율은 로다민 6G(Φ=0.76)를 참조하여 예측하였다.
Fluorescence emission spectrum was used for Shimadzu RF-5310-PC equipment, and the mother liquor (0.01M) of the metal hydroxide and chlorine solution using water of pH 7. All measurements were measured with excitation conditions 350 nm and excitation, emission slick thickness 1.5 nm. pH value was adjusted using 0.2 MOPS. Fluorescence quantum yield was predicted with reference to rhodamine 6G (Φ = 0.76).

[실시예][Example]

도 1을 참조하여 하기의 방법으로 실리카 나노튜브의 내측면과 외측면이 서로 다른 화학적 기능기가 도입된 실리카 나노튜브를 제조하였다.Referring to FIG. 1, silica nanotubes having different chemical functional groups introduced thereinto were prepared in the following manner.

가. 유기 겔형성제의 합성end. Synthesis of Organic Gel Forming Agent

젤레이터 7과 8은 J. H. Jung, Y. Ono, and S. Shinkai, Chem. Eur. J. 2000, 6, 4552에 문헌으로 보고된 방법으로 준비하였는바, 이를 요약하면 다음 반응식 1과 같다. Gelators 7 and 8 are described in J. H. Jung, Y. Ono, and S. Shinkai, Chem. Eur. J. 2000, 6, 4552 prepared by the method reported in the literature, summarized in the following scheme 1.

반응식 1Scheme 1

Figure pat00013

Figure pat00013

나. 실리카 나노튜브의 제조I. Preparation of Silica Nanotubes

겔형성제(gel-generator)로서 화합물 7과 8의 유기물 30mg을 에탄올 2 ml에 첨가하고 용액이 투명해질 때까지 가온하였다. 이를 상온, 정지상태(static condition)에서 1시간 동안 방치한 후 TEOS 120mg 물 40 mg과 벤질아민 40mg을 첨가하고, 이를 다시 투명한 용액이 될 때까지 가온하였다. 이를 상온, 정지상태(static condition)에서 5일 동안 방치시켰다. TEOS(tetraethoxysilane) 240mg과 물 120mg을 순서대로 첨가하고 잘 섞이도록 저은 후 이를 상온, 정지상태(static condition)에서 5일간 보관하였다. 상기 물질을 톨루엔으로 씻어서 흰색 고체를 얻었다(도 1의 (b)로 예시).
As a gel-generator, 30 mg of the organics of the compounds 7 and 8 were added to 2 ml of ethanol and warmed until the solution became clear. It was allowed to stand for 1 hour at room temperature and static conditions, and then 40 mg of TEOS 120 mg water and 40 mg of benzylamine were added, which were then warmed up to a clear solution. It was left for 5 days at room temperature and static conditions. 240 mg of TEOS (tetraethoxysilane) and 120 mg of water were added sequentially, and the mixture was stirred to mix well, and then stored at room temperature and static condition for 5 days. The material was washed with toluene to give a white solid (illustrated in FIG. 1 (b)).

다. 아조벤젠을 기본으로 한 리셉터 1의 합성All. Synthesis of Receptor 1 Based on Azobenzene

이를 요약하면 다음 반응식 2와 같다. This is summarized in Scheme 2 below.

반응식 2Scheme 2

Figure pat00014
Figure pat00014

(1) 화합물 4의 합성(1) Synthesis of Compound 4

10ml 아세토나이트릴에 포타슘 다이하이드로젠 포스페이트와 에틸브로모아세테이트가 녹아 있는 용액에 o-anisidine를 첨가했다. 반응 용액은 10 시간 동안 60℃를 유지시켰다. 상온으로 식힌 후에, 클로로포름과 물로 추출하고, 유기층을 무수 황산마그네슘을 이용하여 수분을 제거하였다. 7:3 헥산:에틸아세테이트를 이용하여 컬럼을 수행하여 화합물 4를 얻었다. O-anisidine was added to a solution of potassium dihydrogen phosphate and ethyl bromoacetate in 10 ml acetonitrile. The reaction solution was kept at 60 ° C. for 10 hours. After cooling to room temperature, the mixture was extracted with chloroform and water, and the organic layer was removed using anhydrous magnesium sulfate. Compound 4 was obtained by performing a column using 7: 3 hexanes: ethyl acetate.

m.p. 78-80℃;m.p. 78-80 ° C .;

1H-NMR(300MHz,CDCl3,TMS)δ= 6.87 (d,2J(H,H)=12.3Hz,1H;Ar-H), 4.20 (d,2J(H,H)=7.2Hz,1H;Ar-H), 3.80 (s,3H;CH3) 1.26 (t,3J(H,H)=7.2Hz,6H;CH3); 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 , TMS) δ = 6.87 (d, 2 J (H, H) = 12.3 Hz, 1H; Ar-H), 4.20 (d, 2 J (H, H) = 7.2 Hz , 1H; Ar-H), 3.80 (s, 3H; CH 3 ) 1.26 (t, 3 J (H, H) = 7.2 Hz, 6H; CH 3 );

13C NMR (CDCl3, TMS) δ=171,151,122,120,119,111,77,77,77,76,60,55,53,30,14; 13 C NMR (CDCl 3 , TMS) δ = 171,151,122,120,119,111,77,77,77,76,60,55,53,30,14;

IR (KBr): ν=3393,3090,2931,2853,1740,1653,1373,1032,751cm-1; IR (KBr): ν = 3393,3090,2931,2853,1740,1653,1373,1032,751 cm −1 ;

High resolution masss pectrum (HRMS) (FAB+) m/z 295.14 [(M+H)+calcd for C15H21NO5:295.16]. Anal. Cald for C15H22NO5: C, 61.00; H, 7.17; N, 4.74. found: C, 60.68; H, 7.23; N, 4.69. High resolution masss pectrum (HRMS) (FAB + ) m / z 295.14 [(M + H) + calcd for C 15 H 21 NO 5 : 295.16]. Anal. Cald for C 15 H 22 NO 5 : C, 61.00; H, 7. 17; N, 4.74. found: C, 60.68; H, 7. 23; N, 4.69.

(2) 화합물 3의 합성(2) Synthesis of Compound 3

20ml THF와 20ml 물에 0.5261 g NaNO2가 녹아 있는 용액에 1.047 g o-amino benzoic acid를 첨가했다. 0℃를 유지하고, HCl을 천천히 첨가했다. 이를 40ml THF와 40ml 물에 적절한 ester가 녹아 있는 용액에 천천히 한 방울씩 첨가하였다. 이 용액은 약 2 시간정도 0℃를 유지했다. 그런 다음, 상온에서 하루 동안 교반하였다. 클로로포름과 물로 추출하고, 유기층을 무수 황산마그네슘을 이용하여 수분을 제거하였다. 7:3 헥산:에틸아세테이트를 이용하여 컬럼을 수행하여 연한 붉은색 화합물 3을 얻었다. 1.047 g o-amino benzoic acid was added to a solution of 0.5261 g NaNO2 in 20 ml THF and 20 ml water. Maintain 0 ° C. and add HCl slowly. It was slowly added dropwise to a solution containing the appropriate ester in 40 ml THF and 40 ml water. This solution was maintained at 0 ° C. for about 2 hours. Then, the mixture was stirred at room temperature for one day. Extracted with chloroform and water, the organic layer was removed using anhydrous magnesium sulfate. The column was performed using 7: 3 hexanes: ethyl acetate to obtain light red Compound 3.

m.p. 101-103℃; m.p. 101-103 ° C .;

1H-NMR(300 MHz, CDCl3, TMS) δ= 8.10 (d, 2J (H,H) = 7.75Hz, 1H; Ar-H), 7.59 (d, 2J(H,H) = 7.2Hz, 1H; Ar-H), 7.48 (t, 3J (H,H) = 7.8Hz, 1H; Ar-H), 6.9 (d, 2J (H,H) = 4.5Hz, 1H; Ar-H), 4.18 (m, 8H), 3.8(s, 3H; CH3), 1.26 (t, 3J(H,H) = 7.2Hz, 6H; CH3); 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 , TMS) δ = 8.10 (d, 2 J (H, H) = 7.75 Hz, 1H; Ar-H), 7.59 (d, 2 J (H, H) = 7.2 Hz, 1H; Ar-H), 7.48 (t, 3 J (H, H) = 7.8 Hz, 1H; Ar-H), 6.9 (d, 2 J (H, H) = 4.5 Hz, 1H; Ar- H), 4.18 (m, 8H), 3.8 (s, 3H; CH 3 ), 1.26 (t, 3 J (H, H) = 7.2 Hz, 6H; CH 3 );

13C NMR (300MHz, CDCl3, TMS) δ= 187, 182, 154, 144, 135, 134, 134, 133, 133, 127, 127, 125, 120, 116, 58, 43, 42, 23, 18, ; 13 C NMR (300 MHz, CDCl 3 , TMS) δ = 187, 182, 154, 144, 135, 134, 134, 133, 133, 127, 127, 125, 120, 116, 58, 43, 42, 23, 18 ,;

IR (KBr): ν= 3414, 3270, 2940, 2856, 1870, 1735, 1637, 968, 804cm-1; IR (KBr): ν = 3414, 3270, 2940, 2856, 1870, 1735, 1637, 968, 804 cm −1 ;

HRMS (FAB+) m/z 443.17 [(M+H)+ calcd for C22H25N3O7: 443.20]. Anal.Cald for C22H25N3O7: C, 59.59; H, 5.68; N, 9.48. found: C, 60.11; H, 5.80; N, 9.35.HRMS (FAB + ) m / z 443.17 [(M + H) + calcd for C 22 H 25 N 3 O 7 : 443.20]. Anal. Cald for C 22 H 25 N 3 O 7 : C, 59.59; H, 5.68; N, 9.48. found: C, 60.11; H, 5.80; N, 9.35.

(3) 화합물 1의 합성(3) Synthesis of Compound 1

10 ml 에틸아세테이트에 1.0 g 아미노프로필트리에톡시실란이 녹인 용액에 화합물 3을 첨가했다. 반응 혼합물은 질소 분위기 하에서 2분 동안 교반하고, 0℃로 냉각하였다. 68mg 1-하이드록시벤조트리아졸과 1.870 g 다이사이클로헥실 카보디이미드를 고체의 혼합물로 첨가하고 24 시간동안 상온에서 교반했다. 잔유물은 탄산 나트륨 수용액과 황산 나트륨 수용액을 이용하여 필터로 제거했다. 무수 황산마그네슘을 이용하여 수분을 제거하고 회전식 진공증발기를 이용하여 유기용매를 제거하였다. 불순한 생성물은 다시 메탄올에 녹이고 10시간 동안 교반후에, 반응 혼합물에 탄산수소나트륨을 첨가하고, 용매를 제거했다. 1:1 헥산:에틸아세테이트를 이용하여 컬럼을 수행하여 순수한 화합물 1을 얻었다. Compound 3 was added to a solution of 1.0 g aminopropyltriethoxysilane dissolved in 10 ml ethyl acetate. The reaction mixture was stirred for 2 minutes under nitrogen atmosphere and cooled to 0 ° C. 68 mg 1-hydroxybenzotriazole and 1.870 g dicyclohexyl carbodiimide were added as a mixture of solids and stirred at room temperature for 24 hours. The residue was removed with a filter using an aqueous sodium carbonate solution and an aqueous sodium sulfate solution. Water was removed using anhydrous magnesium sulfate, and the organic solvent was removed using a rotary vacuum evaporator. The impure product was dissolved in methanol again and stirred for 10 hours before adding sodium bicarbonate to the reaction mixture and removing the solvent. Pure columnar 1 was obtained by performing a column using 1: 1 hexane: ethyl acetate.

m.p. 115-117 oC; 1H NMR (300 MHz, DMSO) δ = 7.5, 7.5, 7.4(m, 3H) 6.9, 6.8, 6.8, 6.7 (m, 4H), 4.17(t, 3J(H,H) = 6.9Hz, 1H; Ar-H), 3.79 (s, 3H), 1.73(t, 3J(H,H) = 2.4Hz, 1H; Ar-H) 1.24 (m, 15H); mp 115-117 o C; 1 H NMR (300 MHz, DMSO) δ = 7.5, 7.5, 7.4 (m, 3H) 6.9, 6.8, 6.8, 6.7 (m, 4H), 4.17 (t, 3 J (H, H) = 6.9 Hz, 1H Ar-H), 3.79 (s, 3H), 1.73 (t, 3 J (H, H) = 2.4 Hz, 1H; Ar-H) 1.24 (m, 15H);

IR (KBr): ν = 3414, 3270, 2940, 2856, 1870, 1735, 1637, 1121, 968, 804 cm-1; IR (KBr): ν = 3414, 3270, 2940, 2856, 1870, 1735, 1637, 1121, 968, 804 cm −1 ;

HRMS (FAB+) m/z 646.30 [(M+H)+ calcd for C28H43N4O8Si: 591.29]. Anal. Cald for C28H43N4O8Si: C, 56.83; H, 7.32; N, 9.47. found: C, 56.75; H, 7.34; N, 9.50.
HRMS (FAB + ) m / z 646.30 [(M + H) + calcd for C 28 H 43 N 4 O 8 Si: 591.29]. Anal. Cald for C 28 H 43 N 4 O 8 Si: C, 56.83; H, 7. 32; N, 9.47. found: C, 56.75; H, 7. 34; N, 9.50.

라. BODIPY을 기본으로 한 리셉터 2의 합성la. Synthesis of Receptor 2 based on BODIPY

이를 요약하면 다음 반응식 3과 같다.This is summarized in Scheme 3 below.

반응식 3Scheme 3

Figure pat00015
Figure pat00015

(1) 화합물 2의 합성(1) Synthesis of Compound 2

30 ml THF에 40mg 화합물 6, 0.054 ml 3-트리에톡실릴 프로필아이소시아네이트, 0.03 ml 트리에틸아민을 첨가하여 12 시간 동안 환류한 후, 상온으로 유지했다. 회전식 진공증발기를 이용하여 용매를 제거한 후, 1:1 헥산:에틸아세테이트를 이용하여 컬럼을 수행하여 순수한 화합물 2를 얻었다. 40 mg compound 6 , 0.054 ml 3-triethoxysilyl propyl isocyanate, 0.03 ml triethylamine was added to 30 ml THF, and refluxed for 12 hours, and then maintained at room temperature. After the solvent was removed using a rotary vacuum evaporator, pure compound 2 was obtained by performing a column using 1: 1 hexane: ethyl acetate.

1H NMR (300 MHz, CDCl3): δ = 7.07 (d, 2H, J = 8.7 Hz), 6.85 (d, 2H, J = 8.4 Hz), 5.97 (s, 2H), 5.26 (s, 2H), 4.27 (t, 4H, J = 6.0 Hz), 3.85 (q, 12H, J = 7.0 Hz), 3.66 (t, 4 H, J = 5.9 Hz), 3.22 (q, 4H, J = 5.9 Hz), 2.54 (s, 6H), 1.68??1.58 (m, 4H), 1.48 (s, 6H), 1.25 (t, 18H, J = 7.1 Hz), 0.66 (t, 4H, J = 8.3 Hz); 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ): δ = 7.07 (d, 2H, J = 8.7 Hz), 6.85 (d, 2H, J = 8.4 Hz), 5.97 (s, 2H), 5.26 (s, 2H) , 4.27 (t, 4H, J = 6.0 Hz), 3.85 (q, 12H, J = 7.0 Hz), 3.66 (t, 4H, J = 5.9 Hz), 3.22 (q, 4H, J = 5.9 Hz), 2.54 (s, 6H), 1.68 ?? 1.58 (m, 4H), 1.48 (s, 6H), 1.25 (t, 18H, J = 7.1 Hz), 0.66 (t, 4H, J = 8.3 Hz);

13C NMR (75 MHz, CDCl3): δ = 156.4, 154.8, 147.8, 143.2, 142.8, 132.1, 129.1, 122.6, 120.9, 112.0, 61.4, 60.4, 58.4, 50.5, 43.5, 23.3, 21.0, 18.3, 14.7, 14.5, 14.2, 7.6; 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 ): δ = 156.4, 154.8, 147.8, 143.2, 142.8, 132.1, 129.1, 122.6, 120.9, 112.0, 61.4, 60.4, 58.4, 50.5, 43.5, 23.3, 21.0, 18.3, 14.7 , 14.5, 14.2, 7.6;

IR (KBr, cm-1): 3448, 2919, 1709, 1607, 1469, 1303, 1197, 1108; IR (KBr, cm −1 ): 3448, 2919, 1709, 1607, 1469, 1303, 1197, 1108;

MS (EI): [M+H]+ m/z = 922 (calcd Mw = 921.47); Anal. Calcd for C43H70BF2N5O10Si2: C, 56.01; H, 7.65; N, 7.60. Found: C, 55.81; H, 7.56; N, 7.60.
MS (EI): [M + H] + m / z = 922 (calcd Mw = 921.47); Anal. Calcd for C 43 H 70 BF 2 N 5 O 10 Si 2 : C, 56.01; H, 7.65; N, 7.60. Found: C, 55.81; H, 7.56; N, 7.60.

마. 실리카 나노튜브에 화합물 1의 도입 (A-SNT)hemp. Introduction of Compound 1 into Silica Nanotubes (A-SNT)

상기 다.에서 수득한 아조벤젠 화합물 1 100 mg을 10 ml의 무수 톨루엔에 용해하고, 여기에 상기 나.에서 수득한 실리카 나노튜브 100 mg을 첨가하고, 질소기체 하에서 24시간 동안 환류냉각기에서 교반하였다. 반응을 종료하고 수득한 고형물은 톨루엔으로 남은 화합물 1을 씻어내고, 진공상태에서 건조하였다. 100 mg of the azobenzene compound 1 obtained in C. was dissolved in 10 ml of anhydrous toluene, and 100 mg of the silica nanotubes obtained in B. was added thereto, and stirred in a reflux condenser for 24 hours under nitrogen gas. After the reaction was completed, the solid obtained was washed with Compound 1 remaining in toluene and dried in vacuo.

마지막으로, 에탄올을 이용하여 세척하고, 실리카 나노튜브 외부에 화합물 1이 도입된 실리카 나노튜브를 제조하였다.
Finally, washed with ethanol to prepare a silica nanotube in which Compound 1 was introduced outside the silica nanotube.

바. A-SNT에 화합물 2의 도입bar. Introduction of Compound 2 to A-SNT

상기 라.에서 수득한 BODIPY 화합물 2 100 mg을 10ml 무수 톨루엔에 용해하고, 여기에 상기 마.에서 수득한 A-SNT 100mg을 첨가하고, 질소기체 하에서 24시간 동안 환류냉각기에서 교반하였다. 반응을 종료하고 수득한 고형물은 톨루엔으로 남은 화합물 2를 씻어내고, 진공상태에서 건조하였다. 마지막으로 에탄올으로 세척하여, A-SNT의 내부에 화합물 2가 도입된 실리카 나노튜브(A-SNT-B)를 제조하였다.
100 mg of BODIPY compound 2 obtained in D. was dissolved in 10 ml anhydrous toluene, and 100 mg of A-SNT obtained in E. was added thereto, and stirred in a reflux condenser for 24 hours under nitrogen gas. After the reaction was completed, the solid obtained was washed with Compound 2 remaining in toluene and dried in vacuo. Finally, washing with ethanol to prepare a silica nanotube (A-SNT-B) in which Compound 2 was introduced into the A-SNT.

상기 실시예들의 방법론은 도 1에 나타낸 것과 같이, 먼저, 템플레이트로써 유기 파이버를 이용함으로써 실리카 나노 튜브를 준비한다. 유기젤 파이버의 제거 전에 톨루엔에 실리카나노튜브(SNTs)와 리셉터 1을 하루 동안 강한 교반에 의해 SNTs의 외부에 확실하게 도입할 수 있었다. 이 과정에서, 아조벤젠이 도입된 리셉터 1은 Hg2+에 대해 색을 나타내는 리셉터로써 SNTs의 외부 표면에 도입하였다. 그리고 나서, SNTs 내부의 빈 부분으로부터 유기젤의 제거한 후, 실리카 나노튜브에 덧붙여 합성된 아조벤젠이 적용된 리셉터 1(A-SNT)은 SEM, TEM, FTIR, UV-vis 분광기, XPS 분광기로 확인하였다. The methodology of the above embodiments prepares silica nanotubes by first using organic fibers as a template, as shown in FIG. 1. Before removal of the organogel fibers, silica nanotubes (SNTs) and receptor 1 could be reliably introduced to the outside of the SNTs by vigorous stirring for one day in toluene. In this process, receptor 1 into which azobenzene was introduced was introduced to the outer surface of the SNTs as a receptor colored for Hg 2+ . Then, after removing the organic gel from the empty portion inside the SNTs, in addition to the silica nanotubes, synthesized azobenzene-receptor 1 (A-SNT) was confirmed by SEM, TEM, FTIR, UV-vis spectroscopy, XPS spectroscopy.

리셉터 1이 A-SNTs의 외부 또는 내부에 도입된 구조적인 증거를 증명하기위해서, SNT와 A-SNT의 IR을 비교하였다. SNT의 IR 피크는 3450, 1658, 1084 cm-1에서 강한 피크가 나타났다. A-SNT의 IR 피크는 3382, 2976, 2884, 1626, 1615, 1570, 1471, 1446, 1428, 1382 cm-1에서 강한 피크가 나타났다. 확실한 증거를 제공하는 acyclic 아조벤젠이 도입된 리셉터 1로부터 비롯된 새로운 피크들은 리셉터 1이 SNT의 외부 표면에 확실히 도입되었다는 것을 증명한다. 또한, A-SNT의 요소를 XPS에 의해 확인하였다(도 2). A-SNT의 XPS 스펙트럼은 C1s, N1s, O1s, Si2p 결합 에너지(도 2 (b))를 보였다. SNT(도 2 (a))에서는 질소에 대한 N1s 피크가 나타나지 않지만, A-SNT(도 2(b))에서는 아조벤젠을 기본으로 한 리셉터 1의 질소 원자로부터 비롯된 N1s를 나타내었다. 게다가 수용액에 분산된 A-SNT의 UV-vis 스펙트럼은 아조벤젠이 적용된 리셉터가 SNT의 외부 표면에 도입되었다는 것을 나타내는 320nm에서 최대흡수파장을 보였다.To verify the structural evidence that receptor 1 was introduced into or outside of A-SNTs, IRs of SNT and A-SNT were compared. IR peaks of SNT showed strong peaks at 3450, 1658, and 1084 cm-1. IR peaks of A-SNT showed strong peaks at 3382, 2976, 2884, 1626, 1615, 1570, 1471, 1446, 1428, and 1382 cm-1. New peaks from receptor 1 introduced with acyclic azobenzene, which provides clear evidence, demonstrate that receptor 1 was certainly introduced to the outer surface of the SNT. In addition, the elements of A-SNT were confirmed by XPS (FIG. 2). XPS spectrum of the A-SNT showed C1s, N1s, O1s, Si2p binding energy (Fig. 2 (b)). In the SNT (FIG. 2 (a)) no N1s peak for nitrogen was shown, whereas in A-SNT (FIG. 2 (b)) the N1s derived from the nitrogen atom of receptor 1 based on azobenzene were shown. In addition, the UV-vis spectrum of A-SNT dispersed in aqueous solution showed a maximum absorption wavelength at 320 nm, indicating that an azobenzene-receptor was introduced on the outer surface of the SNT.

A-SNT의 내부에 선택적으로 도입하기 위해서, BODIPY를 기본으로 한 형광을 나타내는 리셉터 2는 상기에 설명한 방법대로 톨루엔에 A-SNT를 첨가하여 24시간 동안 반응시켰다. A-SNT의 외부 표면이 이미 색을 나타내는 리셉터 1에 의해 완벽하게 채워져 있기 때문에, 리셉터 2는 A-SNT의 내부에 선택적으로 붙을 수 있었다. 상온으로 냉각한 후에 분홍색 고체 생성물이 걸러졌으며, THF로 씻어내고 건조하였다(도 3 (a)). 이것이, 다(도 3 (BODIPY 유도체 2가 도입된 것(A-SNT-B)을 IR과 TOF-SIMS로 확인하였다. A-SNT-B의 IR 스펙트럼에서, 다(도 3 서 기인한 피크 뿐만 아니라, 리셉터 2 서 비롯된 2750, 1990, 1704, 1473, 1210 cm-1에서 나타난 강한 피크는 리셉터 2가 다(도 3 (도입되었다는 것을 나타낸다(도 9). A-SNT-B의 TOF-SIMS 스펙트럼은 리셉터 2가 다(도 3의 내부에 공유결합으로 고정되어 있다는 것을 확인할 수 있는 이것쪼개짐을 보여주었다(도 10). 또한, A-SNT의 흡수 스펙트럼은 리셉터 1과 2로부터 비롯된 320 nm와 505 nm에서 각각 2개의 가시광선 흡수 밴드를 보여주었다(도 11), 게다가 A-SNT의 XPS 스펙트럼은 C1s, N1s, O1s, Si2p, F1s 결합 에너지를 나타냈고(도 2 (c)), 특징적으로 F1s 결합 에너지는 BODIPY를 기본으로 한 리셉터 2로부터 나타났다. 이러한 결과는 형광을 나타내는 리셉터 2가 A-SNTs의 내부 표면에 고정되었다는 것을 나타낸다. A-SNT-B의 SEM(도 3(b))과 TEM(도3(c)) 이미지는 직경이 120 nm인 나노튜브 구조를 나타냈다.
In order to selectively introduce A-SNT inside, Receptor 2, which exhibits fluorescence based on BODIPY, was reacted for 24 hours by adding A-SNT to toluene as described above. Since the outer surface of the A-SNT is completely filled by the receptor 1, which is already colored, receptor 2 could be selectively attached to the inside of the A-SNT. After cooling to room temperature the pink solid product was filtered off, washed with THF and dried (FIG. 3 (a)). This was confirmed by Fig. 3 (incorporation of BODIPY derivative 2 (A-SNT-B) by IR and TOF-SIMS. In the IR spectrum of A-SNT-B, (Fig. Rather, strong peaks appearing at 2750, 1990, 1704, 1473, 1210 cm −1 originating from receptor 2 indicate that receptor 2 is (FIG. 3 (introduced (FIG. 9)). TOF-SIMS spectrum of A-SNT-B Showed cleavage confirming that receptor 2 is covalently immobilized inside of Figure 3. (Figure 10) In addition, the absorption spectra of A-SNTs are 320 nm and 505 from receptors 1 and 2 Two visible light absorption bands were shown at nm (Fig. 11), in addition, the XPS spectra of A-SNT showed C1s, N1s, O1s, Si2p, F1s binding energies (Fig. 2 (c)), characteristically F1s The binding energy was from BODIPY-based receptor 2. These results indicated that fluorescent receptor 2 was internal to A-SNTs. Indicates that the fixing to the surface. A-B of the SNT-SEM (Fig. 3 (b)) and TEM (FIG. 3 (c)) pictures are shown of a nanotube structure having a diameter of 120 nm.

한편, 이렇게 제조된 실리카 나노튜브가 두 가지 다른 금속 이온 검출에 대해 색과 형광을 나타내는 화학센서로의 응용을 확인하기 위해, 수용액(pH = 7.4) 상의 Li+, Na+, K+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Sr2+, Co2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+, Hg2+ 금속이온에 따른 A-SNT-B의 색을 나타내는 특성을 조사하였다. 그 결과, 메탈 이온이 제외된 A-SNT-B의 흡수 밴드는 각각 320 nm과 505 nm에서 보였다(도 4 A의 (a)). 흥미롭게도, A-SNT-B의 물 현탁액에 Hg2+의 첨가는 곡선 보정에 의해 아조벤젠을 기본으로 한 리셉터 1과 BODOPY를 기본으로 한 리셉터 2에 대한 두 가지 흡수 밴드(도 4 A의 (c)와 (d))로 구성된 480 nm 주위에서 새로운 흡수 밴드가 나타나고(도 4 A의 (b)), 분홍색에서 회갈색으로 색 변화가 나타났다(도 4 B의 (b)). 320 nm에 나타난 흡수 밴드는 480 nm로 이동하였고, 이러한 현상은 발색단 내에 전자주게 끝에서부터 전자받게 끝까지 전자적 전하 이동에 기인한 것이다. 따라서, 관찰된 색 변화는 리셉터 1의 질소원자와 Hg2+ 사이의 강한 배위 결합으로 착물의 형성을 설명한다. Hg2+를 제외한 다른 금속 이온들은 의미있는 색 변화는 나타나지 않았다(도 4 B의 (c)). 이러한 결과는 A-SNT-B가 여러 금속 이온들 중에 Hg2+ 의 선택적인 검출을 위한 색을 나타내는 센싱 물질로써 이용될 수 있다는 것으로 확인된다.
On the other hand, in order to confirm the application of the silica nanotubes prepared as a color and fluorescence chemical sensor for the detection of two different metal ions, Li + , Na + , K + , Mg 2 in aqueous solution (pH = 7.4) A-SNT-B + , Ba 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Co 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ , Hg 2+ The characteristic which shows the color of was investigated. As a result, absorption bands of A-SNT-B excluding metal ions were observed at 320 nm and 505 nm, respectively (FIG. 4A (a)). Interestingly, the addition of Hg 2+ to the water suspension of A-SNT-B results in two absorption bands for receptor 1 based on azobenzene and receptor 2 based on BODOPY by curve correction (Fig. 4A (c). A new absorption band appears around 480 nm consisting of) and (d)) (Fig. 4A (b)) and a color change from pink to grey-brown (Fig. 4B (b)). The absorption band at 320 nm shifted to 480 nm, which is due to the electron charge transfer from the end of the electron donor to the end of the electron acceptor in the chromophore. Thus, the observed color change explains the formation of the complex as a strong coordination bond between the nitrogen atom of receptor 1 and Hg 2+ . Other metal ions except Hg 2+ did not show a significant color change (FIG. 4B (c)). These results confirm that A-SNT-B can be used as a sensing material that displays color for the selective detection of Hg 2+ among several metal ions.

참고 실험으로, 도 12로 도시한 것과 같이 Hg2+가 첨가된 A-SNT의 색 변화 실험을 수행하였다. 또한 A-SNT는 수용액상에서 Hg2+의 첨가로 노란색에서 분홍색으로 색 변화를 보였다(도 12 A의 (b)). 이러한 결과는 Hg2+이온이 A-SNT-B의 외부 표면에 도입된 리셉터 1에 배위되었다는 것을 의미한다. 그리고 나서, 수용액(pH = 7.4) 상에서 Li+, Na+, K+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Sr2+, Co2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+, Hg2+ 금속이온에 따른 A-SNT-B의 형광 변화를 관찰하였다. 기대한 대로, 금속 이온이 없는 A-SNT-B는 확실히 형광이 없었고, benzoyl 부분에 질소 원자의 비공유 전자쌍에 의해 형광단의 냉각(quenching)으로 효율적인 광유도된 전자 전이(PET)가 나타났다. 흥미롭게도, Pb2 +의 농도를 증가시켜 첨가하였을 때, A-SNT-B의 발광 스펙트럼은 PET 과정의 저지 때문에 큰 킬레이션으로 강화된 형광(CHEF) 효과를 보였다. 최대 발광(λem=510 nm)에서 ca. 10-fold (Φ=0.019, figure 4)의 전체적인 형광 변화는 Pb2+에 대해 관찰되었다. 반면에, Li+, Na+, K+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Sr2+, Co2+, Cd2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+, Hg2+와 함께한 동등한 실험에서 형광 발광의 특징적인 변화는 보이지 않았다(도 5). 이러한 형광 변화로부터, A-SNT-B는 여러 금속 양이온에서 Pb2+에 대해 높은 선택성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 또한, 이러한 결과는 A-SNT-B의 내부 표면에 도입된 BODIPY를 기본으로 한 리셉터 2는 높은 선택성과 오직 Pb2+ 이온만 인지한다는 것을 의미한다.
As a reference experiment, a color change experiment of A-SNT to which Hg 2+ was added was performed as shown in FIG. 12. A-SNT also showed a color change from yellow to pink by the addition of Hg 2+ in aqueous solution (Fig. 12A (b)). This result means that Hg 2+ ions are coordinated to receptor 1 introduced on the outer surface of A-SNT-B. Then, in an aqueous solution (pH = 7.4), Li + , Na + , K + , Mg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Co 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ The change in fluorescence of A-SNT-B according to, Fe 3+ , Cu 2+ , Hg 2+ metal ions was observed. As expected, A-SNT-B without metal ions was certainly free of fluorescence, and efficient photoinduced electron transfer (PET) was shown by quenching of the fluorophore by unshared electron pairs of nitrogen atoms in the benzoyl moiety. Interestingly, the addition by increasing the concentration of Pb 2 +, the emission spectrum of the A-B-SNT showed fluorescence (CHEF) enhanced effectiveness to a large chelation due to blocking of the PET process. At luminescence (λ em = 510 nm) ca. Global fluorescence changes of 10-fold (Φ = 0.019, figure 4) were observed for Pb 2+ . On the other hand, Li + , Na + , K + , Mg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Co 2+ , Cd 2+ , Zn 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ , Hg 2 In an equivalent experiment with + No characteristic change in fluorescence was seen (FIG. 5). From these fluorescence changes, it was found that A-SNT-B showed high selectivity for Pb 2+ in various metal cations. These results also indicate that BODIPY-based receptor 2 introduced on the inner surface of A-SNT-B recognizes high selectivity and only Pb 2+ ions.

또한, Hg2+와 Pb2+ 이온에 대해 선택적으로 색과 형광을 나타내는 탐침으로 A-SNT-B의 추가적인 유용성을 평가하기위해서, 수용액 상의 Li+, Na+, K+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Sr2+, Co2+, Cd2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+와 같은 다양한 생물학적, 환경적으로 관련된 금속이온의 첨가에 따른 A-SNT-B의 경쟁적인 색과 형광 변화를 조사하였다(도 14). 기대한 대로, Li+, Na+, K+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Sr2+, Co2+, Cd2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+에 Hg2+, Pb2+의 첨가에 따라 A-SNT-B의 색과 형광 변화가 관찰되었으며, A-SNT-B는 과량의 여러 가지 금속 이온들 속에서 Hg2+와 Pb2+를 선택적으로 검출할 수 있는 매우 촉망되는 물질이라는 것을 나타낸다. 한편 산성 용액(0.01 N HCl)에 강 염기(0.01 N NaOH)의 첨가에 따라 A-SNT-B의 색과 형광은 완전하게 가역적이었다(도 14). 추가적으로, 색과 형광 변화는 여러 번 검출과 분리에도 재현할 수 있었다. In addition, in order to evaluate the further usefulness of A-SNT-B with a probe that selectively colors and fluoresces for Hg 2+ and Pb 2+ ions, Li + , Na + , K + , Mg 2+ , Ba in aqueous solution A-SNT-B with the addition of various biological and environmentally related metal ions such as 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Co 2+ , Cd 2+ , Zn 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ Competitive color and fluorescence changes were investigated (Fig. 14). As expected, Li + , Na + , K + , Mg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Co 2+ , Cd 2+ , Zn 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ to Hg2 + , The color and fluorescence changes of A-SNT-B were observed with the addition of Pb2 +, and A-SNT-B was found to be able to detect Hg 2+ and Pb 2+ selectively in excess of various metal ions. It is a promising substance. On the other hand, the color and fluorescence of A-SNT-B were completely reversible by addition of strong base (0.01 N NaOH) to acidic solution (0.01 N HCl) (FIG. 14). In addition, color and fluorescence changes could be reproduced in multiple detections and separations.

또한 휴대용 화학센서 도구로 적용하기 위해서, A-SNT-B의 디스크 형태 펠렛을 쉽고 편리한 방법으로 준비하였다(도 6). A-SNT-B의 디스크 형태 펠렛의 발광은 극적으로 증가되었다. 추가적으로, 분홍색 A-SNT-B의 디스크 형태 펠렛은 Hg2+ 용액을 적셨을 때 즉시 회갈색으로 변하였다. Hg2+와 Pb2+를 제외한, Li+, Na+, K+, Mg2+, Ba2+, Ca2+, Sr2+, Co2+, Cd2+, Zn2+, Fe3+, Cu2+와 같은 금속을 디스크에 적셨을 때 A-SNT-B의 형광과 색 변화는 나타나지 않았다. 이러한 결과는 A-SNT-B로 준비된 디스크 형태 펠렛은 환경적인 분야와 생물학적 분야에서 Hg2+와 Pb2+의 검출에 대한 휴대용 화학센서로 응용할 수 있다는 것을 암시한다.In addition, to apply as a portable chemical sensor tool, A-SNT-B disk-shaped pellets were prepared in an easy and convenient way (Fig. 6). The luminescence of the disc-shaped pellets of A-SNT-B was dramatically increased. In addition, disc-shaped pellets of pink A-SNT-B immediately turned grayish when wet with Hg 2+ solution. Li + , Na + , K + , Mg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Co 2+ , Cd 2+ , Zn 2+ , Fe 3+ , except Hg 2+ and Pb 2+ When the metal, such as Cu 2+ , was wetted to the disc, the fluorescence and color change of A-SNT-B did not appear. These results suggest that disc-shaped pellets prepared with A-SNT-B can be applied as portable chemical sensors for the detection of Hg 2+ and Pb 2+ in the environmental and biological fields.

도 7은 A-SNT-B의 분산된 용액에 금속 이온의 첨가에 따른 시각적 색과 형광 변화를 나타낸다. 위에 언급된 시각적 색과 형광 변화를 기본으로 하여, 알지 못하는 샘플의 정성 분석을 두 단계로 수행하였다. (1) 알려지지 않은 샘플의 부분 표본은 A-SNT-B 수용액에 분산되어 있다. 만약 색과 형광이 둘 다 변한다면, Hg2+와 Pb2+ 둘 다 모르는 시료에 존재한다. (2) 만약 형광이 변한다면, 모르는 시료는 Pb2+를 포함해야 한다. 반면에, 형광은 변하지 않고, 시각적 색만 변한다면, Hg2+는 모르는 시료에 존재해야 한다. Figure 7 shows the visual color and fluorescence change with the addition of metal ions to the dispersed solution of A-SNT-B. Based on the visual color and fluorescence changes mentioned above, qualitative analysis of unknown samples was performed in two steps. (1) Subsamples of unknown samples are dispersed in A-SNT-B aqueous solution. If both color and fluorescence change, both Hg 2+ and Pb 2+ are present in unknown samples. (2) If fluorescence changes, unknown samples should contain Pb 2+ . On the other hand, if the fluorescence does not change and only the visual color changes, Hg 2+ should be present in unknown samples.

본 발명에서는 간단한 졸-젤 그라프팅 반응에 의해 SNTs의 내부와 외부 표면에 2가지 다른 리셉터의 선택적인 도입을 설명하였다. A-SNT-B 센서는 Hg2 +와 Pb2 +이온의 매우 선택적인 검출에 성공적으로 적용될 수 있었다. 그리고, 새로운 다기능성을 가진 나노구조체는 화학적 처리에 의해 쉽게 재활용 될 수 있었다. 내부와 외부 표면에 서로 다른 기능화를 위한 간단하고 편리한 방법은 특정한 목표 분자의 인지와 분리를 위해 매우 효율적일 것이다. 내부와 외부 표면 화학에 대한 조절은 다공성 물질의 연구와 응용에 대해 넓은 범위에 영향을 미친다는 것을 확신할 수 있다.The present invention describes the selective introduction of two different receptors into the inner and outer surfaces of SNTs by a simple sol-gel grafting reaction. SNT-A-B sensor could be successfully applied to the Hg + 2 and Pb 2 + ion very selective detection. In addition, the new multifunctional nanostructure could be easily recycled by chemical treatment. Simple and convenient methods for different functionalization of the inner and outer surfaces will be very efficient for the recognition and separation of specific target molecules. Control of internal and external surface chemistry can be assured that a wide range of influences for the study and application of porous materials are achieved.

Claims (13)

원통상인 주형의 외측면이 아조벤젠기로 포화되어 있고,
주형의 내측면이 보론-다이피로메텐기로 포화되어 있으며,
상기 주형은 실리카를 포함하는 실리카 나노튜브.
The outer surface of the cylindrical mold is saturated with an azobenzene group,
The inner surface of the mold is saturated with boron-dipyrromethene groups,
The template is a silica nanotube containing silica.
제 1 항에 있어서,
주형의 외측면을 포화시킨 아조벤젠기는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 유래의 것인 실리카 나노튜브.
화학식 1
Figure pat00016

상기 화학식 1에서, R1은 (C1-C5)의 알킬이고, R2는 (C1-C10)알콕시기, R3는 이종원자로 1개 이상의 산소, 1개 이상의 질소를 포함하는 비고리형 호스트이다.
The method of claim 1,
The azobenzene group which saturated the outer surface of a template is a silica nanotube derived from the compound represented by following formula (1).
Formula 1
Figure pat00016

In Formula 1, R 1 is an alkyl of (C1-C5), R 2 is a (C1-C10) alkoxy group, R 3 is a heterocyclic host containing at least one oxygen, at least one nitrogen as a hetero atom.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
주형의 외측면을 포화시킨 아조벤젠기는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 유래의 것인 실리카 나노튜브.
화학식 2
Figure pat00017
The method according to claim 1 or 2,
The azobenzene group which saturated the outer surface of a template is a silica nanotube derived from the compound represented by following formula (2).
(2)
Figure pat00017
제 1 항에 있어서,
주형의 내측면을 포화시킨 보론-다이피로메텐기는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 유래의 것인 실리카 나노튜브.
화학식 3
Figure pat00018

상기 화학식 3에서, X는 산소원자(O) 또는 황원자(S)로부터 선택되며;
R1 및 R2는 독립적으로 수소, (C1-C7)알킬기, 할로겐 원소, 니트로기, 니트릴기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기이고, 상기 알킬기 또는 아르알킬기의 알킬은 불포화 결합을 포함할 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기의 탄소원자는 N, O, S로부터 선택되는 헤테로원소로 치환될 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기는 니트로기, 니트릴기, 할로겐원소, (C1~C7)알킬기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기로부터 선택되는 치환기로 더 치환될 수 있으며;
R3은 독립적으로 (C1~C7)알킬기로부터 선택되고;
a, a', b, 및 b'은 독립적으로 0내지 4의 정수이며, c, c', d, 및 d'은 독립적으로 0 내지 10의 정수이고;
n 및 m은 1 내지 3의 정수이다.
The method of claim 1,
The boron-dipyrromethene group which saturated the inner side of a template is a silica nanotube derived from the compound represented by following formula (3).
(3)
Figure pat00018

In Formula 3, X is selected from an oxygen atom (O) or a sulfur atom (S);
R 1 and R 2 are independently hydrogen, (C1-C7) alkyl group, halogen element, nitro group, nitrile group, (C6 ~ C20) aryl group, (C6 ~ C20) ar (C1 ~ C7) alkyl group or (C1 ~ C20) is an alkoxy group, the alkyl of the alkyl group or aralkyl group may include an unsaturated bond, the carbon atom of the alkyl group, aryl group or aralkyl group may be substituted with a hetero element selected from N, O, S, Alkyl group, aryl group or aralkyl group is nitro group, nitrile group, halogen element, (C1-C7) alkyl group, (C6-C20) aryl group, (C6-C20) ar (C1-C7) alkyl group or (C1-C20) May be further substituted with a substituent selected from an alkoxy group;
R 3 is independently selected from a (C1-C7) alkyl group;
a, a ', b, and b' are independently integers from 0 to 4, and c, c ', d, and d' are independently integers from 0 to 10;
n and m are integers from 1 to 3.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
주형의 내측면을 포화시킨 보론-다이피로메텐기는 하기 화학식 4로 표시되는 화합물 유래의 것인 실리카 나노튜브.
화학식 4
Figure pat00019
The method according to claim 1 or 4,
The boron-dipyrromethene group which saturated the inner side of a template is a silica nanotube derived from the compound represented by following formula (4).
Formula 4
Figure pat00019
겔형성제를 이용하여 유리 겔 섬유를 제조하는 단계;
유기 겔 섬유에 테트라에톡시실란을 첨가하여 반응시켜 원통형의 실리카 나노튜브 주형을 제조하는 단계;
실리카 나노튜브 주형의 외측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계; 및
외측면에 아조벤젠기가 고정된 실리카 나노튜브 주형의 내측면에 보론-다이피로메텐기를 고정하는 단계를 포함하는 실리카 나노튜브의 제조방법.
Preparing glass gel fibers using a gel former;
Adding tetraethoxysilane to the organic gel fibers and reacting to prepare a cylindrical silica nanotube template;
Fixing the azobenzene group to the outer surface of the silica nanotube template; And
A method for producing silica nanotubes comprising fixing a boron-dipyrromethene group to an inner surface of a silica nanotube template having an azobenzene group fixed to an outer surface thereof.
제 6 항에 있어서,
실리카 나노튜브 주형의 외측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 실리카 탄소나노튜브를 하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 반응시키는 방법으로 수행되는 실리카 나노튜브의 제조방법.
화학식 1
Figure pat00020

상기 화학식 1에서, R1은 (C1-C5)의 알킬이고, R2는 (C1-C10)알콕시기, R3는 이종원자로 1개 이상의 산소, 1개 이상의 질소를 포함하는 비고리형 호스트이다.
The method according to claim 6,
Fixing the azobenzene group on the outer surface of the silica nanotube template is a method for producing silica nanotubes by a method of reacting the silica carbon nanotubes with a compound represented by the following formula (1).
Formula 1
Figure pat00020

In Formula 1, R 1 is an alkyl of (C1-C5), R 2 is a (C1-C10) alkoxy group, R 3 is a heterocyclic host containing at least one oxygen, at least one nitrogen as a hetero atom.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
실리카 나노튜브 주형의 외측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 실리카 탄소나노튜브를 다음 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시키는 방법으로 수행되는 실리카 나노튜브의 제조방법.
화학식 2
Figure pat00021
The method according to claim 6 or 7,
Fixing the azobenzene group on the outer surface of the silica nanotube template is a method for producing silica nanotubes by a method of reacting the silica carbon nanotubes with a compound represented by the following formula (2).
(2)
Figure pat00021
제 7 항에 있어서,
실리카 나노튜브 주형의 내측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 외측면에 아조벤젠기가 고정된 실리카 나노튜브와 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 반응시키는 방법으로 수행되는 실리카 나노튜브의 제조방법.
화학식 3
Figure pat00022

상기 화학식 3에서, X는 산소원자(O) 또는 황원자(S)로부터 선택되며;
R1 및 R2는 독립적으로 수소, (C1-C7)알킬기, 할로겐 원소, 니트로기, 니트릴기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기이고, 상기 알킬기 또는 아르알킬기의 알킬은 불포화 결합을 포함할 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기의 탄소원자는 N, O, S로부터 선택되는 헤테로원소로 치환될 수 있으며, 상기 알킬기, 아릴기 또는 아르알킬기는 니트로기, 니트릴기, 할로겐원소, (C1~C7)알킬기, (C6~C20)아릴기, (C6~C20)아르(C1~C7)알킬기 또는 (C1~C20)알콕시기로부터 선택되는 치환기로 더 치환될 수 있으며;
R3은 독립적으로 (C1~C7)알킬기로부터 선택되고;
a, a', b, 및 b'은 독립적으로 0내지 4의 정수이며, c, c', d, 및 d'은 독립적으로 0 내지 10의 정수이고;
n 및 m은 1 내지 3의 정수이다.
The method of claim 7, wherein
Fixing the azobenzene group on the inner surface of the silica nanotube template is a method for producing a silica nanotube is carried out by reacting the compound represented by the following formula (3) with the silica nanotube fixed to the azobenzene group.
(3)
Figure pat00022

In Formula 3, X is selected from an oxygen atom (O) or a sulfur atom (S);
R 1 and R 2 are independently hydrogen, (C1-C7) alkyl group, halogen element, nitro group, nitrile group, (C6 ~ C20) aryl group, (C6 ~ C20) ar (C1 ~ C7) alkyl group or (C1 ~ C20) is an alkoxy group, the alkyl of the alkyl group or aralkyl group may include an unsaturated bond, the carbon atom of the alkyl group, aryl group or aralkyl group may be substituted with a hetero element selected from N, O, S, Alkyl group, aryl group or aralkyl group is nitro group, nitrile group, halogen element, (C1-C7) alkyl group, (C6-C20) aryl group, (C6-C20) ar (C1-C7) alkyl group or (C1-C20) May be further substituted with a substituent selected from an alkoxy group;
R 3 is independently selected from a (C1-C7) alkyl group;
a, a ', b, and b' are independently integers from 0 to 4, and c, c ', d, and d' are independently integers from 0 to 10;
n and m are integers from 1 to 3.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
실리카 나노튜브 주형의 내측면에 아조벤젠기를 고정하는 단계는 외측면에 아조벤젠기가 고정된 실리카 나노튜브와 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 반응시키는 방법으로 수행되는 실리카 나노튜브의 제조방법.
화학식 4
Figure pat00023
9. The method according to claim 7 or 8,
The fixing of the azobenzene group on the inner surface of the silica nanotube template is a method for producing silica nanotubes carried out by reacting the silica nanotubes fixed with the azobenzene group on the outer surface and the compound represented by the following formula (4).
Formula 4
Figure pat00023
제 1 항의 실리카 나노튜브를 포함하는 멀티센서.A multisensor comprising the silica nanotubes of claim 1. 제 11 항에 있어서, 나노튜브에 포화되어 있는 아조벤젠기가 수은과 반응하여 발색하는 것을 탐지하는 멀티센서.12. The multisensor of claim 11, which detects that azobenzene groups saturated in the nanotubes react with mercury to develop color. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 나노튜브에 포화되어 있는 보론-다이피로메텐기가 납과 반응하여 발광하는 것을 탐지하는 멀티센서.13. The multi-sensor according to claim 11 or 12, wherein the boron-dipyrromethene group saturated in the nanotubes detects that light reacts with lead.
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Cited By (2)

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WO2015168533A1 (en) * 2014-05-02 2015-11-05 The Regents Of The University Of Michigan Method and kit for detecting lead in a solid sample

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