KR20140108002A - Ammonia sensing fluorescent sensor membrane including oxazine, method for preparing the same and method for detecting ammonia concentration in water using the same - Google Patents

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Abstract

Provided are an ammonia detecting fluorescent sensor membrane including oxazine, a method for manufacturing the same, and a method for detecting a concentration of ammonia in water using the same. The fluorescent sensor film includes a cellulose based polymeric matrix and an oxizine pigment contained in the polymeric matrix to be fixed. Accordingly, an in-use range of oxazine can be widened, ammonia can be more effectively detected, and contact with ammonia can be increased.

Description

옥사진을 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막, 그 제조방법 및 이를 이용한 수중 암모니아 검출 방법{Ammonia sensing fluorescent sensor membrane including oxazine, method for preparing the same and method for detecting ammonia concentration in water using the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fluorescent sensor film for detecting ammonia containing an oxazine photo, a method for producing the same, and a method for detecting ammonia in water using the same,

본 발명은 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 옥사진을 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor, and more particularly, to a fluorescence sensor film for detecting ammonia containing an ox picture and a method of manufacturing the same.

형광센서는 초분자 화합물을 형광물질에 연결시킴으로써 포접 화합물과의 선택적 결합을 통한 형광변화를 이용하여 보다 손쉽게 선택물질을 검출할 수 있기 때문에 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.Fluorescence sensors have recently been actively studied because they can more easily detect selective substances by using fluorescence change through selective binding with an inclusion compound by connecting a supramolecular compound to a fluorescent substance.

한편, 수중 암모니아 농도는 환경 관리에서 많이 고려되는 중요한 매개 변수이며, 광학센서로 이러한 암모니아를 검출하기 위해 형광염료를 이용하는 기술이 개발되고 있다. 일 예로서, 로다민, 플루오르세인 아민계 화합물, 쿠마린, HPTS(1-hydroxypyrene-3,6,8-trisulphonate), 및 옥사진 퍼클로레이트 등이 암모니아 검출을 위해 연구되고 있다. 이중에서도 옥사진 퍼클로레이트(oxazine 170 perchlorate)는 형광염료로서 우수한 형광 특성을 가지고 있지만 당업자들에게 많이 알려지지 않아 아직까지 형광염료로서의 사용이 거의 없는 실정이다.On the other hand, the concentration of aquatic ammonia is an important parameter which is considered in environmental management, and a technique using a fluorescent dye to detect such ammonia by an optical sensor is being developed. As an example, rhodamine, fluorine-based amine compounds, coumarin, 1-hydroxypyrene-3,6,8-trisulphonate, and oxazine perchlorate have been studied for the detection of ammonia. Among them, oxazine 170 perchlorate has excellent fluorescence properties as fluorescent dyes, but it is not known to those skilled in the art, and thus it is hardly used as fluorescent dyes.

최근 들어 옥사진 퍼클로레이트를 이용한 암모니아 검출 센서에 관한 연구가 진행되어왔으며, 이러한 기술에 관한 종래의 기술로는 미국 공개특허 제2012/0288953호가 있다. Recently, studies have been made on an ammonia detection sensor using jade photographic perchlorate. A conventional technique related to this technique is disclosed in US Patent Publication No. 2012/0288953.

미국 공개특허 제2012/0288953호는 옥사진 퍼클로레이트 염료를 광섬유에 코팅한 후 옥사진 퍼클로레이트의 흡광 특성을 이용하여 센서를 제작하였다. 그러나 센서 제작에 있어 옥사진 퍼클로레이트의 형광특성 및 형광 방출 세기를 이용하지 않아 제조된 센서의 효율성이 낮은 문제가 있다. US Patent Publication No. 2012/0288953 discloses a sensor using the absorption characteristics of the jade photographic perchlorate after coating an optical fiber with an optical photographic perchlorate dye. However, there is a problem in that the efficiency of the manufactured sensor is low because the fluorescence characteristic and the fluorescence emission intensity of the jade photographic perchlorate are not used in the production of the sensor.

또한, 옥사진 퍼클로레이트 형광염료가 단독으로 사용될 경우 외부 환경, 예를 들면 알칼리, 염분 및 가시광선과 자외선으로 인하여 염료의 기능이 저하될 수 있으며, 암모니아에 대한 제한적인 접촉성을 가진다는 단점이 있다.In addition, when the jade photographic perchlorate fluorescent dye is used alone, the function of the dye may be deteriorated due to external environment such as alkali, salt, visible light and ultraviolet rays, and it has a disadvantage that it has limited contact with ammonia.

이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 옥사진 퍼클로레이트를 형광염료로 사용함에 따라 사용범위가 넓어진 옥사진을 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a fluorescent sensor film for detecting ammonia containing jade photographic material having a wider range of use by using jade photographic perchlorate as a fluorescent dye.

또한, 본 발명은 옥사진 퍼클로레이트가 단독적으로 사용되었을 때 발생하는 알칼리, 염분 및 가시광선과 자외선으로 인한 염료의 기능성 저하를 막고, 암모니아에 대한 접촉성이 높은 암모니아 검출용 형광센서막을 제공하는 데 다른 목적이 있다.The present invention also provides a fluorescent sensor film for detecting ammonia, which prevents deterioration of the function of a dye due to alkali, salt and visible light and ultraviolet rays, which occurs when the jade photographic perchlorate is used singly, and which has high contact with ammonia, .

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 암모니아 검출용 형광센서막을 제공한다. 상기 형광센서막은 셀룰로오스계 고분자 매트릭스; 및 상기 고분자 매트릭스에 함유되어 고정화된 옥사진 염료를 포함한다.In order to solve the above problems, one aspect of the present invention provides a fluorescent sensor film for detecting ammonia. The fluorescent sensor film may be a cellulose-based polymer matrix; And an oxazine dye immobilized and contained in the polymer matrix.

상기 고분자 매트릭스는 알콕시실란 화합물의 졸-겔 반응에 의해 형성된 실리카를 더 포함할 수 있으며, 바람직한 예로서, 상기 알콕시실란 화합물은 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS) 및 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The polymer matrix may further include silica formed by a sol-gel reaction of an alkoxysilane compound. As a preferable example, the alkoxysilane compound may include 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and 3-glycidoxypropyl And trimethoxysilane (GPTMS).

상기 셀룰로오스계 고분자는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 카르복시 메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이드, 스테아릴 셀룰로오스, 히드록시프로필메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 및 히드록시프로필 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 에틸 셀룰로오스를 포함할 수 있다.The cellulose-based polymer may be selected from the group consisting of methylcellulose, ethylcellulose, carboxymethylcellulose, cellulose acetate phthalide, stearylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylcellulose, and hydroxypropylcellulose, Lt; RTI ID = 0.0 > ethylcellulose. ≪ / RTI >

상기 옥사진 염료는 옥사진 퍼클로레이트를 포함할 수 있다.The jade photographic dye may comprise jade photographic perchlorate.

또한, 상기 형광센서막은 암모니아와의 접촉 조건에서 서로 다른 두 개의 형광파장을 방출할 수 있다.In addition, the fluorescence sensor film can emit two different fluorescence wavelengths in contact with ammonia.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은 암모니아 검출용 형광센서막 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 셀룰로오스계 고분자 및 옥사진 염료를 유기 용매에 혼합하여 혼합 용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 기판 상에 코팅한 후 건조하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a fluorescent sensor film for detecting ammonia. The method comprises: preparing a mixed solution by mixing a cellulose-based polymer and an oxazine dye in an organic solvent; And coating the mixed solution on a substrate, followed by drying.

상기 혼합 용액을 준비하는 단계는 상기 혼합 용액에 알콕시실란 화합물을 더 첨가하여 상기 혼합 용액을 졸-겔 반응이 가능한 졸 용액으로 준비하는 것일 수 있다.The step of preparing the mixed solution may further include adding an alkoxysilane compound to the mixed solution to prepare the mixed solution as a sol-gel reactionable sol solution.

상기 셀룰로오스계 고분자는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이드, 스테아릴 셀룰로오스, 히드록시프로필메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 및 히드록시프로필 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 에틸 셀룰로오스를 포함할 수 있다.The cellulose-based polymer may be selected from the group consisting of methylcellulose, ethylcellulose, carboxymethylcellulose, cellulose acetate phthalide, stearylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylcellulose, and hydroxypropylcellulose, Lt; RTI ID = 0.0 > ethylcellulose. ≪ / RTI >

상기 알콕시실란 화합물은 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS) 및 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 바람직한 예로서, 상기 알콕시실란 화합물은 상기 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS)과 상기 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS)을 4:1의 부피비로 포함할 수 있다.The alkoxysilane compound may include at least one of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS). As a preferable example, -Aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and the 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) in a volume ratio of 4: 1.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 수중 암모니아 검출 방법을 제공한다. 상기 검출 방법은 셀룰로오스계 고분자 매트릭스와 상기 고분자 매트릭스에 함유되어 고정화된 옥사진 염료를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막을 준비하는 단계; 암모니아와 상기 형광센서막의 접촉 조건에서 서로 다른 두 개의 형광 방출파장을 측정하는 단계; 상기 형광센서막에 의해 검출이 가능한 암모니아의 농도 범위를 설정하는 단계; 상기 농도 범위 내에서 농도에 따른 상기 두 개의 형광 파장에서의 형광강도의 비율을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 형광강도의 비율에 기초하여 수중에 함유된 미지의 암모니아 농도를 측정하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for detecting ammonia in water. Preparing a fluorescent sensor film for detecting ammonia comprising a cellulose-based polymer matrix and an oxazine dye immobilized on the polymer matrix; Measuring two different fluorescence emission wavelengths in a contact condition between ammonia and the fluorescence sensor film; Setting a concentration range of ammonia detectable by the fluorescence sensor film; Calculating a ratio of fluorescence intensity at the two fluorescence wavelengths according to the concentration within the concentration range; And measuring an unknown ammonia concentration contained in the water based on the calculated ratio of the fluorescence intensity.

상기 설정된 암모니아의 농도 범위는 1 내지 60ppm을 포함할 수 있다.The ammonia concentration range may include 1 to 60 ppm.

본 발명에 따르면, 옥사진을 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막은 옥사진을 형광염료로 사용함으로써 옥사진의 사용범위를 넓힐 수 있고, 종래에 흡광염료로만 사용했을 때에 비해 높은 감도를 얻을 수 있기 때문에 암모니아의 검출을 더 효과적으로 할 수 있다.According to the present invention, since the fluorescence sensor film for detecting ammonia containing the jade photograph can broaden the use range of the jade photograph by using the jade photograph as the fluorescent dye, the sensitivity can be higher than that conventionally used only as the absorbance dye The detection of ammonia can be more effectively performed.

또한, 셀룰로오스계 고분자와 옥사진 퍼클로레이트를 조합하여 형광센서막을 형성함에 따라 염료가 알칼리, 염분 및 가시광선과 자외선으로부터 안정적일 수 있게 하고, 암모니아에 대한 접촉성을 높일 수 있다.Further, by forming the fluorescent sensor film by combining the cellulose-based polymer and the jade photographic perchlorate, the dye can be stabilized from alkali, salt, visible light and ultraviolet rays, and can improve the contact with ammonia.

도 1은 본 발명에서 사용되는 옥사진 퍼클로레이트의 형광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 2는 제조예 1에서 제조된 형광센서막의 암모니아 농도 변화에 따른 색 변화를 나타낸 사진이다.
도 3는 제조예 1에서 제조된 형광센서막의 암모니아의 농도에 따른 형광변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 제조예 3에서 제조된 형광센서막의 암모니아 농도에 따른 형광강도를 나타낸 보정곡선(a) 및 두 방출파장 간의 비율로 계산된 보정곡선(b)이다.
도 5는 제조예 2에 따른 형광센서막의 가역성을 나타낸 그래프이다.
도 6a는 제조예 5에서 제조된 형광센서막의 pH 변화에 따른 형광강도를 나타낸 그래프이이다.
도 6b는 제조예에 10ppm의 암모니아를 가했을 때 pH에 따른 형광강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 제조예 5에서 제조된 형광센서막의 염도에 따른 방출파장 630nm 및 565nm에서 형광강도를 나타낸 그래프(a) 및 방출파장 630nm 및 565nm의 비율계산 후 형광강도를 나타낸 그래프(b)이다.
도 8은 제조예 4에서 제조된 형광센서막의 광표백 및 시간에 따른 형광강도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 제조예 3에서 제조된 형광센서막의 초기 및 한 달 사용 후의 형광강도의 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the fluorescence spectrum of jade photographic perchlorate used in the present invention.
FIG. 2 is a photograph showing the color change according to the ammonia concentration change of the fluorescent sensor film prepared in Production Example 1. FIG.
FIG. 3 is a graph showing changes in fluorescence according to the concentration of ammonia in the fluorescence sensor film prepared in Production Example 1. FIG.
4 is a calibration curve (a) showing the fluorescence intensity according to the ammonia concentration of the fluorescent sensor film prepared in Production Example 3 and a calibration curve (b) calculated as a ratio between two emission wavelengths.
5 is a graph showing the reversibility of the fluorescent sensor film according to Production Example 2. Fig.
6A is a graph showing the fluorescence intensity according to the pH change of the fluorescent sensor membrane prepared in Production Example 5. FIG.
FIG. 6B is a graph showing changes in fluorescence intensity according to pH when 10 ppm of ammonia is added to the production example. FIG.
7 is a graph (a) showing fluorescence intensity at emission wavelengths of 630 nm and 565 nm and a graph (b) showing fluorescence intensity after calculating the ratio of emission wavelengths of 630 nm and 565 nm, according to salinity of the fluorescence sensor membrane prepared in Production Example 5. FIG.
8 is a graph showing fluorescence intensity of a fluorescent sensor membrane prepared in Preparation Example 4 according to optical rotation and time.
9 is a graph showing the change in fluorescence intensity of the fluorescence sensor film prepared in Production Example 3 after the initial use and one month's use.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 셀룰로오스계 고분자 매트릭스 및 상기 고분자 매트릭스에 함유되어 고정화된 옥사진 염료를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a fluorescent sensor film for detecting ammonia comprising a cellulose-based polymer matrix and an oxazine dye immobilized in the polymer matrix.

상기 옥사진 염료는 옥사진 퍼클로레이트를 포함할 수 있고, 상기 옥사진 퍼클레이트는 넓은 범위의 스펙트럼을 가지며, 높은 형광효율을 가졌기 때문에 형광염료로서 우수한 특성을 가질 수 있다. 또한, 형광의 파장은 흡수되는 빛의 파장보다 긴 특성을 가지며, 형광물질이 방출하는 형광의 강도는 시료 중의 형광물질의 농도가 높을수록 강하다. 때문에 이러한 특성을 이용하여 시료중의 형광물질을 정량적으로 분석할 수 있다. 이 방법은 흡광도를 이용한 감지법에 비하여 매우 높은 감도를 지니며, 검출을 목적으로 하는 성분만을 선택적으로 검출 할 수 있다. 더욱이 형광을 발생하지 않는 물질들은 화학반응 일으키거나 환원효소를 사용하여 형광물질로 전환시킨 후에 분석할 수 있다는 장점이 있다.The jade photographic dye may contain jade photographic perchlorate, and the jade photographic perillaite has a broad spectrum and has high fluorescence efficiency, so that it can have excellent properties as a fluorescent dye. Also, the wavelength of fluorescence is longer than the wavelength of the absorbed light, and the intensity of the fluorescence emitted by the fluorescent material is stronger as the concentration of the fluorescent material in the sample is higher. Therefore, it is possible to quantitatively analyze the fluorescent substance in the sample using these characteristics. This method has a very high sensitivity as compared with the detection method using absorbance, and it is possible to selectively detect only a component intended for detection. Furthermore, substances which do not generate fluorescence have the advantage that they can be analyzed after they are converted into a fluorescent substance using a reductive enzyme or a chemical reaction.

상기 셀룰로오스계 고분자는 형광센서막의 지지체의 역할을 하는 매트릭스를 형성하는 물질로서, 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 카르복시 메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이드, 스테아릴 셀룰로오스, 히드록시프로필메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 및 히드록시프로필 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 그 중에서도 에틸 셀룰로오스는 옥사진 염료가 효과적으로 고정되는 동시에 옥사진 염료가 암모니아 접촉하기에 좋은 환경을 제공하는 점에서 가장 적합한 후보 물질이 될 수 있다. 상기 에틸 셀룰로오스는 내구성을 가지며 넓은 범위의 용매에서 용해될 수 있으며 알칼리 및 염분 용액에서 내성을 갖는다. 또한, 가시광선이나 자외선을 포함한 넓은 범위의 빛에 노출에도 변색되지 않는다. The cellulose-based polymer is a matrix-forming substance serving as a support of a fluorescent sensor membrane. Examples of the matrix polymer include methylcellulose, ethylcellulose, carboxymethylcellulose, cellulose acetate phthalide, stearylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylcellulose, ≪ / RTI > hydroxypropylcellulose, and hydroxypropylcellulose. Among them, ethyl cellulose can be a most suitable candidate material in that an oxazine dye is effectively fixed while an oxazine dye provides a good environment for ammonia contact. The ethylcellulose has durability and is soluble in a wide range of solvents and is resistant to alkaline and saline solutions. Also, it does not change color even when exposed to a wide range of light including visible light and ultraviolet light.

한편, 상기 고분자 매트릭스는 알콕시실란 화합물의 졸-겔 반응에 의해 형성된 실리카를 더 포함할 수 있다. 상기 졸-겔 반응은 졸-겔 세라믹스를 제조하는 방법으로써 졸(sol)은 콜로이드나 무기물 단분자 고체 분자들이 분산되어 있는 현탄액 상태로 반응이 지속됨에 따라 분산된 고체분자들이 고분자화되어 연속적인 고체 망상 구조(network structure)를 이루어 유동성을 잃은 겔(gel)상태가 될 수 있다. 졸-겔 반응을 이용한 형광센서막은 조작이 간단하고 외래물질의 침투를 방지하여 오염의 가능성을 감소시키며 시료 측정시 별도의 시료 채취의 과정이 필요치 않다는 장점을 가진다. 또한, 졸-겔 반응시 가수분해 반응에서는 알콕시실란 화합물이 물과 반응하여 수산화기(-OH)를 형성하고, 가수분해에 의해 생성된 수산화기는 또 다른 알콕실란 화합물의 수산화기나 알콕시 그룹과 반응하여 산소교각을 통한 금속산화물 결합을 생성할 수 있다. 이들 반응에 의해 형성된 졸 입자는 중축합(polycondensation)에 의해 망목구조를 형성할 수 있다. 이러한 졸-겔 반응은 형광염료에 고정화하여 사용할 경우, 장시간 사용이 가능하며 형광염료의 활성저하를 감소시켜 형광센서막의 정밀도를 증가시킬 수 있다. 상기 알콕시실란 화합물은 졸-겔 반응이 가능한 물질이라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS) 및 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS)과 3-글리시독시프로필트리메톡시실란GPTMS)을 모두 사용하는 경우 4:1의 부피비로 혼합하여 사용하게 되면 상분리를 막아 조밀한 막을 형성할 수 있다.Meanwhile, the polymer matrix may further include silica formed by a sol-gel reaction of an alkoxysilane compound. The sol-gel reaction is a method for producing sol-gel ceramics. The sol is a solid-liquid state in which colloidal or inorganic monomolecular solid molecules are dispersed. As the reaction continues, the dispersed solid molecules are polymerized to form continuous It may become a gel state that has lost its fluidity by forming a solid network structure. The fluorescence sensor membrane using the sol-gel reaction has a merit that it is simple to operate, prevents the penetration of foreign substances, reduces the possibility of contamination, and does not require a separate sample collection step in the sample measurement. Further, in the hydrolysis reaction during the sol-gel reaction, the alkoxysilane compound reacts with water to form a hydroxyl group (-OH), and the hydroxyl group generated by hydrolysis reacts with the hydroxyl group or alkoxy group of another alkoxysilane compound, It is possible to produce metal oxide bonds through the piers. The sol particles formed by these reactions can form a network structure by polycondensation. Such a sol-gel reaction can be used for a long time when immobilized to a fluorescent dye, and it is possible to decrease the activity of the fluorescent dye, thereby increasing the precision of the fluorescent sensor film. The alkoxysilane compound is not particularly limited as long as it is a substance capable of sol-gel reaction, but preferably at least one of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) . ≪ / RTI > When 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane GPTMS are both used, they are mixed at a volume ratio of 4: 1 to form a dense film by blocking phase separation can do.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 형광센서막을 이용한 암모니아 검출 방법을 제공한다. 본 실시예에 따른 암모니아 검출 방법은 다음과 같다. 먼저 상기 형광센서막을 준비한 후, 암모니아와 상기 형광센서막의 접촉 조건에서 상기 형광센서막에서 방출되는 서로 다른 두 개의 형광 방출파장을 측정한다. 여기서 서로 다른 두 개의 형광 방출파장이 나타나는 이유는 음이온 상태였던 염료가 암모늄이온과 결합함에 따라 옥사진의 스펙트럼이 변화했기 때문이다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of detecting ammonia using the above-described fluorescence sensor film. The ammonia detection method according to this embodiment is as follows. First, the fluorescent sensor membrane is prepared, and then two different fluorescence emission wavelengths emitted from the fluorescent sensor membrane are measured under the condition of contact between ammonia and the fluorescent sensor membrane. Here, two different fluorescence emission wavelengths appear because the spectra of the jade photons changed as the dyes, which were in the anion state, combine with ammonium ions.

이 후 검출이 가능한 암모니아의 농도 범위를 설정한다. 이때 유리 암모니아의 농도는 하기의 Henderson-Hasselbalch 공식에 의해 계산할 수 있다.After this, the concentration range of ammonia that can be detected is set. At this time, the concentration of free ammonia can be calculated by the following Henderson-Hasselbalch formula.

log[NH3] = log[NH4 +] - 2.44log [NH 3 ] = log [NH 4 + ] - 2.44

이 후 설정된 농도 범위 내에서 농도에 따른 상기 두 개의 형광 파장에서의 형광강도의 비율을 계산한다. 비율계산 측정은 암모니아 이온과 두 개의 방출파장에서 옥사진 퍼클로레이트와 결합하여 생긴 형광세기의 비율에 의해 계산할 수 있다. Then, the ratio of the fluorescence intensities at the two fluorescence wavelengths according to the concentration within the set concentration range is calculated. The ratio calculation can be calculated by the ratio of the fluorescence intensities produced by the combination of the ammonia ion and the jade photographic perchlorate at two emission wavelengths.

마지막으로, 상기 계산된 형광강도비율에 기초하여 수중에 함유된 미지의 암모니아 농도를 측정한다.Finally, the unknown ammonia concentration contained in the water is measured based on the calculated fluorescence intensity ratio.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples for the understanding of the present invention will be described. It should be understood, however, that the following examples are intended to aid in the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<졸-겔 용액 &Lt; Sol-gel solution 제조예Manufacturing example >>

암모니아 검출용 형광센서막의 지지체로 사용되는 졸-겔 용액을 제조하기 위해 실란계 화합물인 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS)과 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS)을 25 : 6.25의 부피비로 99%의 에탄올용액에 혼합하였다. 여기에, 일정량의 증류수와 산촉매로 작용하는 35%의 HCl을 4%의 부피비로 첨가하여 가수분해를 진행시켰으며, 최소 2시간동안 실온에서 방치한다.Aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) were mixed in a ratio of 25: 1 to prepare a sol-gel solution used as a support for a fluorescent sensor film for detecting ammonia. And mixed in a 99% ethanol solution at a volume ratio of 6.25. To this, a certain amount of distilled water and 35% HCl serving as an acid catalyst were added at a volume ratio of 4% to proceed hydrolysis and left at room temperature for at least 2 hours.

<암모니아 검출용 <For ammonia detection 형광센서막Fluorescence sensor membrane 제조예Manufacturing example >>

암모니아 검출용 형광염료인 옥사진 170 퍼클로레이트(oxazine 170 perchlorate)와 졸-겔 용액 제조예에서 제조된 졸-겔 용액 및 에틸 셀룰로오스를 하기의 표와 같은 각각의 양으로 혼합하고 실온에서 4시간 동안 숙성시켰다. 그 다음, 혼합물을 24-웰 마이크로플레이트(24-well microplate, NUNC Co., Denmark)에 코팅시킨 후 60의 온도로 12시간동안 건조하였다.The sol-gel solution prepared in the preparation example of sol-gel solution and ethyl cellulose, which is a fluorescent dye for detecting ammonia (oxazine 170 perchlorate), and ethyl cellulose were mixed in respective amounts as shown in the following table, and aged at room temperature for 4 hours . The mixture was then coated on a 24-well microplate (NUNC Co., Denmark) and dried at 60 for 12 hours.

또한, 졸-겔 용액의 효과를 알기 위하여 상기 옥사진 170 퍼클로레이트와 에틸 셀룰로오스만을 혼합한 제조예(제조예 1)에 대한 실험도 실시하였다. Further, in order to know the effect of the sol-gel solution, experiments were also conducted on the production example (Production Example 1) in which only the above-mentioned jade photographic 170 perchlorate and ethyl cellulose were mixed.

분류Classification 옥사진 170 퍼클로레이트(ug)Ophthalmic photograph 170 Perchlorate (ug) 졸-겔 용액(ul)Sol-gel solution (ul) 에틸 셀룰로오스(ug)Ethylcellulose (ug) 제조예1Production Example 1 2020 00 3030 제조예2Production Example 2 2020 100100 2525 제조예3Production Example 3 2020 100100 2020 제조예4Production Example 4 1010 100100 1010 제조예5Production Example 5 1010 5050 5050 제조예6Production Example 6 1010 8080 2020

<암모니아 검출용 <For ammonia detection 형광센서막Fluorescence sensor membrane 특성  characteristic 분석1Analysis 1 >>

상기의 제조예에서 제조된 암모니아 검출 형광센서막을 모니터링하기 위해 24웰 마이크로플레이트(Nunc co., Denmark)에 코팅시킨 후 다중 형광 분석기를 이용하여 상기 암모니아 형광센서막의 형광 스펙트럼과 광학적 특성을 조사하였다. 상기 제조예에서 제조된 6 개의 형광센서막을 형광분광 광도계(fluorescence spectrophotometer F-4500, Hitachi Japan)를 사용하여 2-D 형광 스펙트럼을 통해 최적 검출파장을 조사하였다. In order to monitor the ammonia detecting fluorescent sensor membrane prepared in the above production example, the fluorescent spectrum and the optical characteristics of the ammonia fluorescent sensor membrane were investigated using a multiplex fluorescence analyzer after being coated on a 24-well microplate (Nunc co., Denmark). Six fluorescence sensor films prepared in the above Preparation Example were subjected to 2-D fluorescence spectroscopy using a fluorescence spectrophotometer (F-4500, Hitachi Japan) to determine the optimum detection wavelength.

<암모니아 검출용 형광센서 막 특성 <Fluorescence sensor membrane characteristics for ammonia detection 분석2Analysis 2 >>

제조된 형광센서막의 암모니아 감지에 대한 분석을 하기 위하여 다기능 형광 마이크로플레이트 리더(Safire2, Tecan Austria GmbH, Austria)를 사용하였다. 측정값으로 암모니아의 농도범위는 1-60ppm으로 설정하였으며, 470nm의 여기파장(λex)과 두 개의 방출파장(λem=565, 630)에서 암모니아의 농도에 따른 형광강도를 측정하였다. A multifunctional fluorescent microplate reader (Safire2, Tecan Austria GmbH, Austria) was used to analyze the ammonia detection of the fabricated fluorescence sensor membrane. The concentration range of ammonia was set to 1-60ppm and the intensity of fluorescence was measured according to the concentration of ammonia at 470nm excitation wavelength (λ ex ) and two emission wavelengths (λ em = 565, 630).

상기 암모니아의 농도범위는 하기의 Henderson-Hasselbalch 공식에 의해 계산하였다.The concentration range of the ammonia was calculated by the following Henderson-Hasselbalch formula.

log[NH3] = log[NH4 +] - 2.44log [NH 3 ] = log [NH 4 + ] - 2.44

한편, 상기 여기파장과 방출파장이 다른 이유는 형광이 방출될 때 진동준위에서 열을 방출하고 남은 에너지만 방출하게 되어 스트로크 시프트(stroke shift)가 생기기 때문이다. On the other hand, the reason that the excitation wavelength is different from the emission wavelength is that when the fluorescence is emitted, heat is released from the vibration level and only the remaining energy is released, resulting in a stroke shift.

또한, 제조된 형광센서막들에 pH 1-11 범위의 용액을 가하여 pH의 따른 형광세기를 측정하였으며, 0mM, 50mM, 100mM, 300mM, 및 500mM의 염화나트륨 용액을 가하여 염도에 따른 형광강도를 측정하였다.Fluorescence intensity according to the pH was measured by adding a solution having a pH range of 1-11 to the prepared fluorescence sensor membranes and fluorescence intensity was measured according to salinity by adding 0 mM, 50 mM, 100 mM, 300 mM, and 500 mM sodium chloride solution .

마지막으로 λ=470nm인 LED를 이용하여 노출시간에 따른 암모니아의 백화현상을 실험했다. 상기 데이터들의 분석은 일원 변량 분석(one-way analysis of variance, ANOZVA)에 의해 분석하였다. 시료 간의 편차(p-value)<0.05로 하고, 통계학적 시험을 소프트웨어 InStat(버젼 3.01, GraphPad Software Inc., Sandiego, USA)을 사용하여 수행하였다.
Finally, we experimented with the whitening of ammonia over exposure time using LED with λ = 470nm. Analysis of the data was analyzed by one-way analysis of variance (ANOZVA). Statistical tests were performed using software InStat (version 3.01, GraphPad Software Inc., Sandiego, USA) with a p-value <0.05 between samples.

도 1은 본 발명에서 사용되는 옥사진 퍼클로레이트의 형광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing the fluorescence spectrum of jade photographic perchlorate used in the present invention.

도 1을 참조하면, 상기 옥사진 퍼클로레이트는 넓은 범위의 여기 스펙트럼을 가지며, 높은 형광효율을 가졌음을 알 수 있다. 특히, 550nm보다 큰 파장의 빛을 강하게 흡수하고, 640nm 부근에서 형광을 방출함을 알 수 있다. Referring to FIG. 1, it can be seen that the jade photographic perchlorate has a wide range of excitation spectrum and high fluorescence efficiency. In particular, it can be seen that it strongly absorbs light having a wavelength larger than 550 nm, and emits fluorescence around 640 nm.

옥사진 퍼클로레이트는 옥사진 유도체 중 가장 높은 형광 효율을 나타내며, 분자구조에서 질소 원자의 전자 끌기 효과는 아미노기가 더 산성이 되도록 하여 옥사진은 약산성을 띠게 된다.Jade Photographic Perchlorate has the highest fluorescence efficiency among the photographic derivatives of oxazines, and the electron attracting effect of the nitrogen atoms in the molecular structure makes the amino group more acidic, and the jade photographic image is weakly acidic.

도 2는 제조예 1과 암모니아와의 반응 전 후를 나타낸 사진이다.Fig. 2 is a photograph showing the reaction between Preparation Example 1 and ammonia before and after the reaction.

도 2를 참조하면, 옥사진 퍼클로레이트 포함 센서막에 암모니아를 가하면 파란색이었던 센서막이 빨간색으로 변한다. 이는 약산성의 옥사진이 약 염기에 양성자를 줄 수 있기 때문에 옥사진 퍼클로레이트의 염료에 수산화암모늄 용액을 추가할 때 아미노기 중 하나의 양성자의 잃게되어 파란색에서 빨간색으로 색상이 변한다. 상기 옥사진 염료와 암모니아의 반응의 순서는 하기의 식에 근거한다.Referring to FIG. 2, when ammonia is added to the sensor film containing jade photographic perchlorate, the sensor film, which was blue, turns red. This is because the slightly acidic jade photographic image can give a proton to the weak base, so when adding the ammonium hydroxide solution to the dye of the jade photographic perchlorate, the proton of one of the amino groups is lost and the color changes from blue to red. The order of the reaction of the above-mentioned oxazine dye and ammonia is based on the following formula.

NH3 + H2O ↔ NH4 +OH- (식 1)NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 + OH - (Equation 1)

NH4 +OH- + H+Dye- ↔ NH4 +Dye- + H2O (식 2)NH 4 + OH - + H + Dye - ↔ NH 4 + Dye - + H 2 O (Equation 2)

NH4 +Dye- ↔ H+Dye- + NH3 (식 3)NH 4 + Dye - ↔ H + Dye - + NH 3 (Equation 3)

이러한 반응은 옥사진 염료와 관련된 두 이색성 전자 밴드 시스템을 예측할 수 있는 세미-클래식 발진기 모델(semi-classic oscillator model)에 의해 설명되는 상당한 형광밴드 변화를 초래한다.This reaction results in a significant fluorescence band change as described by a semi-classic oscillator model that predicts two dichroic electronic band systems associated with the jade photographic dye.

물과 암모니아가 반응하면 상기 식 1과 같이 암모늄이온과 수산화이온이 생성된다. 이 후 생성된 암모늄이온이 염료이온과 결합하여 센서막이 빨간색으로 변하게 된다(도 2의 a 참조). 암모니아의 농도가 감소되었을 때(예를 들어, 센서막을 물로 세척하는 경우)는 식 3과 같은 반응이 일어나 센서막이 다시 파란색으로 변하게 된다(도 2의 b 참조).When water and ammonia are reacted, ammonium ions and hydroxide ions are produced as shown in the above formula (1). The resulting ammonium ions combine with the dye ions and the sensor membrane turns red (see FIG. 2 a). When the concentration of ammonia is reduced (for example, when the sensor membrane is washed with water), the reaction as shown in Equation 3 occurs and the sensor membrane turns blue again (see FIG. 2 b).

도 3는 제조예 1에 따른 암모니아의 농도에 따른 형광변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing changes in fluorescence according to the concentration of ammonia according to Production Example 1. FIG.

도 3을 참조하면, 여기파장이 470nm일 때 방출파장 565nm 및 630nm에서 피크를 발견할 수 있다. 이는 1-60ppm의 암모니아 농도에서 옥사진 퍼클로레이트 형광염료가 방출파장 565nm 및 630nm에서 형광을 방출함을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, peaks can be found at emission wavelengths of 565 nm and 630 nm when the excitation wavelength is 470 nm. It can be seen that at an ammonia concentration of 1-60 ppm, the jade photographic perchlorate fluorescent dye emits fluorescence at emission wavelengths of 565 nm and 630 nm.

1ppm 암모니아 농도에서는 피크 630nm가 가장 높은 형광강도를 나타내는 반면, 피크 565nm는 가장 낮은 형광강도를 나타내었다. 그러나, 암모니아 농도가 1ppm에서 60ppm으로 증가하는 경우, 피크 630nm와 565nm에서 형광강도의 교환이 발생하여 피크 630nm에서 형광강도가 감소하고 피크 565nm에서 형광강도가 증가하였음을 알 수 있다.At 1 ppm ammonia concentration, peak 630 nm showed the highest fluorescence intensity, while peak 565 nm showed the lowest fluorescence intensity. However, when the ammonia concentration was increased from 1 ppm to 60 ppm, the fluorescence intensity was exchanged at peaks 630 nm and 565 nm, so that the fluorescence intensity decreased at the peak 630 nm and the fluorescence intensity increased at the peak 565 nm.

한편, 상기 도 1에서의 옥사진 퍼클로레이트 염료의 방출파장(λem = 640nm)과 상기 도 3에서의 방출파장(λem = 630nm)의 사이의 10nm정도의 밴드 이동은 상기 형광분광 광계도와 다중 형광 분석기의 시스템 차이로 인해 발생했으며, 방출파장 565nm에서 피크가 나타나는 이유는 음이온 상태였던 염료가 암모늄이온과 결합함에 따라 옥사진의 스펙트럼이 변화했기 때문이다.On the other hand, the band shift of about 10 nm between the emission wavelength (? Em = 640 nm) of the jade photographic perchlorate dye in FIG. 1 and the emission wavelength (? Em = 630 nm) The reason for the peak at 565 nm is due to the change in the spectra of the jade photographic image as the dyes were combined with ammonium ions.

도 4는 제조예 3에서 제조된 형광센서막의 암모니아 농도에 따른 형광강도를 나타낸 보정곡선(a) 및 두 방출파장 간의 비율로 계산된 보정곡선(b)이다. 도 4를 참조하면, 암모니아의 농도가 낮아짐에 따라 방출파장 630nm에서 형광강도가 더 높게 나타나며, 암모니아의 농도가 높아짐에 따라 방출파장 565nm에서 형광강도가 더 높게 나타남을 알 수 있다.4 is a calibration curve (a) showing the fluorescence intensity according to the ammonia concentration of the fluorescent sensor film prepared in Production Example 3 and a calibration curve (b) calculated as a ratio between two emission wavelengths. Referring to FIG. 4, the fluorescence intensity is higher at an emission wavelength of 630 nm as the concentration of ammonia is lowered, and the fluorescence intensity is higher at an emission wavelength of 565 nm as ammonia concentration is increased.

도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 형광센서막은 1-60ppm의 암모니아 농도범위에서 높은 감도를 가짐을 알 수 있다. 방출파장 630nm를 기준으로 회귀계수(r2)=0.96-0.97가 얻어졌으며, 선형 감지 범위는 두 범위로 나뉘어진다. 암모니아의 농도가 1-20ppm인 범위에서 검출한계(limits of detection, LOD)값은 0.227ppm이었으며, 암모니아의 농도가 20-60ppm인 범위에서 검출한계는 0.179ppm이었다.Referring to FIG. 4 (a), it can be seen that the fluorescence sensor membrane according to the present invention has a high sensitivity in the ammonia concentration range of 1-60 ppm. The regression coefficient (r 2 ) = 0.96-0.97 was obtained based on the emission wavelength of 630 nm, and the linear detection range is divided into two ranges. The limit of detection (LOD) value was 0.227ppm in the range of ammonia concentration of 1-20ppm, and the detection limit was 0.179ppm in the range of ammonia concentration of 20-60ppm.

한편, 방출파장 565nm을 기준으로 회귀계수(r2)는 0.92로 얻어졌으며, 선형 감지 범위는 암모니아의 농도 1-10ppm인 범위에서 검출한계는 0.047ppm이었고, 암모니아의 농도 10-50ppm인 범위에서 검출한계는 0.125ppm이었다.On the other hand, the regression coefficient (r 2 ) was 0.92 based on the emission wavelength of 565 nm. The linear detection range was 0.047 ppm in the range of ammonia concentration of 1-10 ppm and detected in the range of ammonia concentration of 10-50 ppm The limit was 0.125 ppm.

도 4의 (b)를 참조하면, 비율 계산을 통해 얻어진 보정곡선을 확인할 수 있다. 상기 비율 계산은 두 가지 방출파장(λem = 565nm, 630nm)의 범위에서 암모늄 이온과 결합하는 옥사진의 스펙트럼이 변화하기 때문에, 암모니아 센서에 대한 높은 신뢰도를 얻고자 수행될 수 있다. 비율계산 측정은 암모니아 이온의 방출파장 630nm 및 565nm에서 옥사진 퍼클로레이트와 결합하여 생긴 형광세기의 비율에 의해 계산되었으며 하기와 같다. Referring to FIG. 4 (b), the calibration curve obtained through the ratio calculation can be confirmed. This ratio calculation can be performed to obtain a high degree of confidence in the ammonia sensor, since the spectra of the jade photons that bind with ammonium ions change in the range of two emission wavelengths (? Em = 565 nm, 630 nm). The ratio calculation was calculated by the ratio of the fluorescence intensity produced by binding to the photographic perchlorate at the emission wavelengths of 630 nm and 565 nm of the ammonia ion.

Figure pat00001
em=630nm(I630)),λem=565nm(I565))
Figure pat00001
(? em = 630 nm (I630)),? em = 565 nm (I565)

상기 비율계산 방법의 장점은 목표 농도에 관련되지 않은 형광강도의 변화를 정상화할 수 있다는 점이다.The advantage of the ratio calculation method is that it can normalize the change in fluorescence intensity not related to the target concentration.

예를 들어, 측정된 형광강도의 시간적 및 공간적 분포는 일반적으로 센서 내의 형광단의 불균등한 분포, 다른 매질 내에서 형광단의 역학 변화 또는 조명강도의 변화와 같은 측정 시스템의 노이즈로 인해 변동될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 형광센서막에 의하면, 암모니아 농도 이외에 형광강도에 영향을 미칠 수 있는 요소를 비율계산 측정을 통해 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 배경 형광강도를 공제할 수 있는 장점이 있다.For example, the temporal and spatial distribution of the measured fluorescence intensity can generally be varied due to the uneven distribution of the fluorescent end in the sensor, the dynamics of the fluorescent end in another medium, or the noise of the measurement system, such as a change in illumination intensity . However, according to the fluorescence sensor film of the present invention, not only the ammonia concentration but also factors that may affect the fluorescence intensity can be removed by the ratio calculation measurement, and also the background fluorescence intensity can be deducted.

따라서, 565nm 및 630nm의 두 방출파장을 이용한 형광강도 비율 측정은 단일 방출파장을 이용한 경우보다 좋은 보정곡선을 제공할 수 있다. 이러한 보정곡선을 이용한다면, 0.95 이상의 회귀계수를 갖는 선형 감지 범위를 계산하기 위해 1 내지 60ppm(LOD 1-60ppm=0.012ppm)범위 내에서 임의의 농도 범위를 취할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 형광센서막을 이용하는 경우, 상기와 같은 비율계산 측정법을 통해 암모니아의 농도를 높은 신뢰도로 검출할 수 있다.Thus, fluorescence intensity ratio measurements using two emission wavelengths of 565 nm and 630 nm can provide better calibration curves than when using a single emission wavelength. With this calibration curve, any concentration range can be taken within the range of 1 to 60 ppm (LOD 1-60 ppm = 0.012 ppm) to calculate the linear sensing range with a regression coefficient of 0.95 or greater. That is, when the fluorescent sensor film according to the present invention is used, the concentration of ammonia can be detected with high reliability through the above-described ratio calculation measurement method.

도 5는 제조예 2에 따른 형광센서막의 가역성을 나타낸 그래프로서, 1ppm의 암모니아와 10ppm의 암모니아를 번갈아 바꾸어 가면서 형광강도의 변화를 관찰한 결과이다. 그 결과 1ppm의 암모니아를 첨가하는 동안은 형광강도가 낮은 값을 가지고 일정한 값이 유지되었으나 100ppm의 암모니아를 첨가하자 즉시 형광강도가 증가하였다. 또한 이러한 높은 가역성은 방출파장 630nm 및 565nm에서에서 모두 나타났으며, 처음 형광강도가 측정된 시점에서 10초 동안 최대 형광강도의 95%이상이 관찰되었다. 이는 에틸 셀룰로오스가 옥사진 염료와 암모니아가 접촉하기 좋은 환경을 제공할 뿐만 아니라, 반복적인 측정에도 불구하고 옥사진 염료를 효과적으로 고정화하고 있음을 의미한다.FIG. 5 is a graph showing the reversibility of the fluorescent sensor membrane according to Production Example 2, wherein the change in fluorescence intensity was observed while alternating between 1 ppm ammonia and 10 ppm ammonia. As a result, while 1 ppm of ammonia was added, the fluorescence intensity was kept at a low value, but the fluorescence intensity was increased immediately after addition of 100 ppm of ammonia. This high reversibility was also observed at emission wavelengths of 630 nm and 565 nm, respectively, and at least 95% of the maximum fluorescence intensity was observed for 10 seconds when the initial fluorescence intensity was measured. This means that ethyl cellulose not only provides a good environment for the contact between the oxazine dye and ammonia, but also effectively immobilizes the jade photographic dye despite repeated measurements.

도 6a는 제조예 5에서 제조된 형광센서막의 pH 변화에 따른 형광강도를 나타낸 그래프이며, 도 6b는 제조예에 10ppm의 암모니아를 가했을 때 pH에 따른 형광 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 6A is a graph showing the fluorescence intensities of the fluorescent sensor films prepared in Production Example 5 according to pH changes, and FIG. 6B is a graph showing fluorescence changes according to pH when 10 ppm of ammonia is added to the production example.

도 6a를 참조하면, 암모니아의 함유가 없는 pH 범위 5.5-7.5에서 방출파장 630nm에서는 형광강도가 1-5% 증가했지만, pH 7.5-11까지 pH가 증가할 때 강도가 크게 변하지 않았다(p-value=0.8805). 따라서 알칼리 용액에 노출될 때 방출파장 630nm에서 형광센서막의 안정적임을 알 수 있다. 또한, 방출파장 565nm는 암모니아와 염료의 접촉에 따라 발생하는 것이므로, 암모니아를 가하지 않은 상태에서는 상기 파장에서 피크가 관찰되지 않았다.Referring to FIG. 6A, the fluorescence intensity was increased by 1-5% at an emission wavelength of 630 nm in the pH range of 5.5-7.5 without ammonia, but the intensity was not significantly changed when the pH was increased to pH 7.5-11 (p-value = 0.8805). Therefore, it can be seen that the fluorescent sensor film is stable at an emission wavelength of 630 nm when exposed to an alkali solution. In addition, since the emission wavelength of 565 nm is generated by the contact between ammonia and the dye, no peak was observed at the above wavelength in the absence of ammonia.

하지만 도 6b를 참조하면, pH 용액에 10ppm의 암모니아가 첨가됐을 때 565nm에서 피크가 나타났으며, 특히 pH 5.5-7.5 범위에서 빠르게 형광강도가 증가했다. 이는 물에서 암모니아의 해리 반응에 상응한다(식 1). pH가 낮다면 보다 많은 암모니아 분자가 암모늄 이온으로 전환될 수 있으므로 오른쪽으로 평형이 이동되며, 알칼리 환경에서의 옥사진의 강도에 도달할 때까지 암모늄 이온과 염료이온 쌍의 양이 증가하여(식 2) 565nm에서 형광강도를 증가시키게 된다.However, referring to FIG. 6B, when 10 ppm of ammonia was added to the pH solution, a peak appeared at 565 nm, and the fluorescence intensity rapidly increased particularly in the range of pH 5.5-7.5. This corresponds to the dissociation reaction of ammonia in water (Equation 1). If the pH is low, more ammonia molecules can be converted to ammonium ions, so the equilibrium shifts to the right and the amount of ammonium and dye ion pairs increases until the intensity of the jade photographic image in the alkaline environment is reached (Equation 2 ) To increase the fluorescence intensity at 565 nm.

결론적으로, 암모니아가 가해지지 않았을 때에 pH 5.5-7.5 범위내 방출파장 630nm에서의 형광강도의 변화가 1-5% 생겼지만 암모니아가 가해졌을 때는 암모니아 이온의 발생에 따라 모든 pH범위에서 방출파장 630nm 및 565nm에서 피크가 발생됨을 알 수 있다. 이는 본 발명의 형광센서막이 pH 변화에 대해 안정적임을 의미한다.As a result, when the ammonia was not added, the fluorescence intensity change at 630 nm in the pH range of 5.5-7.5 was 1-5%, but when ammonia was added, the emission wavelength was 630 nm and It can be seen that a peak occurs at 565 nm. This means that the fluorescent sensor membrane of the present invention is stable against pH change.

도 7은 제조예 5에서 제조된 형광센서막의 염도에 따른 방출파장 630nm 및 565nm에서 형광강도를 나타낸 그래프(a) 및 방출파장 630nm 및 565nm의 비율계산 후 형광강도를 나타낸 그래프(b)이다.7 is a graph (a) showing fluorescence intensity at emission wavelengths of 630 nm and 565 nm and a graph (b) showing fluorescence intensity after calculating the ratio of emission wavelengths of 630 nm and 565 nm, according to salinity of the fluorescence sensor membrane prepared in Production Example 5. FIG.

수중의 암모니아를 검출할 때에 암모니아는 암모니아 혹은 암모늄이온으로 존재하다. 또한 암모니아와 암모늄이온의 비율은 pH 이외에도 염분에 의존한다. 이온화되지 않은 암모니아의 비율은 pH가 증가하는 경우에는 증가하지만, 염분이 증가하는 경우에는 감소한다. 도 7을 참조하면, 방출파장 565nm에서 0-300mM NaCl용액의 범위 내에서 피크가 증가함을 알 수 있다. 이는 염분이 증가함에 따라 암모니아의 비율이 소폭 감소했으며, 따라서 높은 염분에서는 NH3보다 NH4 + 이온을 더 이용할 수 있음을 의미한다. 하지만 실험을 통한 자료 값들을 상기 언급했던 비율계산을 통해 그래프로 나타낸 결과, 염분의 존재 하에서도 형광센서막의 암모니아 측정에는 큰 영향을 미치지 않았다.When detecting ammonia in water, ammonia exists as ammonia or ammonium ion. In addition, the ratio of ammonia to ammonium ion depends on salinity in addition to pH. The proportion of non-ionized ammonia increases with increasing pH, but decreases with increasing salinity. Referring to FIG. 7, it can be seen that the peak increases within the range of 0-300 mM NaCl solution at an emission wavelength of 565 nm. This means that as the salinity increases, the proportion of ammonia decreases slightly, and therefore NH 4 + ions can be used more than NH 3 at high salinity. However, as a result of graphing the data values through the above-mentioned ratio calculation, no significant effect was observed on the measurement of ammonia in the fluorescent sensor film even in the presence of salt.

도 8은 제조예 4에서 제조된 형광센서막의 광표백 및 시간에 따른 형광강도를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing fluorescence intensity of a fluorescent sensor membrane prepared in Preparation Example 4 according to optical rotation and time.

이론적으로 옥사진 퍼클로레이트 염료는 가시광선 스펙트럼 영역에서 광퇴색 저항성이 있다. 이러한 특성은 옥사진 퍼클로레이트가 지지체에 고정화되었을 때 많이 변하지 않았다.Theoretically, the jade photographic perchlorate dyes are light fade resistant in the visible light spectrum region. This property did not change much when the jade photographic perchlorate was immobilized on the support.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 형광센서막을 한 달 동안 LED470(λ=470)에 노출시킨 결과, 노출 시작일로부터 2일 동안은 형광강도의 변화가 약간 있었지만 3주 동안 형광강도의 변화가 거의 없었다. 4주 동안 지속적으로 노출된 후에 형광센서막의 형광강도의 감소(~17.5%)가 있었으나, 이는 다른 형광염료에 비해 상당히 우수한 광퇴색 저항성을 보여준다.8, the fluorescence sensor film according to the present invention was exposed to LED 470 (λ = 470) for one month. As a result, the fluorescence intensity was slightly changed for two days from the exposure start date, There was no. There was a decrease in the fluorescence intensity of the fluorescence sensor membrane (~ 17.5%) after 4 weeks of continuous exposure, but this shows significantly better fade resistance than other fluorescent dyes.

도 9는 제조예 3에서 제조된 형광센서막의 초기 및 한달 사용 후의 형광강도의 변화를 나타낸 그래프이다. 이때, 형광센서막은 도 8에서의 실험과 달리, 한 달 간 150-200 번의 측정 시에만 LED470(λ=470)으로 수 초간 조사되었다.9 is a graph showing changes in fluorescence intensity of the fluorescence sensor film prepared in Production Example 3 after initial use and one month's use. At this time, the fluorescence sensor film was irradiated with LED 470 (? = 470) for several seconds only at 150-200 times of measurement for one month, unlike the experiment shown in Fig.

도 9를 참조하면, 한 달이 지난 후에도 형광센서막의 형광강도 및 감도가 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the fluorescence intensity and sensitivity of the fluorescence sensor film are stably maintained even after one month.

정리하면, 옥사진 퍼클로레이트와 셀룰로오스계 고분자의 조합을 포함하는 형광센서막은 암모니아 검출에 대한 높은 감도, 빠른 응답 시간, 높은 가역성, 알칼리성에 대한 내성, 염료에 대한 안정성, 백화현상에 대한 안정성 및 높은 지속력을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 형광센서막의 두 방출파장 사이의 형광강도 비율에 기초한 비율계산 측정법을 이용한다면, 1 내지 60ppm 범위 내의 임의의 암모니아 농도에서 선형적 검출 특성을 구현할 수 있다. In summary, a fluorophore sensor membrane comprising a combination of jade photographic perchlorate and a cellulosic polymer has high sensitivity to ammonia detection, fast response time, high reversibility, resistance to alkalinity, stability to dye, stability to whitening, Lt; / RTI &gt; Furthermore, using the ratio calculation method based on the fluorescence intensity ratio between the two emission wavelengths of the fluorescence sensor film according to the present invention, linear detection characteristics can be realized at any ammonia concentration in the range of 1 to 60 ppm.

Claims (15)

셀룰로오스계 고분자 매트릭스; 및
상기 고분자 매트릭스에 함유되어 고정화된 옥사진 염료를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막.
Cellulosic polymer matrix; And
And a fluorescent dye sensor for detecting ammonia containing an oxazine dye immobilized on the polymer matrix.
제1항에 있어서,
상기 고분자 매트릭스는 알콕시실란 화합물의 졸-겔 반응에 의해 형성된 실리카를 더 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer matrix further comprises silica formed by a sol-gel reaction of an alkoxysilane compound.
제2항에 있어서,
상기 알콕시실란 화합물은 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS) 및 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS) 중 적어도 하나를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막.
3. The method of claim 2,
Wherein the alkoxysilane compound comprises at least one of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS).
제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스계 고분자는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 카르복시 메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이드, 스테아릴 셀룰로오스, 히드록시프로필메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 및 히드록시프로필 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 암모니아 검출용 형광센서막.
The method according to claim 1,
Wherein the cellulose-based polymer is selected from the group consisting of methyl cellulose, ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, cellulose acetate phthalide, stearyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and hydroxypropyl cellulose. Fluorescence sensor membrane for.
제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스계 고분자는 에틸 셀룰로오스를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막.
The method according to claim 1,
Wherein the cellulosic polymer comprises ethyl cellulose.
제1항에 있어서,
상기 옥사진 염료는 옥사진 퍼클로레이트를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막.
The method according to claim 1,
Wherein the photographic dye is a fluorescent sensor film for detecting ammonia containing an oxazine photo-perchlorate.
제1항에 있어서,
상기 형광센서막은 암모니아와의 접촉 조건에서 서로 다른 두 개의 형광파장을 방출하는 암모니아 검출용 형광센서막.
The method according to claim 1,
Wherein the fluorescence sensor film emits two different fluorescence wavelengths under the condition of contact with ammonia.
셀룰로오스계 고분자 및 옥사진 염료를 유기 용매에 혼합하여 혼합 용액을 준비하는 단계; 및
상기 혼합 용액을 기판 상에 코팅한 후 건조하는 단계를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막 제조방법.
Preparing a mixed solution by mixing a cellulose-based polymer and an oxazine dye in an organic solvent; And
Coating the mixed solution on a substrate, and drying the mixed solution.
제8항에 있어서,
상기 혼합 용액을 준비하는 단계는 상기 혼합 용액에 알콕시실란 화합물을 더 첨가하여 상기 혼합 용액을 졸-겔 반응이 가능한 졸 용액으로 준비하는 것인 암모니아 검출용 형광센서막 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the step of preparing the mixed solution further comprises adding an alkoxysilane compound to the mixed solution to prepare the mixed solution as a sol solution capable of sol-gel reaction.
제8항에 있어서,
상기 셀룰로오스계 고분자는 메틸 셀룰로오스, 에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 프탈레이드, 스테아릴 셀룰로오스, 히드록시프로필메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸 셀룰로오스, 및 히드록시프로필 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 암모니아 검출용 형광센서막 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the cellulose-based polymer is selected from the group consisting of methyl cellulose, ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, cellulose acetate phthalide, stearyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and hydroxypropyl cellulose. For producing a fluorescent sensor film.
제8항에 있어서,
상기 셀룰로오스계 고분자는 에틸 셀룰로오스를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the cellulosic polymer comprises ethyl cellulose.
제9항에 있어서,
상기 알콕시실란 화합물은 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS) 및 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS) 중 적어도 하나를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the alkoxysilane compound comprises at least one of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS).
제12항에 있어서,
상기 알콕시실란 화합물은 상기 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS)과 상기 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(GPTMS)을 4:1의 부피비로 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the alkoxysilane compound comprises the 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and the 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) in a volume ratio of 4: 1.
수중 암모니아 검출 방법에 있어서,
셀룰로오스계 고분자 매트릭스와 상기 고분자 매트릭스에 함유되어 고정화된 옥사진 염료를 포함하는 암모니아 검출용 형광센서막을 준비하는 단계;
암모니아와 상기 형광센서막의 접촉 조건에서 서로 다른 두 개의 형광 방출파장을 측정하는 단계;
상기 형광센서막에 의해 검출이 가능한 암모니아의 농도 범위를 설정하는 단계;
상기 농도 범위 내에서 농도에 따른 상기 두 개의 형광 파장에서의 형광강도의 비율을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 형광강도의 비율에 기초하여 수중에 함유된 미지의 암모니아 농도를 측정하는 단계를 포함하는 수중 암모니아 검출 방법.
In the method for detecting ammonia in water,
Preparing a fluorescent sensor film for detecting ammonia comprising a cellulose-based polymer matrix and an oxazine dye immobilized on the polymer matrix;
Measuring two different fluorescence emission wavelengths in a contact condition between ammonia and the fluorescence sensor film;
Setting a concentration range of ammonia detectable by the fluorescence sensor film;
Calculating a ratio of fluorescence intensity at the two fluorescence wavelengths according to the concentration within the concentration range; And
And measuring an unknown ammonia concentration contained in the water based on the ratio of the calculated fluorescence intensity.
제14항에 있어서,
상기 설정된 암모니아의 농도 범위가 1 내지 60ppm을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 암모니아 검출 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the concentration range of the ammonia is between 1 and 60 ppm.
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