KR20170019240A - 나노 입자를 이용한 색변환 센서 - Google Patents

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이정헌
허준혁
윤석영
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 나노 입자를 이용한 색변환 센서에 관한 것으로서, 구체적으로 색깔이 변하는 금속 나노 입자에 보색 관계인 다른 나노 입자들을 첨가하여 무채색을 만들고 분석 물질(analytes)에 노출시 색변화가 일어나는 색변환 센서에 관한 것이다.
본 발명의 나노 입자를 이용한 색변환 센서는 색변환 센서의 반응을 무채색에서 유채색으로 변화가 일어나도록 하여 색변환을 더욱 명료하게 만들었다. 이를 통해 대상 분석 물질의 존재 여부를 즉각적으로 파악할 수 있게 되었다.

Description

나노 입자를 이용한 색변환 센서 {COLORIMETRIC SENSOR USING NANO PARTICLES}
본 발명은 나노 입자를 이용한 색변환 센서에 관한 것으로서, 구체적으로 색깔이 변하는 금속 나노 입자에 보색 관계인 다른 나노 입자들을 첨가하여 무채색을 만들고 분석 물질(analytes)에 노출시 색변화가 일어나는 색변환 센서에 관한 것이다.
금속 나노입자의 경우 강한 표면 플라즈몬 흡수로 인하여 육안으로 판별시 특정한 색을 띠고 있다. 이러한 금속 나노입자는 주위 환경의 변화에 민감하게 반응함과 동시에 표면 플라즈몬 특성이 변하게 되어 육안으로 판별시 색깔이 변하게 된다.
이러한 특성으로 인하여 금속 나노 입자는 현재 단일 세포 및 단분자 분석이 가능한 생체 분석 또는 바이오 센서 및 화학물질 센서에 이용되고 있다.
그러나 대부분의 나노입자는 색 대비 및 명도차가 작은 유채색에서 유채색으로 변화하는 시스템을 갖고 있기 때문에, 어떠한 환경 조건 하에서 또는 어떠한 특정 분석 물질과 반응하였는지를 파악하는데 어려움이 있다.
정리하면, 기존의 금속 나노입자들의 경우 색 대비 및 명도차가 크지 않아서 즉각적인 색변화 여부를 파악하고 모니터링하는데 매우 어려운 점이 있었는바, 본 발명의 발명자는 이러한 종래 기술의 색변환 센서의 경우 색 변화의 즉각적인 파악이 어렵다는 점을 개선하고자 한다.
종래 기술의 금속 나노 입자를 이용한 색변환 센서의 경우 색변화의 전후에 있어서 유채색에서 유채색으로의 변화를 띠고 있기 때문에 색변환 여부에 대해 즉각적인 파악이 어렵다는 문제점을 해결하고자 한다.
이를 해결하기 위해 본 발명의 발명자는 나노 입자를 이용한 색변환 센서의 반응을 무채색에서 유채색으로 변화가 일어나도록 하여 색변환을 더욱 명료하게 만들었고, 이를 통해 대상 분석 물질의 존재 여부를 즉각적으로 파악할 수 있게 되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 색변환 센서는, 분석 물질(analytes)의 존재 유무에 따라 표면 플라즈몬 특성이 변하게 되어 색깔이 변하는 금속 나노 입자; 및 상기 금속 나노 입자와 혼합되며 상기 금속 나노 입자와 보색 관계에 있는 하나 또는 복수의 나노 입자를 포함한 색변환 감지부를 포함하고, 상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출한다.
상기 하나 또는 복수의 나노 입자의 표면에는 입자의 안정성을 높이기 위하여 양친매성 폴리머가 흡착할 수 있고, 상기 양친매성 폴리머는 PVP 또는 PEG인 것이 바람직하다.
상기 색변환 감지부가 분석 물질에 노출된 경우, 상기 색변환 감지부의 색상 변화는 무채색에서 유채색으로 변경된다.
상기 색변환 센서는 화학 물질 센서, 바이오 센서, 생물 분자 센서로 이용 가능하다.
상기 금속 나노 입자의 표면에는 화학적 또는 생물학적 분자들이 부착될 수 있고, 화학적 또는 생물학적 분자는 활성(activity)을 유지한다.
구체적인 본 발명의 실시예로서, 상기 금속 나노 입자로는 금 나노스타가 이용되고, 상기 하나 또는 복수의 나노 입자로는 금 나노 입자 및 은 나노 입자가 이용되며, 상기 금 나노스타, 상기 금 나노 입자 및 상기 은 나노 입자가 2:1:1의 부피비로 혼합되어 색변환 감지부가 이루어진다.
상기 금 나노 입자의 크기는 7 내지 20nm이고, 상기 은 나노 입자의 크기는 20 내지 40nm인 것이 바람직하다.
구체적인 본 발명의 추가적인 실시예로서, 상기 금속 나노 입자로는 금 나노로드가 이용되고, 상기 하나 또는 복수의 나노 입자로는 금 나노 입자 및 은 나노 입자가 이용되며, 상기 금 나노로드, 상기 금 나노 입자 및 상기 은 나노 입자가 2:1:2의 부피비로 혼합되어 색변환 감지부가 이루어진다.
상기 금 나노 입자의 크기는 7 내지 20nm이고, 상기 은 나노 입자의 크기는 20 내지 40nm인 것이 바람직하다.
본 발명의 나노 입자를 이용한 색변환 센서는 색변환 센서의 반응을 무채색에서 유채색으로 변화가 일어나도록 하여 색변환을 더욱 명료하게 만들었다. 이를 통해 대상 분석 물질의 존재 여부를 즉각적으로 파악할 수 있게 되었다.
도 1은 금속 나노 입자로서 금 나노스타(AuNS)가 이용된 경우의 색변환 모습 및 피크 강도의 변경 모습이다.
도 2는 금 나노스타를 무채색(검정색)으로 만들기 위해 나노 입자를 혼합하는 과정을 도시한다.
도 3은 나노입자들에 PVP를 입힌 후 분석 물질에 노출하여 색변화 및 피크를 관찰한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 색변환 감지부를 분석 물질에 노출시 색변환 감지부의 색 변화를 확인한 데이터이다.
도 5는 금속 나노 입자로서 금 나노로드(AuNR)가 이용된 경우의 색변환 모습 및 피크 강도의 변경 모습이다.
도 6은 금 나노로드를 무채색(검정색)으로 만들기 위해 나노 입자를 혼합하는 과정 및 분석 물질에 노출시 색변환 감지부의 색 변화를 확인한 데이터이다.
도 7은 금 나노스타에 생물학적 분자인 DNA1 및 DNA2를 부착한 경우의 실시예로서 그 분석 결과를 나타낸다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
드기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 기존의 금속 나노 입자를 이용한 색변환 센서의 경우 유채색에서 유채색으로의 변경으로 인해 즉각적인 육안으로의 색변환 감지가 어려운 점을 해결하기 위한 것이다.
이를 해결하기 위해 본 발명의 발명자는 나노 입자를 이용한 색변환 센서의 반응을 무채색에서 유채색으로 변화가 일어나도록 하여 색변환을 더욱 명료하게 만들었고, 이를 통해 대상 분석 물질의 존재 여부를 즉각적으로 파악할 수 있게 되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 이용한 색변환 센서는, 분석 물질(analytes)의 존재 유무에 따라 표면 플라즈몬 특성이 변하게 되어 색깔이 변하는 금속 나노 입자; 및 상기 금속 나노 입자와 혼합되며 상기 금속 나노 입자와 보색 관계에 있는 하나 또는 복수의 나노 입자를 포함한 색변환 감지부를 포함한다.
색변환 감지부는 색의 변화를 감지하는 부분을 지칭하는 것으로서 색변환 감지부는 어레이 형태가 될 수도 있으며, 다양한 형태로 색변환 감지부가 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 나노 입자를 이용한 색변환 센서는 이러한 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출하게 된다.
금속 나노 입자는 표면 플라즈몬 흡수 특성을 가지며, 주위 환경의 변화에 민감하게 반응하여 표면 플라즈몬 특성이 변하게 되어 육안으로 판별시 색깔이 변하는 금속 나노 입자가 이용된다.
하나 또는 복수의 나노 입자는 금속 나노 입자와 전체적으로 보색 관계를 이루도록 혼합된다. 보색 관계를 만들기 위해서 금속 나노 입자의 종류에 따라 하나 또는 복수개가 이용될 수 있다.
이러한 하나 또는 복수의 나노 입자는 금속 나노 입자와 보색 관계를 이루어 전체적으로 색변환 감지부가 무채색을 띠게 하는 역할을 한다.
또한, 이러한 하나 또는 복수의 나노 입자의 표면에는 분석 물질 또는 환경에 노출에 따른 뭉침 현상을 방지하도록 양친매성 폴리머가 흡착된다. 왜냐하면, 이러한 나노 입자들은 특정 환경(예를 들어 높은 이온 농도의 환경)에 노출시 중성화 등을 이유로 뭉침 현상이 발생될 수 있고, 이에 의해 나노 입자의 색갈이 변경될 수 있기 때문이다.
만일 보색 관계를 만들어주기 위한 나노 입자들의 색깔이 변경된다면, 분석 물질을 검출하기 위한 금속 나노 입자의 색깔 변화인지 아니면 보색 관계를 만들어주기 위한 나노 입자들의 색깔 변화인지 파악하기 어려우므로, 이러한 나노 입자들의 색깔이 변경되지 않도록 양친매성 폴리머를 나노 입자의 표면에 흡착시킨다. 이용되는 양친매성 폴리머는 PVP 또는 PEG가 이용되는 것이 바람직하다.
이와 같이 보색 관계를 위한 나노 입자들의 색이 변경되지 않도록 만들어주면, 분석 물질에 노출시 금속 나노 입자의 색깔 변경에 따라 색변환 감지부의 색깔이 무채색에서 유채색으로 변경이 되므로 손쉽게 분석 물질의 검출을 육안으로 확인이 가능하게 된다.
도 1은 금속 나노 입자로서 금 나노스타(AuNS)가 이용된 경우의 색변환 모습 및 피크 강도의 변경 모습이다. 금 나노스타의 경우 3차 증류수에서는 청록색을 나타내다가 검출 분석 물질인 이온 농도가 존재하는 용액(예를 들어 1XPBS 등)과 반응시 무색으로 변경된다. 스펙트럼상 대략 671 nm 파장 영역에서 최대 흡수를 하며(청록색), 이온 농도가 높은 용액 내에서 나노 입자의 뭉침 현상으로 인하여 피크의 강도가 감소된다(무색).
도 2는 금 나노스타를 무채색(검정색)으로 만들기 위해 나노 입자를 혼합하는 과정을 도시한다.
무채색의 검정색을 만들기 위해 금 나노스타에 청록색을 띠는 금 나노스타의 보색인 빨간색의 금 나노입자(AuNP) 및 노란색의 은 나노입자(AgNP)를 부피비로 각각 2:1:1이 되도록 혼합하였고, 이에 의해 최종적으로 검은색의 나노 입자가 생성됨을 확인할 수 있었다.
이용되는 금 나노입자의 경우 그 크기가 7 내지 20nm의 크기에서 대략 520nm의 파장 영역에서 최대 흡수 파장을 나타내어 빨간색을 띠게 된다. 이러한 금 나노 입자의 경우 표면에 구연산염 이온(citrate ion)이 캡핑되어 있기 때문에 네거티브 전하를 띠기 때문에 금 나노입자들 끼리의 반발력으로 인하여 안정된 상태를 유지한다. 하지만, 높은 이온 농도를 띠는 용액에서는 금 나노입자의 표면이 양이온으로 인하여 중성화(neutralization)되고 뭉침 현상이 발생되어 금 나노입자의 색깔이 빨간색에서 남색 또는 보라색으로 변하게 된다. 본 발명에서는 이러한 보색 관계로 이용되는 나노 입자의 색깔 변화를 방지하고자 금 나노 입자의 표면에 양친매성 폴리머를 흡착시켜 높은 이온 농도에서도 뭉침 현상이 발생하지 않도록 하였다.
이용된 은 나노 입자의 경우 그 크기가 20 내지 40nm의 크기에서 대략 417nm 파장 영역에서 최대 흡수 파장을 나타내어 노란색을 띤다. 높은 이온 농도 하에서 뭉침 현상을 방지하기 위해 위에서 설명한 금 나노입자와 마찬가지로 양친매성 폴리머를 도입하여 입자를 안정하게 만든다.
다시 한번 설명하면, 준비된 금 나노 스타:금 나노입자:은 나노입자를 2:1:1의 부피비로 혼합할 경우 400-800nm 가시 광선 영역에서 모든 빛을 흡수하기 때문에 육안으로 무채색인 검정색을 나타내게 된다. 이 경우 분석 물질에 노출시 금 나노스타만의 색변화(청록색->무색)를 유도하기 위해 금 나노입자와 은 나노입자의 경우 양친매성 폴리머인 PVP 폴리머를 각각의 나노 입자의 표면에 흡착시켰다.
도 3에서는 각각 금 나노입자 및 은 나노입자에 PVP를 흡착시킨 것으로써, 분석 물질(예를 들어 1XPBS)에 노출시에도 전혀 색 변화가 없고 피크 역시 탈이온수에서의 경우와 동일하게 겹쳐 있는 모습을 확인할 수 있었다. 이를 통해 금 나노입자 및 은 나노입자는 분석 물질에 노출시 전혀 색변화가 일어나지 않음을 확인하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 색변환 감지부를 분석 물질에 노출시 색변환 감지부의 색 변화를 확인한 데이터이다.
도 4에서 보듯이 무채색인 검정색을 나타내는 색변환 감지부를 볼 수 있고, 이후 특정 이온 농도를 갖는 분석 물질인 1XPBS에 노출시 금 나노입자와 은 나노입자는 각각 양친매성 폴리머 처리를 통해 빨간색 및 노란색을 그대로 유지하지만, 금 나노스타의 경우에는 청록색에서 무색으로 변하기 때문에, 전체적인 색변환 감지부의 혼합물의 색깔은 검정색에서 주황색으로 변하게 된다. 이를 통해 분석 물질의 존재 여부를 육안으로 손쉽게 확인이 가능하다.
흡수 피크에서 보듯이 스펙트럼상 무채색 나노입자는 3차 증류수에서는 가시광선 파장영역에서 대부분의 빛을 흡수하지만 1XPBS 용액에서 금 나노입자와 은 나노입자의 흡수 피크만 관찰됨을 확인할 수 있다.
도 5는 금속 나노 입자로서 금 나노로드(AuNR)가 이용된 경우의 색변환 모습 및 피크 강도의 변경 모습이다.
도 5에서 보듯이 금 나노로드(AuNR)의 경우 3차 증류수에서는 청색을 디다가 이온 농도가 존재하는 용액(예를 들어 1XPBS)와 같은 분석 대상 물질과의 반응시 무색으로 변한다. 스펙트럼상 대략 650nm 의 파장 영역에서 최대 흡수를 하며(청색), 이온 농도가 높은 용액 내에서는 나노로드의 뭉침 현상으로 인하여 피크의 강도가 감소한다(무색).
도 6은 금 나노로드를 무채색(검정색)으로 만들기 위해 나노 입자를 혼합하는 과정 및 분석 물질에 노출시 색변환 감지부의 색 변화를 확인한 데이터이다.
도 6에서 보듯이 금 나노로드:금 나노입자: 은 나노입자를 각각 2:1:2의 부피비로 혼합하여 검정색의 무채색 색변환 감지부 혼합물을 제작한다.
이용되는 금 나노입자 및 은 나노입자의 크기는 위에서 설명한 것처럼, 각각 7 내지 20nm, 그리고 20 내지 40nm의 크기를 갖고, 또한 그 표면에 양친매성 폴리머가 흡착되어 높은 이온 농도 등에 노출시에도 금 나노입자 및 은 나노입자의 색상의 변경은 일어나지 않게 된다.
이러한 혼합물 역시 검정색을 띠다가 1XPBS와 같은 분석 물질에 노출시 색상이 변경되게 되며, 흡수 피크 역시 스펙트럼상 혼합물은 3차 증류수에서는 가시광선 파장영역에서 대부분의 빛을 흡수하지만 1XPBS 용액에서 금 나노입자와 은 나노입자의 흡수 피크만 관찰됨을 확인할 수 있다.
한편, 위에서 설명한 금속 나노입자의 표면에는 화학적 또는 생물학적 분자들이 부착될 수 있고, 화학적 또는 생물학적 분자는 활성(activity)을 유지한다. 이를 통해 다양한 화학적 또는 생물학적 분자 부착을 통해 폭넓은 응용 분야에 이용 가능할 수 있다.
화학적 또는 생물학적 활성을 유지함을 밝히기 위해 도 7 및 도 8의 결과를 참고할 수 있다.
도 7은 금 나노스타에 생물학적 분자인 DNA1 및 DNA2를 부착한 경우의 실시예로서 그 분석 결과를 나타낸다.
도 7을 살펴보면, 금 나노스타에 생물학적 분자인 DNA1을 나노스타 표면에 부착 변경(modification)시킨 후(AuNS-DNA1), PVP가 캡핑된 안정한 금 나노입자 및 은 나노입자를 일정한 비율로 혼합하여 무채색의 검정 나노 입자를 제작하였다. 이러한 무채색 나노 입자에 DNA2를 부착 변경한 금 나노스타(AuNS-DNA2)를 넣으면 DNA1과 DNA2 간의 상보적 결합으로 인해 금 나노스타의 뭉침 현상이 발생되어 색깔이 검정색에서 주황색으로 변경된다.
도 8의 경우, 금 나노스타에 DNA1 및 DNA2를 각각 부착 변경한 실시예를 실시예 1 및 실시예 2로 준비하였다. 각각의 실시예에서 역시 PVP가 캡핑된 안정한 금 나노입자 및 은 나노입자를 일정한 비율로 혼합하여 무채색의 검정 나노 입자를 제작하였다.
실시예 3의 경우에는 위에서 준비한 실시예 1 및 실시예 2를 혼합한 것으로서 검정색에서 주황색으로 변경하는 것을 확인하였고, 또한 열을 가한 실시예 4에서는 다시 주황색에서 검은색으로 돌아옴을 확인하였다.
이러한 색의 변화는 DNA1 및 DNA2 간의 상보적 결합으로 인하여 금 나노스타의 뭉침 현상이 발생되었기 때문이며, 이러한 무채색에서 유채색으로 변하는 나노입자 시스템을 다양한 검지체를 검지하는데 활용될 수 있음을 증명하는 실시예이다.
본 발명에서 설명된 나노 입자를 이용한 색변환 센서는, 화학 물질 센서, 바이오 센서, 생물 분자 센서로 이용 가능하다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 분석 물질(analytes)의 존재 유무에 따라 표면 플라즈몬 특성이 변하게 되어 색깔이 변하는 금속 나노 입자; 및
    상기 금속 나노 입자와 혼합되며 상기 금속 나노 입자와 보색 관계에 있는 하나 또는 복수의 나노 입자를 포함한 색변환 감지부를 포함하고,
    상기 색변환 감지부의 색상 변화를 이용하여 분석 물질을 검출하는,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 나노 입자의 표면에는 양친매성 폴리머가 흡착되어 있는,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 양친매성 폴리머는 PVP 또는 PEG인,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 색변환 감지부가 분석 물질에 노출된 경우, 상기 색변환 감지부의 색상 변화는 무채색에서 유채색으로 변경되는,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 색변환 센서는 화학 물질 센서, 바이오 센서, 생물 분자 센서로 이용 가능한,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자의 표면에는 화학적 또는 생물학적 분자들이 부착될 수 있고, 화학적 또는 생물학적 분자는 활성(activity)을 유지하는,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자로는 금 나노스타가 이용되고,
    상기 하나 또는 복수의 나노 입자로는 금 나노 입자 및 은 나노 입자가 이용되며,
    상기 금 나노스타, 상기 금 나노 입자 및 상기 은 나노 입자가 2:1:1의 부피비로 혼합된,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금 나노 입자의 크기는 7 내지 20nm인,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 은 나노 입자의 크기는 20 내지 40nm인,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자로는 금 나노로드가 이용되고,
    상기 하나 또는 복수의 나노 입자로는 금 나노 입자 및 은 나노 입자가 이용되며,
    상기 금 나노로드, 상기 금 나노 입자 및 상기 은 나노 입자가 2:1:2의 부피비로 혼합된,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금 나노 입자의 크기는 7 내지 20nm인,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 은 나노 입자의 크기는 20 내지 40nm인,
    나노 입자를 이용한 색변환 센서.
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