KR20220013636A

KR20220013636A - 패턴화된 분자각인 필름 제조방법 및 이를 이용한 센서

Info

Publication number: KR20220013636A
Application number: KR1020200092808A
Authority: KR
Inventors: 박진영; 양진철
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2022-02-04
Also published as: KR102493568B1

Abstract

본 발명은 패턴화된 분자각인 필름 제조방법 및 이를 이용한 센서에 관한 것으로, 상세하게는 패턴화된 마스터 몰드로부터 얻어진 PDMS 복제 몰드를 이용하여 QC 기판 상에 MIP 필름을 형성하여 패턴화된 필름을 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 필름을 이용한 화학센서에 관한 것이다.
본 발명의 패턴화된 분자각인 필름 제조방법은 포토리소그래피 기법으로 마스터 몰드를 제조하고 이로부터 PDMS 몰드를 복제하여 제작이 용이하고 패턴형성과 분자각인을 통해 특징적 구조를 용이하게 형성 가능하다. 또한 본 발명의 화학센서는 표적물질이 분자각인된 필름을 이용하여 분자 흡착특성, 선택성이 우수하고, 입체적 패턴형태를 통해 기존 평면 구조보다 감도가 우수한 효과가 있다.

Description

패턴화된 분자각인 필름 제조방법 및 이를 이용한 센서 {Method for manufacturing patterned molecularly imprinted film and the sensor using the same}

본 발명은 패턴화된 분자각인 필름 제조방법 및 이를 이용한 센서에 관한 것으로, 상세하게는 패턴화된 마스터 몰드로부터 얻어진 PDMS 복제 몰드를 이용하여 QC 기판 상에 MIP 필름을 형성하여 패턴화된 필름을 제조하는 방법 및 이에 따라 제조된 필름을 이용한 바이오센서에 관한 것이다.

지난 수십 년 동안 살균제 및 제초제와 같은 다양한 살충제가 농업 생산성을 높이기 위해 광범위하게 사용되었다. 그러나 농작물에 독성 잔류물이 있거나 지하수 오염과 같은 대규모 살충제 사용과 관련된 환경 문제는 인간 건강에 부정적인 영향을 미치고, 신경 독성 화학 물질의 낮은 수준에 대한 장기 노출은 알츠하이머 및 파킨슨 병과 같은 심한 신경 질환을 야기하므로 독성 잔류물에 대한 인식이 높아지고 있다. 살충제 남용 방지 및 인간 건강과 환경 보호를 위한 전략의 일환으로 많은 국가에서 살충제에 대한 최대 잔류물 제한을 설정하는 규정이 확립되었다.

이에 따라 적극적인 모니터링을 통해 법적으로 시행 가능한 경계를 설정하고 허용되는 농약 수준을 결정하여 인간의 건강과 환경에 미치는 악영향을 최소화하면서도 적당한 농작물 생산 수준을 유지하는 것이 필수적인 바 농약 잔류물 수준을 분석하기 위한 다양한 방법이 개발되고 있다. 농약 수준을 모니터링 하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 검출 기술로 가스 또는 액체 크로마토그래피가 이용되고 있다.

또한 분자각인된 중합체(MIP)를 이용하는 고급 감지 도구가 지속적으로 개발되고 있다. MIP 합성 물질의 사용은 중합을 통해 공유/비공유 반응 작용성 단량체를 통해 표적 분자(템플릿이라고 함)를 모방하기 위한 인공 수용체로서 인식 가능한 결합 부위를 이용하기 때문에 일본 등록특허 제06022480호와 같이 화학/바이오 센서 응용 및 분리 기술에 적용되고 있다. MIP 재료의 결합 부위에 대한 형성, 안정성, 감도 및 선택성과 같은 요소는 모두 해당 재료의 기능성, 친화성 및 용량에 의존하기 때문에 간단한 작동 요구사항과 정확한 데이터 수집이 가능한 QCM(quartz crystal microbalance) 기술과 결합하여 이용함이 일반적이다. QCM은 석영 결정 표면의 공진 주파수 변화를 현장에서 감지한 후 질량 판독 값으로 변환하여 작동한다. 분자 각인 기술과 관련하여 QCM은 사용 편의성과 비용 효율성으로 인해 화학/생화학 센서의 주요 연구 도구 중 하나로 광범위하게 사용되고 있다. MIP 기반 QCM 센서는 제초제, 항생제, 폴리펩티드 호르몬 및 단백질을 포함한 수많은 물질의 정량을 위해 특별히 사용될 수 있다. 비닐/아크릴 공중합체, PAMAM 덴드리머, 자기 조립단분자막(SAM) 또는 탄산칼슘 나노 입자와 같은 적합한 기능성 모노머를 선택하여 센서 감지 기능을 향상시키기 위해 다양한 분자각인 기술이 효과적으로 사용되고 있다.

그러나 이러한 응용 분야는 각인 센서 시스템의 감도, 선택성 및 신호 증폭 향상에 민감하게 영향을 받는다. 이에 분자각인 고분자 및 이를 이용하는 센서의 선택성을 높이고 민감도를 높여 표적 물질의 크기, 환경에 제약을 줄이는 기술의 필요성이 높아지고 있다.

일본 등록특허 제06022480호

본 발명은 상기와 같은 필요를 해결하기 위하여, 포토리소그래피 기법으로 표면 자체를 구조화 하는 분자각인 필러 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 상기 분자각인 필러 제조방법에 따라 제조된 필러를 이용한 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

패턴화된 마스터 몰드로부터 PDMS(Polydimethylsiloxane) 복제 몰드를 얻는 제1단계;

상기 PDMS 복제 몰드에 표적물질을 포함하는 MIP(Molecularly Imprinted Polymer) 전구체를 첨가하고 QC(Quartz Crystal) 기판과 접촉시키는 제2단계;

상기 전구체에 UV를 조사하는 제3단계; 및

상기 PDMS 복제 몰드를 제거하여 패턴화된 필름을 제조하는 제4단계;를 포함하는 패턴화된 필름 제조방법을 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

상기 제조방법으로 제조된 필름을 이용한 화학센서를 제공한다.

본 발명의 분자각인 필러 제조방법은 포토리소그래피 기법으로 마스터 몰드를 제조하고 이로부터 PDMS 몰드를 복제하여 제작이 용이하고 패턴형성과 분자각인을 통해 특징적 구조를 용이하게 형성 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명의 화학센서는 표적물질이 분자각인된 필름을 이용하여 분자 흡착특성 및 선택성이 우수하고, 입체적 패턴형태를 통해 기존 평면 구조보다 감도가 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS 복제 몰드 제조방법을 나타낸 모식도 및 AFM 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIP 필름 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 필름의 SEM 및 AFM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주형 제거 과정을 나타낸 모식도 및 FTIR 분광 특성 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 필름의 공진 주파수 변화 및 질량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이프로디온 농도에 따른 필름의 공진 주파수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 Qe값에 대한 이프로디온 흡착 후 유기 분석물의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 필름의 결합 친화도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 필름의 비교 선택성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 비교예에 따른 필름의 AFM 이미지이다.
도 11은 본 발명의 비교예에 따른 필름의 공진 주파수 변화 및 질량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예에 따른 필름의 이프로디온 농도에 따른 필름의 공진 주파수 변화를 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 일측면에 따르면 패턴화된 마스터 몰드로부터 PDMS(Polydimethylsiloxane) 복제 몰드를 얻는 제1단계; 상기 PDMS 복제 몰드에 표적물질을 포함하는 MIP(Molecularly Imprinted Polymer) 전구체를 첨가하고 QC(Quartz Crystal) 기판과 접촉시키는 제2단계; 상기 전구체에 UV를 조사하는 제3단계; 및 상기 PDMS 복제 몰드를 제거하여 패턴화된 필름을 제조하는 제4단계;를 포함하는 패턴화된 필름 제조방법을 제공한다.

먼저 패턴화된 마스터 몰드로부터 PDMS 복제 몰드를 얻는 제1단계에 대하여 설명한다.

마스터 몰드는 포토 리소그래피를 이용하여 제조할 수 있다. 포토 레지스트로 코팅된 Si 기판을 베이킹하고 포토 마스크를 이용하여 패턴화된 마스터 몰드를 준비한다. 패턴은 포토 마스크의 형상을 조절하여 다양한 형태로 형성이 가능하다. 본 발명의 경우 패턴화는 기둥형인 것이 바람직하다. 기둥형의 직경은 표면적 확보 범위에 따라 조절이 가능하며, 바람직하게는 2 ~ 10μm일 수 있고, 보다 바람직하게는 3 ~ 5μm일 수 있다.

이후 패턴화된 마스터 몰드에 실리콘 엘라스토머 및 경화제를 포함하는 혼합물을 부어 경화시킨 후 마스터 몰드를 제거하여 PDMS 복제 몰드를 얻을 수 있다. PDMS 복제 몰드는 마스터 몰드의 형태를 조절하여 다양하게 형성할 수 있다. 본 발명의 PDMS 복제 몰드는 네거티브 몰드(negative mold)인 것이 바람직하다.

다음으로 MIP 전구체를 첨가하고 QC 기판과 접촉시키는 제2단계에 대하여 설명한다.

본 발명의 전구체는 표적물질을 포함하여 분자각인(MIP)된 필름을 제조한다.

표적물질(주형, template) 외 기능성 단량체, 가교제, 광개시제를 포함할 수 있다. 기능성 단량체로는 Methacrylic acid(MAA), (Trifluoromethyl)acrylic acid(TFMAA)를 포함할 수 있다. 바람직하게는 MAA 및 TFMMA를 포함할 수 있다. MAA와 TFMMA를 동시에 사용하여 선택도, 변화도를 향상함과 동시에 수소결합력 향상에 따른 박막의 안정성을 확보할 수 있다. 가교제로는 Ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA)를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 MMA-TFMMA-EGDMA 삼중합체를 이용할 수 있다.

광개시제로는 AIBN(Azobisisobutyronitrile)을 포함할 수 있다.

전구체에 대하여 1분 내의 UV 조사를 통해 점성을 형성한 후 PDMS 몰드에 부을 수 있다. 또한 QC기판과 PDMS 몰드의 적당한 압력 하 금으로 코팅된 QC를 전구체 상부에 위치시켜 물리적 접촉을 용이하게 할 수 있다.

다음으로 전구체에 UV를 조사하는 제3단계에 대하여 설명한다.

QC 기판 상에 위치한 전구체에 UV를 조사하여 기둥형으로 패턴화된 MIP 필름을 형성할 수 있다.

마지막으로 PDMS 복제 몰드를 제거하여 패턴화된 필름을 제조하는 제4단계에 대하여 설명한다.

PDMS 복제 몰드를 제거하여 QC 기판상에 규칙적으로 패턴화된 필름을 분리하여 얻을 수 있다. 이후 필름을 메탄올 및 아세트산을 함유하는 혼합물에 침지시켜 표적물질(주형)을 추출한다. 본 발명의 패턴화된 필름은 상기 표적물질을 제거하여 기공(cavity)을 형성할 수 있다. 기공을 형성하여 선택성을 높이고 확산(diffusion) 속도를 조절하며, 패턴이 형성되어 표면적을 높여 감도를 향상할 수 있는 특징이 있다.

본 발명의 다른 일측면에 따르면 본 발명의 제조방법으로 제조된 필름을 이용한 화학센서를 제공한다. 표적물질이 분자각인된 필름을 이용하여 분자 흡착특성, 선택성이 우수하고, 입체적 패턴형태를 통해 기존 평면 구조보다 감도가 우수하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.

<실시예>

재료

네거티브 톤 포토레지스트(PR)로는 Micro Resist Technology GmbH(독일 베를린-코 페닉 소재)에서 구매한 레지스트 기반 마스터 몰드(ma-N 1407)가 사용되었다. 헥사메틸디실라잔(HMDS)은 접착 촉진제로서 삼천 순약(주)에서 구입하였다. 2.38% 테트라 메틸 암모늄 하이드록사이드(TMAH)를 함유하는 AZ-300MIF 현상제(Merck Electronic Materials)를 사용하여 패턴을 개발하였다. MIP 필름을 제조하기 위해, 기능성 단량체로서 메타크릴산(MAA, 대정 화학 공업(주), 시흥) 및 2-(트리플루오로메틸)아크릴산(TFMAA, 도쿄 화학 공업)을 사용하였다. 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA, Tokyo Chemical Industry Co.), 3-(3,5- 디클로로 페닐)-N-이소프로필-2,4-디옥소이미다졸리딘-1-카르복스아미드(iprodione, Sigma-Aldrich) 및 2,2 가교제, 주형 분자 및 광개시제로는 각각 아조 비스이소부티로 니트릴(AIBN, 대정 화학 공업, 대한민국 시흥)을 사용하였다. 덕산(주)에서 구입한 디메틸포름아미드(DMF)를 용매로 사용하였다. 다른 제초제, 예컨대 3-(3,5-디클로로 페닐)-1,5-디메틸-3-아자비시클로[3.1.0]헥산-2,4-디온(프로시미돈) 및 4,6-디메틸-N-페닐피리미딘-2-아민(피리메타닐)은 미국 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. 아세트산(대정 화학 공업) 및 메탄올(덕산, 안산, 한국)을 이프로디온 추출에 사용하였다. 다른 모든 용매는 분석 시약 등급이며 추가 정제없이 사용하였다.

마스터 몰드를 이용한 PDMS 복제 몰드 제조

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PDMS 복제 몰드 제조방법을 나타낸 모식도 및 AFM 사진이다. AFM의 스케일 바는 5μm다. 도 1을 참고하여 설명하면, 마스터 몰드를 준비하고 PDMS 엘라스토머를 사용한 복제를 통해 패턴화된 몰드를 제작할 수 있다.

Si 웨이퍼(2×2 cm²)상의 규칙적인 기둥형 PR 마스터 몰드는 표준 포토 리소그래피를 이용하여 제조하였다. Si 웨이퍼 기판을 아세톤, 탈 이온수(DI) 및 이소프로필 알코올(IPA)로 세정한 후, 질소 가스 흐름 하에서 건조시켰다. 이어서 Si 기질을 piranha 용액(H₂SO₄(98 %):H₂O₂(30 %)의 3:1 혼합물)에 40분 동안 침지시켜 다른 모든 오염물을 제거하였다. 이 절차는 Si 기판의 표면에 수많은 유리 수산기를 형성했다. 탈 이온수로 광범위한 헹굼 후, HMDS는 사용 전에 접착 촉진제의 적용으로 Si 웨이퍼 표면의 -OH기와 반응하였다. HMDS를 스핀-캐스팅한 후 110℃에서 30초 동안 베이킹한 후, 광범위한 톨루엔 세척으로 중첩된 잔류층을 제거하였다.

다음으로, 500 rpm의 2단계 램핑 프로토콜을 사용하여 포토 레지스트(즉, ma-N 1407)를 HMDS 처리된 Si 기판 상에 스핀-캐스팅한 후 3500 rpm에서 5초, 이어서 40초 동안 또 다른 라운드를 수행하여 600 nm의 최적 두께를 얻었다. 이어서, 포토 레지스트-코팅된 Si 기판을 핫 플레이트상에서 110℃에서 90초 동안 베이킹하여 임의의 잔류 용매를 증발시켰다. 투영된 UV 광원(365nm에서 20mW cm^-2)을 석영의 크롬 포토 마스크를 통해 마스크 정렬기를 사용하여 노출시켰다. 4초 노출 기간 후, 노출 후 베이크를 110℃에서 90초 동안 수행하였다. 마지막으로, 샘플을 AZ 300-MIF에서 20분 동안 현상한 후에 DI로 간단히 세척하여 잔류 현상액을 제거하였다.

규칙적인 원통형 홀 패턴화된 PDMS 복제 몰드는 2개의 마스터 몰드(패턴 직경이 3 및 5 μm 인 규칙적인 기둥형 패턴화된 마스터 몰드)를 사용하여 제조되었다. 먼저 실리콘 엘라스토머(30g) 및 경화제 3g(10 : 1 중량비, Sylgard 184, Dow Corning)을 광범위하게 혼합하였다. 진공 펌프(GLD-136C, Ulvac Kiko Manufacturing)를 사용하여 기포를 제거한 후, 혼합물을 Si 기판 상에 형성된 패턴화된 PR 마스터 몰드에 부었다. 70℃에서 2시간 동안 경화시킨 후, PDMS 복제 몰드를 마스터 몰드를 벗겨 내 부드럽게 제거하였다.

실시예 - MIP 필름 제조

이프로디온, MAA, TFMAA 및 EGDMA를 5 ml 바이알에서 1:2:2:20 몰비(즉, 49.5 mg : 25 μl : 14 mg : 377 μl)로 혼합하였다. AIBN(16 mg)을 초음파 처리를 통해 DMF(50 μl)에 용해시킨 다음 혼합물 용액에 첨가하였다. 10분 동안 질소 퍼지를 수행한 후, MIP 전구체를 UV 램프(370 nm, 36 W)를 사용하여 30초 동안 사전 경화시켜 점성을 가지는 올리고머를 생성하였다.

MIP 전구체(3μl)를 제조된 PDMS 복제 몰드 상에 조심스럽게 위치시켜 규칙적인 기둥형 패턴화된 MIP 필름을 제조하였다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIP 필름 제조방법을 나타낸 모식도이다. 도 2를 참고하여 설명하면, PDMS와 QC 기판 사이의 물리적 접촉을 용이하게 하기 위해 9 MHz 금 코팅된 AT-컷 석영 결정(Quartz crystal(QC), QA-A9M AU[M])을 적당한 압력 하에서 전구체 상에 즉시 위치시켰다. UV를 8분 동안 조사한 후 QC 기판을 PDMS로부터 분리시켰다. 규칙적인 기둥형 패턴화된 MIP 필름이 QC 기판상에 완전히 형성된 후, 필름을 메탄올 및 아세트산(9:1, vol%)을 함유하는 10 ml의 혼합물에 1시간 동안 침지시켜 이프로디온 주형을 추출하고 최종적으로 메탄올 세척을 수행하였다.

비교예 1 - MIP평면 필름(제어필름) 제조

실시예와 동일한 MIP 전구체를 준비하였고, PDMS 복제 몰드를 이용하지 않는 점을 제외하고는 동일한 방법으로 동일한 조건 하에서 평면 필름을 제조하였다.

비교예 2 - NIP 필름 제조

이프로디온을 포함하지 않는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 비 분자각인 중합체(NIP) 전구체를 준비하였고, 동일한 조건 하에서 규칙적인 기둥형 패턴화된 NIP 필름을 제조하였다.

<결과 및 평가>

실험방법

패턴화된 MIP 필름의 특성을 확인하기 위하여, 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, Hitachi S-4800) 및 주사 프로브 현미경(SPM, NX20, Park 기기)을 사용하여 규칙적인 기둥형 패턴화된 MIP 및 NIP 필름의 표면 지형을 조사하였다.

푸리에 변환 적외선 분광법 [FT / IR-4100, 감쇠 된 전체 반사율(PRO450-S), Jasco, USA)을 수행하여 MIP 필름으로부터 이프로디온 분자의 제거를 확인하였다.

QCA 922 수정 결정 분석기를 사용하여 이프로디온의 감지 특성(감도 및 선택성)을 확인하기 위해 공진 주파수 변화를 현장에서 모니터링 하였다.

QCM 센서의 흡착 성능을 확인하기 위하여, 석영 결정상에 코팅된 MIP 및 NIP 필름의 흡착 공정은 30 내지 303 nM 범위의 농도로 수용액(100 mL)에서 수행되었다. 얻어진 평균값을 하기 Sauerbrey 방정식을 통해 흡착된 분석물의 질량으로 변환하였다:

여기서 Δf는 공진 주파수 변화(Hz), f₀는 초기 공진 주파수(MHz), Δm은 질량 변화(g), ρq는 석영 밀도(2.65g cm^-3), μq는 전단 계수, 및 A는 결정의 활성 영역(cm²)이다.

9MHz AT-절단 금 코팅 석영 결정의 경우, 감도 계수는 약 0.1834Hz cm² ng^-1이다. 공진 주파수에서 1Hz의 감소는 정의된 금 영역(5mm 직경, A=0.19625cm²)에 적재된 질량에서 1.07ng와 거의 동일하다는 것을 확인하였다.

MIP 코팅된 QCM 센서의 선택성과 관련하여 특정 기능 공동에 간섭제를 사용하여 친화도 결합 거동에 미치는 영향을 모니터링 하기 위해 프로시미돈 및 피리메타닐과 같은 화학적으로 유사한 화합물을 사용한 실험도 진행하였다.

특정 및 비특이적 흡착을 위한 각각의 MIP 기반 또는 NIP 기반 QCM 센서에 대한 Δf는 303 nM 수용액에서 기록되었다.

기둥 패턴 형성 및 각인된 템플릿 제거 확인

미세 패턴화된 PDMS 몰드를 이용한 표면 분자각인 공정에 소프트 리소그래피 기술을 적용하여 석영 결정 상에 기둥 패턴화된 MIP(또는 NIP) 필름을 제조하였다. 도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 필름의 SEM 및 AFM 이미지이다. (a)는 SEM, (b)는 AFM 이미지이고, 각 사진의 스케일 바는 5μm이다.

도 3의 (a)를 참고하여 설명하면, SEM 이미지는 활성 금 석영 표면에 2개의 상이한 크기의 frisbee-like 기둥(직경 5 및 3μm)을 갖는 이프로디온-분자각인 폴리(MAA-co-TFMAA-co-EGDMA) 필름이 형성되었음을 나타낸다. 기둥 MIP 패턴은 단면 SEM 이미지로부터 측정된 바와 같이 두께가 150 nm(MIP 5μm) 및 100 nm(MIP 3μm)인 잔류층을 가졌다. 이러한 패턴은 ~130 nm 두께의 평면 MIP 필름과 비교할 때 더 넓은 표면적을 제공하여 MIP-QCM 센서가 이프로디온 용액과 각인된 필름 사이의 템플릿 인식 가능한 계면 영역을 증가시킴에 따라 더 증폭된 주파수 신호를 얻을 수 있게 하였다. 이는 특정 분석물의 확산 거동을 고려 및 적용하여 조절할 수 있다.

도 3의 (b)를 참고하여 설명하면, 기둥구조의 패턴 및 제어필름(평면 MIP 필름), 즉 MIP 필름의 패턴닝된 표면의 치수 특징을 보다 명확하게 하기 위해 탭핑(tapping) 모드에서 AFM 이미지를 획득하였다. QCM의 금 표면적에서 9.667nm의 평균 제곱근 거칠기(Rq)를 갖는 제어 필름의 표면적이 결정되었지만, 다른 치수 기둥을 갖는 2개의 MIP 필름은 표면적을 증가시켰다(S/V 비율). 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, MIP-5μm의 기둥은 350nm의 높이 및 4.8μm의 직경을 갖는 반면, MIP-3μm 필름의 기둥은 높이의 390nm 및 직경의 2.7μm였다. 이 패턴 형성은 MIP 필름의 표면적을 효과적으로 증가시켰다. AFM 표면 분석에 기초하여, S/V 비는 각각 MIP-5μm 및 MIP-3μm에 대해 1.049 및 1.059였다. 도 10은 본 발명의 비교예에 따른 필름의 AFM 이미지이다. 도 10을 참고하여 설명하면, 비교예 2에 따라 이프로디온이 없는 상태에서 패턴화된 NIP 필름(즉, NIP-5μm 및 NIP-3μm)도 거의 동일한 표면 형태와 구조 치수를 보여주었다.

이프로디온 분자각인 poly(MAA-co-TFMAA-co-EGDMA) 필름으로 코팅된 QCM 센서의 템플릿 추출 공정과 관련하여 각인된 주형(템플릿)이 완전히 제거되었는지 확인하기 위해 FTIR 분광 특성 분석을 사용하였다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주형 제거 과정을 나타낸 모식도 및 FTIR 분광 특성 분석 결과이다. (a)는 제거 과정 모식도이고, (b)는 주형 제거 전후 FTIR 그래프이다. 2950 cm^-1 및 1716 cm^-1에서의 흡수 피크는 각각 CH 스트레칭 및 카보닐 C = O 스트레칭 밴드에 기인한다. 또한, 1637 cm^-1에서 C = C 신장 밴드, 1449 cm^-1에서 알칸 CH 굽힘 피크, 및 1255, 1141 및 1047 cm^-1에서 C = O 신장 밴드는 MIP와 NIP에서 확인되었다. MIP 필름으로부터 주형 제거 후, 1575, 1558 및 1540 cm^-1에서의 N-H 굽힘 피크와 같이 특징적인 이프로디온 피크는 사라진 것을 확인하였다. 흡수 피크로부터의 광학적 특징은 NIP 필름의 광학적 특징과 동일하였으며, 이를 통해 중합체 매트릭스의 작용기와 상호 작용한 결합된 주형이 약산 용액으로 헹구어 완전히 제거되었음을 확인할 수 있었다.

MIP 필름에서 이프로디온 주형 분자와 기능성 단량체 사이의 강한 수소 결합 형성은 주형이 제거된 후 각인 부위에서 구조적으로 인식 가능한 공동을 초래하였다. 산성 기능성 단량체로서 TFMAA는 트리플루오로 메틸기의 전자 흡인 효과를 가져 MAA보다 기본 주형 분자와 훨씬 더 강한 분자 상호 작용에 기여함을 확인하였다. MMA만 사용한 경우보다 선택도 및 유동성을 높이고, 수소 결합력을 향상하여 필름의 안정성을 확보할 수 있다.

MIP 감지 특성 확인

(1) 이프로디온 흡착을 통한 주파수 변화

접근 가능한 공동에 대한 분석 물 친화도 결합에 의한 공진 주파수 변화(Δf) 및 질량변화(Δm)는 1시간 측정 기간 동안 303 nM 이프로디온의 수용액에서 검사하였다. 2개의 패턴화된 MIP 필름 및 평면 MIP를 제어 필름으로서 사용하여 수행하였다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 필름의 공진 주파수 변화 및 질량 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5를 참고하여 설명하면, 각인된 필름의 Δf는 시간이 지남에 따라 점진적으로 증가하였고, 이는 이프로디온 분자가 용액 중에 중합체 매트릭스 내로 확산되고 분산 친화도를 갖는 접근성 모방된 나노 기공에 우선적으로 흡착되었음을 나타낸다. MIP-평면(-90±13.2Hz)과 비교하여, 두 패턴화된 MIP 필름의 주파수 신호가 증폭되었으며, Δf값은 MIP-5μm의 경우 -145Hz, MIP-3μm의 경우 -197Hz이었다. 대응하는 상대 표준 편차(RSD %, n = 3)는 12 및 8 이었다.

흡착 거동은 공간적으로 구조화된 각인 중합체에서 분석물과 작용기 사이의 비공유 상호 작용과 관련이 있다. 특히, 다수의 새로 생성된 기공(cavaties)을 형성함에 따라 증가된 표면적에 대한 표적 분석물의 친화력은 더 많은 결합을 야기하였고, 규칙적으로 정렬된 각인 기둥의 구조화된 표면 패턴에 의존하였다. 얇은 평면 MIP 필름을 갖는 QCM 센서는 확산이 느리고 필름 내부로의 이프로디온 분자의 낮은 접근성으로 인해 감도가 상대적으로 제한적이었으나, 기둥 형태의 MIP 필름은 체계적으로 S/V 비를 증가시키고 각인된 기능성 공동의 유리한 접근성을 개선시켜, 중합체 매트릭스의 결합능을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다.

도 11은 본 발명의 비교예에 따른 필름의 공진 주파수 변화 및 질량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 11을 참고하여 설명하면, 패턴화된 MIP 필름과 대조적으로 모든 NIP 필름에 대해 Δf는 -53±2.8 내지 -77±2.8 Hz(n = 3) 사이의 표면적에 비례하여 약간 증가하였다.

인식 가능한 기공이 존재하지 않으므로 NIP 필름의 표면에서 발생된 비특이적 흡착만이 가능하여 비교적 낮은 Δf값이 나타났다. 또한, 비특이적 감지 응답에 대한 패턴화된 표면적의 영향은 낮은 Δf 범위에서 약간의 증가를 나타내었다.

감지 응답에서 각 필름의 Δf는 Qe 값(평형 결합 용량)으로 변환되었다. 주형이 추출된 폴리(MAA-co-TFMAA-co-EGDMA) 필름 위의 흡착된 이프로디온 분자의 질량으로 표시하였다. 각 분자각인된 폴리머 필름의 질량은 공기에서 진동하는 주형이 추출된 분자각인 석영 결정의 공명 주파수 분화를 사용하여 계산되었으며, 평면 필름의 경우 4.435μg, 5㎛ 패턴의 경우 4.448μg, 3μm 패턴의 경우 4.298μg이었다. 9MHz 석영 결정의 감도 계수를 고려할 때 해당 Qe 값은 MIP 평면의 경우 21.6±3.18ng/μg, MIP-5μm의 경우 34.9±2.89ng/μg, MIP-3μm의 경우 49.0±1.99ng/μg이었다. 평면형 MIP 필름의 Qe 값의 차이는 패턴화된 MIP 필름에서 리소그래피로 증가된 표면적과 직접적으로 관련이 있다. 한편 NIP 필름의 Qe 값은 각각의 필름 표면상의 비특이적으로 흡착된 질량으로부터 계산된 13 내지 18 ng/μg이었다.

분자각인 팩터(IF), 즉 Q_e,MIP/Q_e,NIP는 각 MIP 필름에 대한 분자각인 효과를 비교 평가할 수 있으며 다음과 같은 순서로 결과를 나타낸다. 1.69(MIP 평면) < 2.21(MIP-5μm) < 2.74(MIP-3μm). 즉, 패턴화된 표면적의 증가는 각인 효과를 향상시켰고 리소그래피 나노/미세 구조화 방법의 도입 및 표면 분자각인을 통한 패턴 형성은 개선된 MIP 기반 플랫폼 개발에 응용할 수 있음을 확인하였다.

(2) 친화도 - 선호도 바인딩 평가

3개의 상이한 MIP 필름상에서의 이프로디온의 친화도 결합 특성은 Δf 값을 사용하여 확인하였다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이프로디온 농도에 따른 필름의 공진 주파수 변화를 나타낸 그래프이다. 특이적 결합 거동과 관련된 빈도 변화는 30 내지 303 nM의 농도 범위의 이프로디온 수용액에서 확인하였다. y축은 Qe값(1시간 동안 폴리(MAA-co-TFMAA-co-EGDMA) μg 중량당 흡착된 이프로디온의 ng 단위의 질량)을 나타낸다.

도 6을 참고하여 설명하면, MIP필름은 분석물 농도의 증가에 따라 Δf 값의 증가를 나타냈다. QCM 감지 반응은 흡착된 주형 질량이 더 높은 이프로디온 농도에 따라 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다. MIP-평면의 측정된 주파수(-Δf)는 0.225±0.0092Hz nM^-1의 민감도 값과 0.993의 상관 계수로 -Δf=0.225 Ci±21.792의 선형 회귀 방정식과 함께 증가했다. 그러나, MIP-5μm 및 MIP-3μm 필름은 각각 0.335 Ci±41.556 및 0.462 Ci±52.545의 -Δf값을 가지며, MIP 5μm 필름의 경우 0.335±0.0092 Hz nM^-1, MIP-3μm 필름의 경우 0.462 ± 0.019 Hz nM^-1의 감도 값을 가졌다. 수반된 상관 계수는 최대 303 nM의 분석 물 농도에서 0.997(MIP 5μm) 및 0.993(MIP-3μm)이었다.

선형 교정 곡선에서 얻은 회귀 방정식은 방정식 LOQ = 10 (S/m) 및 LOD = 3.3 (S/m)을 사용하여 제한 한계(LOQ) 및 검출(LOD)을 계산할 때 고려되었다. 여기서 S는 절편의 표준 편차이며, m은 회귀선의 기울기다. 선형 보정 곡선 데이터에 따르면 LOQ 및 LOD 값은 54.407 및 17.954 nM(MIP 평면), 24.624 및 8.126 nM(MIP-5μm), 62.423 및 20.600 nM(MIP- 3μm)이었다. 패턴화된 MIP는 회귀 라인의 상승 기울기로 인해 평면 MIP 대응물보다 LOQ 및 LOD 값이 낮았으며, 이는 MIP 평면, MIP-5μm 및 MIP-3μm의 순서가 증가했기 때문이다. 그러나, MIP-3μm 필름에 대한 이들 두 값의 증가는 인터셉트의 높은 표준 편차의 파생물이며, 이는 차례로 이프로디온 검출 공정의 불안정성에 기인한 것이다. 명확성을 위해 y축은 Qe 값(ng/μg)으로 변환하였다.

도 12는 본 발명의 비교예에 따른 필름의 이프로디온 농도에 따른 필름의 공진 주파수 변화를 나타낸 그래프이다. 도 12를 참고하여 설명하면, NIP 필름상의 이프로디온 결합에 상응하는 -Δf 값은 수용액에서 동일한 농도 범위에서 측정한 결과 더 높은 LOQ 및 LOD 값이 얻어졌다.

이프로디온 각인 QCM 센서의 경우, Freundlich 등온선 모델(B = aF^m)을 사용하여 상기 언급된 농도 범위에서 이종 표면의 흡착 거동을 평가했다. 결합된 분석물(B)의 질량(Δm)은 QCM 센서의 센싱 응답의 Δf로부터 얻어졌으며, 이프로디온 흡착(F) 후 용액에 남아있는 상응하는 유리 분석 물의 농도는 다음의 차이로 계산되었다. 총 농도 및 결합된 분석물 질량. 결합 등온선으로부터 피팅 파라미터(a 및 m)를 계산하였다. 모델의 선형 형태는 다음 방정식에 표시된 대로 로그 형식으로 얻었다:

여기서 B는 특정 흡착 시간 동안 폴리(MAA-co-TFMAA-co-EGDMA) 필름의 단위 질량당 흡착된 이프로디온의 양을 정의하는 Q_e값(μmol/g)과 동일하고, m은 Freundlich 이질성 지수이고, a는 용량(N_T) 및 평균 친화도(K₀)의 Freundlich 파라미터와 같은 지수이다. m 및 피팅 파라미터는 log B 대 log F의 플롯에서 기울기 및 10^(y-절편)으로부터 도출되었다(표 1). 여기서, m 값이 0에서 1로 변화함에 따라 필름은 더욱 균일해졌다는 것을 확인했다.

	Freundlich
	MIP-plane	MIP-5μm	MIP-3μm
m	0.471	0.438	0.434
loga	4.852	4.838	4.963
R²	0.977	0.966	0.975

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 Qe값에 대한 이프로디온 흡착 후 유기 분석물의 농도를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참고하여 설명하면, 3가지 필름은 값은 패턴화된 MIP 필름, 즉 MIP-5μm(0.438) 및 MIP-3μm(0.434)이 MIP-평면 필름(0.471)보다 약간 더 차이가 있는 것으로 나타났다. 또한, Freundlich 모델의 기하 급수적으로 감소하는 분포의 근사치가 결정될 때, 하기 식을 이용하여 제한된 범위의 결합 친화도에 걸쳐 N 및 K 값에 대한 연속 친화도 분포 표현을 정량화하였다. 이 과정은 실험적 결합 등온선에 대해 제한된 범위의 이프로디온 농도(Fmin 및 Fmax) 내에서 유효했다:

여기서 K는 L mol^-1에서 친화력 상수이고, N (K)는 μmol g^-1에서 주어진 친화력에 대한 결합 부위의 수이다.

도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 필름의 결합 친화도를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참고하여 설명하면, 결합 친화도는 모든 MIP 필름에 대해 일반적으로 관찰되는 넓은 단봉 분포를 갖는 결합 등온선의 지수적으로 꼬리 부분을 특징으로 한다. 또한, 기둥 패턴으로 인해 표면적이 증가함에 따라 한계 사이의 특이적 결합 친화도를 갖는 결합 부위의 수는 MIP-평면 필름의 것보다 상당히 높았다. log N 대 log K 플롯으로부터(b), 3개의 평행선은 각각의 MIP 필름상의 친화도 분포의 용이한 비교가 결합 부위의 이질성의 차이의 확인을 용이하게 한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 차이는 주로 친화력 및 선택성 특성이 다양한 이프로디온 결합 부위의 수에 의해 야기될 수 있으며, 이는 결합 기공의 깊이 및 모양에 의해 결정되었음을 확인할 수 있었다.

(3) 선택성

특정 선택성은 이프로디온 분자각인(iprodione-imprinted) 센서의 특성 매개 변수 중 하나로 조사되었다. 도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 필름의 비교 선택성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 평형에서의 특이적 및 비특이적 결합에 대한 3가지 MIP 필름의 Δf(또는 Q_e)를 프로시미돈(procymidone) 또는 피리메타닐(pyrimethanil)과 같은 화학적으로 유사한 살 진균제(간섭제)를 갖는 303 nM 수용액에서 실험하였다. 이프로디온 분자에 대한 MIP 감지 반응을 위해, 모든 필름의 최대 결합 용량(Qmax)은 주형 제거 전후의 질량 변화(Δf)에 의해 계산되었고, 도 9를 참고하면 각각 28.0 ng/μg(MIP 평면), 38.7 ng/μg(MIP-5μm) 및 52.5 ng/μg(MIP-3μm)의 값을 확인하였다. Qmax 값으로부터 템플릿 복구 값이 77.1%(MIP- 평면) < 90.2%(MIP-5μm) < 93.3%(MIP-3μm)의 순서로 증가함을 확인할 수 있었다. 이는 S/V 비율이 상승함을 통해 확인되었다. 평형 조건(1시간 표시)에서 측정된 Δf값(또는 Qe)은 감지 응답의 포화 한계에 도달하지 않았다. MIP-평면은 제한된 계면 영역 내에서 분석물 확산으로 인해 가장 낮은 회수 값을 보인 반면, MIP-3μm 필름의 분석 물 흡착 동역학은 더 큰 표면적에서 로트의 가장 빠른 인식 거동을 촉진시켰다.

이프로디온과 유사한 화합물 화학 구조의 선택 계수(k*) 및 상대 계수 (k')를 하기 표 2에 나타냈다. K*(equilibrium binding data coefficient)=Qe (iprodione molecule)/Qe(analogous species), k'(relative selectivity coefficient)= k*(imprinted)/k*(non-imprinted)이다.

		Iprodione	Procymidone	Pyrimethanil
MIP-plane	Qe	21.6	11.7	9.4
MIP-plane	k1*		1.85	2.30
MIP-5μm	Qe	34.9	12.8	9.7
MIP-5μm	k2*		2.73	3.60
MIP-3μm	Qe	49.0	13.9	12.1
MIP-3μm	k3*		3.53	4.05
NIP-plane	Qe	12.8	12.0	10.7
NIP-plane	k1*		1.07	1.20
NIP-5μm	Qe	15.8	13.7	10.9
NIP-5μm	k2*		1.15	1.45
NIP-3μm	Qe	17.9	16.5	15.5
NIP-3μm	k3*		1.08	1.15
k'	k'1	-	1.73	1.92
	k'2	-	2.37	2.48
	k'3	-	3.27	3.52

표 2를 참고하면, 여기서 평면 QCM 센서는 다른 간섭제에 비해 이프로디온에 대해 2배 더 높은 선택성을 나타낸 반면, 이프로디온 분자각인된 QCM 센서 (MIP-3μm)는 프로시미돈 또는 피리메타닐 수용액에서 센서의 검출 능력과 비교할 때 4배 더 선택적이었다. 따라서, 인식 가능한 공동을 포함하는 MIP 매트릭스에서 분석물의 확산 거동으로 인한 현저한 신호 증폭 및 표면적의 증가는 모두 센서의 선택성을 향상시킴을 확인하였다.

본 발명은 QCM 센서에서 이프로디온 기반 살균제를 검출하기 위해 홀 패턴 PDMS 마스크 보조 광중합을 통해 두 가지 크기의 기둥 MIP 패턴(MIP-5μm 및 MIP-3μm)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 패턴화된 MIP-QCM 센서는 표면적이 넓기 때문에 평면형 MIP 대응 장치에 비해 빠른 감지 시간으로 더 높은 용량과 더 나은 복구 동작을 가진다. 이 표면 구조는 이종 시스템에서 기존의 결합 친화도 및 템플릿 특이성에 기여함을 확인하였다. 사전 중합된 복합체의 구조적 가변성은 리소그래피 패터닝 동안 각인된 프리즈 비형 기둥 어레이의 기본 감지 특징에 반영되었고, 결합 부위의 공동에서의 이질성은 분석물 인식 과정에서 분석 물과 중합체 매트릭스 사이의 수소 결합 상호 작용과 관련된 용량 및 선택성에 영향을 주었다. 중합체 매트릭스의 형태에 따라, MIP 필름의 이종 표면은 궁극적으로 결합 부위 및 결합 친화도의 수에 영향을 미치고, 이에 따라 센서로의 기능이 우수함을 확인할 수 있었다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

패턴화된 마스터 몰드로부터 PDMS(Polydimethylsiloxane) 복제 몰드를 얻는 제1단계;
상기 PDMS 복제 몰드에 표적물질을 포함하는 MIP(Molecularly Imprinted Polymer) 전구체를 첨가하고 QC(Quartz Crystal) 기판과 접촉시키는 제2단계;
상기 전구체에 UV를 조사하는 제3단계; 및
상기 PDMS 복제 몰드를 제거하여 패턴화된 필름을 제조하는 제4단계;를 포함하는 패턴화된 필름 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴화는 기둥형인 것을 특징으로 하는 패턴화된 필름 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 PDMS 복제 몰드는 네거티브 몰드(negative mold)인 것을 특징으로 하는 패턴화된 필름 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상기 패턴화된 필름은 상기 표적물질을 제거하여 기공(cavity)을 형성하는 것을 특징으로 하는 패턴화된 필름 제조방법.
제 1 항에 따른 제조방법으로 제조된 필름을 이용한 화학센서.