KR101384088B1 - 생체적합성 고분자로 캐핑된 금 나노입자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체적합성 고분자를 환원제로 사용하여 생체적합성 고분자로 캐핑(capping)된 금 나노입자를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체적합성 고분자를 환원제로, 구연산나트륨을 수용액 pH조절제로 사용하고 마이크로파를 열원으로 사용하여 균일한 형상, 크기를 가지며 잘 분산된 금 나노입자를 빠르게 제조가 가능한 금 나노입자 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 금 나노입자의 제조 방법에 있어서, 금염을 환원제로 사용되는 생체적합성 고분자가 포함된 수용액에 혼합하고, pH 조절제를 투여한 후, 마이크로파를 조사하여 금 나노입자를 형성시키는 것을 특징으로 하며, 상기 pH조절제의 농도를 제어함으로써 금 나노입자의 크기 및 균일도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금 나노입자 제조 방법을 제공한다.
이러한 본 발명에 의하면, 생체적합성 고분자를 환원제로 사용하기 때문에 금 나노입자를 친환경적으로 제조할 수 있으며, 금염 주위의 많은 고분자에서 공급되는 라디칼(radical)로 인해 금 나노입자의 빠른 합성을 가능하게 하여 대량생산을 할 수 있다.

Description

생체적합성 고분자로 캐핑된 금 나노입자의 제조 방법{Method for Manufacturing Au Nano-particles Being Capped by Biocompatible Polymer}

본 발명은 생체적합성 고분자를 환원제로 사용하여 생체적합성 고분자로 캐핑(capping)된 금 나노입자를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체적합성 고분자를 환원제로, 구연산나트륨을 수용액 pH조절제로 사용하고 마이크로파를 열원으로 사용하여 균일한 형상, 크기를 가지며 잘 분산된 금 나노입자를 빠르게 제조가 가능한 금 나노입자 제조 방법에 관한 것이다.

금속 나노입자는 벌크 상태에 비하여 우수한 자기적, 전기적, 광학적 특성을 가지며 그로 인해 폭넓게 응용되고 있다. 특히, 금속 나노입자 중에서 금 나노입자는 그 응용범위가 상당히 넓다고 할 수 있다. 금 나노입자는 기원전으로부터 심미적인 또는 치료를 위한 용도로 사용 되어 왔으며 최근에는 약물 전달체, 촉매, 전자소재와 같은 다양한 응용분야에 활용되고 있다.

종래 금 나노입자의 제조 방법으로는 다음과 같은 방법이 있다.

가장 전통적인 방법인 터케비치(Turkevitch)합성법은 구연산나트륨을 이용하여 수용액안의 염화금산(HAuCl₄)을 환원시켜 금 나노입자를 제조하는 방법이다. 또한 톨루엔(Toluen)과 같이 물과 혼합되지 않는 오르가닉(Organic) 용액내에서 상전이제인 TOAB(tetraoctylammoniumbromide)를 이용하여 금염을 톨루엔안으로 전이시키고 수소화붕산나트륨(NaBH₄)를 이용하여 금 나노입자를 얻는 브러스트-쉬프린(Brust-Schiffrin)이라는2단계 합성 방법이 소개되었다. 그 밖에 물리적인 방법으로는 자외선(UV), 근적외선(Near-IR) 조사를 통해 금 나노입자를 합성하는 방법과 키토산(chitosan)과 같은 생체적합성 물질을 이용하여 금 나노입자를 합성하는 방법들이 소개되었다. 그러나 종래에 대부분의 금 나노입자 합성 방법들은 환경적으로 독성이 있거나 비싼 환원제, 예를 들어, 수소화붕소나트륨 (NaBH4), 하이드라진 (Hydrazine), 하이드록실아민 (Hydroxylamine), 소디움 나프탈레나이드 (SodiumNaphthalenide) 등을 이용해야 하며 또한 그 제조속도가 느리다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 생체적합성 고분자를 환원제로, 구연산나트륨을 용액의 pH조절제로 이용하고 마이크로파를 열원으로 이용하여 균일한 형상, 크기를 가지며 잘 분산된 생체적합성 고분자 캐핑 금 나노입자를 1분안에 빠르게 제조하고, pH조절제인 구연산나트륨의 농도에 따라 금 나노입자의 크기 및 균일도가 조절되는 금 나노입자 제조방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 금 나노입자 제조 방법은, 생체적합성 고분자, 금염, 및 pH조절제가 혼합된 수용액에 열(예, 마이크로파)을 공급하여 반응시키는 것을 특징으로 하는 한다.

상기 수용액에서 금 이온을 둘러싼 상기 생체적합성 고분자가 분해되어 형성된 라디칼(Radical)이 금 이온의 환원을 촉진시켜 금 나노입자가 제조되고, 제조된 금 나노입자 표면에 존재하여 캐핑된 상기 생체적합성 고분자는 금 나노입자가 뭉치는 억제해 금 나노입자가 제조된다.

상기 pH조절제인 구연산나트륨의 첨가량에 따른 pH 증가가 금염의 반응 속도를 늦추어 금 나노입자의 크기 및 균일도를 향상시킬 수 있다.

상기 생체적합성 고분자는, 폴리비닐파이롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, PVP) 또는 폴리에틸렌글리콜 (polyethylene glycol, PEG)를 포함한다.

상기 금염은, 염화금산칼륨(KAuCl₄), 염화금산나트륨(NaAuCl₄), 염화금산(HAuCl₄), 브롬화금산나트륨(NaAuBr₄), 염화금(AuCl), 염화제이금(AuCl₃), 또는 브롬화금(AuBr₃)을 포함한다.

본 발명에 따른 금 나노입자 제조방법에 따르면, 종래의 금 나노입자 제조 방법과는 달리 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에서는, 생체적합성 고분자를 환원제로, 구연산나트륨을 용액의 pH조절제로 이용하고 마이크로파를 열원으로 사용하여 잘 분산된 금 나노입자를 1분안에 제조할 수 있다.

둘째, 본 발명에서는, 금 나노입자의 빠른 제조를 가능하게 하여 대량생산은 물론 미세유동소자를 이용한 제조 및 그 응용에도 활용될 수 있다.

셋째, 본 발명에서는, 독성이 있는 물질을 사용하지 않으므로 친환경적으로 생체적합성 고분자가 캐핑된 금 나노입자를 제조가 가능하게 하여 생물학적 또는 생의학적 응용분야에 있어 유용하게 활용될 수 있다.

도 1a와 도 1b는 본 발명에서 구연산나트륨 농도 변화에 따라 1분만에 합성된 금 나노입자의 UV-vis 스펙트럼을 도시한 도면이고, 도1c는 본 발명에서 1분에 반응시간 동안 수용액 내에 PVP유무에 따라 금 나노입자의 생성 여부를 보여주는 UV-vis 스펙트럼을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에서 1분의 반응시간 동안 0.27mM의 염화금산(HAuCl₄)과 15.4mM의 구연산나트륨이 포함된 수용액에서 2.0mM의 PVP 함유 여부에 따른 UV-vis 스펙트럼 변화를 도시한 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에서 구연사나트륨 첨가 유무에 따른 금 나노입자의 크기 및 크기 분포 변화를 보여주는 TEM(투과전자현미경)사진과 크기 분포도를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에서 생성된 입자를 NaCl용액과 PBS용액에 혼합하여 3일 후에 얻은 UV-vis 스펙트럼의 결과를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명에서는 금염, 생체적합성 고분자, 구연산나트륨(sodium citrate)을 이용하여 금 나노입자를 제조하고자 한다. 이러한 본 발명에 있어서 금 나노입자의 크기 및 균일도는 단순히 구연산나트륨의 농도를 변화시킴으로써 제어 될 수 있다.

본 발명에 따른 금 나노입자의 제조방법에 있어서, 생체적합성 고분자 수용액에 금염을 첨가하고 열을 공급하여 반응시키면, 금 이온을 둘러싼 생체적합성 고분자가 분해되어 반응성이 높은 라디칼(Radical)을 형성시키게 되고 이것들이 금 이온의 환원을 촉진시킨다. 또한 제조된 금 나노입자 표면에 고분자가 존재하면서 금 나노입자가 뭉치는 것을 억제시키는 역할을 하게 된다. 이때, 열을 공급하기 위해 사용된 마이크로파는 생체적합성 고분자의 분해를 촉진시켜 금 나노입자의 제조속도를 향상시킨다. pH조절제로서 수용액에 첨가된 구연산나트륨은 그 농도가 증가할수록 수용액의 pH를 증가시키며 이는 금염의 반응 속도를 늦추어 이로 인해 제조된 금 나노입자의 크기가 작아지게 되고 균일도가 향상된다.

반응에 있어 사용되는 금염은, 염화금산칼륨(KAuCl₄), 염화금산나트륨(NaAuCl₄), 염화금산(HAuCl₄), 브롬화금산나트륨(NaAuBr₄), 염화금(AuCl), 염화제이금(AuCl₃), 브롬화금(AuBr₃) 등을 포함할 수 있다.

또한, 반응에 있어 사용되는 생체적합성 고분자는 폴리비닐파이롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, PVP)과 폴리에틸렌글리콜 (polyethylene glycol, PEG) 등을 포함할 수 있다.

본 발명의 금 나노입자 제조 방법에 따른 구체적인 실시예를 설명하면 다음과 같다. 구체적인 실시예에 있어서, 금염으로는 염화금산(HAuCl₄)을 사용하고, 환원제인 생체적합성 고분자로는 폴리비닐파이롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP)를 사용하였으며, pH 조절제로는 구연산나트륨을 사용하였다.

<실시예1>

도 1a와 도 1b는 본 발명에서 구연산나트륨 농도 변화에 따라 1분만에 합성된 금 나노입자의 UV-vis 스펙트럼(UV-vis　spectrophotometer를 이용한 흡수 스펙트럼)을 도시한 도면이고 도1c는 본 발명에서 1분에 반응시간 동안 수용액 내에 PVP유무에 따라 금 나노입자의 생성 여부를 보여주는 UV-vis 스펙트럼을 도시한 도면이다.

2.0mM의 PVP와 0.27mM의 염화금산(HAuCl₄)이 함유된 수용액에 구연산나트륨의 농도를 다르게 첨가하여 마이크로파 가열을 통해 금 나노입자를 합성하였다. 상기 용액은 1분만에 무색에서 붉은 색 혹은 보라색으로 변화하였으며 이는 금 나노입자의 생성을 의미한다.

도 1a는 구연산나트륨 농도 변화에 따라 1분만에 합성된 금 나노입자의 UV-vis 스펙트럼을 도시한 도면이고 도 1b는 UV-vis 스펙트럼의 최대 피크값을 노멀라이즈한 결과를 도시한 도면이다. 구연산나트륨의 농도가 증가할수록 최대 피크값이 왼쪽으로 이동함을 알 수 있고 이는 생성된 금 나노입자의 크기가 작아지는 것을 의미하며 이때 수용액은 붉은 색을 띤다.

도1c는 1분에 반응시간 동안 수용액 내에 PVP유무에 따라 금 나노입자의 생성 여부를 보여주는 UV-vis 스펙트럼을 도시한 결과이다. 도면 1c에서 PVP가 함유되지 않은 수용액의 경우 평평한 형태의 흡수결과를 보이며 이는 금 나노입자가 생성되지 않음을 의미한다.

<실시예2>

도 2는 본 발명에서 1분의 반응시간 동안 0.27mM의 염화금산(HAuCl₄)과 15.4mM의 구연산나트륨이 포함된 수용액에서 2.0mM의 PVP 함유 여부에 따른 UV-vis 스펙트럼 변화를 도시한 도면이다.

구연산나트륨은 기존 금 나노입자 합성 방법인 터케비치(Turkevitch) 합성법에서 환원제로 사용되는 물질이다. 하지만 본 발명에서는 구연산나트륨의 핵심적인 역할은 수용액의 pH조절이다. 도 2에서와 같이, PVP을 포함하지 않은 수용액의 경우도 10분이 지나면서 금 나노입자가 생성되는 것을 확인할 수 있지만 그것의 최대 피크값이 526nm를 보이는 반면, 518nm의 최대 피크값을 갖는2.0mM PVP가 함유되고 1분만에 합성된 금 나노입자보다 그 크기가 크다는 것과 10배이상의 반응시간을 필요로 한다는 것을 알 수 있다.

<실시예3>

도 3a 및 도 3b는 본 발명에서 구연산나트륨 첨가 유무에 따른 금 나노입자의 크기 및 크기 분포 변화를 보여주는 TEM(Transmission Electron Microscope, 투과전자현미경)사진과 크기 분포도를 도시한 도면이다.

여기서는 2.0mM의 PVP와 0.27mM의 염화금산(HAuCl₄)이 함유된 수용액에 구연산나트륨의 첨가 유무에 따른 생성된 금 나노입자의 크기 및 크기 분포 변화를 분석하였다. 도 3a와 같이, 15.4mM의 구연산나트륨이 함유된 경우, 평균입자크기 7.94±0.14nm의 금 나노입자가 생성되었으며, 도 3b와 같이, 구연산나트륨이 함유되지 않은 경우 평균입자크기 19.47±3.97nm의 금 나노입자가 생성되었다.

<실시예4>

도 4는 본 발명에서 생성된 입자를 NaCl용액과 PBS(posphate buffered saline) 용액에 혼합하여 3일 후에 얻은 UV-vis 스펙트럼의 결과를 도시한 도면이다.

여기서는 생체고분자 캐핑 금 나노입자가 잘 형성되었는지를 분산도 측정을 통해 간접적으로 확인하였다. 이는 금 나노입자가 포함된 수용액의 이온화 강도와 pH의 변화를 통해 확인할 수 있다. 이를 위해 1M의 NaCl용액과 1M의 PBS용액이 사용되었다. 도 4와 같이, 측정된 UV-vis 스펙트럼의 최대 피트값과 형태의 변화가 없는 것을 통해 금 나노입자가 함유된 수용액의 이온화 강도 및 pH의 변화가 있더라도 분산이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이는 생체고분자가 금 나노입자를 잘 감싸고 있다는 것을 의미한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

구연산나트륨(sodium citrate)
UV-vis 스펙트럼(UV-vis　spectrophotometer를 이용한 흡수 스펙트럼)
TEM(Transmission Electron Microscope)
PBS(posphate buffered saline)

Claims (6)

1. 생체적합성 고분자, 금염, 및 pH 조절제가 혼합된 수용액에 마이크로파를 이용한 열을 공급하여 반응시키되,
   상기 수용액에서 금 이온을 둘러싼 상기 생체적합성 고분자가 분해되어 형성된 라디칼(Radical)이 금 이온의 환원을 촉진시켜 금 나노입자가 제조되고, 제조된 금 나노입자 표면에 존재하여 캐핑된 상기 생체적합성 고분자는 금 나노입자가 뭉치는 것을 억제해 금 나노입자가 제조되며,
   상기 pH조절제인 구연산나트륨의 첨가량에 따른 pH 증가가 금염의 반응 속도를 늦추어 금 나노입자의 평균 크기가 작아지게 하고 균일도를 향상시키며,
   상기 생체적합성 고분자는, 폴리비닐파이롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, PVP) 또는 폴리에틸렌글리콜 (polyethylene glycol, PEG)를 포함하고,
   상기 금염은, 염화금산칼륨(KAuCl₄), 염화금산나트륨(NaAuCl₄), 염화금산(HAuCl₄), 브롬화금산나트륨(NaAuBr₄), 염화금(AuCl), 염화제이금(AuCl₃), 또는 브롬화금(AuBr₃)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금 나노입자 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images