KR102180903B1 - Method for Selecting Highly Antimicrobial Nanoparticles Using pH and Proton Conductivity - Google Patents

Abstract

본 발명은 항균력 측정에 관한 것으로, pH 또는 양성자 전도도 분석에 따라 항균력의 차이를 나타내는 나노입자의 고 항균력 나노입자 선택방법에 관한 것이다. 본 발명의 pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법은 항균력을 가진 나노입자 개발시 항균력 향상 여부를 확인하는 본시험 단계 이전에 간단한 물성 측정 및 비교만으로 항균력을 예측하여 비용 및 시간을 절감할 수 있다. The present invention relates to the measurement of antibacterial activity, and relates to a method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity of nanoparticles showing a difference in antibacterial activity according to pH or proton conductivity analysis. The method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity using pH and proton conductivity values of the present invention saves cost and time by predicting antibacterial activity by simply measuring and comparing physical properties before the main test step to determine whether or not antibacterial activity is improved when developing nanoparticles with antibacterial activity. You can save.

Description

pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법 {Method for Selecting Highly Antimicrobial Nanoparticles Using pH and Proton Conductivity}Highly Antimicrobial Nanoparticles Using pH and Proton Conductivity {Method for Selecting Highly Antimicrobial Nanoparticles Using pH and Proton Conductivity}

본 발명은 고 항균력 나노입자 선택방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나노입자의 항균력이 pH값 또는 양성자 전도도 값과 서로 비례관계를 가지는 특징을 활용하여 항균력 저지원법(inhibition zone test) 등을 대체할 수 있는 고 항균력 나노입자 선택방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for selecting nanoparticles with high antimicrobial activity, and more specifically, the antibacterial activity of the nanoparticles is used to replace the antibacterial activity inhibition method (inhibition zone test) by utilizing a characteristic having a proportional relationship with the pH value or proton conductivity value It relates to a method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity that can be used.

최근 안전ㆍ위생에 대한 관심이 커짐에 따라 여러 질병 및 감염을 예방하기 위해 항균력을 가지는 제품에 대한 소비자의 선호도가 갈수록 높아지고 있다. 이에 항균력을 지니는 나노소재에 대한 개발의 중요성이 대두되고 있으며 그 중 세라믹 소재의 우수한 생체친화성 및 세균에 대한 항균효과가 알려져 의학ㆍ바이오 분야에서 연구가 진행되고 있다. 항균성이 입증된 대표적인 세라믹 나노 소재는 은(Silver, Ag), 산화아연(Zinc oxide, ZnO), 이산화 티타늄(Titanium dioxide, TiO2), 금(gold, Au) 등이 있다. Recently, as interest in safety and hygiene has increased, consumers' preference for products with antibacterial activity to prevent various diseases and infections is increasing. Accordingly, the importance of the development of nanomaterials with antibacterial activity is emerging. Among them, the excellent biocompatibility of ceramic materials and antibacterial effects against bacteria are known, and research is being conducted in the fields of medicine and biotechnology. Representative ceramic nanomaterials with proven antibacterial properties include silver (Ag), zinc oxide (ZnO), titanium dioxide (TiO2), and gold (Au).

산화아연은 밴드 갭 에너지가 3.37 eV 인 전형적인 n 형 반도체로 자외선 차단제, 열전자 소재, 반도체 소자 및 물리ㆍ화학적 특성을 이용하여 다양한 분야에 이용할 수 있는 장점을 지니고 있다. 특히 독성이 없고 생체친화성 및 광범위한 세균에 대해 항균성이 입증된 소재로 약물 적용, 화장품, 의료용 물질에 적용할 수 있다. 산화아연이 생체적용 가능한 소재(biocompatible)로 알려지면서 항균력을 필요로 하는 바이오 관련 제품에 다양하게 적용되고 있어 높은 비용의 은 나노입자를 대체할 소재로 대두되고 있다. Zinc oxide is a typical n-type semiconductor with a band gap energy of 3.37 eV. It has the advantage of being able to use it in various fields by using UV-blocking agents, thermoelectric materials, semiconductor devices, and physical and chemical properties. In particular, it is a non-toxic, biocompatible, and antibacterial material that can be applied to drugs, cosmetics, and medical materials. As zinc oxide is known as a biocompatible material, it has emerged as a material to replace high-cost silver nanoparticles as it is widely applied to bio-related products that require antibacterial activity.

산화아연 나노 입자는 미생물 병원균의 내성 균주, 독성 및 열 안정성에 탁월한 활성을 나타내는 것이 보고되어 있다. 그러나 현재 많은 연구자들이 ZnO 나노 입자의 항균 메커니즘을 밝혀 내기 위한 연구가 진행되고 있으나, 정확한 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀 지지 않아 항균력 효율이 떨어지는 실정이다. 일반적으로 받아들여지는 메커니즘은 ZnO 나노 입자의 표면으로부터의 활성산소종의 생성에 의한 항균력이다. 활성산소종은 반응성 수산화기 라디칼(OH), 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼(O2-) 및 과산화수소(H2O2) 등을 포함한다. ZnO의 표면에 있는 이 종들은 압도적인 산화 스트레스를 유발할 수 있으며 결국 DNA나 세포막을 손상시켜 세포 사멸을 초래하는 것으로 알려져 있다. Zinc oxide nanoparticles have been reported to exhibit excellent activity in resistant strains, toxicity and thermal stability of microbial pathogens. However, many researchers are currently conducting research to find out the antibacterial mechanism of ZnO nanoparticles, but the exact mechanism is still not clearly revealed, so the antimicrobial efficiency is inferior. A generally accepted mechanism is the antimicrobial activity due to the generation of reactive oxygen species from the surface of ZnO nanoparticles. The reactive oxygen species include reactive hydroxyl radical (OH), superoxide anion radical (O2-), hydrogen peroxide (H2O2), and the like. These species on the surface of ZnO are known to cause overwhelming oxidative stress, eventually damaging DNA or cell membranes, leading to cell death.

항균력 향상 여부를 확인하기 위해서는 항균력 테스트가 수행되어야 하는데 미생물을 이용한 시험의 특성상 많은 시간과 비용이 소요되어 빠른 연구수행에 장애가 되고 있다. In order to confirm whether or not the antibacterial activity is improved, an antibacterial activity test must be performed, but due to the nature of the test using microorganisms, it takes a lot of time and cost, which is an obstacle to rapid research.

대한민국 등록특허 1882379호는 이산화티타늄(TiO2) 및 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO)를 함유시킨 후 섬유화되어 형성되는 항균 및 자외선 차단 성능이을 갖는 폴리에스테르 섬유를 개시한다. 그러나 이는 단순히 금속산화물의 첨가에 의한 항균성능을 나타내는 것으로, 항균력 비교 및 선택에 어려움이 있다. Republic of Korea Patent No. 1882379 discloses a polyester fiber having antibacterial and UV-blocking properties formed by fiberization after containing zinc oxide (ZnO) doped with titanium dioxide (TiO2) and aluminum (Al). However, this simply shows the antibacterial performance by the addition of a metal oxide, and it is difficult to compare and select the antibacterial activity.

따라서, 효율적인 항균력 비교 및 이를 통한 기준값 이상 항균력을 지니는 나노입자의 선택을 보다 간단히 수행할 수 있는 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method capable of performing an efficient comparison of antimicrobial activity and selection of nanoparticles having an antimicrobial activity more than a reference value through this.

대한민국 등록특허 1882379호Korean Patent Registration No. 1882379

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, ZnO 및 표면 염기성이 조절된 ZnO 시료 등 미리 정한 항균력을 지니는 나노입자보다 항균력이 뛰어난 나노입자를 선택하는 방법을 제공하고자 한다.The present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method of selecting nanoparticles having superior antibacterial activity over nanoparticles having a predetermined antibacterial activity, such as ZnO and ZnO samples with controlled surface basicity.

본 발명은 산화아연을 포함하는 나노재료의 항균력과 pH 및 표면 양성자 전도도의 상관관계를 활용하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법으로, 상기 방법은 pH 값, 양성자 전도도 값 및 항균력 값을 알고 있는 입자를 기준 나노입자로 선택하는 단계; 서로 다른 복수개의 나노입자를 비교 나노입자 그룹으로 준비하는 단계; 상기 기준 나노입자를 증류수에 분산시켜 pH 값을 측정하는 단계; 상기 기준 나노입자의 임피던스를 측정하여 양성자 전도도 값을 도출하는 단계; 상기 비교 나노입자 그룹의 서로 다른 복수개의 나노입자에 대해 pH 값과 양성자 전도도 값을 각각 측정하고 도출하는 단계; 및 상기 비교 나노입자 그룹의 복수개 나노입자 중 상기 기준 나노입자보다 pH 값과 양성자 전도도 값이 높은 나노입자를 선별하여 항균력이 높은 나노입자로 선택하는 단계를 포함하는, pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법을 제공한다. The present invention relates to a method of utilizing the correlation between the antimicrobial activity of nanomaterials containing zinc oxide and pH and surface proton conductivity. The present invention is a method for selecting nanoparticles with high antimicrobial activity using pH and proton conductivity values, the method comprising: selecting particles with known pH values, proton conductivity values, and antibacterial activity values as reference nanoparticles; Preparing a plurality of different nanoparticles as a comparison nanoparticle group; Dispersing the reference nanoparticles in distilled water to measure a pH value; Measuring the impedance of the reference nanoparticles to derive a proton conductivity value; Measuring and deriving a pH value and a proton conductivity value for a plurality of different nanoparticles of the comparative nanoparticle group; And selecting a nanoparticle having a higher pH value and a proton conductivity value than the reference nanoparticle among a plurality of nanoparticles of the comparative nanoparticle group to select a nanoparticle having a high antibacterial activity. It provides a method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity.

본 발명은 또한, 상기 나노입자의 크기는 10 nm 내지 20 nm 인, pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법 제공한다.The present invention also provides a method for selecting nanoparticles with high antimicrobial activity using pH and proton conductivity values, wherein the size of the nanoparticles is 10 nm to 20 nm.

본 발명은 또한, 상기 기준 나노입자는 산화아연, Mg 도핑된 산화아연 또는 Ca 도핑된 산화아연인, pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법을 제공한다.The present invention also provides a method for selecting nanoparticles with high antimicrobial activity using zinc oxide, Mg-doped zinc oxide, or Ca-doped zinc oxide, and pH and proton conductivity values.

본 발명의 pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법은 새로운 나노 입자의 항균력을 직접 측정하지 않고도, 비용이 적게 들면서 간단한 pH값 및 양성자 전도도 값을 측정하여 미리 항균력을 알고 있는 기준 입자의 pH 및 양성자 전도도 값과 비교하여 원하는 값 이상의 항균력을 가진 나노입자를 용이하게 선택할 수 있다. The method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity using the pH and proton conductivity values of the present invention is a standard particle whose antibacterial activity is known in advance by measuring a simple pH value and proton conductivity value at low cost without directly measuring the antibacterial activity of the new nanoparticles. Compared with the pH and proton conductivity values of, it is possible to easily select nanoparticles with antimicrobial activity above the desired value.

도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 도핑되지 않은 ZnO와 2 mol % Mg, Ca가 도핑 된 ZnO 나노 입자를 800℃에서 소결한 후의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 분쇄 된 (a) 도핑되지 않은 ZnO, (b) Mg 도핑 된 ZnO 및 (c) Ca 도핑 된 ZnO 분말의 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 산화 및 환원 분위기에서의 다공성 ZnO의 온도에 따른 전기 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 (a) 미처리 대조군, (b) 산화된 ZnO 및 (c) 환원된 ZnO 나노입자의 저지원법(inhibition zone test) 분석 사진이며, (e)는 (b) 및 (c)의 inhibition zone 차이를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 구현예에 따른 (a) ZnO, MgO 및 CaO의 원소 산화물의 pH 값 비교, (b) 도핑된 ZnO의 표면 염기성 변화, (c) 도핑된 산화물의 pH와 표면 염기성의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 구현예에 따른 습윤 분위기 하에서 열처리 후, (a) 도핑되지 않은 ZnO, Mg 및 Ca 도핑 ZnO의 NMR 스펙트럼 및 (b) ZnO 나노 입자 표면에서 결합 성질에 따른 OH를 도식화한 것이다.
도 7은 본 발명의 한 구현예에 따른 NMR 스펙트럼에서 얻은 두 세트의 피크 (IH2 / IH1)의 강도 비율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 한 구현예에 따른 (a) 고밀도 ZnO, (b) 다공성 ZnO, (c) Mg 도핑된 ZnO 및 (d) Ca 도핑된 ZnO의 전기 전도도에 대한 온도 의존성 그래프이며, (e) 건조 및 습한 조건에서의 ZnO의 임피던스 스펙트럼이다.
도 9는 본 발명의 한 구현예에 따른 (a) 미처리 대조군 (b) ZnO 나노 입자, (c) Mg 도핑된 ZnO 나노입자 및 (d) Ca 도핑된 ZnO 나노 입자의 항균력 저지원법(inhibition zone test) 분석 사진이다. (e)는 도핑에 따른 inhibition zone의 차이를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 한 구현예에 따른 400℃에서 염기도에 따른 측정된 항균 활성 및 양성자 전도도의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.1 shows an XRD pattern after sintering undoped ZnO, 2 mol% Mg, and Ca-doped ZnO nanoparticles at 800°C according to an embodiment of the present invention.
2 is a TEM image of pulverized (a) undoped ZnO, (b) Mg-doped ZnO, and (c) Ca-doped ZnO powder according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing electrical conductivity according to temperature of porous ZnO in an oxidizing and reducing atmosphere according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of an inhibition zone test analysis of (a) untreated control, (b) oxidized ZnO and (c) reduced ZnO nanoparticles according to an embodiment of the present invention, (e) is (b) ) And (c).
5 is a comparison of (a) pH values of elemental oxides of ZnO, MgO and CaO, (b) change in surface basicity of doped ZnO, (c) pH and surface basicity of doped oxides according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the correlation.
6 is a schematic diagram of OH according to binding properties on the surface of (a) undoped ZnO, Mg, and Ca-doped ZnO after heat treatment in a humid atmosphere according to an embodiment of the present invention and (b) ZnO nanoparticles will be.
7 is a graph showing changes in intensity ratios of two sets of peaks (IH2 / IH1) obtained from an NMR spectrum according to an embodiment of the present invention.
8 is a temperature dependence graph on the electrical conductivity of (a) high-density ZnO, (b) porous ZnO, (c) Mg-doped ZnO and (d) Ca-doped ZnO according to one embodiment of the present invention, (e ) Impedance spectrum of ZnO in dry and humid conditions.
9 is a method for inhibiting the antimicrobial activity of (a) untreated control (b) ZnO nanoparticles, (c) Mg-doped ZnO nanoparticles and (d) Ca-doped ZnO nanoparticles according to an embodiment of the present invention. ) It is an analysis picture. (e) shows the difference in inhibition zone according to doping.
10 is a graph showing a correlation between measured antimicrobial activity and proton conductivity according to basicity at 400° C. according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Prior to the detailed description of the present invention, terms or words used in the present specification and claims to be described below should not be construed as being limited to their conventional or dictionary meanings. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, and thus various It should be understood that there may be equivalents and variations. Here, in all drawings for explaining the embodiment of the present invention, those having the same function are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.

한 양태에서 본 발명은 pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법으로, 상기 방법은 pH 값, 양성자 전도도 값 및 항균력 값을 알고 있는 입자를 기준 나노입자로 선택하는 단계; 서로 다른 복수개의 나노입자를 비교 나노입자 그룹으로 준비하는 단계; 상기 기준 나노입자를 증류수에 분산시켜 pH 값을 측정하는 단계; 상기 기준 나노입자의 임피던스를 측정하여 양성자 전도도 값을 도출하는 단계; 상기 비교 나노입자 그룹의 서로 다른 복수개의 나노입자에 대해 pH값과 양성자 전도도 값을 각각 측정하고 도출하는 단계; 및 상기 비교 나노입자 그룹의 복수개 나노입자 중 상기 기준 나노입자보다 pH값과 양성자 전도도 값이 높은 나노입자를 선별하여 항균력이 높은 나노입자로 선택하는 단계를 포함한다. In one aspect, the present invention is a method for selecting nanoparticles with high antimicrobial activity using pH and proton conductivity values, the method comprising: selecting particles with known pH values, proton conductivity values, and antibacterial activity values as reference nanoparticles; Preparing a plurality of different nanoparticles as a comparison nanoparticle group; Dispersing the reference nanoparticles in distilled water to measure a pH value; Measuring the impedance of the reference nanoparticles to derive a proton conductivity value; Measuring and deriving a pH value and a proton conductivity value for a plurality of different nanoparticles of the comparison nanoparticle group; And selecting a nanoparticle having a higher pH value and a proton conductivity value than the reference nanoparticle among the plurality of nanoparticles of the comparative nanoparticle group as nanoparticles having high antibacterial activity.

본 발명의 제1 나노입자로는 생체친화성과 항균성을 동시에 지니는 산화아연 나노입자를 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서 항균성 나노 입자는 미생물 병원균의 내성 균주, 독성 및 열 안정성에 탁월한 활성을 나타낼 수 있다. 본 발명의 산화아연 나노입자는 알칼리 토금속을 도핑함에 따라 pH, 양성자 전도도 등 물성이 변화하는 것에 근거하여 간단한 측정만으로도 해당 나노입자의 항균력을 비교하고 항균력이 높은 나노입자를 선택할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 나노입자의 크기는 10 nm 내지 20 nm이다.As the first nanoparticles of the present invention, zinc oxide nanoparticles having both biocompatibility and antibacterial properties may be used. In one embodiment of the present invention, the antimicrobial nanoparticles may exhibit excellent activity in resistant strains, toxicity and thermal stability of microbial pathogens. The zinc oxide nanoparticles of the present invention can compare the antibacterial activity of the corresponding nanoparticles and select the nanoparticles with high antibacterial activity based on changes in physical properties such as pH and proton conductivity as the alkaline earth metal is doped. In one embodiment of the present invention, the size of the nanoparticles is 10 nm to 20 nm.

나노 입자가 항균작용(antimicrobial activities)의 특성을 가지기 위해서는 나노입자의 소재, 형태, 크기, pH, 표면적 및 입도분포 등의 물리ㆍ화학적인 특성이 중요한 영향을 미치게 된다. 일반적으로 산화아연 표면에서의 활성산소종에 의한 항균효과가 가장 설득력있으며, 활성산소종의 생성은 다음과 같은 순서로 나타낼 수 있다. In order for nanoparticles to have antimicrobial activities, physical and chemical properties such as material, shape, size, pH, surface area and particle size distribution of nanoparticles have an important influence. In general, the antimicrobial effect of reactive oxygen species on the surface of zinc oxide is most convincing, and the generation of reactive oxygen species can be expressed in the following order.

O₂ + e^- → ^ㆍO₂ ^- (1)O ₂ + e ^- → ^and O ₂ ^- (1)

^ㆍO2^- + H₂O → ^ㆍHO₂ + OH^- (2) ^And O2 ^- + H ₂ O → ^and HO ₂ + OH ^- ₍₂₎

^ㆍHO₂ + ^ㆍHO₂ → H₂O₂ (3) ^ㆍ HO ₂ + ^ㆍ HO ₂ → H ₂ O ₂ (3)

H₂O₂ + ^ㆍO₂ ^- → O₂ + ^ㆍOH + OH^- (4)H ₂ O ₂ + ^and O ₂ ^- → O ₂ + ^and OH + OH ^- (4)

여기서 ㆍ는 라디칼 종을 나타낸다. 이러한 순차적인 반응에 기초하여, 최종 반응 생성물인 OH- 및 전자 담체 (H+ 또는 e-)의 형성이 항균활성에 중요한 역할을 하는 것으로 예측되고 있다. 산화아연 또는 산화아연를 포함하는 나노 입자는 OH-의 형성에 의해 물 분자의 해리 흡착에 의해 많은 화학 반응을 촉매한다는 보고가 있다. 따라서 산화아연의 표면 양성자는 항균 활성과 밀접한 관계가 있는 것으로 예측할 수 있다. Tocci et. al. 는 ZnO의 표면이 주변 대기 하에서 단층 또는 다층 수 구조에 의해 수화 될 수 있으며, 금속 산화물 표면을 따라 양성자 이동에 기여할 수 있다고 보고했다(Tocci, G.; Michaelides, A. The journal of physical chemistry letters 2014, 5, 474.). 금속 산화물 표면에 H2O의 흡착이 일어나고 흡착 된 물은 해리되어 표면에 수산기를 형성하고 흡착 된 H2O 분자와 해리 된 수산기는 표면에 수소 결합으로 결합되어있다. 이어서, 수산기는 나노 입자상의 흡착 된 H2O를 통해 이동할 수 있다.Where 占 represents a radical species. Based on this sequential reaction, it is predicted that the formation of the final reaction product, OH- and electron carrier (H+ or e-), plays an important role in antibacterial activity. It has been reported that zinc oxide or nanoparticles containing zinc oxide catalyze many chemical reactions by dissociation and adsorption of water molecules by formation of OH-. Therefore, it can be predicted that the surface proton of zinc oxide is closely related to the antibacterial activity. Tocci et. al. Reported that the surface of ZnO can be hydrated by monolayer or multilayer water structures in the surrounding atmosphere and contribute to proton migration along the metal oxide surface (Tocci, G.; Michaelides, A. The journal of physical chemistry letters 2014 , 5 , 474.). The adsorption of H2O occurs on the surface of the metal oxide, the adsorbed water dissociates to form a hydroxyl group on the surface, and the adsorbed H2O molecule and the dissociated hydroxyl group are bonded to the surface by hydrogen bonds. Subsequently, the hydroxyl groups can move through the adsorbed H2O on the nanoparticles.

본 발명의 일 구현예에서는 나노입자 표면의 염기성 변화와 항균력 변화가 일정한 상관관계를 가지는 성질을 활용한다. 보다 구체적으로 나노입자에 알칼리 토금속을 도핑함에 따라 나노입자의 pH 및 입자표면의 이동성 OH^-에 의한 양성자 전도도값이 변화하면 이에 따라 항균력도 변화하는 것을 관찰할 수 있으므로 이 관계를 나노입자 비교 선택에 활용할 수 있다. 또한, 양성자 전도도에 따른 항균 활성관계 또한 비례관계에 있음을 규명하여 이를 고 항균력 나노입자 선택에 활용한다. 즉 양성자 전도도에 비례하는 항균력의 상관관계를 고 항균력 나노입자 선택에 활용한다. 본 발명의 한 구현예에서 상기 기준 나노입자로 산화아연, 마그네슘을 도핑한 산화아연 및 칼슘을 도핑한 산화아연에서 선택되는 하나로 설정하고, 측정된 기준 나노입자의 pH 값과 양성자 전도도 값보다 높은 나노입자를 선택하는 것이 가능하다. 즉, 산화아연 등의 기준 나노입자보다 고 항균력을 지니는 나노입자를 항균력 측정을 하지 않고도 선택하는 것이 가능하다. 상기 항균력이 높은 나노입자는 저지원법 등과 같은 항균력 테스트를 수행하여 항균력을 비교한 결과와 동일한 결과를 갖는다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 기준 나노입자는 산화아연, Mg 도핑된 산화아연 또는 Ca 도핑된 산화아연을 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a property having a constant correlation between a change in basicity and a change in antimicrobial activity on the surface of a nanoparticle is utilized. On the lower the proton conductivity changes thereto so antibacterial activity can also be observed that the variation comparison selection nanoparticle this relationship along ^by-more of the nanoparticles, as specifically doped with an alkaline earth metal in nanoparticle pH and particle surface mobility OH of Can be utilized. In addition, it was found that the antimicrobial activity relationship according to the proton conductivity was also proportional, and this was used for the selection of nanoparticles with high antibacterial activity. That is, the correlation of the antibacterial activity proportional to the proton conductivity is utilized for the selection of nanoparticles with high antibacterial activity. In one embodiment of the present invention, the reference nanoparticle is set to one selected from zinc oxide, magnesium-doped zinc oxide, and calcium-doped zinc oxide, and is higher than the measured pH value and proton conductivity value of the reference nanoparticle. It is possible to choose the particles. That is, it is possible to select nanoparticles having higher antibacterial activity than standard nanoparticles such as zinc oxide without measuring the antibacterial activity. The nanoparticles having high antimicrobial activity have the same results as the results of comparing the antibacterial activity by performing an antibacterial activity test such as a low-presence method. In one embodiment of the present invention, as the reference nanoparticles, zinc oxide, Mg-doped zinc oxide, or Ca-doped zinc oxide may be used.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 항균력 값을 알고 있는 나노입자의 pH값과 양성자 전도도를 비교하는 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, in order to aid understanding of the present invention, an example is presented in which the pH value of nanoparticles with known antibacterial activity values and proton conductivity are compared. However, the following examples are provided for easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

실시예 1 실험방법Example 1 Experimental method

1-1. 산화아연 및 도핑된 산화아연 합성1-1. Synthesis of zinc oxide and doped zinc oxide

산화아연을 포함하는 세라믹 재료의 항균 활성을 비교하기 위해 산화아연 및 도핑된 산화아연을 합성하였다. 순수 ZnO와 2 mol % Mg 또는 Ca가 도핑된 산화아연(이하 ZMO와 ZCO)는 변형된 페치니(Pechini)법으로 합성하였다. 질산아연 육수화물(Zn (NO3) 2 · 6H2O) 98 mol%과 각각 질산 마그네슘 육수화물 (Mg (NO3) 2 · 6H2O) 또는 질산 칼슘(Ca (NO3) 2 · 4H2O) 2mol% 씩을 증류수에 각각 녹인 후, 구연산을 킬레이트제로서 첨가하여 겔을 제조하였다. 상기 겔을 450℃로 가열하여 유기물을 제거하고, 분당 3℃씩 온도를 상승시켜 800℃에서 6시간 동안 소결하였다. 생성된 분말을 300 rpm에서 30분 milling, 15분 대기(wait)를 한 사이클로 총 24cycle의 유성 분쇄(planetary mill)를 수행하고 80℃ 오븐에 건조시킨 후 sieving 하여 Zn_0.98Mg_0.02O (ZMO)와 Zn_0.98Ca_0.02O (ZCO) 나노입자를 수득하였다.Zinc oxide and doped zinc oxide were synthesized to compare the antimicrobial activity of ceramic materials including zinc oxide. Pure ZnO and zinc oxide doped with 2 mol% Mg or Ca (hereinafter, ZMO and ZCO) were synthesized by a modified Pechini method. 98 mol% of zinc nitrate hexahydrate (Zn (NO3) 2 · 6H2O) and 2 mol% of magnesium nitrate hexahydrate (Mg (NO3) 2 · 6H2O) or calcium nitrate (Ca (NO3) 2 · 4H2O) are dissolved in distilled water, respectively. Thereafter, citric acid was added as a chelating agent to prepare a gel. The gel was heated to 450° C. to remove organic matter, and the temperature was increased by 3° C. per minute, followed by sintering at 800° C. for 6 hours. The resulting powder was milled at 300 rpm for 30 minutes and a total of 24 cycles of planetary milling was performed in one cycle for 15 minutes waiting, dried in an oven at 80°C, and sieving to obtain Zn _0.98 Mg _0.02 O (ZMO) and Zn _0.98 Ca _0.02 O (ZCO) nanoparticles were obtained.

고밀도 시료를 얻기 위해 120MPa에서 냉간 정수압 프레스(cold isostatic pressing (CIP))를 수행하고 1000kgf/cm²에서 일축 압축으로 다공성 펠렛(ρ ~ 50-60%)을 수득하였다. 전도도 측정을 수행하기 위해 상기 다공성 펠렛은 3시간 동안 800℃에서 소결되었으며, 1550℃에서 3시간 동안 소성하여 완전히 조밀한 산화아연 및 도핑된 산화아연 펠렛(ρ> 95%)을 각각 얻었다. 입자 성장을 최소화하기 위해 소결 시간은 3시간으로 고정하였다.To obtain a high-density sample, cold isostatic pressing (CIP) was performed at 120 MPa, and porous pellets (ρ ~ 50-60%) were obtained by uniaxial compression at 1000 kgf/cm ² . In order to perform the conductivity measurement, the porous pellets were sintered at 800° C. for 3 hours and fired at 1550° C. for 3 hours to obtain completely dense zinc oxide and doped zinc oxide pellets (ρ> 95%), respectively. In order to minimize particle growth, the sintering time was fixed at 3 hours.

1-2. 특성분석방법1-2. Characteristic analysis method

X 선 회절 (XRD) 장비(JP / SmartLab, Rigaku, Japan)와 Cu Kα 선을 사용하여 상온에서 분말 소결된 샘플의 X 선 회절 분석을 수행하였다. 평균 입자 크기는 Scherrer의 방정식으로 추정하였다. X-ray diffraction analysis of the powder sintered sample at room temperature was performed using an X-ray diffraction (XRD) equipment (JP / SmartLab, Rigaku, Japan) and Cu Kα ray. The average particle size was estimated by Scherrer's equation.

투과 전자 현미경(TEM)을 이용하여 나노 입자의 미세 구조 및 입도를 확인하였다. The microstructure and particle size of the nanoparticles were confirmed using a transmission electron microscope (TEM).

비교예로서 각각의 원료 분말 ZnO, MgO 및 CaO의 pH는 pH 미터를 사용하여 분말로 완전히 포화시킨 수용액에서 측정하였다. 증류수 내 분말 함량 증가에 따른 pH 변화를 모니터링하고 포화점을 기록하였다. Mg와 Ca의 도핑에 의한 염기성의 변화는 Bromthymol blue (B.T.B) 적정법에 의해 측정하였다. 상기 B.T.B 측정은 Tanabe, K.; Yamaguchi, T. Journal of the Research Institute for Catalysis Hokkaido University 1964, 11, 179.를 참고하여 측정하였다. 산화물 분말(0.5g), 벤젠(20ml) 및 브롬 티몰 블루(B.T.B) 지시약 용액 1ml의 혼합물을 0.1N 벤조산으로 적정하고 표면 염기도 값을 pH로 전환시켰다. 끝점은 모든 초록색이 사라지는 지점으로 결정되었다.As a comparative example, the pH of each raw material powder ZnO, MgO and CaO was measured in an aqueous solution completely saturated with the powder using a pH meter. The pH change according to the increase in the powder content in distilled water was monitored and the saturation point was recorded. The change of basicity due to doping of Mg and Ca was measured by the Bromthymol blue (B.T.B) titration method. The B.T.B measurement was performed by Tanabe, K.; Yamaguchi, T. Journal of the Research Institute for Catalysis Hokkaido University 1964, 11, 179. A mixture of oxide powder (0.5 g), benzene (20 ml) and 1 ml bromine thymol blue (B.T.B) indicator solution was titrated with 0.1N benzoic acid and the surface basicity value was converted to pH. The end point was determined as the point where all green color disappeared.

습한 분위기에서 열처리를 수행한 시료에 대해 25 kHz에서 30 kHz의 MAS 주파수로 1H MAS-NMR 분석을 수행하였다. 글리신을 표준 용액으로 사용하였다. 열처리와 도핑에 의한 특성의 변화를 모아 보고된 문헌과 비교하였다. 습윤 샘플은 습윤 공기(P_H2O = 0.023 atm) 하에서 800℃/30분, 300℃/10h 및 30℃/5h의 순차적 열처리에 의해 제조되었다.1H MAS-NMR analysis was performed on the samples subjected to heat treatment in a humid atmosphere at a MAS frequency of 25 kHz to 30 kHz. Glycine was used as the standard solution. Changes in properties due to heat treatment and doping were collected and compared with the reported literature. Wet samples were prepared by sequential heat treatment at 800° C./30 min, 300° C./10 h and 30° C./5 h under humid air (P H _{2 O} = 0.023 atm).

전기 전도도는 위해 직경이 ~ 9.6mm 인 CIP 및 고밀도 ZnO 펠렛을 가진 다공성 펠렛을 사용하였으며, 진폭 50 mV의 임피던스 분석기(SP240, Bio-Logic Science Instruments, France)를 사용하여 건조 및 습한 분위기(P_H2O = 0.023 atm) 하에서 4-프로브 법으로 실온 내지 500℃까지의 온도 범위 및 0.1Hz에서 1MHz 사이의 주파수 범위에서 측정하였다. For electrical conductivity, porous pellets with CIP and high-density ZnO pellets with a diameter of ~ 9.6 mm were used, and an impedance analyzer (SP240, Bio-Logic Science Instruments, France) with an amplitude of 50 mV was used to obtain a dry and humid atmosphere (P _H2O). = 0.023 atm) by a 4-probe method in a temperature range from room temperature to 500°C and a frequency range from 0.1 Hz to 1 MHz.

항균 활성은 배양 배지상의 시험 유기체에 대한 분말 확산 방법에 의해 결정되었다. 항균 실험을 위해 대장균(ATCC 8739) (그람-음성 박테리아)과 루리아-베르타니(LB)를 표적 유기체 및 배양 배지로 각각 선택하였다. 실험 전에 모든 재료와 디스크를 오토 클레이브에서 멸균하였다. 특정한 제어 배양을 위해 준비된 분말 ZnO, Mg 도핑된 ZnO 및 Ca 도핑된 ZnO를 200rpm의 쉐이커 배양기에서 37℃에서 20시간 동안 준비된 LB 배지의 계대배양액을 혼합하였다. 콜로니를 세기 위해 LB 한천 배지를 사용하여 준비한 페트리 접시에 대장균과 LB 50㎕를 첨가하였다. 박테리아를 멸균 유리 막대를 사용하여 분무하고 37℃에서 20시간 동안 배양하고 20시간 배양 후 콜로니를 정량화하였다.Antimicrobial activity was determined by the method of powder diffusion to the test organism on the culture medium. For the antibacterial experiment, E. coli (ATCC 8739) (Gram-negative bacteria) and Luria-Bertani (LB) were selected as target organisms and culture media, respectively. All materials and disks were sterilized in an autoclave before the experiment. Powder ZnO, Mg-doped ZnO, and Ca-doped ZnO prepared for a specific control culture were mixed with the passage culture solution of LB medium prepared for 20 hours at 37°C in a shaker incubator at 200 rpm. To count colonies, E. coli and 50 µl of LB were added to a Petri dish prepared using LB agar medium. The bacteria were sprayed using a sterile glass rod, incubated at 37° C. for 20 hours, and colonies were quantified after 20 hours incubation.

실시예 2 결과분석Example 2 result analysis

2-1. 위상 분석2-1. Phase analysis

도 1은 도핑되지 않은 ZnO와 2 mol % Mg, Ca가 도핑 된 ZnO 나노 입자를 800℃에서 소결한 후의 XRD 패턴을 나타낸다. 반사는 ICDD 데이터 [PDF 36-1451]를 참조하여 P63mc 공간 그룹을 갖는 ZnO의 wurzite 구조에 대한 전형적인 특징으로 나타났다. 패턴은 Mg2 + 또는 Ca2 +의 도핑에 의한 2차상으로부터의 반사를 나타내지 않았다. 고용체(solid solution)의 형성에 의한 Mg2 + (0.72Å) 또는 Ca2 + (~ 1Å) - 도핑 ZnO의 피크의 이동은 극히 소량의 도판트 농도가 원인일 수 있으며 거의 무시할 수 있다. 또한, Mg 도핑 ZnO의 경우에 Mg2 + (0.72Å)의 이온 반경은 Zn2 + (~ 0.74Å)와 거의 유사하게 나타났으며 MgO와 CaO 2 mol %가 ZnO와 고용체를 형성하는 것을 확인하였다.1 shows the XRD pattern after sintering undoped ZnO, 2 mol% Mg, and Ca-doped ZnO nanoparticles at 800°C. The reflection was shown as a typical feature for the wurzite structure of ZnO with P63mc space group referring to ICDD data [PDF 36-1451]. The pattern did not show reflection from the secondary phase by doping with Mg2+ or Ca2+. The shift of the peak of Mg2 + (0.72Å) or Ca2 + (~ 1Å) -doped ZnO due to the formation of a solid solution may be due to a very small dopant concentration and is almost negligible. In addition, in the case of Mg-doped ZnO, the ionic radius of Mg2 + (0.72Å) was almost similar to that of Zn2 + (~0.74Å), and it was confirmed that 2 mol% of MgO and CaO formed a solid solution with ZnO.

Scherrer의 방정식과 미세 구조 분석으로 계산된 입자 크기는 표 1에 나타냈다. XRD에서 얻은 ZnO와 Mg, Ca 도핑 ZnO의 평균 입자 크기는 각각 ~ 12.13, 11.21 및 11.74nm였다. 이 분말은 그림 2와 같이 TEM 이미지에서 응집현상으로 인해 평균 입자 크기는 ~ 10-20 nm로 나타났다. TEM에서 비롯된 입자 크기는 XRD의 결과와 일치하였다. 이러한 결과는 입자 크기 분포가 이전에 보고된 항균성 연구 에서의 입자 사이즈와 거의 유사 균일한 입자 크기 분포(~ 10-20 nm)가 얻어진 것으로, 입자 크기가 항 박테리아 활성을 조사하기에 충분하한 것으로 판단된다. The particle sizes calculated by Scherrer's equation and microstructure analysis are shown in Table 1. The average particle sizes of ZnO and Mg, Ca-doped ZnO obtained from XRD were ~ 12.13, 11.21 and 11.74 nm, respectively. As shown in Figure 2, the average particle size of this powder was ~ 10-20 nm due to agglomeration in the TEM image. The particle size from TEM was consistent with the results of XRD. These results indicate that a uniform particle size distribution (~10-20 nm) was obtained, with the particle size distribution almost similar to the particle size in previously reported antibacterial studies, and the particle size was judged to be sufficient to investigate antibacterial activity. do.

[표 1][Table 1]

2-2. 항균 활성에 대한 전자 전도도의 증가 효과 분석2-2. Analysis of the effect of increasing electron conductivity on antibacterial activity

ZnO의 전자 전도도를 증가시키기 위해, 입자는 500℃에서 수소 처리되었다. 산소 결핍은 다음 식에 의해 환원 분위기 하에서 도입되었다.To increase the electronic conductivity of ZnO, the particles were hydrogenated at 500°C. Oxygen depletion was introduced under reducing atmosphere by the following equation.

O_o ^x = 1 / 2O2 (g) + Vo ^ㆍㆍ w + 2e'O _o ^x = 1 / 2O2 (g) + Vo ^ㆍㆍ w + 2e'

열처리에 의한 입자 크기의 영향을 배제하기 위해 ZnO 나노 입자도 Ar 분위기에서 열처리하였다. 전자 결함의 발생을 확인하기 위해 전도도는 도 3에서와 같이 산화 (P_o2 = 10^-4 atm) 및 환원 분위기 (P_o2 ~ 10^-22 atm)에서 측정되었다. 전도도는 500℃에서 산화 및 환원 분위기에서 각각 ~ 6.8 × 10^-5 S / cm 및 ~ 1.1 S / cm로 나타났다. 시료가 완전히 조밀하지 않아(ρ ~ 50%), 산화 분위기에서의 전도도는 비슷한 P_o2 (Ar), ~ 97.5%의 밀도 ZnO의 ~ 5 × 10^-4 S / cm보다 낮게 나타났다. 시료가 환원 분위기에 노출될 때 전도도는 적어도 5배 이상 현저하게 향상되었다. 환원 분위기 하에서 전자가 본질적인 결함으로서 발상해는 것으로, 향상된 전도성은 전자 농도의 증가에 기인하는 것으로 판단된다.ZnO nanoparticles were also heat treated in an Ar atmosphere in order to exclude the effect of the particle size caused by the heat treatment. In order to confirm the occurrence of electronic defects, conductivity was measured in oxidation (P _o2 = 10 ^-4 atm) and reducing atmosphere (P _o2 ~ 10 ^-22 atm) as shown in FIG. 3. The conductivity was ~6.8 × 10 ^-5 S / cm and ~ 1.1 S / cm, respectively, in an oxidizing and reducing atmosphere at 500°C. Since the sample was not completely dense (ρ ~ 50%), the conductivity in the oxidizing atmosphere was lower than that of the similar P _o2 (Ar), ~ 97.5% density ZnO, ~ 5 × 10 ^-4 S / cm. When the sample was exposed to a reducing atmosphere, the conductivity was significantly improved by at least 5 times or more. It is believed that electrons are conceived as essential defects in a reducing atmosphere, and the improved conductivity is attributed to an increase in electron concentration.

전자 전도가 항균 활성에 미치는 영향을 조사하기 위해 산화 및 환원된 시료에 대해 저지원법(inhibition zone test)을 수행하였다. 도 4는 inhibition zone 시험결과로 (a)는 대조군 (b)는 산화된 ZnO, (c)는 환원된 ZnO를 처리한 저지원법 결과이다. 도 4 (d)는 산화 분위기와 환원 분위기 사이의 발육저지대(inhibition zone)의 차이를 나타낸다. 환원된 ZnO에 대한 실험예(c)는 산화된 ZnO(b)보다 약간 높은 값을 나타낸다. 이러한 결과는 전자 전도성의 증가에 의해 항균 활성이 향상되는 것을 나타낸다. 그러나 전자 전도도는 5배 이상 증가하지만 항균 활성의 향상은 미미한 것으로 나타났다. 그러나 본 연구에서는 전자 전도성의 향상이 항균 활성에 대해 중요하지 않다는 것이 확인되었다. 오히려, 양성자 전도도는 항균 활성에서보다 중요한 요소인 것으로 판단된다.In order to investigate the effect of electron conduction on antibacterial activity, an inhibition zone test was performed on the oxidized and reduced samples. 4 is an inhibition zone test result, where (a) is a control group (b) is an oxidized ZnO, and (c) is a reduced source method by treatment with reduced ZnO. Figure 4 (d) shows the difference in the growth inhibition zone (inhibition zone) between the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere. Experimental example (c) for reduced ZnO shows a slightly higher value than that of oxidized ZnO (b). These results indicate that the antimicrobial activity is improved by increasing the electron conductivity. However, the electron conductivity increased more than 5 times, but the improvement in antibacterial activity was found to be insignificant. However, in this study, it was confirmed that the improvement of the electronic conductivity is not important for the antibacterial activity. Rather, proton conductivity is considered to be an important factor than in antibacterial activity.

2-3. 항균 활성에 대한 양성자 전도도의 영향 분석2-3. Analysis of the effect of proton conductivity on antibacterial activity

표면 염기도는 항균 활성의 주요 인자로 고려되는 양성자성 캐리어의 형성과 직접적으로 관련되어 있기 때문에 화학적 도핑에 의한 pH 변화를 측정하였다. 도 5는 (a) 각 산화물(ZnO, MgO, CaO)의 pH 값의 비교, (b) 각 산화물(ZnO, ZMO, ZCO)의 표면 염기도의 비교 및 (c) ZnO의 표면 염기도에 대한 도핑 효과를 확인하기 위한 원소 산화물의 pH와 표면 염기성 사이의 상관 관계를 나타내는 그래프이다. ZnO의 pH는 약 8.4이며 MgO와 CaO의 값은 각각 ~ 10.4와 ~ 12.3로 측정되었고, 알칼리 토금속 산화물이 ZnO보다 더 강한 염기성을 나타냄을 나타내는 것을 확인하였다. 일반적인 알칼리 토금속의 염기성은 MgO < CaO < BaO의 순서로 금속의 질량이 증가함에 따라 증가한다. 2mol % Ba 도핑에도 불구하고, Ba 도핑 ZnO의 순수한 상을 얻을 수 없기 때문에 Ba 도핑된 ZnO 실험에서 제외하였다. Since surface basicity is directly related to the formation of protic carriers, which are considered as a major factor of antimicrobial activity, the pH change due to chemical doping was measured. 5 shows (a) comparison of pH values of each oxide (ZnO, MgO, CaO), (b) comparison of the surface basicity of each oxide (ZnO, ZMO, ZCO), and (c) doping effect on the surface basicity of ZnO It is a graph showing the correlation between the pH and surface basicity of an elemental oxide for confirming. The pH of ZnO was about 8.4, and the values of MgO and CaO were measured to be ~10.4 and ~12.3, respectively, and it was confirmed that alkaline earth metal oxides showed stronger basicity than ZnO. The basicity of a general alkaline earth metal increases as the mass of the metal increases in the order of MgO <CaO <BaO. In spite of the 2mol% Ba doping, the pure phase of Ba-doped ZnO could not be obtained, so it was excluded from the Ba-doped ZnO experiment.

시료의 염기성을 평가하기 위해 B.T.B 적정법을 수행 하였다. ZnO의 표면 염기도는 ~ 9.5이며, Mg와 Ca의 도핑에 의해 그 값이 증가하고, Ca 도핑 ZnO로부터 가장 높은 값이 측정되었다. 표면 염기성은 알칼리 토금속 도핑에 의해 pH가 증가함에 따라 선형 그래프(c)를 나타낸다. 따라서 ZnO의 표면 염기성은 Mg 및 Ca의 도핑에 의해 ZnO < ZMO < ZCO 순서로 향상되는 것을 확인하였다. In order to evaluate the basicity of the sample, a B.T.B titration method was performed. The surface basicity of ZnO was ~9.5, and the value increased by doping with Mg and Ca, and the highest value was measured from Ca-doped ZnO. The surface basicity shows a linear graph (c) as the pH increases due to alkaline earth metal doping. Therefore, it was confirmed that the surface basicity of ZnO was improved in the order of ZnO <ZMO <ZCO by doping with Mg and Ca.

증가된 OH 활성의 기원을 이해하기 위해, 1H MAS-NMR 분석이 추가적으로 수행하였다. 도 5 (a)는 습윤 분위기 하에서의 ZnO, ZMO 및 ZCO의 열처리 후의 NMR 스펙트럼이다. 먼저 샘플을 800℃에서 완전히 건조한 다음 300℃에서 10시간 동안 습식 O2에 노출시켜 완전히 수화된 샘플을 수득하였다. 샘플의 스펙트럼은 ~ 1.1 (H1), ~ 4.2 (H2) 및 ~ 5-9 (H0) ppm에서 적어도 세 가지 특징을 나타낸다. 일반적으로, 화학적 이동은 다양한 전자들과 함께 H 핵의 자기에 대한 차폐가 증가함에 따라 증가한다. 따라서 H가 O 또는 H₂O로 둘러싸여 있으면 화학적 이동이 증가한다. H0 양성자는 비교적 넓은 선을 나타낸다. 넓은 범위의 라인은 본드 길이 또는 강도의 큰 변화 때문일 수 있다. ZnO 표면에 H₂O가 흡착 된 표면은 결합 성질을 갖는 수소 결합을 형성 할 수 있으며, 따라서 H0는 표면의 H₂O에 기인한다. ~ 0 - 2 ppm에서 H1의 저주파수 공명의 감소는 500℃ 이상의 고온에서 발생하는 것으로 보고되어었다. 따라서, H1의 공명은 표면에 고정되어 움직이지 않는 OH에 할당 된 ZnO의 산소 결손에 포획된 H에 기인할 수 있다. H2 특징은 습한 분위기 처리에 의해 급격한 증가를 보이는데, 이는 습윤 된 ZnO의 표면상의 고정된 수산기와 표면 H₂O 사이의 OH에 기인한다. 도 6(b)를 참조하면 금속 산화물 표면의 H의 유형은 세가지로, 상온의 표면에서 약한 결합력이 있고 이동성이 있는 자유 H2O 분자 (H0), 수소 결합 H2O 분자 (H2) 및 표면 고정된 수산기 (H1)에 각각 기인한다.In order to understand the origin of the increased OH activity, 1H MAS-NMR analysis was additionally performed. Fig. 5(a) is an NMR spectrum of ZnO, ZMO, and ZCO after heat treatment in a humid atmosphere. First the sample was completely dried at 800° C. and then exposed to wet O 2 at 300° C. for 10 hours to obtain a fully hydrated sample. The spectrum of the sample exhibits at least three characteristics at ~1.1 (H1), ~4.2 (H2) and ~5-9 (H0) ppm. In general, the chemical shift increases as the magnetic shielding of the H nucleus increases with various electrons. Therefore, when H is surrounded by O or H ₂ O, the chemical shift increases. The H0 proton represents a relatively wide line. A wide range of lines may be due to large variations in bond length or strength. The surface on which H ₂ O is adsorbed on the ZnO surface can form hydrogen bonds with bonding properties, and therefore H 0 is attributed to H ₂ O on the surface. It has been reported that the decrease in the low frequency resonance of H1 at ~ 0-2 ppm occurs at high temperatures above 500°C. Hence, the resonance of H1 can be attributed to H trapped in the oxygen vacancies of ZnO assigned to OH fixed to the surface and not moving. H2 feature seems a sharp rise by the moist atmosphere treatment, due to OH between fixed on the surface of the wetted ZnO surface hydroxyl groups with H ₂ O. Referring to FIG.6(b), there are three types of H on the surface of the metal oxide, a free H2O molecule (H0), a hydrogen bonded H2O molecule (H2), and a surface-immobilized hydroxyl group ( Each is attributed to H1).

본 발명에서는 수산기의 항균 효과와 관련된 것으로, 습한 분위기 하에서 도펀트의 변화에 의한 H1 및 H2 강도의 변화에 초점을 맞추었다. 수산화기 형성에 대한 도핑의 효과를 이해하기 위해, 두 세트의 피크(IH2 / IH1)의 염기도에 따른 강도비를 도 7 그래프로 나타냈다. 강도 비율은 Mg 또는 Ca의 도핑에 의해 염기도가 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 표면 염기성의 향상이 ZnO의 화학적 도핑에 기인 한 것이라고 판단된다. 따라서 pH 분석과 1H-NMR에 근거하면 염기성 원소의 도핑에 의해 OH가 조절될 수 있는 것으로 판단된다. 본 발명에서는 H2(이동성 OH)가 항균 활성에 미치는 영향을 더욱 분석하였다.In the present invention, it is related to the antibacterial effect of hydroxyl groups, and focuses on changes in H1 and H2 intensities due to changes in dopants in a humid atmosphere. In order to understand the effect of doping on the formation of hydroxyl groups, the intensity ratio of the two sets of peaks (IH2 / IH1) according to the basicity is shown in a graph of FIG. 7. The strength ratio increased as the basicity increased by doping with Mg or Ca, which is considered to be due to the improvement of surface basicity due to chemical doping of ZnO. Therefore, based on pH analysis and 1H-NMR, it is judged that OH can be controlled by doping with basic elements. In the present invention, the effect of H2 (mobility OH) on the antibacterial activity was further analyzed.

ZnO 표면의 수산기에 기인 한 양성자 전도를 확인하기 위해 건조와 습윤 조건의 전도도 차이를 임피던스 분석을 통해 조사하였다. 도 8은 습한 분위기 에서의 (a) 조밀한 ZnO (b) 다공성 ZnO, (c) 다공성 Mg 도핑된 ZnO (ZMO) 및 (d) 다공성 Ca 도핑된 ZnO의 온도에 따른 전도성을 나타낸다. 총 전도율에 대한 양성자의 영향을 확인하기 위해, 밀도가 높은 샘플 (ρ> 95%)과 다공성 (ρ ~ 50%) 샘플의 전도도를 비교하였다. 표면 양성자를 밀도가 높은 샘플에서는 무시할 수 있다. (a)조밀한 ZnO의 전도성은 건조 대기 하에서 고온에서 저온으로 열적으로 활성화된 거동을 보인다. 또한, 습한 분위기에 노출되어 전도도의 변화는 거의 무시할 수 있으며 전도성은 두 조건 모두에서 n형 전자 전도에 의해 결정된다는 것을 나타낸다. (b)다공성 ZnO 시료는 전도도가 약 2배 정도 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 시료의 밀도가 낮기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 다공성 샘플의 전도도는 Mg 또는 Ca 도핑에 의해 감소되었다(c,d). 도펀트는 ZnO의 밴드 갭(band-gap)에서 깊은 트랩 준위를 형성하여 전자 전도도가 감소하는 것으로, 따라서 Mg 또는 Ca 도핑에 의한 전도도의 감소는 전자 전도도의 감소에 기인하는 것을 알 수 있다.In order to confirm the proton conduction due to hydroxyl groups on the ZnO surface, the difference in conductance between dry and wet conditions was investigated through impedance analysis. 8 shows the conductivity according to temperature of (a) dense ZnO (b) porous ZnO, (c) porous Mg-doped ZnO (ZMO) and (d) porous Ca-doped ZnO in a humid atmosphere. In order to confirm the effect of protons on the total conductivity, the conductivity of the sample with high density (ρ> 95%) and the sample with porosity (ρ ~ 50%) was compared. Surface protons are negligible in dense samples. (a) The conductivity of dense ZnO shows thermally activated behavior from high temperature to low temperature in a dry atmosphere. It also indicates that the change in conductivity due to exposure to a humid atmosphere is almost negligible, and that the conductivity is determined by n-type electron conduction under both conditions. (b) It was found that the conductivity of the porous ZnO sample was decreased by about 2 times, which is considered to be due to the low density of the sample. In addition, the conductivity of the porous sample was reduced by Mg or Ca doping (c,d). The dopant forms a deep trap level in the band-gap of ZnO, so that the electron conductivity decreases. Therefore, it can be seen that the decrease in the conductivity by Mg or Ca doping is due to the decrease in the electron conductivity.

다공성 샘플이 습한 대기에 노출되면 전도도의 증가는 500℃ 이하에서 관찰되며 전도도는 500℃ 이상의 건조한 대기와 습한 분위기에서 유사하게 나타났다. 저온(< 500℃)에서 전도도의 증가는 양성자 담체의 형성에 기인한다. 또한 도 8 (e)와 같이 습윤 분위기에 노출되어 300℃에서 ZnO의 임피던스(ρ ~ 50%)가 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 양성자 담체는 일반적으로 불안정하며 고온(> 500℃)에서 증발하는데, 이는 습윤 분위기 하에서의 전도성은 고온에서의 건조 분위기 하에서의 전도성과 유사한 조건이 될 수 있다. 도전성이 양성자 그룹에 의해 지배되어 있음에도 불구하고 250-350℃의 범위에서 전도성 전이 거동을 나타낸다. 결과는 적어도 두 가지 유형의 양성자 운반체가 있음을 나타내는 것으로 판단되며, 전도도는 350℃ 이상으로 온도가 상승함에 따라 증가하였다. 이는 이동성 OH에 의해 유도된 Grotthuss 전도 모델에 기초한 양성자 전도에 기인할 수 있다. 상기 전도도는 온도가 250℃ 이하로 낮아짐에 따라 증가한다. 이 전도는 표면 흡착된 물에 의한 양성자의 차량 수송으로 설명할 수 있으며, 이러한 전도도 결과는 NMR 분석 결과에서 관찰된 수소 결함과 일치하였다.When the porous sample was exposed to a humid atmosphere, an increase in conductivity was observed below 500°C, and the conductivity was similar in dry atmosphere above 500°C and humid atmosphere. The increase in conductivity at low temperatures (< 500° C.) is due to the formation of proton carriers. In addition, it was confirmed that the impedance (ρ ~ 50%) of ZnO at 300° C. was rapidly reduced by exposure to a humid atmosphere as shown in FIG. 8(e). Proton carriers are generally unstable and evaporate at high temperatures (> 500° C.), which allows the conductivity under a wet atmosphere to be similar to that under a dry atmosphere at high temperatures. Although the conductivity is dominated by the proton group, it exhibits a conductivity transition behavior in the range of 250-350°C. The results are judged to indicate that there are at least two types of proton transporters, and the conductivity increased with increasing temperature above 350°C. This may be due to proton conduction based on the Grotthuss conduction model induced by mobile OH. The conductivity increases as the temperature decreases below 250°C. This conduction can be explained by vehicle transport of protons by surface-adsorbed water, and these conductance results are consistent with the hydrogen defects observed in the NMR analysis results.

양성자 전도성과 항균 활성의 상관관계를 확인하기 위해 저지원법(inhibition zone test)을 수행하였다. 도 9는 (a) 대조군, (a) 도핑되지 않은 ZnO (b) Mg 도핑된 ZnO, 및 (c) Ca 도핑된 ZnO에 대한 실험 결과이다. 도핑 물질에 따른의 억제 영역에 대한 변화는 도 9 (e)에 나타냈다. OH- 생성에 의해 항균이 개선되면 억제 영역의 크기가 확장되는 것으로, 모든 실험예에서 억제영역이 확대되는 것을 확인하였으며 모든 분말이 대장균에 대한 항균 활성을 나타내었다. 그 중 도핑 된 ZnO 분말은 도핑되지 않은 ZnO보다 높은 항균 활성을 나타내었으며, Ca 도핑 된 ZnO가 가장 우수한 성능을 나타냈다. 이러한 결과는 양성자 전도도의 향상이 ZnO의 항균 활성을 향상시키는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 분명히 나타낸다. 하이드록시 라디칼의 표면 염기성과 증진된 확산 능력의 조합은 항균 활성의 향상과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다.To confirm the correlation between proton conductivity and antimicrobial activity, an inhibition zone test was performed. 9 shows experimental results for (a) control, (a) undoped ZnO (b) Mg-doped ZnO, and (c) Ca-doped ZnO. The change of the suppression region according to the doping material is shown in Fig. 9(e). When the antibacterial effect was improved by OH- production, the size of the inhibitory region was expanded, and it was confirmed that the inhibitory region was expanded in all experimental examples, and all powders showed antibacterial activity against E. Among them, doped ZnO powder showed higher antimicrobial activity than undoped ZnO, and Ca-doped ZnO showed the best performance. These results clearly indicate that the enhancement of proton conductivity plays a crucial role in enhancing the antimicrobial activity of ZnO. It is believed that the combination of the surface basicity of the hydroxy radical and the enhanced diffusion ability is closely related to the improvement of the antibacterial activity.

도 10은 400℃에서 염기도에 따른 측정된 항균 활성 및 양성자 전도도의 상관 관계를 나타내는 그래프이다. 습한 분위기와 건조한 분위기 사이의 전도도의 차이는 양성자 전도도로 간주될 수 있다. 항박테리아 활성은 표면의 자유 H2O 또는 고정된 OH에는 민감하지 않으나 이동성 OH에 민감한 것으로, 이는 표면 고정 된 OH는 산소 결손에 강하게 결합하고 표면 H2O는 중성종이기 때문이다. 반면에, 이동성 OH는 배양 배지를 통한 히드록실 라디칼의 확산을 촉진할 수 있기 때문에 항균 반응에 기여할 수 있다. 따라서 양성자 전도성에 대한 이동성 OH의 영향이 항균활성에 주요 역할을 하기 때문에 Mg나 Ca가 도핑된 ZnO의 습윤 조건과 건조 조건 간의 전도도의 차이는 400℃에서 추정될 수 있다. 전도도의 왜곡(skew)은 도핑에 의해 pH가 증가함에 따라 증가하며, 이는 OH^-의 농도가 Mg 또는 Ca 도핑에 의해 개선된다. 항 박테리아 활성은 또한 pH가 증가함에 따라 증가하여 항 박테리아 효과가 OH^- 형성과 강하게 연관되어 있음을 알 수 있으며, 따라서 알칼리 금속 이온 도핑(Mg2 + 또는 Ca2 +)은 OH- 농도를 증가시켜 우수한 항균활성을 나타낼 수 있다.10 is a graph showing the correlation between the measured antimicrobial activity and proton conductivity according to basicity at 400°C. The difference in conductivity between a humid atmosphere and a dry atmosphere can be considered as proton conductivity. The antibacterial activity is not sensitive to free H2O or immobilized OH on the surface, but is sensitive to mobile OH, because surface immobilized OH strongly binds to oxygen deficiency and surface H2O is a neutral species. On the other hand, mobile OH can contribute to an antibacterial reaction because it can promote the diffusion of hydroxyl radicals through the culture medium. Therefore, since the effect of mobile OH on proton conductivity plays a major role in antibacterial activity, the difference in conductivity between the wet and dry conditions of Mg or Ca-doped ZnO can be estimated at 400°C. The skew of the conductivity increases with increasing pH by doping, which is improved by the doping of Mg or Ca in the concentration of OH ⁻ . Antibacterial activity is also increased as the pH increases the antibacterial effect of OH ^- it can be seen that it is strongly associated with the formation, and thus the alkali metal ion-doped (Mg2 + or Ca2 +) increases the OH- concentration excellent antimicrobial It can show activity.

이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.Although the exemplary embodiments of the present application have been described in detail above, the scope of the present application is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present application defined in the following claims are also included in the scope of the present application. It belongs to.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, are used in the same sense as those of ordinary skill in the art generally understand in the related field of the present invention. The contents of all publications referred to herein by reference are incorporated into the present invention.

Claims (3)

pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법으로,
상기 방법은 pH 값, 양성자 전도도 값 및 항균력 값을 알고 있는 입자를 기준 나노입자로 선택하는 단계;
서로 다른 복수개의 나노입자를 비교 나노입자 그룹으로 준비하는 단계;
상기 기준 나노입자를 증류수에 분산시켜 pH 값을 측정하는 단계;
상기 기준 나노입자의 임피던스를 측정하여 양성자 전도도 값을 도출하는 단계;
상기 비교 나노입자 그룹의 서로 다른 복수개의 나노입자에 대해 pH값과 양성자 전도도 값을 각각 측정하고 도출하는 단계; 및
상기 비교 나노입자 그룹의 복수개 나노입자 중 상기 기준 나노입자보다 pH값과 양성자 전도도 값이 높은 나노입자를 선별하여 항균력이 높은 나노입자로 선택하는 단계를 포함하는,
pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법.
This is a high antibacterial nanoparticle selection method using pH and proton conductivity values,
The method comprises the steps of selecting a particle with known pH value, proton conductivity value, and antibacterial activity value as reference nanoparticles;
Preparing a plurality of different nanoparticles as a comparison nanoparticle group;
Dispersing the reference nanoparticles in distilled water to measure a pH value;
Measuring the impedance of the reference nanoparticles to derive a proton conductivity value;
Measuring and deriving a pH value and a proton conductivity value for a plurality of different nanoparticles of the comparison nanoparticle group; And
Comprising the step of selecting nanoparticles having higher antibacterial activity by selecting nanoparticles having higher pH values and proton conductivity values than the reference nanoparticles among the plurality of nanoparticles of the comparative nanoparticle group,
A method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity using pH and proton conductivity values.
제 1 항에 있어서,
상기 나노입자의 크기는 10 nm 내지 20 nm 인,
pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법.
The method of claim 1,
The size of the nanoparticles is 10 nm to 20 nm,
A method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity using pH and proton conductivity values.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 나노입자는 산화아연, Mg 도핑된 산화아연 또는 Ca 도핑된 산화아연인,
pH 및 양성자 전도도 값을 활용한 고 항균력 나노입자 선택방법.The method of claim 1,
The reference nanoparticles are zinc oxide, Mg-doped zinc oxide or Ca-doped zinc oxide,
A method for selecting nanoparticles with high antibacterial activity using pH and proton conductivity values.

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