KR20090087591A - 금 나노입자의 표면개질 방법 및 표면개질을 통한 금나노입자의 안정화 방법 - Google Patents

금 나노입자의 표면개질 방법 및 표면개질을 통한 금나노입자의 안정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금 나노입자의 표면개질을 통한 안정화 방법에 관한 것으로, 금 나노입자를 제조한 후 생체 물질을 결합시키려 할 때, 금 나노입자의 응집현상을 줄이고자 나노입자 표면을 기능기가 -COOH와 -OH인 에틸렌글라이콜을 적절한 비율로 혼합하여 개질함으로써 금 나노입자를 안정적으로 분산시킬 수 있는 방법이며, 상기 방법을 통하여 개질된 금 나노입자는 강한 이온 용액 속이나 강산 및 강알칼리 용액 속에서도 뭉침 현상이 발생하지 않고 안정화되어, 생물분자를 안정하게 금 나노입자에 결합시킬 수 있는 등 다양한 분야에 응용이 가능하다.
금, 나노입자, 표면개질, 에틸렌글라이콜, 안정화, 뭉침, 응집, 카르복실기, 하이드록실기

Description

금 나노입자의 표면개질 방법 및 표면개질을 통한 금 나노입자의 안정화 방법{SURFACE MODIFICATION METHOD OF GOLD NANO PARTICLE, AND STABILIZATION METHOD OF GOLD NANO PARTICLES BY SURFACE MODIFICATION}
본 발명은 금 나노입자의 표면개질을 통한 안정화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금 나노입자를 제조한 후 생체 물질을 결합시키려 할 때, 금 나노입자의 응집현상을 방지하기 위하여 카르복실기가 결합되어 있는 에틸렌글라이콜과 하이드록실기가 결합되어 있는 에틸렌글라이콜을 적절한 비율로 혼합하여 금 나노입자의 표면을 개질함으로써 나노입자를 안정적으로 분산시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
금은 귀금속으로서, 화학적으로 안정하며, 전기전도도가 우수하고 가격이 비싼 특징을 갖고 있다. 현재 다양한 과학기술 연구 분야에서 사용되고 있는 중요한 물질로서, 최근 연구논문의 수가 급격히 증가하고 있는 물질이다. 특히, 나노과학기술, 나노입자와 자기-조립 단일막(Self Assembled Monolayer: SAM) 분야에서 많 은 기술적 발전을 보이고 있다. 금 나노입자는 자기배열 특성과 나노입자의 크기 (1~10㎚의 크기: 작은 분자와 벌크 금속 크기의 중간영역)와 관련된 기존 응용 영역뿐 아니라, 최근에는 나노기술의 상향식(bottom-up) 공정에 대한 빌딩 블록(building block)으로 사용되어 새로운 나노재료를 만들고 있다. 이러한 나노재료는 분자 화합물도 벌크 금속도 아닌 새로운 고유의 물리 화학적 특성을 나타내고, 입자크기, 입자 간 거리 보호, 유기 껍질의 특성, 입자의 모양 등에 따라 그 물성이 크게 변하므로, 이 나노입자를 제어하면 새로운 물성을 갖는 재료를 제조할 수 있다.
그러나 이렇게 제조된 금 나노입자를 용매에 분산시키게 되면 쉽게 뭉치게 되는 현상이 발생하여 원하는 형태와 크기의 입자를 만들거나 보존하기가 힘든 문제가 있다. 대한민국 특허공개 제2005-0080653호는 금 나노입자의 응집체의 뭉침 현상을 이용하여 금 나노입자의 크기를 조절하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기의 방법으로는 나노입자의 뭉침 현상을 근본적으로 해결할 수 없으며, 이러한 문제가 해결되지 않는 한 나노 입자를 다양한 분야에 응용할 수 없다는 문제점이 있어, 이에 대한 근본적인 해결책이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금 나노입자를 제조 후 생체 물질을 결합시키려 할 때, 금 나노입자의 응집현상을 줄이고자 표면을 개질함으로써 입자를 안정적으로 분산시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 염화금산(HAuCl4) 수용액에 환원제를 첨가하여 금 나노입자의 콜로이드 용액을 제조하는 단계; 및 (b) 제조된 금 나노입자의 콜로이드 용액에 카르복실기를 가진 에틸렌글라이콜과 하이드록실기를 가진 에틸렌글라이콜의 혼합용액의 유기 흡착제를 첨가하여 표면개질하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금 나노입자의 안정화 방법을 제공한다.
상기 환원제는 소듐 사이트레이트(sodium citrate)인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 나노입자의 콜로이드 용액에 유기 흡착제를 첨가하여 표면 개질하는 방법에 있어서, 상기 유기 흡착제는 카르복실기를 가진 에틸렌글라이콜과 하이드록실기를 가진 에틸렌글라이콜의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 나노입자의 표면개질방법을 제공한다.
상기 유기 흡착제에서 카르복실기와 하이드록실기의 비율은 부피비로서 1:1 내지 1:20 정도인 것이 바람직하며, 최적의 혼합비율은 1:10(V/V)이다. 하이드록실기의 비율이 낮으면 낮을수록 음전하의 양이 적어져 뭉침현상이 발생하고, 하이드록실기의 양이 많아질수록 카르복실기의 양이 적어지기 때문에 다른 물질을 고정화할 수 있는 링커의 수가 적어져서 불리하게 된다. 따라서 카르복실기와 하이드록실기의 비율이 적절하게 유지되어야 한다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 금 나노입자의 특성에 대한 연구를 진행하는 중에, 금 나노입자의 분산 및 안정화를 제어할 수 있는 새로운 방법을 발견하였다. 기능화된 금 나노입자의 생물학적 응용은 입자의 안정성에 영향을 받는다. 생체분자들의 면역반응에 의해 입자의 뭉침 현상이 일어나야 생물학적으로 이용가능한데, 높은 이온 강도, 강산 및 강알칼리 등의 환경적인 요인에 의해 금 나노입자의 뭉침 현상이 발생하게 되면 생물학적인 이용이 불가능하게 된다.
이에, 본 발명자들은 금 나노입자의 표면에 생체분자를 결합시키려 할 때 발생하는 금 나노입자의 뭉침 현상을 해결하고 금 나노입자를 바이오센서에 응용하기 위하여 기능기가 카르복실기(-COOH)인 물질과 하이드록실기(-OH)인 물질을 적절히 혼합하여 표면 개질을 하게 되면 금 나노입자의 뭉침 현상을 막을 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 높은 이온 용액 속이나 강산, 강알칼리 용액 속에서도 뭉침 현상이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 이러한 결과는 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 통해 확인할 수 있다.
즉, 생체물질을 금 나노입자 표면에 결합시키기 위해 표면개질을 하면 금 나노입자는 서로 뭉치게 되어 그 고유의 성질이나 특이성이 변하게 된다. 따라서 이러한 현상을 제어하기 위해 링커로 사용되는 카르복실기를 가진 에틸렌글라이콜과 하이드록실기를 가진 에틸렌글라이콜을 적절한 비율로 혼합하여 표면 개질을 함으로써 뭉침 현상을 방지한다.
금 나노입자의 뭉침 현상을 제어하는 요인을 확인하기 위해, 소듐(sodium citrate)에 의한 염화금산(hydrogen tetrachloroaurate, HAuCl4)용액을 환원시켜 상기 금 나노입자의 콜로이드 용액을 제조한다. 이때, 상기 콜로이드 용액에 존재하는 금 나노입자의 크기는 상기 사이트레이트(citrate)의 양에 따라 조절된다. 이렇게 제조된 금 나노입자에 EDC/NHS(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride/ N-hydroxylsuccinimide)법으로 생체분자를 결합시키기 위해, 먼저 말단기에 황이 결합되어 있고, 카르복실기가 결합되어 있는 에틸렌글라이콜 [HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH, (HS-OEG6-COOH)]을 금 나노입자에 첨가한다.
그리고나서 EDC/NHS 화학물질을 처리하게 되면 금 나노입자의 뭉침 현상이 발생하게 된다. 금 나노입자의 뭉침 현상이 발생하게 되는 메커니즘을 도 1의 (A)에 도식적으로 나타내었다. 도 1의 (A)에서와 같이, 카르복실기로 안정화된 금 나노입자(carboxyl-stabilized AuNPs)(a1)에 EDC를 처리하면 불안정한 에스테르 중간체(unstable intermadiate ester)(a2)를 형성한 후 NHS 를 가하면 준안정한 상태의 아민-반응성 NHS 에스테르 금 나노입자(semi-stable amine-reactive NHS ester AuNPs)(a3) 를 형성하여 금 나노입자의 응집체(aggregated AuNPs)(a4)를 형성하게 되는 메커니즘을 통하여 뭉침현상이 발생하게 된다. 즉, 금 나노입자에 기능기가 카르복실기인 에틸렌글라이콜을 결합시키면 음전하를 띄게 되어 입자들을 서로 밀어내기 때문에 분산이 잘됨을 알 수 있다. 그 후 생체 물질을 결합시키기 위해 EDC/NHS 반응을 유도하게 되면 비교적 안정한 NHS는 어떠한 전하도 띄지 않기 때문에 반데르발스힘(Van Der Waals force)이나 정전기적 인력 때문에 뭉침 현상이 발생한다.
이러한 금 나노입자의 뭉침 현상을 제어하기 위하여, 말단에 황이 결합되어 있고, 기능기로서 하이드록실기가 결합되어 있는 에틸렌 글라이콜을 적절한 비율로 혼합하여 금 나노입자의 표면을 개질한 후, EDC/NHS 처리를 해 주면 뭉침 현상이 발생하지 않게 된다. 이러한 메커니즘을 도 1의 B에 도식적으로 나타내었다. 우선 -COOH/-OH 기로 안정화된 금 나노입자(b1)는, EDS 를 처리함으로써 (b1)과 같은 구조의 불안정한 에스테르 중간체를 형성하게 되고, 이어서 (b2)와 같은 준안정 상태의 아민-반응성 NHS 에스테르 금 나노입자를 형성하므로 응집되지 않은 금 나노입자(non-aggregated AuNPs)(b4)를 형성하게 된다. 즉, 금 나노입자에 기능기가 하이드록실기인 에틸렌글라이콜을 적절한 비율로 혼합하여 표면개질을 시도할 경우에는 EDC/NHS 반응을 시켜도 반응하지 않은 하이드록실기가 음전하를 갖고 있기 때문에 금 나노입자들을 서로 밀어내어 뭉침 현상을 방지할 수 있다. 이러한 메커니즘에 의하여 하이드록실기가 아닌 다른 음전하를 갖고 있는 다른 물질에도 적용이 가능할 것임을 예상할 수 있다.
이와 같이, 금 나노입자의 뭉침 현상을 제어하기 위해, 말단기에 황이 결합되어 있고, 기능기에 하이드록실기가 결합되어 있는 에틸렌글라이콜[HS(CH2)11(OCH2CH2)3OH, (HS-OEG3-OH)]을 적절한 비율로 혼합하여 금 나노입자 표면을 개질한 후, EDC/NHS 처리를 해주었을 때는 도 1의 (B)에 나타난 것처럼 뭉침 현상이 발생하지 않게 되는 것을 알 수 있다. 이 때 HS-OEG6-COOH 와 HS-OEG3-OH의 최적 혼합 비율은 도 2에서 보여준 것처럼 1:10이며, 도 2를 통하여 금 나노입자들이 뭉치지 않고 용액 내에 잘 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 3에서 보여준 것처럼 고농도의 염 조건과 강산 혹은 강알칼리 조건에서도 UV-Vis 스펙트럼의 변화가 거의 없는 것으로 보아 매우 안정하게 금 나노입자를 용액 속에 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명은 고농도의 염 조건이나 강산 혹은 강알칼리 용액 속에서도 금 나노입자의 뭉침 현상을 방지할 수 있어, 다양한 분야에 응용이 가능하게 해준다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 금 나노입자의 뭉침 현상이 발생하는 것을 해결하기 위해 기능기가 카르복실기(-COOH)인 물질과 하이드록실기(-OH)인 물질을 적절히 혼합하여 표면개질을 하게 되면 금 나노입자의 뭉침 현상을 막을 수 있고, 높은 이온 용액 속이나 강산, 강알칼리 용액 속에서도 뭉침 현상을 방지 할 수 있기 때문에 금 나노입자를 다양한 생물학적 분야에 응용 가능케 한다.
또한, 금 나노입자에 한정되지 않고 다양한 나노 입자에 적용하여 나노 입자의 응집 현상이나 뭉침 현상 없이 생체 물질과 결합시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1: HS - OEG 6 - COOH / HS - OEG 3 - OH 혼합 용액(1:1(v/v))에 의한 금 나노입자의 안정화
소듐사이트레이트(sodium citrate)를 이용하여 염화금산(hydrogen tetrachloroaurate,HAuCl4)을 환원시켜 금 나노입자를 제조하였다.
50㎖의 삼각플라스크(erlenmeyer flask)에 HAuCl4(1.0 mM)용액 20㎖를 가열하면서 교반하여 첨가하고, 이 끓는 용액에 1% 소듐사이트레이트(sodium citrate) 용액 2㎖을 첨가하여 빠르게 교반하였다. 그리고 나서 약 30분간 더 교반하고 나서 상온에서 냉각하였다. 금 졸(gold sol)은 사이트레이트(citrate)가 금(III)(gold(III))으로 환원됨에 따라 점차적으로 형성되었다. 상기와 같은 방법 으로 진홍색의 평균 약 21㎚ 크기의 금 나노입자를 제조하였다. 콜로이드 용액을 합성한 후에 금 나노입자들을 9㎖ 금 용액과 1:1(v/v) 비율의 HS-OEG6-COOH/HS-OEG3-OH 혼합 용액 1㎖를 넣고 배양하였다. 상온에서 6시간 동안 약하게 교반한 후, 혼합된 용액에서 금 나노입자와 에틸렌글라이콜 사이에 반응이 일어나지 않은 것은 원심분리기(14000rpm, 15분)를 이용하여 분리하였다. 그리고 나서, 펠렛(pellet)은 0.1 M MES buffer (pH 6.0)에 다시 넣고 원심분리하였다. 상기와 같은 과정을 세 차례 반복하였다.
실시예 2: HS - OEG 6 - COOH / HS - OEG 3 - OH 혼합 용액(1:5(v/v))에 의한 금 나노입자의 안정화
상기 실시예 1에서 HS-OEG6-COOH/HS-OEG3-OH 혼합 용액(1:5(v/v))을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 3: HS - OEG 6 - COOH / HS - OEG 3 - OH 혼합 용액(1:10(v/v))에 의한 금 나노입자의 안정화
상기 실시예 1에서 HS-OEG6-COOH/HS-OEG3-OH 혼합 용액(1:10(v/v))을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 4: HS - OEG 6 - COOH / HS - OEG 3 - OH 혼합 용액(1:15(v/v))에 의한 금 나노입자의 안정화
상기 실시예 1에서 HS-OEG6-COOH/HS-OEG3-OH 혼합 용액(1:15(v/v))을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 5: HS - OEG 6 - COOH / HS - OEG 3 - OH 혼합 용액(1:20(v/v))에 의한 금 나노입자의 안정화
상기 실시예 1에서 HS-OEG6-COOH/HS-OEG3-OH 혼합 용액(1:20(v/v))을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 1: HS - OEG 6 - COOH 용액에 의한 금 나노입자의 안정화
상기 실시예 1에서 HS-OEG6-COOH 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 2: HS - OEG 3 - OH 용액에 의한 금 나노입자의 안정화
상기 실시예 1에서 HS-OEG3-OH 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기와 같이 다양한 비율의 에틸렌글라이콜로 개질된 금 나노입자들을 생체물질을 결합시키기 위해 EDC/NHS 처리를 한 후 그 뭉침 현상을 관찰하였다. 이 때 HS-OEG6-COOH와 HS-OEG3-OH의 최적 혼합 비율은 도 2에서 보는 바와 같이 1:10의 비율의 HS-OEG6-COOH와 HS-OEG3-OH로 표면처리되었을 때, 금 나노입자들이 뭉치지 않고 용액 내에 잘 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 21㎚ 입자 크기의 금 나노입자의 분산 용액은 분홍색을 띌수록 잘 분산되어 있다고 할 수 있다. 하지만 비교예 1에서 HS-OEG6-COOH만을 사용하여 금 나노입자의 표면을 개질 했을 때는 입자들끼리 뭉쳐서 그 크기가 달라졌기 때문에 분홍색을 나타내지 못하고 보라색에 가까운 색을 나타냈다.
[ 실험예 ]
실험예 1: 고농도 염 용액에서의 금 나노입자의 안정성
높은 이온 강도를 가진 용액 속에서 금 나노입자가 안정하게 분산되는지를 관찰하였다. 일단 고농도의 이온 용액을 만들기 위해 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1 및 비교예 2에 따라 안정화된 금 나노입자 용액에 0%부터 35%농도의 NaCl을 넣어 주었다. 이 때 -COOH가 결합되어 있는 HS-OEG6-COOH로 표면 개질된 금 나노입자는 순식간에 뭉쳐지는 것을 보였다.
도 3(a)에서 보는 바와 같이, NaCl 농도에 따른 UV-Vis 스펙트럼을 살펴보면 NaCl이 들어가지 않은 스펙트럼과 저농도에서부터 고농도까지 NaCl이 들어간 스펙트럼의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 강산 및 강알칼리 용액에서의 금 나노입자의 안정성
강산과 강알칼리 용액 속에서의 금 나노입자의 안정성을 확인하기 위해 금 나노입자 용액의 pH를 1에서부터 14까지 다르게 한 후 UV-Vis 스펙트럼을 관찰하였다. 그 결과 NaCl을 첨가해주었을 때처럼 스펙트럼이 거의 변화가 없음을 알 수 있었다.
이와 같은 결과는 높은 이온 농도의 용액이나 강산 혹은 강염기 용액에서도 금 나노입자가 안정함을 보여주었다.
도 1의 (A)는 EDC/NHS 처리한 경우 금 나노입자의 뭉침 현상이 발생되는 메커니즘을 도식적으로 나타낸 도면이며, 도 1의 (B)는 본 발명에 따라 금 나노입자 표면을 개질한 후 EDC/NHS 처리를 한 경우 뭉침 현상이 발생되지 않게 되는 메커니즘을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 -COOH 기능기를 갖는 에틸렌글라이콜과 -OH 기능기를 갖는 에틸렌글라이콜의 비율에 따른 금 나노입자의 뭉침 현상 및 금 나노입자 콜로이드의 색변화를 보여주는 사진이다.
도 3의 (A)는 -COOH 기능기를 갖는 에틸렌글라이콜과 -OH 기능기를 갖는 에틸렌글라이콜의 혼합용액으로 표면처리된 금 나노입자의 NaCl의 농도에 따른 금 나노입자의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 3의 (B)는 -COOH 기능기를 갖는 에틸렌글라이콜과 -OH 기능기를 갖는 에틸렌글라이콜의 혼합용액으로 표면처리된 금 나노입자의 강산 및 강염기 용액에서의 금 나노입자의 UV-Vis 스펙트럼이다.

Claims (7)

  1. (a) 염화금산(HAuCl4) 수용액에 환원제를 첨가하여 금 나노입자의 콜로이드 용액을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 금 나노입자의 콜로이드 용액에 카르복실기를 가진 에틸렌글라이콜과 하이드록실기를 가진 에틸렌글라이콜의 혼합용액의 유기 흡착제를 첨가하여 표면 개질하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금 나노입자의 안정화 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 환원제는 소듐 사이트레이트인 것을 특징으로 하는 금 나노입자의 안정화 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 흡착제에서 카르복실기와 하이드록실기의 비율이 부피비로 1:1 내지 1:20 인 것을 특징으로 하는 금 나노입자의 안정화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    카르복실기와 하이드록실기의 비율이 부피비로 1:10인 것을 특징으로 하는 금 나노입자의 안정화 방법.
  5. 나노입자의 콜로이드 용액에 유기 흡착제를 첨가하여 표면개질하는 방법으로서, 상기 유기 흡착제는 카르복실기를 가진 에틸렌글라이콜과 하이드록실기를 가진 에틸렌글라이콜의 혼합용액인 것을 특징으로 하는 나노입자의 표면개질방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유기 흡착제에서 카르복실기와 하이드록실기의 비율이 부피비로 1:1 내지 1:20인 것을 특징으로 하는 나노입자의 표면개질방법.
  7. 제6항에 있어서,
    카르복실기와 하이드록실기의 비율이 부피비로 1:10인 것을 특징으로 하는 나노입자의 표면개질 방법.
KR1020080012917A 2008-02-13 2008-02-13 금 나노입자의 표면개질 방법 및 표면개질을 통한 금나노입자의 안정화 방법 KR20090087591A (ko)

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KR1020080012917A KR20090087591A (ko) 2008-02-13 2008-02-13 금 나노입자의 표면개질 방법 및 표면개질을 통한 금나노입자의 안정화 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102225470A (zh) * 2011-06-20 2011-10-26 江西农业大学 一种绿色化学法制备金纳米粒子的方法
CN102310201A (zh) * 2011-10-11 2012-01-11 南京师范大学 一种表面膦酸功能化的金纳米粒子的制备方法
WO2018151542A1 (ko) * 2017-02-16 2018-08-23 서울대학교 산학협력단 구리 결정 과성장에 의한, 금 나노프로브를 이용한 표적 분석물질의 검출방법

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