특허청구의범위청구항 1 (a) 염화금산 (HAuCl 4 ) 수용액에환원제를첨가하여금나노입자의콜로이드용액을제조하는단계 ; 및 (b) 상기금나노입자의콜로이드용액에카르복실기를가진에틸렌글라이콜과하이드록실기를가진에틸렌글라이콜의혼합용액의유기흡착제를첨가하여표면개질하는단계 ; 를포함

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1 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) (11) 공개번호 (43) 공개일자 2009년08월18일 (51) Int. Cl. B82B 3/00 ( ) (21) 출원번호 (22) 출원일자 2008 년 02 월 13 일 심사청구일자 전체청구항수 : 총 7 항 2008 년 02 월 13 일 (71) 출원인 성균관대학교산학협력단 경기수원시장안구천천동 300 성균관대학교내 (72) 발명자 심상준 서울강남구도곡동 527 도곡렉슬아파트 김준표 경기수원시장안구율전동 번지 104 호 카오쿠옹 경기수원시장안구천천동성균관대학교화학공학과 26404B 호 (74) 대리인 특허법인다울 (54) 금나노입자의표면개질방법및표면개질을통한금나노입자의안정화방법 (57) 요약 본발명은금나노입자의표면개질을통한안정화방법에관한것으로, 금나노입자를제조한후생체물질을결합시키려할때, 금나노입자의응집현상을줄이고자나노입자표면을기능기가 -COOH 와 -OH 인에틸렌글라이콜을적절한비율로혼합하여개질함으로써금나노입자를안정적으로분산시킬수있는방법이며, 상기방법을통하여개질된금나노입자는강한이온용액속이나강산및강알칼리용액속에서도뭉침현상이발생하지않고안정화되어, 생물분자를안정하게금나노입자에결합시킬수있는등다양한분야에응용이가능하다. 대표도 - 도 1-1 -

2 특허청구의범위청구항 1 (a) 염화금산 (HAuCl 4 ) 수용액에환원제를첨가하여금나노입자의콜로이드용액을제조하는단계 ; 및 (b) 상기금나노입자의콜로이드용액에카르복실기를가진에틸렌글라이콜과하이드록실기를가진에틸렌글라이콜의혼합용액의유기흡착제를첨가하여표면개질하는단계 ; 를포함하여이루어지는것을특징으로하는금나노입자의안정화방법. 청구항 2 제 1항에있어서, 상기환원제는소듐사이트레이트인것을특징으로하는금나노입자의안정화방법. 청구항 3 제 1항에있어서, 상기유기흡착제에서카르복실기와하이드록실기의비율이부피비로 1:1 내지 1:20 인것을특징으로하는금나노입자의안정화방법. 청구항 4 제3항에있어서, 카르복실기와하이드록실기의비율이부피비로 1:10인것을특징으로하는금나노입자의안정화방법. 청구항 5 나노입자의콜로이드용액에유기흡착제를첨가하여표면개질하는방법으로서, 상기유기흡착제는카르복실기를가진에틸렌글라이콜과하이드록실기를가진에틸렌글라이콜의혼합용액인것을특징으로하는나노입자의표면개질방법. 청구항 6 제 5항에있어서, 상기유기흡착제에서카르복실기와하이드록실기의비율이부피비로 1:1 내지 1:20인것을특징으로하는나노입자의표면개질방법. 청구항 7 제6항에있어서, 카르복실기와하이드록실기의비율이부피비로 1:10인것을특징으로하는나노입자의표면개질방법. 명세서 발명의상세한설명 <1> 기술분야본발명은금나노입자의표면개질을통한안정화방법에관한것으로서, 보다상세하게는금나노입자를제조한후생체물질을결합시키려할때, 금나노입자의응집현상을방지하기위하여카르복실기가결합되어있는에틸렌글라이콜과하이드록실기가결합되어있는에틸렌글라이콜을적절한비율로혼합하여금나노입자의표면을개질함으로써나노입자를안정적으로분산시킬수있는방법에관한것이다. 배경기술 - 2 -

3 <2> <3> 금은귀금속으로서, 화학적으로안정하며, 전기전도도가우수하고가격이비싼특징을갖고있다. 현재다양한과학기술연구분야에서사용되고있는중요한물질로서, 최근연구논문의수가급격히증가하고있는물질이다. 특히, 나노과학기술, 나노입자와자기-조립단일막 (Self Assembled Monolayer: SAM) 분야에서많은기술적발전을보이고있다. 금나노입자는자기배열특성과나노입자의크기 (1~10nm의크기 : 작은분자와벌크금속크기의중간영역 ) 와관련된기존응용영역뿐아니라, 최근에는나노기술의상향식 (bottom-up) 공정에대한빌딩블록 (building block) 으로사용되어새로운나노재료를만들고있다. 이러한나노재료는분자화합물도벌크금속도아닌새로운고유의물리화학적특성을나타내고, 입자크기, 입자간거리보호, 유기껍질의특성, 입자의모양등에따라그물성이크게변하므로, 이나노입자를제어하면새로운물성을갖는재료를제조할수있다. 그러나이렇게제조된금나노입자를용매에분산시키게되면쉽게뭉치게되는현상이발생하여원하는형태와크기의입자를만들거나보존하기가힘든문제가있다. 대한민국특허공개제 호는금나노입자의응집체의뭉침현상을이용하여금나노입자의크기를조절하는방법을개시하고있다. 그러나상기의방법으로는나노입자의뭉침현상을근본적으로해결할수없으며, 이러한문제가해결되지않는한나노입자를다양한분야에응용할수없다는문제점이있어, 이에대한근본적인해결책이필요한실정이다. 발명의내용 <4> <5> 해결하고자하는과제본발명은상기한종래기술의문제점을해결하기위해안출된것으로서, 본발명의목적은금나노입자를제조후생체물질을결합시키려할때, 금나노입자의응집현상을줄이고자표면을개질함으로써입자를안정적으로분산시킬수있는방법을제공하는것이다. 본발명의상기목적은하기설명된본발명에의하여모두달성될수있다. <6> 과제해결수단 상기의목적을달성하기위하여, 본발명은 (a) 염화금산 (HAuCl 4 ) 수용액에환원제를첨가하여금나노입자의 콜로이드용액을제조하는단계 ; 및 (b) 제조된금나노입자의콜로이드용액에카르복실기를가진에틸렌글라 이콜과하이드록실기를가진에틸렌글라이콜의혼합용액의유기흡착제를첨가하여표면개질하는단계 ; 를포함 하여이루어지는것을특징으로하는금나노입자의안정화방법을제공한다. <7> <8> <9> <10> <11> <12> 상기환원제는소듐사이트레이트 (sodium citrate) 인것이바람직하다. 또한, 본발명은나노입자의콜로이드용액에유기흡착제를첨가하여표면개질하는방법에있어서, 상기유기흡착제는카르복실기를가진에틸렌글라이콜과하이드록실기를가진에틸렌글라이콜의혼합용액인것을특징으로하는나노입자의표면개질방법을제공한다. 상기유기흡착제에서카르복실기와하이드록실기의비율은부피비로서 1:1 내지 1:20 정도인것이바람직하며, 최적의혼합비율은 1:10(V/V) 이다. 하이드록실기의비율이낮으면낮을수록음전하의양이적어져뭉침현상이발생하고, 하이드록실기의양이많아질수록카르복실기의양이적어지기때문에다른물질을고정화할수있는링커의수가적어져서불리하게된다. 따라서카르복실기와하이드록실기의비율이적절하게유지되어야한다. 이하본발명을상세하게설명한다. 본발명자들은금나노입자의특성에대한연구를진행하는중에, 금나노입자의분산및안정화를제어할수있는새로운방법을발견하였다. 기능화된금나노입자의생물학적응용은입자의안정성에영향을받는다. 생체분자들의면역반응에의해입자의뭉침현상이일어나야생물학적으로이용가능한데, 높은이온강도, 강산및강알칼리등의환경적인요인에의해금나노입자의뭉침현상이발생하게되면생물학적인이용이불가능하게된다. 이에, 본발명자들은금나노입자의표면에생체분자를결합시키려할때발생하는금나노입자의뭉침현상을해결하고금나노입자를바이오센서에응용하기위하여기능기가카르복실기 (-COOH) 인물질과하이드록실기 (- OH) 인물질을적절히혼합하여표면개질을하게되면금나노입자의뭉침현상을막을수있다는것을확인하였다. 또한높은이온용액속이나강산, 강알칼리용액속에서도뭉침현상이일어나는것을방지할수있다. 이러한결과는 UV-Vis 흡수스펙트럼을통해확인할수있다

4 <13> <14> 즉, 생체물질을금나노입자표면에결합시키기위해표면개질을하면금나노입자는서로뭉치게되어그고유의성질이나특이성이변하게된다. 따라서이러한현상을제어하기위해링커로사용되는카르복실기를가진에틸렌글라이콜과하이드록실기를가진에틸렌글라이콜을적절한비율로혼합하여표면개질을함으로써뭉침현상을방지한다. 금나노입자의뭉침현상을제어하는요인을확인하기위해, 소듐 (sodium citrate) 에의한염화금산 (hydrogen tetrachloroaurate, HAuCl 4 ) 용액을환원시켜상기금나노입자의콜로이드용액을제조한다. 이때, 상기콜로 이드용액에존재하는금나노입자의크기는상기사이트레이트 (citrate) 의양에따라조절된다. 이렇게제조된금나노입자에 EDC/NHS(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride/ N- hydroxylsuccinimide) 법으로생체분자를결합시키기위해, 먼저말단기에황이결합되어있고, 카르복실기가결합되어있는에틸렌글라이콜 [HS(CH 2 ) 11 (OCH 2 CH 2 ) 6 OCH 2 COOH, (HS-OEG 6 -COOH)] 을금나노입자에첨가한다. <15> <16> <17> 그리고나서 EDC/NHS 화학물질을처리하게되면금나노입자의뭉침현상이발생하게된다. 금나노입자의뭉침현상이발생하게되는메커니즘을도 1의 (A) 에도식적으로나타내었다. 도 1의 (A) 에서와같이, 카르복실기로안정화된금나노입자 (carboxyl-stabilized AuNPs)(a1) 에 EDC를처리하면불안정한에스테르중간체 (unstable intermadiate ester)(a2) 를형성한후 NHS 를가하면준안정한상태의아민-반응성 NHS 에스테르금나노입자 (semi-stable amine-reactive NHS ester AuNPs)(a3) 를형성하여금나노입자의응집체 (aggregated AuNPs)(a 4) 를형성하게되는메커니즘을통하여뭉침현상이발생하게된다. 즉, 금나노입자에기능기가카르복실기인에틸렌글라이콜을결합시키면음전하를띄게되어입자들을서로밀어내기때문에분산이잘됨을알수있다. 그후생체물질을결합시키기위해 EDC/NHS 반응을유도하게되면비교적안정한 NHS는어떠한전하도띄지않기때문에반데르발스힘 (Van Der Waals force) 이나정전기적인력때문에뭉침현상이발생한다. 이러한금나노입자의뭉침현상을제어하기위하여, 말단에황이결합되어있고, 기능기로서하이드록실기가결합되어있는에틸렌글라이콜을적절한비율로혼합하여금나노입자의표면을개질한후, EDC/NHS 처리를해주면뭉침현상이발생하지않게된다. 이러한메커니즘을도 1의 B에도식적으로나타내었다. 우선 -COOH/- OH 기로안정화된금나노입자 (b1) 는, EDS 를처리함으로써 (b1) 과같은구조의불안정한에스테르중간체를형성하게되고, 이어서 (b2) 와같은준안정상태의아민-반응성 NHS 에스테르금나노입자를형성하므로응집되지않은금나노입자 (non-aggregated AuNPs)(b4) 를형성하게된다. 즉, 금나노입자에기능기가하이드록실기인에틸렌글라이콜을적절한비율로혼합하여표면개질을시도할경우에는 EDC/NHS 반응을시켜도반응하지않은하이드록실기가음전하를갖고있기때문에금나노입자들을서로밀어내어뭉침현상을방지할수있다. 이러한메커니즘에의하여하이드록실기가아닌다른음전하를갖고있는다른물질에도적용이가능할것임을예상할수있다. 이와같이, 금나노입자의뭉침현상을제어하기위해, 말단기에황이결합되어있고, 기능기에하이드록실기가결합되어있는에틸렌글라이콜 [HS(CH 2 ) 11 (OCH 2 CH 2 ) 3 OH, (HS-OEG 3 -OH)] 을적절한비율로혼합하여금나노입자표 면을개질한후, EDC/NHS 처리를해주었을때는도 1 의 (B) 에나타난것처럼뭉침현상이발생하지않게되는 것을알수있다. 이때 HS-OEG 6 -COOH 와 HS-OEG 3 -OH 의최적혼합비율은도 2 에서보여준것처럼 1:10 이며, 도 2 를통하여금나노입자들이뭉치지않고용액내에잘분산되어있는것을확인할수있다. <18> 또한도 3에서보여준것처럼고농도의염조건과강산혹은강알칼리조건에서도 UV-Vis 스펙트럼의변화가거의없는것으로보아매우안정하게금나노입자를용액속에분산되어있는것을알수있다. 따라서본발명은고농도의염조건이나강산혹은강알칼리용액속에서도금나노입자의뭉침현상을방지할수있어, 다양한분야에응용이가능하게해준다. <19> <20> 효과상기에서살펴본바와같이, 본발명에따라금나노입자의뭉침현상이발생하는것을해결하기위해기능기가카르복실기 (-COOH) 인물질과하이드록실기 (-OH) 인물질을적절히혼합하여표면개질을하게되면금나노입자의뭉침현상을막을수있고, 높은이온용액속이나강산, 강알칼리용액속에서도뭉침현상을방지할수있기때문에금나노입자를다양한생물학적분야에응용가능케한다. 또한, 금나노입자에한정되지않고다양한나노입자에적용하여나노입자의응집현상이나뭉침현상없이생체물질과결합시킬수있다

5 <21> <22> <23> <24> 발명의실시를위한구체적인내용이하, 본발명의이해를돕기위하여바람직한실시예를제시하나, 하기실시예는본발명을예시하는것일뿐본발명의범주및기술사상범위내에서다양한변경및수정이가능함은당업자에게있어서명백한것이며, 이러한변형및수정이첨부된특허청구범위에속하는것도당연한것이다. [ 실시예 ] 실시예 1: HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:1(v/v)) 에의한금나노입자의안정화소듐사이트레이트 (sodium citrate) 를이용하여염화금산 (hydrogen tetrachloroaurate,haucl 4 ) 을환원시켜금나 노입자를제조하였다. <25> 50 ml의삼각플라스크 (erlenmeyer flask) 에 HAuCl 4 (1.0 mm) 용액 20 ml를가열하면서교반하여첨가하고, 이끓는 용액에 1% 소듐사이트레이트 (sodium citrate) 용액 2ml을첨가하여빠르게교반하였다. 그리고나서약 30분간더교반하고나서상온에서냉각하였다. 금졸 (gold sol) 은사이트레이트 (citrate) 가금 (III)(gold(III)) 으로환원됨에따라점차적으로형성되었다. 상기와같은방법으로진홍색의평균약 21nm크기의금나노입자를제조하였다. 콜로이드용액을합성한후에금나노입자들을 9ml금용액과 1:1(v/v) 비율의 HS-OEG 6 -COOH/HS- OEG 3 -OH 혼합용액 1ml를넣고배양하였다. 상온에서 6시간동안약하게교반한후, 혼합된용액에서금나노입자와에틸렌글라이콜사이에반응이일어나지않은것은원심분리기 (14000rpm, 15분 ) 를이용하여분리하였다. 그리고나서, 펠렛 (pellet) 은 0.1 M MES buffer (ph 6.0) 에다시넣고원심분리하였다. 상기와같은과정을세차례반복하였다. <26> <27> 실시예 2: HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:5(v/v)) 에의한금나노입자의안정화 상기실시예 1 에서 HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:5(v/v)) 을사용한것을제외하고는상기실시예 1 과 동일하게실시하였다. <28> <29> 실시예 3: HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:10(v/v)) 에의한금나노입자의안정화 상기실시예 1 에서 HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:10(v/v)) 을사용한것을제외하고는상기실시예 1 과 동일하게실시하였다. <30> <31> 실시예 4: HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:15(v/v)) 에의한금나노입자의안정화 상기실시예 1 에서 HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:15(v/v)) 을사용한것을제외하고는상기실시예 1 과 동일하게실시하였다. <32> <33> 실시예 5: HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:20(v/v)) 에의한금나노입자의안정화 상기실시예 1 에서 HS-OEG 6 -COOH/HS-OEG 3 -OH 혼합용액 (1:20(v/v)) 을사용한것을제외하고는상기실시예 1 과 동일하게실시하였다. <34> <35> <36> <37> <38> 비교예 1: HS-OEG 6 -COOH 용액에의한금나노입자의안정화상기실시예 1에서 HS-OEG 6 -COOH 용액을사용한것을제외하고는상기실시예 1과동일하게실시하였다. 비교예 2: HS-OEG 3 -OH 용액에의한금나노입자의안정화상기실시예 1에서 HS-OEG 3 -OH 용액을사용한것을제외하고는상기실시예 1과동일하게실시하였다. 상기와같이다양한비율의에틸렌글라이콜로개질된금나노입자들을생체물질을결합시키기위해 EDC/NHS 처리를한후그뭉침현상을관찰하였다. 이때 HS-OEG 6 -COOH와 HS-OEG 3 -OH의최적혼합비율은도 2에서보는 바와같이 1:10 의비율의 HS-OEG 6 -COOH 와 HS-OEG 3 -OH 로표면처리되었을때, 금나노입자들이뭉치지않고용액 내에잘분산되어있는것을확인할수있었다. 일반적으로 21 nm입자크기의금나노입자의분산용액은분홍 - 5 -

6 색을띌수록잘분산되어있다고할수있다. 하지만비교예 1 에서 HS-OEG 6 -COOH 만을사용하여금나노입자의 표면을개질했을때는입자들끼리뭉쳐서그크기가달라졌기때문에분홍색을나타내지못하고보라색에가까 운색을나타냈다. <39> <40> <41> [ 실험예 ] 실험예 1: 고농도염용액에서의금나노입자의안정성높은이온강도를가진용액속에서금나노입자가안정하게분산되는지를관찰하였다. 일단고농도의이온용액을만들기위해실시예 1 내지실시예 5 및비교예 1 및비교예 2에따라안정화된금나노입자용액에 0% 부터 35% 농도의 NaCl을넣어주었다. 이때 -COOH가결합되어있는 HS-OEG 6 -COOH로표면개질된금나노입자는 순식간에뭉쳐지는것을보였다. <42> <43> <44> <45> 도 3(a) 에서보는바와같이, NaCl 농도에따른 UV-Vis 스펙트럼을살펴보면 NaCl이들어가지않은스펙트럼과저농도에서부터고농도까지 NaCl이들어간스펙트럼의변화가거의없는것을확인할수있었다. 실험예 2: 강산및강알칼리용액에서의금나노입자의안정성강산과강알칼리용액속에서의금나노입자의안정성을확인하기위해금나노입자용액의 ph를 1에서부터 14 까지다르게한후 UV-Vis 스펙트럼을관찰하였다. 그결과 NaCl을첨가해주었을때처럼스펙트럼이거의변화가없음을알수있었다. 이와같은결과는높은이온농도의용액이나강산혹은강염기용액에서도금나노입자가안정함을보여주었다. <46> <47> <48> <49> 도면의간단한설명도 1의 (A) 는 EDC/NHS 처리한경우금나노입자의뭉침현상이발생되는메커니즘을도식적으로나타낸도면이며, 도 1의 (B) 는본발명에따라금나노입자표면을개질한후 EDC/NHS 처리를한경우뭉침현상이발생되지않게되는메커니즘을도식적으로나타낸도면이다. 도 2는 -COOH 기능기를갖는에틸렌글라이콜과 -OH 기능기를갖는에틸렌글라이콜의비율에따른금나노입자의뭉침현상및금나노입자콜로이드의색변화를보여주는사진이다. 도 3의 (A) 는 -COOH 기능기를갖는에틸렌글라이콜과 -OH 기능기를갖는에틸렌글라이콜의혼합용액으로표면처리된금나노입자의 NaCl의농도에따른금나노입자의 UV-Vis 스펙트럼이다. 도 3의 (B) 는 -COOH 기능기를갖는에틸렌글라이콜과 -OH 기능기를갖는에틸렌글라이콜의혼합용액으로표면처리된금나노입자의강산및강염기용액에서의금나노입자의 UV-Vis 스펙트럼이다

7 도면 도면 1-7 -

8 도면 2 도면 3-8 -