[논문]미세유동을 이용한 공액 고분자 센서 섬유 제작

유임성; 송시몬

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.10.853

미세유동을 이용한 공액 고분자 센서 섬유 제작
Microfluidic Fabrication of Conjugated Polymer Sensor Fibers 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.10 = no.349, 2014년, pp.853 - 858

유임성 (한양대학교 융합기계공학과) , 송시몬 (한양대학교 융합기계공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 미세유동칩을 이용하여 당의 일종인 cyclodextrine(CD)과 알루미늄 이온 검출이 가능한 polydiacetylene(PDA)이 집적된 미세섬유를 제작하는 방법을 제안한다. PDA는 공액 고분자의 일종으로 외부 자극에 대해 blue-to-red 색 전이 및 형광이 발현되며 원료가 되는 PCDA의 head group에 따라 자극에 대한 감도가 달라지는 매력적인 특성을 가지고 있다. 따라서, 이온간 교차결합으로 야기되는 하이드로젤 형성 메커니즘과 미세유동칩 내 3차원 유체집속효과를 활용하여 PCDA-EDEA 기반의 diacetylene(DA) 단량체가 집적된 센서 섬유를 제작하였다. 섬유 내 DA 단량체는 UV에 의해 파란색의 PDA로 상 전이가 일어나며 CD나 알루미늄 이온에 반응하여 붉은색으로의 색 전이 및 붉은 형광이 발현되는 특성을 보였다. 또한 형광세기는 CD와 금속 이온의 농도에 따라 변화하는 특성을 나타내었다. 이는 미세섬유가 건조된 경우에도 동일하게 관찰되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a fabrication method for polydiacetylene (PDA)-embedded hydrogel microfibers on a microfluidic chip. These fibers can be applied to the detection of cyclodextrines (CDs), which are a family of sugar and aluminum ions. PDA, a family of conjugated polymers, has unique characteristics when used for a sensor, because it undergoes a blue-to-red color transition and nonfluorescence-to-fluorescence transition in response to environmental stimulation. PDAs have different sensing characteristics depending on the head group of PCDA. By taking advantage of ionic crosslinking-induced hydrogel formation and the 3D hydrodynamic focusing effect on a microfluidic chip, PCDA-EDEA-derived diacetylene (DA) monomer-embedded microfibers were successfully fabricated. UV irradiation of the fibers afforded blue-colored PDA, and the resulting blue PDA fibers underwent a phase transition to red and emitted red fluorescence upon exposure to CDs and aluminum ions. Their fluorescence intensity varied depending on the CDs and aluminum ion concentrations. This phase transition was also observed when the fibers were dried.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존과 다른 amine head group을 갖는 2,2’-(Ethylenedioxy)bis-(ethylamine) (EDEA) 기반의 PDA 센서 섬유를 제작하고 그 특성을 평가하고자 한다. 당류의 일종으로 식품첨가물로 널리 쓰이는 cyclodextrine(CD) 및 선택적인 알루미늄 이온 검출능력을 평가하고자 한다. 또한 제작된 센서 섬유의 수분함량에 따른 센서 섬유의 물리적 변화 및 검출 특성을 파악하고자 한다.
당류의 일종으로 식품첨가물로 널리 쓰이는 cyclodextrine(CD) 및 선택적인 알루미늄 이온 검출능력을 평가하고자 한다. 또한 제작된 센서 섬유의 수분함량에 따른 센서 섬유의 물리적 변화 및 검출 특성을 파악하고자 한다.
본 연구는 미세유동칩을 이용한 PCDA-EDEA 기반의 PDA 센서 섬유개발 및 선택적 자극 검출 능력 평가를 목표로 수행되었다. 미세유동 칩 내에서 PCDA-EDEA 기반의 DA 단량체 수용액과 알지네이트 수용액 혼합물인 core 유동은 sheath 유동인 염화칼슘 수용액에 의해 집속되며 이와 동시에 이온간 교차결합으로 인해 core 유동으로부터 DA 단량체가 집적된 미세섬유가 형성되었다.
본 연구에서는 기존과 다른 amine head group을 갖는 2,2’-(Ethylenedioxy)bis-(ethylamine) (EDEA) 기반의 PDA 센서 섬유를 제작하고 그 특성을 평가하고자 한다.

제안 방법

13mM의 DA 단량체 수용액을 만들기 위해 PCDA-EDEA(50mg)와 Brij78(50mg)을 약간의 dimethyl sulfoxide(DMSO)(ca. 0.4mL)에 녹여 80℃의 탈이온수와 혼합하였다. 이를 프로브 소니케이터 (Dismembrator model 550, Fisher Sonic)를 이용하여 80℃에서 15분 가량 초음파처리 하였다.
PCDA-EDEA 기반 PDA 센서 섬유의 CD 검출능력은 다양한 결합 특이성을 가진 CD 및 농도에 대한 단일 섬유의 형광세기를 분석하여 파악하였다. 직경 100µm의 PDA 센서 섬유를 10mM의 α-, β- 및 γ-CD에 노출시킨 결과, 기존 과⁽¹⁴⁾와 같이 각기 다른 결합 특이성으로 인해 α-CD와는 가장 강한 반응을 보이는 반면 γ-CD와는 가장 약한 반응을 보였다.
PCDA-EDEA 기반 PDA 센서 섬유의 금속 이온 검출능력 또한 마찬가지로 지난 연구(16)와 동일하게 직경 100µm의 센서 섬유를 1mM 의 다양한 금속 이온 수용액(20%, DMSO-HEPES(4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid, pH: 7.4))에 노출시키고 형광세기를 분석하였다.
PDA 센서 섬유를 이용하여 아연 이온을 선택적으로 검출해내었으며 미세유동칩 내 3차원 유체집속효과를 활용함으로써 제작되는 PDA 센서 섬유의 직경을 성공적으로 제어하였다. 이는 기존의 전기방사나 자가조립 특성을 이용해서는 불가능했던 1차원적인 PDA 구조물의 맞춤 제작을 가능하게 했다.
미세유동 칩 내에서 PCDA-EDEA 기반의 DA 단량체 수용액과 알지네이트 수용액 혼합물인 core 유동은 sheath 유동인 염화칼슘 수용액에 의해 집속되며 이와 동시에 이온간 교차결합으로 인해 core 유동으로부터 DA 단량체가 집적된 미세섬유가 형성되었다. 미세섬유는 UV에 의해 파란색의 PDA 센서 섬유로 활성화되며 이를 이용하여 CD의 검출 능력 및 선택적인 알루미늄 이온 검출 능력을 평가하였다. PDA 센서 섬유는 각 자극에 대해 각기 다른 형광 세기를 보임으로써 CD의 종류 및 농도 검출이 가능함을 파악하였으며, PDA의 원료가 되는 PCDA의 head group 변화를 통해 선택적인 알루미늄 이온 검출이 가능함을 파악하였다.
센서 섬유 제작 및 자극검출 능력 평가를 포함한 모든 실험은 도립식 형광 현미경(IX71, Olympus)을 이용하여 수행하였다. 미세유동칩에 주입되는 유체의 유량은 개별적 제어가 가능한 시린지 펌프(Picoplus 702212, Harvard apparatus, neMESYS, Cetoni)를 통해 제어하였다. 이때 안정적인 센서 섬유 제작을 위해 유량 변경 시 약 5분간의 안정화 시간을 두었다.
본 연구에 사용된 미세유동칩은 원형의 단면을 가지며 두 개의 채널이 동심원상에 존재하여 3차원 유체집속효과를 가능하게 한다.(Fig.
센서 섬유 제작 및 자극검출 능력 평가를 포함한 모든 실험은 도립식 형광 현미경(IX71, Olympus)을 이용하여 수행하였다. 미세유동칩에 주입되는 유체의 유량은 개별적 제어가 가능한 시린지 펌프(Picoplus 702212, Harvard apparatus, neMESYS, Cetoni)를 통해 제어하였다.
언급한 PDA의 특성을 바탕으로 지난 연구에서는 PCDA 기반의 PDA를 미세유동칩에 적용하여 PDA 센서 섬유를 제작하고 그 특성을 분석하였다.⁽¹⁶⁾ PDA 센서 섬유를 이용하여 아연 이온을 선택적으로 검출해내었으며 미세유동칩 내 3차원 유체집속효과를 활용함으로써 제작되는 PDA 센서 섬유의 직경을 성공적으로 제어하였다.
이때 두 개의 보조 유리모세관(직경 370µm)을 지지대로 사용하여 유리모세관 몰드가 실리콘 웨이퍼의 표면과 접촉하지 않도록 하였다.
4mL)에 녹여 80℃의 탈이온수와 혼합하였다. 이를 프로브 소니케이터 (Dismembrator model 550, Fisher Sonic)를 이용하여 80℃에서 15분 가량 초음파처리 하였다. 이후 필터를 이용하여 지질군을 제거하고 4℃에서 12시간 안정화 과정을 거쳐 DA 단량체 수용액을 완성하였다.
이에 sheath 유동 주입을 위한 구멍을 뚫고 core 유동 주입을 위한 유리모세관(외경 370µm, 내경 50µm)은 몰드와 동일한 규격의 보조 모세관(외경 670µm, 내경 450µm)을 활용하여 원형단면의 채널 중앙에 Fig. 2(C)와 같이 정확히 정렬시켜 미세유동칩을 제작하였다.
이때 두 개의 보조 유리모세관(직경 370µm)을 지지대로 사용하여 유리모세관 몰드가 실리콘 웨이퍼의 표면과 접촉하지 않도록 하였다. 준비된 몰드 위에 polydimethylsiolxane(PDMS) prepolymer (Sylgard 184A, Dow Corning Corp)와 경화제(Sylgard 184B, Dow Corning Corp)가 10:1의 부피 비로 혼합된 PDMS 탄성 중합체를 붓고 진공상태에서 기포를 제거한 후 80℃ 오븐에서 2시간 경화시켰다. 경화된 PDMS 탄성 중합체는 원형단면의 채널 형상(Fig.

대상 데이터

고농도의 PCDA-EDEA 기반 DA 단량체 수용액을 얻기 위해 PCDA-EDEA와 비 이온성 계면활성제 Brij78 을 사용하였다.(Fig.
먼저, 직경 670µm의 유리 모세관을 실리콘 웨이퍼 위에 위치시켜 몰드를 제작하였다.
이온간 교차결합을 활용한 칼슘-알지네이트 하이드로젤 섬유를 제작하기 위해 본 연구에서는 1.5wt%의 소디움 알지네이트 수용액과 780mM의 염화칼슘 수용액을 사용하였다.

이론/모형

(Fig. 2(A)) 이 같은 미세 유동칩을 제작하기 위해 기존의 방법⁽¹⁶⁾과 동일하게 모세관 몰딩 기법을 이용하였다. 먼저, 직경 670µm의 유리 모세관을 실리콘 웨이퍼 위에 위치시켜 몰드를 제작하였다.

성능/효과

미세섬유는 UV에 의해 파란색의 PDA 센서 섬유로 활성화되며 이를 이용하여 CD의 검출 능력 및 선택적인 알루미늄 이온 검출 능력을 평가하였다. PDA 센서 섬유는 각 자극에 대해 각기 다른 형광 세기를 보임으로써 CD의 종류 및 농도 검출이 가능함을 파악하였으며, PDA의 원료가 되는 PCDA의 head group 변화를 통해 선택적인 알루미늄 이온 검출이 가능함을 파악하였다. 또한 PCDA-EDEA 기반의 PDA 센서 섬유는 건조되는 경우 비가역적인 과정을 통해 그 부피가 수축되는 특성을 띄나 자극 검출 능력은 유지되어 여전히 센서로서 사용이 가능함을 확인하였다.
그 결과, core 유동은 sheath 유동에 의해 채널의 중앙으로 집속되는 동시에 유동간 계면에서 시작되는 이온간 교차결합으로 인해 core 유동으로부터 직경 약 100µm의 미세섬유가 형성되었다.
PDA 센서 섬유는 각 자극에 대해 각기 다른 형광 세기를 보임으로써 CD의 종류 및 농도 검출이 가능함을 파악하였으며, PDA의 원료가 되는 PCDA의 head group 변화를 통해 선택적인 알루미늄 이온 검출이 가능함을 파악하였다. 또한 PCDA-EDEA 기반의 PDA 센서 섬유는 건조되는 경우 비가역적인 과정을 통해 그 부피가 수축되는 특성을 띄나 자극 검출 능력은 유지되어 여전히 센서로서 사용이 가능함을 확인하였다.
또한 PDA 센서 섬유는 다양한 농도(1, 5, 10mM)의 α-CD에 반응하여 농도가 증가함에 따라 섬유의 형광세기는 점차 증가하며 10mM의 α-CD에 가장 강한 형광을 나타냈다.
이는 지난 연구⁽¹⁶⁾에서 PCDA 기반의 PDA 미세섬유 센서가 아연 이온과 가장 강한 반응을 보이 것과는 대조적인 것이다. 즉, 결과를 종합해본 바, PDA 센서 섬유는 PCDA의 head group에 따라 선택적인 금속 이온 검출이 가능하다는 것을 보여준다. 이와 더불어 PCDA-EDEA 기반의 PDA 센서 섬유를 각기 다른 농도(1, 5, 10, 20mM)의 알루미늄 이온 수용액에 노출시키는 경우, 알루미늄 이온의 농도에 비례하여 PDA 센서 섬유의 형광 세기가 증가하는 양상을 나타냈다.
직경 100µm의 PDA 센서 섬유를 10mM의 α-, β- 및 γ-CD에 노출시킨 결과, 기존 과(14)와 같이 각기 다른 결합 특이성으로 인해 α-CD와는 가장 강한 반응을 보이는 반면 γ-CD와는 가장 약한 반응을 보였다.

후속연구

이러한 하이드로젤 기반의 화학적 자극, 금속 이온 및 농도 검출 시스템은 생물학적인 관점에서 매우 매력적인 특징을 가지고 있다. 특히, 세포 배양을 위한 구조물에 이 같은 검출 시스템을 도입함으로써 실시간으로 중요한 이온이나 대사물질의 배출을 시각적으로 확인할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PDA의 특징은?	Wegner (1) 에 의해 선구적으로 발견된 이후로, 공액 고분자의 일종인 poydiacetylene(PDA)는 센서분야에서 활발하게 연구되어 왔다.(2~10) PDA는 독특한 자가조립 특성과 poly(ene-yne) 중추 구조를 가지고 주변환경 변화에 대해 상 전이를 일으키며 동시에 선명한 blue-to-red 색 전이가 일어난다. 복잡한 다단계의 준비과정이 필요한 다른 공액 고분자와는 달리 PDA는 수분 친화적인 환경에서 존재하는 diacetylene(DA) 단량체에 UV를 조사함으로써 손쉽게 만들어질 수 있다. 또한 초분자가 조립된 DA 단량체의 양친매성 특성으로 인해 나노튜브, 나노와이어, 나노소포체 등 다양한 나노구조물 제작이 가능하다. 이와 더불어 PDA의 선명한 blue-to-red 색 전이 특성은 DNA, 단백질, 이온, 휘발성 유기용매(Volatile Organic Compound, VOC) 등을 검출하기 위한 다양한 색 전이 기반 화학센서 제작에 활용되어 왔다.
	PDA의 초분자가 조립된 DA 단량체의 양친매성 특성으로 인해 무엇이 제작 가능한가?	복잡한 다단계의 준비과정이 필요한 다른 공액 고분자와는 달리 PDA는 수분 친화적인 환경에서 존재하는 diacetylene(DA) 단량체에 UV를 조사함으로써 손쉽게 만들어질 수 있다. 또한 초분자가 조립된 DA 단량체의 양친매성 특성으로 인해 나노튜브, 나노와이어, 나노소포체 등 다양한 나노구조물 제작이 가능하다. 이와 더불어 PDA의 선명한 blue-to-red 색 전이 특성은 DNA, 단백질, 이온, 휘발성 유기용매(Volatile Organic Compound, VOC) 등을 검출하기 위한 다양한 색 전이 기반 화학센서 제작에 활용되어 왔다.
	PDA가 자극에 반응하여 형광을 발현하는 특성으로 무엇을 개발하게 되었나?	이는 blue-to-red 색 전이와 동시에 발현되며 센서의 대체적인 감지신호로서 상당한 이목을 끌어왔다.(6,11,12) 또한 이러한 독특한 형광 발현 특성은 기존에는 불가능했던 미세배열(13) 및 미세유체역학적인 PDA 센서 시스템(14) 개발을 가능하게 하였다. 더욱이 PDA는 그 원료가 되는 10,12-pentacosadiynoic acid(PCDA) 의 head group에 따라 자극에 대한 감도가 달라지는 특성을 가지고 있으며 특히 다양한 금속 이온에 선택적으로 반응하는 특성을 가지고 있다.

참고문헌 (18)

Wegner, G., 1972, "Topochemical Polymerization of Monomers with Conjugated Triple Bonds," Die Makromolekulare Chemie, Vol. 154, No. 1, pp. 35-48.

상세보기
Sun, A., Lauher, J. W. and Goroff, N. S., 2006, "Preparation of Poly (diiododiacetylene), an ordered conjugated Polymer of Carbon and Iodine," Science, Vol. 312, No. 5776, pp. 1030-1034.

상세보기
Okawa, Y. and Aono, M., 2001, "Materials Science:Nanoscale Control of Chain Polymerization," Nature, Vol. 409, No. 6821, pp. 683-684.

상세보기
Charych, D. H., Nagy, J. O., Spevak, W. and Bednarski, M. D., 1993, "Direct Colorimetric Detection of a Receptor-ligand Interaction by a Polymerized Bilayer Assembly," Science, Vol. 261, No. 5121, pp. 585-588.

상세보기
Ma, G., Muller, A. M., Bardeen, C. J. and Cheng, Q., 2006, "SelfAssembly Combined with Photopolymerization for the Fabrication of Fluorescence "TurnOn" Vesicle Sensors with Reversible "On-Off" Switching Properties," Advanced Materials, Vol. 18, No. 1, pp. 55-60.

상세보기
Kolusheva, S., Molt, O., Herm, M., Schrader, T. and Jelinek, R., 2005, "Selective Detection of Catecholamines by Synthetic Receptors Embedded in Chromatic Polydiacetylene Vesicles," Journal of the American Chemical Society, Vol. 127, No. 28, pp. 10000-10001.

상세보기
Yoon, B., Lee, S. and Kim, J.-M., 2009, "Recent Conceptual and Technological Advances in Polydiacetylene-based Supramolecular Chemo-Sensors," Chemical Society Reviews, Vol. 38, No. 7, pp. 1958-1968.

상세보기
Gill, I. and Ballesteros, A., 2003, "Immunoglobulin- Polydiacetylene Sol-Gel Nanocomposites as SolidState Chromatic Biosensors," Angewandte Chemie, Vol. 115, No. 28, pp. 3386-3389.

상세보기
Ahn, D. J. and Kim, J.-M., 2008, "Fluorogenic Polydiacetylene Supramolecules: Immobilization, Micropatterning, and Application to Label-free Chemosensors," Accounts of chemical research, Vol. 41, No. 7, pp. 805-816.

상세보기
Yoon, J., Chae, S. K. and Kim, J.-M., 2007, "Colorimetric Sensors for Volatile Organic Compounds (VOCs) Based on Conjugated Polymer-embedded Electrospun Fibers," Journal of the American Chemical Society, Vol. 129, No. 11, pp. 3038-3039.

상세보기
Kim, J.-M., Lee, Y. B., Yang, D. H., Lee, J.-S., Lee, G. S. and Ahn, D. J., 2005, "A Polydiacetylene-based Fluorescent Sensor Chip," Journal of the American Chemical Society, Vol. 127, No. 50, pp. 17580-17581.

상세보기
Lee, J., Kim, H.-J. and Kim, J., 2008, "Polydiacetylene Liposome Arrays for Selective Potassium Detection," Journal of the American Chemical Society, Vol. 130, No. 15, pp. 5010-5011.

상세보기
Lee, C. H., Oh, E.-H., Kim, J.-M. and Ahn, D. J., 2008, "Immobilization of Polydiacetylene Vesicles on Cellulose Acetate Butyrate (CAB)-coated Substrates for Selfassembled Supramolecular Sensor Arrays," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 313, No. pp. 500-503.

상세보기
Eo, S. H., Song, S., Yoon, B. and Kim, J. M., 2008, "A Microfluidic ConjugatedPolymer Sensor Chip," Advanced Materials, Vol. 20, No. 9, pp. 1690-1694.

상세보기
Jang, Y. S., Yoon, B. and Kim, J.-M., 2011, "Colorimetric Detection of Aluminium Ion based on Conjugated Polydiacetylene Supramolecules," Macromolecular Research, Vol. 19, No. 1, pp. 97-99.

상세보기
Yoo, I., Song, S., Yoon, B. and Kim, J. M., 2012, "SizeControlled Fabrication of PolydiacetyleneEmbedded Microfibers on a Microfluidic Chip," Macromolecular rapid communications, Vol. 33, No. 15, pp. 1256-1261.

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Yoon, B., Ham, D. Y., Yarimaga, O., An, H., Lee, C. W. and Kim, J. M., 2011, "Inkjet Printing of Conjugated Polymer Precursors on Paper Substrates for Colorimetric Sensing and Flexible Electro-thermochromic Display," Advanced Materials, Vol. 23, No. 46, pp. 5492-5497.

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Szejtli, J., 1998, "Introduction and General Overview of Cyclodextrin Chemistry," Chemical reviews, Vol. 98, No. 5, pp. 1743-1754.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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