[논문]전기분해에 의한 은 나노 콜로이드 합성에 따른 항균 특성 연구

이재용

doi:10.5322/jesi.2018.27.1.47

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In this study, high-purity silver nanocolloids were synthesized by an electrolytic reaction, and the effect of temperature on the nanocolloid concentration was analyzed by performing the reaction at $70^{\circ}C$ and $90^{\circ}C$. The antibacterial properties of the thus-synth...

In this study, high-purity silver nanocolloids were synthesized by an electrolytic reaction, and the effect of temperature on the nanocolloid concentration was analyzed by performing the reaction at $70^{\circ}C$ and $90^{\circ}C$. The antibacterial properties of the thus-synthesized silver nanocolloids were also studied. When the synthesis was performed at $90^{\circ}C$, the concentration of silver nanocolloid increased to 14 mg/L after 5 min, 1756 mg/L after 30 min, and 2147 mg/L after 60 min. The concentration of silver nanocolloid synthesized by electrolytic reaction at $70^{\circ}C$ and $90^{\circ}C$ for 60 min was 1,882 mg/L and 2147 mg/L, respectively. The preferred temperature at which the electrolytic synthesis is performed is $70^{\circ}C$ to obtain high concentrations of 1,000 mg/L or more. The antibacterial performance of the thus-synthesized silver nanocolloids was 99.9% for E. coli and 99.5% for Pseudomonas aeruginosa.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 종래 전기 분해에 의해 제조되는 은(Ag) 나노 콜로이드를 고농도및 고순도로 제조하기 위하여 전기분해 반응조의 온도 변화를 70℃와 90℃에서 반응시켜 농도의 변화를 분석하고, 상의 변화를 관측하며, 은 나노 콜로이드의 항균 특성을 고찰하였다.
본 연구는 종래 전기 분해에 의해 제조되는 저농도의 은(Ag) 콜로이드 제조 방법을 개선하고, 고농도 및 고순도의 은(Ag) 나노 콜로이드를 제조하기 위하여 전기분해 반응조의 온도 변화를 70℃와 90℃에서 반응시켜, 농도 변화를 분석하고, 상의 변화를 관측하며, 은(Ag) 나노 콜로이드의 항균 특성을 고찰하였다.

가설 설정

항균제인 금속 은이온(Ag⁺)의 항균 메커니즘은 다음과 같다. 첫째, 미생물의 단백질 내 -SH기와 흡착 결합하여 세포 변형을 일으키고 축합-탈수 반응으로 이어져 미생물의 신진대사 및 에너지 대사호흡 등을 어렵게 함으로서 미생물을 사멸시키는 것이고, 둘째, 활성산소에 의한 항균 작용으로 산소는 은과 같은 항균 금속의 촉매작용에 의해 부분적으로 활성산소로 전환되는 것이다. 이 활성산소는 오존이나 과산화수소와 같은 강력한 살균작용을 갖고 있다.

제안 방법

의 720-ES model인 ICP-OES를 이용하여 제조된 은(Ag)나노 콜로이드의 은(Ag)의 농도를 분석하고, Rigaku Co. SWXD model X-Ray 회절 분석기(X-Ray generator 출력 18kW, Rotating Anode, Cu target)로 은(Ag) 나노 콜로이드에 대한 결정상분석을 실시하였으며, 입자 형상, 입도 분포 및 Lattice Image를 알아보기 위하여 TEM (Transmission Electron Microscopy, JEM - ARM 200F, JEOL)으로 관찰을 하였고, 분산제의 함량을 고려하기 위하여 TA Instruments Co.의 Auto-TGA Q500 Model로 TGA 열분석을 실시하였다. 항균 특성은 대장균과 녹농균을 이용하여 KICM-FIR-1002: Shake Flask 법으로 평가하였다.
항균 특성은 대장균과 녹농균을 이용하여 KICM-FIR-1002: Shake Flask 법으로 평가하였다. 균주로서는 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)과 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442)을 사용하여 균을 접종 후 24시간 후 균의 농도를 분석하여 평가하였다.

이론/모형

은(Ag) 나노 콜로이드 용액에 대하여 50 mg/l로 희석시킨 후 KICM-FIR -1002 방법으로 항균시험을 실시하였다. 균주는 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)과 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442)를 사용하여 접종한 후 24시간 경과 후 균의 농도를 측정하여 감소율을 측정하고 그 결과를 Table 1과 Fig.
의 Auto-TGA Q500 Model로 TGA 열분석을 실시하였다. 항균 특성은 대장균과 녹농균을 이용하여 KICM-FIR-1002: Shake Flask 법으로 평가하였다. 균주로서는 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)과 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442)을 사용하여 균을 접종 후 24시간 후 균의 농도를 분석하여 평가하였다.

성능/효과

2. 70℃, 90℃에서 각각 60분간 전기분해 반응 결과 합성된 은(Ag) 나노 콜로이드의 농도는 70℃일 때 1,882 mg/l, 90℃에서 2,147 mg/l로 나타났다.
3. 건조한 은(Ag) 나노 건조 분말을 X선 회절 분석하여 결정상의 동정 분석을 실시한 결과 합성된 은(Ag)나노 콜로이드는 순수 은(Ag)으로 분석되었다.
4. 70℃에서 합성할 경우 은(Ag) 의 핵생성이 적은 가운데 은(Ag) 의입자의 성장이 이루어져 평균 입도는 38.6 nm 크기의 균일한 크기를 갖는 입자로 형성되며, 90℃에서 합성할 경우 은(Ag) 의 핵성이 활발하여 평균 입도는 93.2 nm정도의 크기를 갖는 입자 크기가 불균일한 입자로 형성되어, 1,000 mg/l 이상의 고농도, 40 nm이하의 고순도 은(Ag) 나노 콜로이드를 합성하기 위해서는 70℃에서 합성하는 것이 좋다고 판단된다.
5. 은(Ag) 나노 콜로이드의 항규특성을 살펴보면, 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)에 대하여는 99.9%의 항균 효과를 보였으며, 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442)에 대하여는 99.5%의 항균 특성을 보였다.
13에 나타내었다. 은(Ag) 나노 콜로이드 대한 항균특성은 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)에 대하여는 99.9%의 항균 효과를 보였으며, 녹농균(Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442)에 대하여는 99.5%의 항균 특성을 보였다. 이는 Karla (2010), Hwang(2011)등의 연구와 같이 은나노 콜로이드가 대장균과 녹농균등의 세포 표면에 은나노 콜로이드가 흡착한 뒤 세포막을 파괴하고 DNA를 불활성화 시킴으로서 항균이 일으킨다고 생각된다(Karla et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	은 나노 입자를 만드는 방법 중 전기 분해법은 무엇인가?	전기 분해법은, 금속 전극봉을 금속염 등이 용해되어 있는 전해 수용액에 배치한 후, 두 개의 전극 봉에 직류 또는 교류 전류를 가함으로서, 용액 중에서 금속 이온이 환원되어 금속 나노 입자가 석출되도록 한 후, 이를 침전, 여과 등의 과정을 통해 분리하여 건조시킴으로서 금속 나노 입자를 제조하는 방식이다. 전기 분해에 의한 금속 나노 콜로이드 제조방식은, 물리적 방법이나 화학적 방법에 비해 불순물 없이 상대적으로 미세한 입자를 얻을 수 있기 때문에 의료용에 적용되는 금속 나노 입자는 일반적으로 전기 분해법에 의해 제조된 금속 나노 입자를 순수나 기타 필요로 하는 용액 중에 분산시켜 콜로이드 용액으로 만든 후, 주사나 음용 등 기타 방식을 통해 체내에 투여하고 있다.
	향균제인 금속 은이온(Ag+)의 향균 메커니즘은 무엇인가?	항균제인 금속 은이온(Ag+)의 항균 메커니즘은 다음과 같다. 첫째, 미생물의 단백질 내 -SH기와 흡착 결합하여 세포 변형을 일으키고 축합-탈수 반응으로 이어져 미생물의 신진대사 및 에너지 대사호흡 등을 어렵게 함으로서 미생물을 사멸시키는 것이고, 둘째, 활성산소에 의한 항균 작용으로 산소는 은과 같은 항균 금속의 촉매작용에 의해 부분적으로 활성산소로 전환되는 것이다. 이 활성산소는 오존이나 과산화수소와 같은 강력한 살균작용을 갖고 있다. 셋째, 은이 나노 크기로 되면 100 ~ 200 정도의 미생물이 이를 섭취하는 것이 가능하고, 섭취 시 호흡기 장애 및 대사 장애로 미생물이 사멸된다는 의견도 있다(Rovert and Charles, 1989; Russell and Hugo, 1994; Kim et al., 2005).
	전기분해법을 이용한 은 나노 입자의 생성은 어떤 단점을 가지는가?	전기 분해에 의한 금속 나노 콜로이드 제조방식은, 물리적 방법이나 화학적 방법에 비해 불순물 없이 상대적으로 미세한 입자를 얻을 수 있기 때문에 의료용에 적용되는 금속 나노 입자는 일반적으로 전기 분해법에 의해 제조된 금속 나노 입자를 순수나 기타 필요로 하는 용액 중에 분산시켜 콜로이드 용액으로 만든 후, 주사나 음용 등 기타 방식을 통해 체내에 투여하고 있다. 그러나, 전기분해법을 이용한 은(Ag) 나노 입자의 생성은 1000 mg/l 이상의 고농도 은(Ag) 나노 입자를 대량 생산할 수 없는 단점이 있다(Lee, 2009).

참고문헌 (17)

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Asta, S., Igoris, P., Judita, P., Algimantas, J., Asta, G., 2006, Analysis of silver nanoparticles produced by chemical reduction of silver salt solution, Materials Science (medzziagotyra), 12(4), 287-291.
Buffat, P., Borel, J. P., 1976, Size effect on the melting temperature of gold particles, Physical review A, 13, 2287-2298.

상세보기
Henry, C., 1912, Production of colloidal metals, Patent US 1059841 A, London, England.
Hwang, I. S., Cho, J. Y., Hwang, J. H., Hwang, B. M., Choi, H. M., Lee, J. Y., Lee, D. G., 2011, Antimicrobial effects and mechanism(s) of silver nanoparticle, Korean J. Microbiol. Biotechnol, 39(1), 1-8.
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Karla, C., Yogeshkumar, M., Alexander, M. S., 2010, Nanosilver as a new generation of nanoproduct in biomedical applications. Trends Biotechnology. 28(11), 580-588.
Kim, H. B., Oh, M. D., 2001, Vancomycin-resistant Staphylococcus aureus, Infection & Chemotherapy, 33(1), 62-70.
Kim, J. Y., Kim, S. Y., Kim, J. Y., Lee, J. C., Yun, J. Y., 2005, The biocidal activity of nano sized silver particles comparing with silver ion, Journal of KSEE, 27(7), 771-776.
Kim, S. M., 2010, Preparation and characterization of silver nanoparticles by using thermal decompositon, M. D, Hanyang University, Korea
Lee, C. Y., 2009, Synthesis and characterization of Ag metal nanoparticles by modified electrolysis method, M. D, Hanyang University, Korea.
Lee, J. J., 2016, Size and dispersion characteristics of silver nanoparticles prepared using liquid phase reduction method, Journal of the Korea Academia -Industrial cooperation Society, 17(5), 10-16.
Rovert, B. T., Charles, P. G., 1989, The molecular mechanisms of copper and silver ion disinfection of bacteria and viruses, CRC Crit. Rev. Environ. Cont, 18(4), 295-315.

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Russell, A. D., Hugo, W. B., 1994, Antimicrobial activity and action of silver, Progress in Medicinal Chemistry, 31, 351-370.

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Searle, A. B., 1920, The use of colloids in health and disease, Constable Company LTD, London, England.
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Song, Y. G., 2012, The history of antimicrobial drug development and the current situation, Korean Journal of Infectious Diseases, 44(4), 263-268.

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