선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 4) 이 연구에서는 저렴하게 제작 가능하면서 화학적으로 안정하고, 생체적합 (biocompatible)한 물질로 헤마타이트를 선정하고, 이를 산화전극(anode)에 성장시켜 광계2와의 상호작용 및 광전류의 양을 향상시키고자 하였다. 성장된 헤마타이트는 다공성(mesoporous) 표면구조를 가지고 있으며 이 때문에 더 많은 광계2 분자들과 접촉할 수 있어 더 많은 양의 광합성 전자를 추출할 수 있다.
- 본 리뷰에서는 고등식물을 이용한 광합성 기반 바이오 태양광 에너지 변환 기술의 소개와 동향을 기술하고자 하며, 위에서 언급한 4가지의 카테고리로 분류하여 설명을 진행하고자 한다. 각 광합성 인자의 장점과 단점에 대해 소개하고, 여러 연구결과들에서 사용하는 광합성 인자에 따라 어떤 전극 디자인과 표면처리, 전자전달 매개체를 사용하였는지, 시스템은 어떻게 구성하였는지를 살펴보고 현재 어느 정도 수준까지 도달하였는지를 다루도록 하겠다.
- 5)이 연구에서는 광계2를 고정하는 지질 이중층 물질로 DMPC(dimyristoyl-phosphatidylcholine)를 사용하였다. 논문에서는 DMPC를 이용하면 상온(ambient temperature)에서 간단하게 지질 이중층을 만들 수 있다고 설명한다. 시금치를 재료로 하여 광계2를 추출하고 이를 함유하고 있는 약 2㎛ 두께의 지질 필름을 전극에 도포하고 건조 후 산화전극을 구성하였다.
- 광 바이오 초축전지(photo-bio-supercapacitor)의 핵심 원리는 회로가 열린 상태에서 광합성을 진행하여 산화전극과 환원전극을 대전(charge)시켜 두 전극간 전위차를 높이고, 이 상태에서 회로를 닫아 전류를 측정하면서 전극을 방전(discharge)시키게 되고, 이 과정에서 기본 전위차와 대전에 의한 전위차가 더해지면서 높은 전력량을 도모하는 것이다. 따라서 이 연구에서는 CNT 매트릭스를 사용한 전극의 축전효과를 통해 일반 ITO 전극에 틸라코이드를 도포한 대조군과 비교하여 약 100배 이상의 전력 밀도를 얻었다고 설명하였다.
- 본 리뷰에서는 고등식물을 이용한 광합성 기반 바이오 태양광 에너지 변환 기술의 소개와 동향을 기술하고자 하며, 위에서 언급한 4가지의 카테고리로 분류하여 설명을 진행하고자 한다. 각 광합성 인자의 장점과 단점에 대해 소개하고, 여러 연구결과들에서 사용하는 광합성 인자에 따라 어떤 전극 디자인과 표면처리, 전자전달 매개체를 사용하였는지, 시스템은 어떻게 구성하였는지를 살펴보고 현재 어느 정도 수준까지 도달하였는지를 다루도록 하겠다.
- 나노구조물(nanostructure)을 통해 전극 표면적을 늘려서 전극과 광계1의 접촉면적을 극대화시키고자 한 연구들도 진행된 바 있다. 이 연구들에서는 전자전달 매개를 사용하지 않고 1차원 나노구조물을 사용하거나 다공성 전극을 제작하여 광합성 에너지 추출 밀도를 향상시키고자 하였다. 한 연구에서는 ITO 위에 TiO2를 이용하여 1차원 나노구조물을 제작하고 도데실 말토사이드(dodecylmaltoside, DDM)에 광계1을 분산시켜 전기방사(electrospray)를 통해 전극 표면에 부착시켰다.
- 이 반응은 가역반응(reversible reaction)으로 퀴논 계열 전자전달 매개체는 이 두 상태를 오가며 전하를 전달하게 된다. 이 연구에서는 퀴논 계열 분자들의 광합성 전자 전달 능력을 평가하기 위하여 총 9종류의 퀴논 파생물질(derivatives)을 사용하여 광전류를 평가하였다. 그 중 파라벤조퀴논(para-benzoquinone, PBQ)과 디클로로벤조퀴논(dichloro benzoquinone, DCBQ)이 광전류 측정 실험에서 여타 퀴논 파생물들과 비교하여 월등한 성능을 가지는 것이 확인되었다.
제안 방법
- 한 연구에서는 ITO 위에 TiO2를 이용하여 1차원 나노구조물을 제작하고 도데실 말토사이드(dodecylmaltoside, DDM)에 광계1을 분산시켜 전기방사(electrospray)를 통해 전극 표면에 부착시켰다.15) 이후 전기방사 시간을 조절하여 최적의 두께로 광계1을 전극에 도포하여 최대 4.15 mA/cm2의 광전류를 측정하였다. 이어진 다른 연구에서는 ITO를 3차원 다공성 물질로 가공하여 전극으로 사용하였다.
- 26) 이 논문에서는 탄소유리전극을 주 전극으로 사용하였고 연결 분자로는 한쪽에 아민 그룹, 반대쪽에 카르복실 그룹이 형성된 분자를 사용하였으며, 이를 탄소전극에 결합하여 4-카르복시페닐(4-carboxyphenyl, 4CP) 막을 형성하였다. 개질된 전극 바깥쪽으로 노출된 카르복실 그룹은 틸라코이드와 결합하기 위한 작용기로, 카르복실 그룹과 아민 그룹이 펩타이드 결합(peptide bond)을 하게 유도하는 EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) / NHS(N-hydroxy succinimide) 처리를 진행하였다.
- 3) 이 연구에서는 광계2와 광계1 그리고 광계2와 1 사이에서 전자전달을 도와줄 수용체인 시토크롬 C(cytochrome C, cyt C)를 모두 사용하여 시스템을 구성하였다. 우선 ITO전극은 별도로 제작한 광계1/백금 나노결정(nanocrystal, NC)을 부착하기 위해(3-mer-captopropyl) trimethoxysilane으로 개질하였다.
- 7) 이 연구에서는 금 봉(gold rod) 형태의 산화전극을 사용하였으며 금 표면에 pMBQ를 코팅하여 광계2가 부착되기 용이하게 하는 동시에 광계2에서 전극으로의 전자전달 통로(electron pathway)의 역할도 수행하도록 하였다. 이 연구의 특이한 점은 물을 분해하여 산소와 전자를 만들어내는 광계2의 보상작용으로 환원전극에서 물을 합성할 수 있는 BOx(bilirudin oxidase)를 사용하였다는 점이다.
- 8) 이 논문에서는 전도성 고분자로 알려진 PPy(polypyrrole)을 ITO 전극 위에 성장시켜 광계2와 전극 사이에 전자전달통로를 확보함과 동시에 생체적합하여 광계2와 잘 상호작용할 수 있는 전극을 제작하였다. 더불어 전자전달효과를 극대화할 수 있도록 PPy를 성장시키는 과정에서 별도의 BQ 분자를 첨가하여 PPyBQ 전극 또한 제작하였다.
- 9) 여기에서는 크게 다공성의 TiO2 필름을 ITO 전극 위에 증착하여 사용하였고 광합성 전자의 직접 전달 또는 DCBQ에 의한 매개체 전달의 차이점 및 효과를 관찰하기 위해서 별도의 TiO2 박막의 유무에 따른 테스트를 진행하였다. 기본적으로 광계2의 망간촉매에서 발생한 광합성 전자는 몇가지 단백질 통로를 거쳐 광계2 외부로 나갈수 있는 퀴논 사이트(quinone site, QA)에 도달하게 된다.
- 더불어, 전지의 성능을 극대화시키기 위하여 각 산화/환원전극은 서로 다른 페하(pH)값을 가지는데 산화전극부분은 광계2의 물 분해에 용이하도록 pH 6을, 환원 전극은 염산(hydrochloric acid, HCl) 환경에서 동작하도록 하기 위해 pH 1을 가진다. 각 전극이 서로 다른 pH를 가진 수용액 상에서 작동하므로, 두용액의 의도치 않은 혼합을 막기 위해 염 다리(salt bridge)를 이용해 전지를 구성하였다. 여기에서는 염다리를 이용해 높은 pH 구배(gradient)를 유지하는 것이 높은 최대 전위차와 높은 최대 파워출력을 가지게 하는데 주요한 역할을 했다고 설명하고, 광계2-DMPC 필름 제작방법과 더불어 디자인을 간소화한 데에 장점이 있다고 하였다.
- 26) 이 논문에서는 탄소유리전극을 주 전극으로 사용하였고 연결 분자로는 한쪽에 아민 그룹, 반대쪽에 카르복실 그룹이 형성된 분자를 사용하였으며, 이를 탄소전극에 결합하여 4-카르복시페닐(4-carboxyphenyl, 4CP) 막을 형성하였다. 개질된 전극 바깥쪽으로 노출된 카르복실 그룹은 틸라코이드와 결합하기 위한 작용기로, 카르복실 그룹과 아민 그룹이 펩타이드 결합(peptide bond)을 하게 유도하는 EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) / NHS(N-hydroxy succinimide) 처리를 진행하였다. EDC/NHS 처리를 통해 아민 반응성 (amine-reactive) 분자인 NHS 에스테르(NHS ester)가 카르복실 그룹에 형성되고, 이것이 틸라코이드 외부로 나와있는 아민 그룹과 반응하여 궁극적으로 틸라코이드와 전극을 부착시키게 된다.
- 87 mA/cm2의 광전류가 측정되었다고 보고하였다. 관련 연구에서는 나노결정의 TiO2와 나노선 아연산화물 (ZnO)을 이용한 나노구조물을 제작하여 전극으로 이용하였다.18) 이와 같은 구조는 앞서 언급된 것과 같이 전극 표면을 넓히는 효과가 있으며 이 논문에서 TiO2 나노구조물은 평면전극대비 200배, ZnO 나노선은 30배가량 전극 표면적이 넓어짐을 관찰하였고, 면적 비율대로 광전류가 측정됨을 확인하였다.
- 이어서 광계2에서 외부로의 전자전달을 방해하는 제초제의 한 종류인 DCMU(dichlorophenyl dimethylurea)를 첨가했을 때 다시 광전류가 감소하는 것을 관찰하면서 측정되는 광전류의 기원이 광계2임을 증명하였다. 광전류의 기원이 광계2임을 더욱 공고히 하는 과정의 하나로 열을 가해 기능을 상실한 광계2를 이용하여 광전류를 측정하였고, 열처리를 한 광계2의 경우 DCMU를 첨가했을 때 측정전류의 변화가 없는 것을 관찰하였다.
- 이 연구에서는 AFM 캔틸레버를 가공하여 날카롭게 만든 뒤에 일반적인 금속 증착법을 이용해 전극화를 진행했다. 그 후 식물세포에 정확하게 전극을 삽입하기 위한 방법으로 마이크로 유로(micro fluid channel)를 제작하고 제작된 유로 중간에 세포를 포획할 수 있는 함정(trap)을 설계하였다. 유로에 식물세포가 포함된 용액을 흘려주면, 확률적으로 세포가 함정에 걸리게 되고, 세포의 크기가 일반적으로 수~십 수 ㎛가 되므로 포획된 세포는 광학 현미경으로 쉽게 확인이 가능하다.
- pATP의 경우 전자를 받아들이고 내놓음에 따라 산화/환원 상태가 존재하며 이 변환을 이용해 전자를 전극으로 전달하는 역할을 수행한다. 그리고 pATP는 분자의 크기가 작기 때문에, 충분히 얽힌 가교를 얻기 위하여 금 나노 입자(gold nanoparticle)를 섞어 전극 본체에 도포하는 방법을 사용하였으며, 개질 후에는 pMBQ와 같이 광계2를 도포하여 광전류를 측정하였다. pMBQ와 pATP를 이용한 두 케이스 모두 광계2를 도포한 후 광계2를 고정시키기 위한 추가 물질로 BS3(bis(sulfosuccinimidyl))을 이용하였다.
- 32) 이 연구에서는 종래 발표된 연구와 같은 방식으로 AFM 캔틸레버를 가공하여 나노전극의 두께를 조절하여 여러가지 두께를 가지는 나노전극을 제작하였다. 더불어 미소전류의 측정을 위하여 나노전극의 전극화를 진행하고, 표면에 절연층인 실리콘 질화막(silicon nitride, Si3N4)을 코팅한 뒤 FIB로 전극을 노출시키는 과정에서 전극 끝단의 프로파일을 제어하여 전극의 날카로운 정도(sharpness)를 조절하였다. 이 두 가지 파라미터를 이용해 전극이 세포막을 관통하는데 필요한 힘을 캔틸레버의 휘어짐 정도를 이용해 측정하였다.
- 이렇게 제작된 시스템을 바탕으로 광계 2로부터의 광전류를 측정하였고, pMBQ가 전자전달 통로의 역할을 잘 수행한다는 것을 실험적으로 확인하였다. 더불어 여기에서는 pMBQ이외에도 pATP(paminothiophenol)을 사용하여 전극을 개질하고, 해당 물질을 전자전달 통로로 사용하는 연구도 진행하였다. pATP의 경우 전자를 받아들이고 내놓음에 따라 산화/환원 상태가 존재하며 이 변환을 이용해 전자를 전극으로 전달하는 역할을 수행한다.
- 8) 이 논문에서는 전도성 고분자로 알려진 PPy(polypyrrole)을 ITO 전극 위에 성장시켜 광계2와 전극 사이에 전자전달통로를 확보함과 동시에 생체적합하여 광계2와 잘 상호작용할 수 있는 전극을 제작하였다. 더불어 전자전달효과를 극대화할 수 있도록 PPy를 성장시키는 과정에서 별도의 BQ 분자를 첨가하여 PPyBQ 전극 또한 제작하였다. 제작된 전도성 고분자 기반 전극에 희석된 광계2 수용액을 도포하여 최종 시스템을 구성하였으며, 광전류를 측정한 결과 PPyBQ 전극을 사용한 경우가 일반 ITO전극에 광계2를 도포한 것의 39배, PPy 전극을 사용한 경우의 11.
- 이 두 가지 파라미터를 이용해 전극이 세포막을 관통하는데 필요한 힘을 캔틸레버의 휘어짐 정도를 이용해 측정하였다. 더불어, 삽입된 전극의 두께에 따라 세포의 생존 여부를 관찰하여 세포삽입에 용이한 전극의 두께에 대한 연구도 진행하였다. 그 결과 식물세포에 삽입하기 위한 전극 두께는 약 500㎚보다 얇아야 세포의 생존을 보장할 수 있음을 확인하였고, 디자인된 두께로 제작된 전극을 이용해 광합성 전류를 장시간 측정하여 1주일 이상 세포가 생존한 상태에서 광합성 전자 추출이 가능함을 입증하였다.
- 논문에서는 DMPC를 이용하면 상온(ambient temperature)에서 간단하게 지질 이중층을 만들 수 있다고 설명한다. 시금치를 재료로 하여 광계2를 추출하고 이를 함유하고 있는 약 2㎛ 두께의 지질 필름을 전극에 도포하고 건조 후 산화전극을 구성하였다. 여기에서 바이오 전기화학 전지(bio-electrochemical cell)를 구성하기 위해 환원전극(cathode)으로는 흑색 백금 메쉬(Pt black mesh)를 사용하였다.
- NSL의 식각 마스크로는 실리카(silica, SiO2) 나노입자를 사용하였고, 입자의 정교한 배열을 위해 나노입자를 배열할 수 있는 캐비티 (cavity)를 구성하여 사용하였다. 약 1㎛ 지름을 가지는 캐비티에 나노입자를 채워넣기 위한 방법으로 습식 두드림(wet tapping) 방식을 차용하여 나노입자를 배열하였다.34) 후에 이어지는 DRIE 공정에서 식각 가스에 의한 언더컷(undercut) 현상이 일정 부분 발생하기 때문에 결과적으로 약 500㎚크기의 나노 전극 어레이를 얻을 수 있다.
- 35) 이 연구에서는 대량의 식물세포를 동시에 삽입하기 위하여 기존의 세포를 하나하나 삽입하는 방법 대신 대량의 세포를 동시에 제어하여 확률적으로 전극에 삽입되게 하는 방식을 차용하였다. 여기서는 대면적에 촘촘히 배열된 나노 전극 어레이를 제작하기 위한 방법으로 금속 촉매 화학적 식각(metal-assisted chemical etching, MAC-etching)방법과 실리콘 산화(silicon thermal oxidation) 및 산화물 식각(oxide etching)공정을 순차적으로 진행하였다. 일련의 공정을 이용해 충분한 길이를 가지는 실리콘 나노 기둥(nano pillar) 어레이를 만들고, 만들어진 나노 기둥을 세포 삽입에 적합한 형태로 가공하기 위한 방법으로 실리콘을 표면부터 산화시켜 산화 실리콘(silicon oxide, SiO2)을 만들고 이후 산화층을 식각하여 내부에 남아있는 실리콘 코어를 노출시키는 방법을 채택했다.
- 일련의 공정을 이용해 충분한 길이를 가지는 실리콘 나노 기둥(nano pillar) 어레이를 만들고, 만들어진 나노 기둥을 세포 삽입에 적합한 형태로 가공하기 위한 방법으로 실리콘을 표면부터 산화시켜 산화 실리콘(silicon oxide, SiO2)을 만들고 이후 산화층을 식각하여 내부에 남아있는 실리콘 코어를 노출시키는 방법을 채택했다. 이 공정을 통해 약 280㎚ 두께를 가지는 나노 전극을 2㎛ 간격으로 대면적에 제작하였다.
- 더불어 미소전류의 측정을 위하여 나노전극의 전극화를 진행하고, 표면에 절연층인 실리콘 질화막(silicon nitride, Si3N4)을 코팅한 뒤 FIB로 전극을 노출시키는 과정에서 전극 끝단의 프로파일을 제어하여 전극의 날카로운 정도(sharpness)를 조절하였다. 이 두 가지 파라미터를 이용해 전극이 세포막을 관통하는데 필요한 힘을 캔틸레버의 휘어짐 정도를 이용해 측정하였다. 더불어, 삽입된 전극의 두께에 따라 세포의 생존 여부를 관찰하여 세포삽입에 용이한 전극의 두께에 대한 연구도 진행하였다.
- 이 연구에서는 AFM 캔틸레버를 가공하여 날카롭게 만든 뒤에 일반적인 금속 증착법을 이용해 전극화를 진행했다. 그 후 식물세포에 정확하게 전극을 삽입하기 위한 방법으로 마이크로 유로(micro fluid channel)를 제작하고 제작된 유로 중간에 세포를 포획할 수 있는 함정(trap)을 설계하였다.
- 이러한 시스템을 이용해 별도의 전자전달 매개체 없이도 광계2에서 물 분해를 통해 생성된 광합성 전자를 시토크롬 C와 광계1을 거쳐 외부로 전달이 가능하다는 것을 확인하였다. 이 연구에서는 시토크롬 C를 구조적으로 정렬하여 광계1과 광계2의 가교로 이용하여 전자전달이 가능하게 한 것이 특징이며, 총 3종류의 단백질을 사용하여 통합 회로를 구성하였다.
- 24) 일반적으로 틸라코이드 막에는 광계2, 플라스토퀴논(plastoquinone, PQ), 시토크롬 b6f(cytochrome b6f), 플라스토시아닌 (plastocyanine, PC), 광계1, 페리독신(ferredoxine, Fd), 페리독신-NADP+ 환원효소(ferredoxine-NADP+ reductase, FNR), ATP 합성효소(ATP synthase)와 같은 다양한 인자들이 존재하는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서는 위에 나열한 인자 하나하나를 억제(inhibition)하거나 제거한 뒤 광합성 전류량을 일반 틸라코이드와 비교해 각각의 인자들이 광합성 전자의 직접추출 시스템에서 얼마나 전자량에 기여하는지를 비교/분석하였다. 그 결과 틸라코이드 상에 존재하는 대부분의 인자들이 광합성 전자 추출에 기여하고 있으며 다만 페리독신과 FNR 은 제거하거나 억제했을 때의 결과를 바탕으로 유추했을 때 광합성 전자 추출에 기여하지 않는 걸로 보고되었다.
- 우선 ITO전극은 별도로 제작한 광계1/백금 나노결정(nanocrystal, NC)을 부착하기 위해(3-mer-captopropyl) trimethoxysilane으로 개질하였다. 이 후 시토크롬 C와 연결된 polyvinyl pyridine/methyl pyridinium 혼성 중합체(copolymer)를 광계1 표면에 부착하고 여기에 광계2를 시토크롬 C위에 부착하여 전체 시스템을 구성하였다. 이러한 시스템을 이용해 별도의 전자전달 매개체 없이도 광계2에서 물 분해를 통해 생성된 광합성 전자를 시토크롬 C와 광계1을 거쳐 외부로 전달이 가능하다는 것을 확인하였다.
- 이러한 일련의 연구들 이후에 진행된 후속 연구들은 광합성 에너지 추출 밀도를 향상시키기 위해서 광계1의 다층 적층(multilayer deposition)을 시도하였다. 그중 한 연구에서는 백금 이온을 환원시켜 광계1의 양 끝에 부착시키고 광계1을 적층하여 광계1 사이의 전자 전달이 가능하게 하였다.
- 그 중 파라벤조퀴논(para-benzoquinone, PBQ)과 디클로로벤조퀴논(dichloro benzoquinone, DCBQ)이 광전류 측정 실험에서 여타 퀴논 파생물들과 비교하여 월등한 성능을 가지는 것이 확인되었다. 이후 이어진 추가 실험에서는 가장 분자구조가 간단하면서 높은 광전류를 얻어낸 PBQ를 이용하였고, 광량, PBQ의 농도, 인가전압, 틸라코이드의 클로로필 농도를 각각 변화시키면서 가장 높은 광합성 전류를 얻을 수 있는 실험 조건을 찾고자 하였다.
- 27) 이 논문에서는 CNT의 표면을 아민 그룹으로 개질한 아민화된 CNT(amidated CNT, aCNT) 매트릭스를 사용하여 주 전극을 구성하였고, 틸라코이드 도포 후의 전자 현미경 이미지를 통하여 카르복실화된 CNT (carboxylated CNT, cCNT)보다 aCNT를 사용한 케이스가 틸라코이드와 전극 간 접촉이 더 우수하다고 설명하였다. 이후 틸라코이드가 도포된 aCNT와 cCNT 전극의 광전류 양상 및 전극 자체의 광전류를 비교하여 aCNT의 장점을 내세웠다. 틸라코이드 도포 후의 광전류 측정 실험에서, 환원 전극에 물을 합성하는 효소인 BOx를 부착하여 시스템을 구성하였다.
- 여기서는 대면적에 촘촘히 배열된 나노 전극 어레이를 제작하기 위한 방법으로 금속 촉매 화학적 식각(metal-assisted chemical etching, MAC-etching)방법과 실리콘 산화(silicon thermal oxidation) 및 산화물 식각(oxide etching)공정을 순차적으로 진행하였다. 일련의 공정을 이용해 충분한 길이를 가지는 실리콘 나노 기둥(nano pillar) 어레이를 만들고, 만들어진 나노 기둥을 세포 삽입에 적합한 형태로 가공하기 위한 방법으로 실리콘을 표면부터 산화시켜 산화 실리콘(silicon oxide, SiO2)을 만들고 이후 산화층을 식각하여 내부에 남아있는 실리콘 코어를 노출시키는 방법을 채택했다. 이 공정을 통해 약 280㎚ 두께를 가지는 나노 전극을 2㎛ 간격으로 대면적에 제작하였다.
- 이와 병행하여 대량의 세포를 손쉽게 다루기 위해 세포를 고분자 필름 내부에 고정하는 공정을 개발하였는데, 여기에서는 세포를 함유하면서 동시에 세포의 생존을 도모하기 위해 하이드로겔(hydrogel)의 일종인 알지네이트 (alginate)를 필름 재료로 사용하였다. 일정 농도의 알지 네이트 수용액을 식물세포와 혼합한 뒤 압착하여 얇은 필름 형태로 제작하고, 여기에 알지네이트 가교제(crosslinker)인 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2) 수용액을 인가하여 손쉽게 핸들링이 가능한 얇은 세포 필름을 제작하였다. 이후 세포필름에 함유된 세포를 나노전극 어레이에 삽입하기 위해 단순히 세포필름을 전극 위에 올려놓고 일정한 압력을 인가하였다.
- 제작된 전극은 ㎀ 수준의 미소전류를 효과적으로 측정하기 위하여 별도의 증폭회로를 구성하여 광전류를 좀 더 명확하게 구별할 수 있도록 하였고, 제작된 나노전극을 통해 광합성 전자를 추출하기 위해 식물세포를 하나씩 삽입하였다. 전자식으로 작동하는 마이크로 조정기(micro manipulator)와 유압식 미세펌프와 연결된 유리 마이크로피펫(micropipette)을 이용해 세포를 제어하였는데, 광학현미경을 통해 세포와 피펫의 위치를 실시간으로 관찰하면서 피펫에 음압(negative pressure)을 인가하여 식물세포를 피펫의 끝단에 고정시켰다. 이후 조정기를 이용해 피펫을 전극위치까지 이동시키고, 수직방향 제어를 통해 세포를 직접 삽입하였다.
- 제작된 전극은 ㎀ 수준의 미소전류를 효과적으로 측정하기 위하여 별도의 증폭회로를 구성하여 광전류를 좀 더 명확하게 구별할 수 있도록 하였고, 제작된 나노전극을 통해 광합성 전자를 추출하기 위해 식물세포를 하나씩 삽입하였다. 전자식으로 작동하는 마이크로 조정기(micro manipulator)와 유압식 미세펌프와 연결된 유리 마이크로피펫(micropipette)을 이용해 세포를 제어하였는데, 광학현미경을 통해 세포와 피펫의 위치를 실시간으로 관찰하면서 피펫에 음압(negative pressure)을 인가하여 식물세포를 피펫의 끝단에 고정시켰다.
- 이후 틸라코이드가 도포된 aCNT와 cCNT 전극의 광전류 양상 및 전극 자체의 광전류를 비교하여 aCNT의 장점을 내세웠다. 틸라코이드 도포 후의 광전류 측정 실험에서, 환원 전극에 물을 합성하는 효소인 BOx를 부착하여 시스템을 구성하였다.
대상 데이터
- 23) 주 전극(working electrode, WE)과 상대 전극(counter electrode, CE)으로 백금 소재의 전극을 사용하고, 주 전극에 틸라코이드 수용액을 도포하여 전자전달 매개체로는 페리시안 화합물 계열의 전해질을 사용하였다. 이후 광량, 전해질 농도, pH, 온도 등에 따라 발생하는 광합성 전류의 크기를 분석하고 광합성 전자 추출에 적합한 조건을 찾고자 하는 연구가 보고 되었다.
- 5)이 연구에서는 광계2를 고정하는 지질 이중층 물질로 DMPC(dimyristoyl-phosphatidylcholine)를 사용하였다. 논문에서는 DMPC를 이용하면 상온(ambient temperature)에서 간단하게 지질 이중층을 만들 수 있다고 설명한다.
- 33) 이 연구에서는 다수의 세포를 삽입하기 위한 플랫폼으로 나노입자 리소그라피(nanosphere lithography, NSL)와 DRIE(deep reactive ion etching)공정을 이용해 3×3으로 이루어진 나노전극 배열을 제작하였다. NSL의 식각 마스크로는 실리카(silica, SiO2) 나노입자를 사용하였고, 입자의 정교한 배열을 위해 나노입자를 배열할 수 있는 캐비티 (cavity)를 구성하여 사용하였다. 약 1㎛ 지름을 가지는 캐비티에 나노입자를 채워넣기 위한 방법으로 습식 두드림(wet tapping) 방식을 차용하여 나노입자를 배열하였다.
- 그리고 pATP는 분자의 크기가 작기 때문에, 충분히 얽힌 가교를 얻기 위하여 금 나노 입자(gold nanoparticle)를 섞어 전극 본체에 도포하는 방법을 사용하였으며, 개질 후에는 pMBQ와 같이 광계2를 도포하여 광전류를 측정하였다. pMBQ와 pATP를 이용한 두 케이스 모두 광계2를 도포한 후 광계2를 고정시키기 위한 추가 물질로 BS3(bis(sulfosuccinimidyl))을 이용하였다.
- 시금치를 재료로 하여 광계2를 추출하고 이를 함유하고 있는 약 2㎛ 두께의 지질 필름을 전극에 도포하고 건조 후 산화전극을 구성하였다. 여기에서 바이오 전기화학 전지(bio-electrochemical cell)를 구성하기 위해 환원전극(cathode)으로는 흑색 백금 메쉬(Pt black mesh)를 사용하였다. 더불어, 전지의 성능을 극대화시키기 위하여 각 산화/환원전극은 서로 다른 페하(pH)값을 가지는데 산화전극부분은 광계2의 물 분해에 용이하도록 pH 6을, 환원 전극은 염산(hydrochloric acid, HCl) 환경에서 동작하도록 하기 위해 pH 1을 가진다.
- 3) 이 연구에서는 광계2와 광계1 그리고 광계2와 1 사이에서 전자전달을 도와줄 수용체인 시토크롬 C(cytochrome C, cyt C)를 모두 사용하여 시스템을 구성하였다. 우선 ITO전극은 별도로 제작한 광계1/백금 나노결정(nanocrystal, NC)을 부착하기 위해(3-mer-captopropyl) trimethoxysilane으로 개질하였다. 이 후 시토크롬 C와 연결된 polyvinyl pyridine/methyl pyridinium 혼성 중합체(copolymer)를 광계1 표면에 부착하고 여기에 광계2를 시토크롬 C위에 부착하여 전체 시스템을 구성하였다.
- 이와 병행하여 대량의 세포를 손쉽게 다루기 위해 세포를 고분자 필름 내부에 고정하는 공정을 개발하였는데, 여기에서는 세포를 함유하면서 동시에 세포의 생존을 도모하기 위해 하이드로겔(hydrogel)의 일종인 알지네이트 (alginate)를 필름 재료로 사용하였다. 일정 농도의 알지 네이트 수용액을 식물세포와 혼합한 뒤 압착하여 얇은 필름 형태로 제작하고, 여기에 알지네이트 가교제(crosslinker)인 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2) 수용액을 인가하여 손쉽게 핸들링이 가능한 얇은 세포 필름을 제작하였다.
- 28) 이 연구에서는 실험에 사용한 전극으로 쉽게 구입이 가능한 스크린 프린팅(screen printing) 공법으로 제작한 전극을 구매하여 사용하였다. 해당 스크린 프린팅 전극(screen printed electrode, SPE)은 주전극의 재질에 따라 탄소 잉크(carbon ink) 또는 고온 경화용 금 잉크(gold ink)를 사용하였다. 스크린 프린팅 전극 표면에 금 나노입자를 도포해 표면을 개질하는 작업은 금 전구체(precursor)를 이용한 전기증착(electrodeposition)법을 이용해 진행하였다.
- 이 연구의 특이한 점은 물을 분해하여 산소와 전자를 만들어내는 광계2의 보상작용으로 환원전극에서 물을 합성할 수 있는 BOx(bilirudin oxidase)를 사용하였다는 점이다. 환원전극의 몸체로는 유리탄소(glassy carbon) 전극을 사용하였고, 전극 표면에 단일층 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT)를 코팅한 뒤에 BOx 수용액을 도포 하여 제작하였다. 이렇게 제작된 시스템을 바탕으로 광계 2로부터의 광전류를 측정하였고, pMBQ가 전자전달 통로의 역할을 잘 수행한다는 것을 실험적으로 확인하였다.
이론/모형
- 한 예로, 광계2와 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide, rGO) 을 혼합하여 광합성 전류를 측정한 연구가 보고 되었다.2) 이 연구에서는 광계2와 rGO를 PEI(polyethyleneimine) 와 혼합하여 전기영동 공법(electrostatic method)을 이용해 ITO전극 위에 겹겹이 증착하는 LbL(layer-by-layer) 방식을 차용하였다. 광계2에 의한 광합성 전류를 확인하기 위하여 ITO 전극에서부터 시작하여 각 층을 적층하면서 광전류를 측정하면서 광계2를 적층하였을 때 광합성 전류가 증가함을 입증하였다.
- 1 전자볼트 (electron volt, eV)의 에너지를 받아 전도대(conduction band)로 올라가고 이후 전극으로 이동해 측정이 된다. 광원이 있을 때 광합성 전자의 헤마타이트 내에서 이동은 전기화학 임피던스 측정법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 통해 증명하였다. 여기서 헤마타이트에 광계2가 접촉하고 있을 때 전기저항이 낮아지는 것을 관찰하였고, 이것이 광계2에서 발생한 광합성 전자의 흐름 때문이라고 설명하고 있다.
- 해당 스크린 프린팅 전극(screen printed electrode, SPE)은 주전극의 재질에 따라 탄소 잉크(carbon ink) 또는 고온 경화용 금 잉크(gold ink)를 사용하였다. 스크린 프린팅 전극 표면에 금 나노입자를 도포해 표면을 개질하는 작업은 금 전구체(precursor)를 이용한 전기증착(electrodeposition)법을 이용해 진행하였다. 일정량의 전구체를 스크린 프린팅 전극에 올리고 순환전압전류(cyclic voltammetry)법을 이용해 전구체의 금 이온을 환원시켜 전극에 증착시키는 방법이다.
- 초기의 광계1의 관련 연구로는 유기 황 화합물 (organosulfer compound)로 개조된 금 전극 표면을 광계1 용액에 일정시간 담가서 광계1을 전극표면에 부착시키고 전극에 부착된 광계1의 방향에 따른 특성을 주사 터널링(scanning tunneling) 방식을 이용하여 분석하였다.10) 광계1의 양 끝은 전자를 플라스토시아닌으로부터 받거나 페리독신(ferredoxin)으로 주는 역할을 수행하기 때문에 방향성에 따른 전기적 특성이 달라진다.
성능/효과
- 1) 이 연구에서는 가장 단순한 구성으로 광계2를 염료가 코팅된 산화티타늄(titanium dioxide, TiO2)에 얹고 벤조퀴논(benzoquinone, BQ) 계열의 전자전달 매개체를 사용하여 광계2에서 물분해로 인해 발생한 광합성 전자가 전극으로 추출될 수 있음을 증명하였다. 여기에서 벤조퀴논 계열 매개체를 사용하지 않은 상태에서도 광합성 전자를 추출 가능하다는 것을 광전류 측정결과를 통해 밝혔으며, 여기에 매개체인 디클로로 벤조퀴논(dichloro benzoquinone, DCBQ)을 첨가했을 때 광전류가 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.
- 12) 이 방법은 동일한 양의 광계1을 기존 방식보다 최대 80배 빠르게 전극 표면에 부착시킬 수 있었다. 또한 단일층으로 형성된 광계1으로부터 광합성 전류 추출을 진행하여 광합성 전류량이 향상됨을 확인하였고, 진공을 통해 전극에 부착된 광계1의 안정성이 진공 공정의 영향을 받지 않음을 증명하였다.
- 관련 연구에서는 나노결정의 TiO2와 나노선 아연산화물 (ZnO)을 이용한 나노구조물을 제작하여 전극으로 이용하였다.18) 이와 같은 구조는 앞서 언급된 것과 같이 전극 표면을 넓히는 효과가 있으며 이 논문에서 TiO2 나노구조물은 평면전극대비 200배, ZnO 나노선은 30배가량 전극 표면적이 넓어짐을 관찰하였고, 면적 비율대로 광전류가 측정됨을 확인하였다.
- 한 연구에서는 그라나와 스트로마 틸라코이드는 각각 함유하고 있는 광계의 종류와 양이 달라 광전류 측정 양상이 다를 것이라고 보고하였다.25) 실제 시스템을 구성하여 광전류를 측정한 결과 스트로마 틸라코이드를 사용한 경우에서 월등히 높은 광전류를 확인할 수 있었는데, 이는 틸라코이드를 탄소계열 전극에 고정(immobilization)하는 과정에서 단일 원반으로 이루어진 스트로마 틸라코이드는 그 크기가 비교적 작고 틸라코이드 막의 광계 중 대다수가 전극과 직접 상호작용 할 수 있는 반면에, 그라나 틸라코이드는 대다수의 광계가 중간 틸라코이드 층에 함유되어 있어 전극과의 직접적인 전기적 연결이 불가능하여 발생한 차이로 설명 되었다. 추가로 광계2를 억제하는 DCMU와 광계1을 억제하는 메틸 바이올로젠(methyl viologen, MV)을 사용하면, 비교적 광계2가 많이 존재하는 그라나 틸라코이드는 DCMU를 사용했을 때 광전류 감소가 두드러졌고, 반대로 광계 1이 많이 존재하는 스트로마 틸라코이드는 MV를 사용했을 때 광전류가 억제되는 것을 확인하였다.
- 또한, DCMU를 첨가한 뒤에 광전류가 억제됨을 확인하면서 측정된 전류가 광계2 기반의 전류임을 증명하였다. PEI-rGO/PS2 필름의 적층 수에 따른 광전류의 변화를 관찰하여, 적층이 될수록 광전류가 증가하는 것을 실험적으로 확인하였다.
- 2) 이 연구에서는 광계2와 rGO를 PEI(polyethyleneimine) 와 혼합하여 전기영동 공법(electrostatic method)을 이용해 ITO전극 위에 겹겹이 증착하는 LbL(layer-by-layer) 방식을 차용하였다. 광계2에 의한 광합성 전류를 확인하기 위하여 ITO 전극에서부터 시작하여 각 층을 적층하면서 광전류를 측정하면서 광계2를 적층하였을 때 광합성 전류가 증가함을 입증하였다. 또한, DCMU를 첨가한 뒤에 광전류가 억제됨을 확인하면서 측정된 전류가 광계2 기반의 전류임을 증명하였다.
- 더불어, 삽입된 전극의 두께에 따라 세포의 생존 여부를 관찰하여 세포삽입에 용이한 전극의 두께에 대한 연구도 진행하였다. 그 결과 식물세포에 삽입하기 위한 전극 두께는 약 500㎚보다 얇아야 세포의 생존을 보장할 수 있음을 확인하였고, 디자인된 두께로 제작된 전극을 이용해 광합성 전류를 장시간 측정하여 1주일 이상 세포가 생존한 상태에서 광합성 전자 추출이 가능함을 입증하였다.
- 이 연구에서는 퀴논 계열 분자들의 광합성 전자 전달 능력을 평가하기 위하여 총 9종류의 퀴논 파생물질(derivatives)을 사용하여 광전류를 평가하였다. 그 중 파라벤조퀴논(para-benzoquinone, PBQ)과 디클로로벤조퀴논(dichloro benzoquinone, DCBQ)이 광전류 측정 실험에서 여타 퀴논 파생물들과 비교하여 월등한 성능을 가지는 것이 확인되었다. 이후 이어진 추가 실험에서는 가장 분자구조가 간단하면서 높은 광전류를 얻어낸 PBQ를 이용하였고, 광량, PBQ의 농도, 인가전압, 틸라코이드의 클로로필 농도를 각각 변화시키면서 가장 높은 광합성 전류를 얻을 수 있는 실험 조건을 찾고자 하였다.
- 이 논문에서는 세포 내부 틸라코이드 막에서 발생한 전자가 틸라코이드 막, 세포질 막(cytoplasmic membrane), 외막(outer membrane)에 존재하는 여러 이온 또는 전하 이동채널을 통해 이동한다고 설명하고 있으며 최종적으로 외막 밖으로 이동한 전하가 오스뮴 고분 자로 전달되어 광전류로 측정이 된다고 설명하였다. 더불어 여러겹의 막을 투과하여 전하를 전달할 수 있도록 여러가지 전해질 용액을 이용한 광전류 테스트를 병행하여 특정 전해질을 사용하였을 때 틸라코이드의 전자와 평형 전위(equilibrium potential)가 비슷하다던지, 틸라코이드와 전극 사이에 지름길(shortcut)을 만들어 전자가 수월하게 전달될 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
- 12) 이 방법은 동일한 양의 광계1을 기존 방식보다 최대 80배 빠르게 전극 표면에 부착시킬 수 있었다. 또한 단일층으로 형성된 광계1으로부터 광합성 전류 추출을 진행하여 광합성 전류량이 향상됨을 확인하였고, 진공을 통해 전극에 부착된 광계1의 안정성이 진공 공정의 영향을 받지 않음을 증명하였다.
- 광계2에 의한 광합성 전류를 확인하기 위하여 ITO 전극에서부터 시작하여 각 층을 적층하면서 광전류를 측정하면서 광계2를 적층하였을 때 광합성 전류가 증가함을 입증하였다. 또한, DCMU를 첨가한 뒤에 광전류가 억제됨을 확인하면서 측정된 전류가 광계2 기반의 전류임을 증명하였다. PEI-rGO/PS2 필름의 적층 수에 따른 광전류의 변화를 관찰하여, 적층이 될수록 광전류가 증가하는 것을 실험적으로 확인하였다.
- 이후 세포필름에 함유된 세포를 나노전극 어레이에 삽입하기 위해 단순히 세포필름을 전극 위에 올려놓고 일정한 압력을 인가하였다. 삽입된 세포필름으로부터 약 100㎁의 광합성 전류를 측정하는데 성공했으며, 이는 단일세포당 1㎀ 기준으로 약 100,000개 세포가 동시에 삽입된 결과이다.
- 하지만 광합성 에너지 변환 시스템에서 QA에 도달한 전자는 다공성 TiO2를 거쳐 전극으로 전달된다. 여기서 TiO2를 통한 전자의 직접전달 속도에는 한계가 있으므로, DCBQ 매개체를 이용하여 전자전달 속도를 높이고자 하는 실험이 진행되었는데, 다공성 TiO2와 전극 사이에 별도의 층이 없는 경우는 다공성 TiO2의 전자를 DCBQ가 전달받아 더 빠른 속도로 전극에 전달 하는게 가능하여 광전류가 향상되지만, 다공성 TiO2와 전극 사이에 TiO2 박막이 별도로 존재하는 경우는 DCBQ가 전극에 도달할 방법이 없어 전자전달 매개체로의 역할을 수행하지 못하는 것으로 확인되었다.
- 1) 이 연구에서는 가장 단순한 구성으로 광계2를 염료가 코팅된 산화티타늄(titanium dioxide, TiO2)에 얹고 벤조퀴논(benzoquinone, BQ) 계열의 전자전달 매개체를 사용하여 광계2에서 물분해로 인해 발생한 광합성 전자가 전극으로 추출될 수 있음을 증명하였다. 여기에서 벤조퀴논 계열 매개체를 사용하지 않은 상태에서도 광합성 전자를 추출 가능하다는 것을 광전류 측정결과를 통해 밝혔으며, 여기에 매개체인 디클로로 벤조퀴논(dichloro benzoquinone, DCBQ)을 첨가했을 때 광전류가 급격하게 증가하는 것을 확인하였다. 이어서 광계2에서 외부로의 전자전달을 방해하는 제초제의 한 종류인 DCMU(dichlorophenyl dimethylurea)를 첨가했을 때 다시 광전류가 감소하는 것을 관찰하면서 측정되는 광전류의 기원이 광계2임을 증명하였다.
- EDC/NHS 처리를 통해 아민 반응성 (amine-reactive) 분자인 NHS 에스테르(NHS ester)가 카르복실 그룹에 형성되고, 이것이 틸라코이드 외부로 나와있는 아민 그룹과 반응하여 궁극적으로 틸라코이드와 전극을 부착시키게 된다. 연결 분자를 이용하여 틸라코이드와 전극의 접촉량을 늘리고, 둘 사이의 공유결합 (covalent bond)을 발생시킨 결과 광합성 전류가 단순히 유리탄소전극에 틸라코이드를 도포한 것과 비교하여 약 4배 향상된 것을 실험적으로 확인하였다. 이에 따라 광합성 전자의 직접전달 시스템에서 틸라코이드와 전극의 접촉이 광전류량에 아주 중요한 역할을 함을 증명하였으며, 연결 물질을 이용한 접촉 향상이 매우 효과적이라는 사실을 확인하였다.
- 일정량의 전구체를 스크린 프린팅 전극에 올리고 순환전압전류(cyclic voltammetry)법을 이용해 전구체의 금 이온을 환원시켜 전극에 증착시키는 방법이다. 이 결과 석출된 금 나노입자로 인해 탄소 또는 금 전극이 효과적으로 개질된 것을 전자현미경과 전기화학적인 방법으로 확인하였으며, 전극의 순환전압전류 측정 결과를 통해 전기화학적 표면적 (electrochemical surface area, ECSA)이 증가한 것을 확인하였다. 이렇게 가공된 전극에 같은 양의 틸라코이드를 도포하여 광전류를 측정하였고, 탄소와 금 기반 전극 모두 전극을 개량한 뒤에 더 많은 광전류가 측정되는 것을 확인하였으며, 전극 개량에 의한 증가 효과는 탄소기반 전극이 더 우수한 것으로 나타났다.
- 이 연구를 토대로 다른 연구에서는 광계1을 ITO/금 전극 위에 단일층으로 배열할 수 있음을 확인하였다.11) 이 연구에서는 또 계면활성 펩타이드(surfactant peptides) 를 이용하여 광계1의 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여주었고, 유기반도체(organic semiconductor)로 이들을 보호할 수 있는 코팅을 진행하여 고체상 전자 부품 (solid-state electronic device)으로써의 가능성을 보여주었다.
- 10) 광계1의 양 끝은 전자를 플라스토시아닌으로부터 받거나 페리독신(ferredoxin)으로 주는 역할을 수행하기 때문에 방향성에 따른 전기적 특성이 달라진다. 이 연구에서는 광계1의 방향을 광합성 전자를 받는 곳이 아래를 향해 있을 경우를 정방향, 전자를 주는 쪽이 아래를 향했을 경우를 역방향, 그리고 광계1에서의 전자 흐름이 전극 표면과 평행하였을 경우를 평행방향으로 정의하였고, 메르캡토아세트산(mercaptoacetic acid)를 사용했을 경우 83%의 광계1이 전극 표면과 평행하게 배열됨을, 메르캡토에탄올(2-mercaptoethanol)을 사용했을 경우 70%의 광계1이 정방향으로 배열되는 것을 확인하였다.
- 이후 조정기를 이용해 피펫을 전극위치까지 이동시키고, 수직방향 제어를 통해 세포를 직접 삽입하였다. 이러한 방법을 이용해 3x3 나노전극 어레이에 세포를 순차적으로 삽입하였고, 삽입된 세포가 늘어남에 따라 추출 가능한 광합성 전류의 양도 선형적으로 증가하는 것을 실험적으로 확인하였다.
- 이 후 시토크롬 C와 연결된 polyvinyl pyridine/methyl pyridinium 혼성 중합체(copolymer)를 광계1 표면에 부착하고 여기에 광계2를 시토크롬 C위에 부착하여 전체 시스템을 구성하였다. 이러한 시스템을 이용해 별도의 전자전달 매개체 없이도 광계2에서 물 분해를 통해 생성된 광합성 전자를 시토크롬 C와 광계1을 거쳐 외부로 전달이 가능하다는 것을 확인하였다. 이 연구에서는 시토크롬 C를 구조적으로 정렬하여 광계1과 광계2의 가교로 이용하여 전자전달이 가능하게 한 것이 특징이며, 총 3종류의 단백질을 사용하여 통합 회로를 구성하였다.
- 이 결과 석출된 금 나노입자로 인해 탄소 또는 금 전극이 효과적으로 개질된 것을 전자현미경과 전기화학적인 방법으로 확인하였으며, 전극의 순환전압전류 측정 결과를 통해 전기화학적 표면적 (electrochemical surface area, ECSA)이 증가한 것을 확인하였다. 이렇게 가공된 전극에 같은 양의 틸라코이드를 도포하여 광전류를 측정하였고, 탄소와 금 기반 전극 모두 전극을 개량한 뒤에 더 많은 광전류가 측정되는 것을 확인하였으며, 전극 개량에 의한 증가 효과는 탄소기반 전극이 더 우수한 것으로 나타났다. 이는 탄소 기반 전극에 증착된 금 나노입자의 크기가 금 기반 전극의 나노 입자보다 커서 틸라코이드가 스며들기 용이한 기공 크기를 가진 다공성 구조를 형성했기 때문이라고 논문에서는 설명하였다.
- 환원전극의 몸체로는 유리탄소(glassy carbon) 전극을 사용하였고, 전극 표면에 단일층 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT)를 코팅한 뒤에 BOx 수용액을 도포 하여 제작하였다. 이렇게 제작된 시스템을 바탕으로 광계 2로부터의 광전류를 측정하였고, pMBQ가 전자전달 통로의 역할을 잘 수행한다는 것을 실험적으로 확인하였다. 더불어 여기에서는 pMBQ이외에도 pATP(paminothiophenol)을 사용하여 전극을 개질하고, 해당 물질을 전자전달 통로로 사용하는 연구도 진행하였다.
- 20) 하지만, 이 연구에서는 기존의 전류량 향상을 위해 사용하던 페리시안 화합물을 사용하게 될 경우 전극이 액상에 담가져 있어야 한다는 단점을 극복하기 위해 염산과 녹색 염료가 함유된 전도성 고분자인 폴리아닐린(polyaniline) 을 전자전달 매개체로 사용하였다. 이를 통해 제작된 광전류 생성 시스템은 높은 안정성으로 인해 광계1의 장시간 사용이 가능하고 그 성능 또한 기존연구들에 비해서 향상되었음을 증명하였다.
- 여기에서 벤조퀴논 계열 매개체를 사용하지 않은 상태에서도 광합성 전자를 추출 가능하다는 것을 광전류 측정결과를 통해 밝혔으며, 여기에 매개체인 디클로로 벤조퀴논(dichloro benzoquinone, DCBQ)을 첨가했을 때 광전류가 급격하게 증가하는 것을 확인하였다. 이어서 광계2에서 외부로의 전자전달을 방해하는 제초제의 한 종류인 DCMU(dichlorophenyl dimethylurea)를 첨가했을 때 다시 광전류가 감소하는 것을 관찰하면서 측정되는 광전류의 기원이 광계2임을 증명하였다. 광전류의 기원이 광계2임을 더욱 공고히 하는 과정의 하나로 열을 가해 기능을 상실한 광계2를 이용하여 광전류를 측정하였고, 열처리를 한 광계2의 경우 DCMU를 첨가했을 때 측정전류의 변화가 없는 것을 관찰하였다.
- 13) 이 연구에서 광계1이 적층될 때마다 광전압(photovoltage)이 향상되는 것을 확인하였고, 3개의 광계1 층이 386mV의 광전압을 발생시키는 것을 보여주어 추출 가능한 에너지 밀도를 광계1의 적층으로 향상시킬 수 있음을 증명하였다. 이어서 진행된 연구에서는 앞서 언급된 진공을 이용한 광계1의 전극 부착 공정을 단순 반복하여 광계1 필름 두께를 수 마이크로미터로 증가시켰고, 광합성 전자 추출을 진행하여 광계1의 전극 부착 횟수에 따라서 광합성 전자 추출량이 향상됨을 보여주었다.14) 이 연구에서는 두꺼운 광계1의 필름에서 전극과 멀리 떨어진 광계1은 전극으로의 전자전달이 어려우므로 전자전달 매개체로 페리시안 화합물(ferricyanide)을 사용하였다.
- 연결 분자를 이용하여 틸라코이드와 전극의 접촉량을 늘리고, 둘 사이의 공유결합 (covalent bond)을 발생시킨 결과 광합성 전류가 단순히 유리탄소전극에 틸라코이드를 도포한 것과 비교하여 약 4배 향상된 것을 실험적으로 확인하였다. 이에 따라 광합성 전자의 직접전달 시스템에서 틸라코이드와 전극의 접촉이 광전류량에 아주 중요한 역할을 함을 증명하였으며, 연결 물질을 이용한 접촉 향상이 매우 효과적이라는 사실을 확인하였다.
- 일반적으로 틸라코이드를 포함한 광계는 음의 전하를 띄므로 아민 표면과 상호작용이 좋아 접착이 용이하다. 이후 부착된 광계1 또는 광계2를 이용하여 670㎚ 대역의 광원을 이용해 광전류를 측정하였고, 정상적으로 광전류가 발생함을 확인하였다.
- 광계1을 효과적으로 이용하기 위해서는 전자를 광계1로 전달해주거나 광계1에서 여기된 전자를 잘 받아오는 물질을 사용해야 하는데, 이전의 연구들은 주로 금속을 사용하거나 ITO를 사용하였다. 일련의 연구들에서 전극으로 광계1과 에너지 밴드를 맞춘 반도체를 사용하여 광전류가 향상될 수 있음을 확인하였다. 한 연구에서는 실리콘의 원자가 전자대와 전도대가 광계1의 P700과 잘 맞음에 착안하여, 도핑된 실리콘(p-doped silicon)을 전극으로 사용하였다.
- 더불어 전자전달효과를 극대화할 수 있도록 PPy를 성장시키는 과정에서 별도의 BQ 분자를 첨가하여 PPyBQ 전극 또한 제작하였다. 제작된 전도성 고분자 기반 전극에 희석된 광계2 수용액을 도포하여 최종 시스템을 구성하였으며, 광전류를 측정한 결과 PPyBQ 전극을 사용한 경우가 일반 ITO전극에 광계2를 도포한 것의 39배, PPy 전극을 사용한 경우의 11.8배에 달한다는 결과를 도출하였다. 여기에서는 PPy 나노선 (nanowire) 구조를 전극에 성장시켜 광계2와의 접촉면적이 비약적으로 늘어났다는 점이 큰 원인 중 하나이며, 더불어 BQ를 접목한 PPyBQ를 사용함으로써 광계2에서 발생한 광합성 전자의 전달효율도 같이 도모한 것이 광전류 향상에 기여했다고 설명하고 있다.
- 25) 실제 시스템을 구성하여 광전류를 측정한 결과 스트로마 틸라코이드를 사용한 경우에서 월등히 높은 광전류를 확인할 수 있었는데, 이는 틸라코이드를 탄소계열 전극에 고정(immobilization)하는 과정에서 단일 원반으로 이루어진 스트로마 틸라코이드는 그 크기가 비교적 작고 틸라코이드 막의 광계 중 대다수가 전극과 직접 상호작용 할 수 있는 반면에, 그라나 틸라코이드는 대다수의 광계가 중간 틸라코이드 층에 함유되어 있어 전극과의 직접적인 전기적 연결이 불가능하여 발생한 차이로 설명 되었다. 추가로 광계2를 억제하는 DCMU와 광계1을 억제하는 메틸 바이올로젠(methyl viologen, MV)을 사용하면, 비교적 광계2가 많이 존재하는 그라나 틸라코이드는 DCMU를 사용했을 때 광전류 감소가 두드러졌고, 반대로 광계 1이 많이 존재하는 스트로마 틸라코이드는 MV를 사용했을 때 광전류가 억제되는 것을 확인하였다.
- 5배 광전류가 향상되는 것을 확인하였다. 추가로 광계2와 광계1을 억제하는 두가지 종류의 억제제를 사용한 테스트에서 광계2를 억제한 경우 광전류가 급격히 감소하였고, 광계1을 억제한 경우에는 광전류에 큰 차이가 없었다. 이를 토대로 측정된 광전류가 광계2에서 물분해로 인해 발생한 광합성 전자에 의한 것을 증명하였다.
- 30) 이 연구에서는 전극에는 별도의 개질을 하지 않고 일반 ITO전극을 사용하면서, 전자전달 매개체로 페리시안 화합물을, 그리고 틸라코이드를 산화 그래핀 또는 환원된 산화 그래핀과 혼합하여 사용하였다. 틸라코이드와 산화 그래핀은 단순히 혼합된 후 실험에 사용되었으며, 광전류의 비교에서 일반 틸라코이드를 사용하였을 경우와 비교했을 때 산화 그래 핀을 사용한 것이 약 3배, 환원된 산화 그래핀을 사용한 것 약 2.5배 광전류가 향상되는 것을 확인하였다. 추가로 광계2와 광계1을 억제하는 두가지 종류의 억제제를 사용한 테스트에서 광계2를 억제한 경우 광전류가 급격히 감소하였고, 광계1을 억제한 경우에는 광전류에 큰 차이가 없었다.
후속연구
- 앞의 단일 식물세포에 전극 하나를 삽입하는 방법으로 추출 가능한 전류의 양은 ㎀ 수준으로 실용화를 위해서는 더 많은 전극을 더 많은 세포에 삽입할 수 있는 기술이 필요하다. 이를 극복하기 위한 방법으로 다수의 식물세포에 전극을 삽입하여 추출할 수 있는 광합성 전류의 양을 증가시키기 위한 연구가 보고되었다.
- 앞의 연구에서 다수의 세포를 삽입할 때 추출되는 광합성 전류의 양이 증가하는것을 확인하였으나, 여전히 수 개의 세포 수준에 머물러 있어 측정 가능한 광합성 전류량이 제한적이었다. 그에 따라 보다 많은 양의 식물세포에서 광합성 전자를 추출할 수 있는 전극기술 대한 연구가 보고되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.