[논문]폴리피롤-사이클로덱스트린 혼성체를 이용한 유해화합물질의 검출

배준원

doi:10.14478/ace.2018.1117

[국내논문] 폴리피롤-사이클로덱스트린 혼성체를 이용한 유해화합물질의 검출
Identification of Toxic Chemicals Using Polypyrrole-Cyclodextrin Hybrids 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.2, 2019년, pp.186 - 189

배준원 (동덕여자대학교 응용화학과)

초록
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폴리피롤(polypyrrole)은 전기를 전도하는 고분자로 뛰어난 전기적 신호 전달을 지니며, 사이클로덱스트린(cyclodextrin)은 환형다당류(cyclic oligosaccharide) 분자들로서 저분자량 물질을 포획할 수 있는 친환경 물질로 널리 활용되고 있다. 따라서 이들 두 가지 물질을 혼합하여 혼성체를 제조할 수 있다면 사이클로덱스트린이 host가 되어 guest 물질을 포획하였을 때 발생하는 전기 신호를 폴리피롤이 민감하게 전달할 수 있게 되어 우수한 감지 능력을 갖게 된다. 따라서 본 연구에서는 폴리피롤/사이클로덱스트린 혼성체를 간단한 수용액 방식으로 제조하여, 제조된 혼성체를 하이드로젤(hydrogel)에 도입하여 건조한 후 금 전극 위에 적용하여 대표적인 유해성 분자인 메틸파라벤(methyl paraben)을 검출할 수 있는지에 대해서 살펴보았다. 그리고 폴리피롤만으로 이루어진 물질과 비교해 봤을 때, 사이클로덱스트린의 도입효과는 존재하는 것으로 나타났다. 이 연구는 전도성 고분자와 친환경 분자 혼성체를 유해물질 감지에 활용할 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polypyrrole is a typical electrical conducting polymer, which has an excellent charge transport property. Cyclodextrins are a group of toxic-free and cyclic oligosaccharide molecules, capable of capturing low molecular weight chemicals. Considering these advantages, hybrid materials of polypyrrole and cyclodextrin can be used to detect hazardous compounds. Cyclodextrin molecules can accommodate toxic chemicals by the formation of host-guest complexes and generate electric signals, which are effectively delivered by polypyrrole backbone. In this study, the polypyrrole/cyclodextrin hybrid material was prepared using a facile wet method and included into a hydrogel. Subsequently, it was applied to a simple sensor system with a gold-patterned electrode for the detection of potentially hazardous material, methyl paraben. Compared with pristine polypyrrole, it was found that the polypyrrole/cyclodextrin hybrid showed an improved performance. This study can be an example of using environmentally benign conducting polymer/cyclodextrin hybrids as sensing media.

주제어

표/그림 (6)

그림 Figure 1. Schematic diagram of sensing material, PPy/CD in hydrogel.
그림 Figure 2. Schematic diagram for sensing geometry using PPy/CD in hydrogel.
그림 Figure 3. FT-IR spectra of PPy nanotube and PPy/CD hydrid.
그림 Figure 4. SEM images of PPy nanotubes and PPy/CD hydrid.
그림 Figure 5. Electrical measurement on ohmic contact between electrode and sensing material, PPy/CD in hydrogel.
그림 Figure 6. Electrical measurement for sensing performance of sensing material, PPy/CD in hydrogel toward model chemical.

AI 본문요약
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문제 정의

하이드로젤은 간단한 가열/냉각 방식으로 얻어질 수 있었으며, 얻어지는 시점에서는 상당량의 수분을 포함하고 있다. 따라서 수일간의 건조를 통해서 가능한 최대한으로 수분을 제거하고자 하였다. 하지만, 강하게 결합된 물분자들이 최종 물질 속에도 존재할 가능성은 여전하다.
이는 일정 함량 이상의 전도성 필러를 고분자 매트릭스에 도입할 때 그 혼성체가 전기전도도를 지니는 사실과 동등하다. 본 실험에서는, 옴의 법칙이 존재하는 유무를 판단하여 전기 신호 전달 가능성을 파악하였다. 이때, 폴리피롤 나노튜브를 직접 전극에 도입하는 경우와 비교하여 하이드로젤을 매체로 활용하여 금 전극과의 접촉을 향상시킬 수 있는 장점도 있다.
본 연구에서는 폴리피롤/사이클로덱스트린 혼성체를 하이드로젤에 도입하여 유해물질을 감지하는 목적으로 활용될 수 있음을 고찰하였다. 폴리피롤에 갖고 있는 우수한 장점에 사이클로덱스트린의 도입으로 분석 물질과의 host-guest interaction이 가능하게 되어, 성능면에서 향상된 센싱 물질이 만들어질 수 있었다.
폴리피롤 및 사이클로덱스트린의 장점에 착안하여, 두 가지 물질의 장점들이 서로 결합되어 시너지를 창출할 수 있다면 기존에 없는 매력적인 성질을 지닐 것으로 판단된다. 본 연구에서는, 폴리피롤이 갖는 넓은 제조 가능 영역, 뛰어난 전하 전달, 우수한 내구성과 사이클로덱스트린이 갖는 저독성, 친환경성, 안정성, host-guest complex 형성 가능성을 결합하기 위해 수용액 상에서 간단한 방법을 거쳐 폴리피롤/사이클로덱스트린(PPy/CD) 혼성체(hybrid) 제조를 시도하였다[5]. 만약, 두 가지 물질의 장점을 결합할 수 있다면 제조된 혼성체는 물질을 감지하고, 얻어진 신호를 효과적으로 전달할 수 있는 센싱 물질로 활용이 가능할 것으로 보인다[6].
하이드로젤에 포함된 혼성체를 금 전극 위에 배치하여 간단한 구조를 갖는 센서를 제작한 후, 유해성 모델 분자인 메틸 파라벤(methyl paraben)을 용액 형태로 도입하여 전기적 신호를 검출하는 실험을 수행하였다. 이를 통해, 고성능 센서 재료를 확보하고, 저렴하고 간편한 센서를 제작할 수 있는 가능성을 살펴보고자 한다.
그림에서 보듯이 다른 형태의 생성물이 거의 보이지 않는 것으로 판단되므로, 폴리피롤 섬유는 성공적으로 제조된 것으로 볼 수 있다. 이어서, 얻어진 혼성체 섬유를 아가로즈에 도입하여 하이드로젤 형태의 소재를 얻고자 하였다. 하이드로젤은 간단한 가열/냉각 방식으로 얻어질 수 있었으며, 얻어지는 시점에서는 상당량의 수분을 포함하고 있다.

제안 방법

따라서 본 실험에서 사용한 혼성체 제조가 조금 더 효율적일 것으로 판단된다. 더불어, 센싱 매체인 폴리피롤/사이클로덱스트린 혼성체와 전극 간의 접촉을 충분히 확보하기 위해 하이드로젤(hydrogel)에 혼성체를 도입하여 건조하였다. 이 방식의 효율은 이미 다른 연구를 통해서 보고된 바가 있다[8].
이때, 전기적 전류 신호의 변화를 초기 전류 값과 비교하여 제시하였다. 용액에 대한 전기 측정을 가능하게 하기 위하여, 필요에 따라 용액용 유리관을 이용하였다. 전자현미경 사진은 JEOL 6700 주사전자현미경으로 가속 전압 10 kV에서 촬영하였다.
전기적 측정은 Keithley 2612B 소스미터와 probe station(MS Tech, Model 4000)을 활용하여 실시하였다. 이때, 전기적 전류 신호의 변화를 초기 전류 값과 비교하여 제시하였다. 용액에 대한 전기 측정을 가능하게 하기 위하여, 필요에 따라 용액용 유리관을 이용하였다.
제조 과정에서, FeCl₃는 폴리피롤의 dopant로, 역상마이크로에멀젼 시스템에서는 마이셀의 구조를 지지해주는 역할을 동시에 수행하게 된다[8]. 전기 신호 전달에 조금 더 유리할 것으로 고려되는 나노섬유를 제조하기 위해 높은 농도의 계면활성제를 도입하였다.
더불어, host-guest complex 형성에 소요되는 시간 스케일이 상대적으로 길기 때문에, 전기 신호의 발현 및 지속 시간이 상당히 길어지는 효과가 있다. 전기 신호의 형성에 영향을 미치는 주요 변수로는 분석 물질의 농도를 선택하였다. 즉, 파라벤의 농도를 바꾸어 측정을 시도하였을 때, 분석 물질이 증가함에 따라서 컨덕턴스의 변화량이 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
최종적으로, 제작된 간단한 센서 환경 하에서 다양한 전기적인 측정을 시도하였다. 제조된 폴리피롤 나노섬유만을 포함하는 하이드로젤(Figure 6(a)와 (b))과 폴리피롤/사이클로덱스트린 나노재료를 포함한 하이드로젤(Figure 6(c)와 (d))을 금 전극 위에 각각 위치시키고, 용액 형태로 분석물질을 도입하여 전기측정을 실시하였다.
그리고 하이드로젤 내부에 존재하는 다수의 극성 관능기들은 전기 신호의 전달을 촉진할 수 있는 가능성이 있다[8]. 폴리피롤/사이클로덱스트린 혼성체 나노섬유가 포함된 하이드로젤을 금 전극에 올려놓고 전기 측정을 실시하였다. 전압을 -1볼트에서 1볼트까지 일정한 속도로 상승시키고 이에 따라 변하는 전류량을 측정하여 Figure 5에 나타냈다.
이 방식의 효율은 이미 다른 연구를 통해서 보고된 바가 있다[8]. 하이드로젤에 포함된 혼성체를 금 전극 위에 배치하여 간단한 구조를 갖는 센서를 제작한 후, 유해성 모델 분자인 메틸 파라벤(methyl paraben)을 용액 형태로 도입하여 전기적 신호를 검출하는 실험을 수행하였다. 이를 통해, 고성능 센서 재료를 확보하고, 저렴하고 간편한 센서를 제작할 수 있는 가능성을 살펴보고자 한다.

대상 데이터

베타-사이클로덱스트린(beta-CD), 포획 모델 분자인 메틸 파라벤, 하이드로젤 제조에 쓰이는 아가로즈(agarose)는 알드리치(Aldrich, WI, USA)사에서 구매하여 추가적인 정제과정 없이 사용하였다. 폴리피롤 제조에 쓰이는 단량체인 피롤(pyrrole), 계면활성제(sodiumbis(2-ethyl-hexyl) sulfosuccinate (AOT)), 도핑제(dopant, FeCl₃), 용매인 헥산(hexane)은 역시 알드리치(Aldrich, WI, USA)사에서 구매하여 추가적인 정제 없이 사용하였다.
전기측정을 위한 금 전극은 간단한 광리소그래피법으로 제조하였다. 용매인 에탄올(ethanol)은 삼전화학(서울, 대한민국)에서 구매하여 사용하였다. 전기측정을 수월하게 수행하기 위해 필요에 따라 유리관을 사용하였다.
용액에 대한 전기 측정을 가능하게 하기 위하여, 필요에 따라 용액용 유리관을 이용하였다. 전자현미경 사진은 JEOL 6700 주사전자현미경으로 가속 전압 10 kV에서 촬영하였다.
베타-사이클로덱스트린(beta-CD), 포획 모델 분자인 메틸 파라벤, 하이드로젤 제조에 쓰이는 아가로즈(agarose)는 알드리치(Aldrich, WI, USA)사에서 구매하여 추가적인 정제과정 없이 사용하였다. 폴리피롤 제조에 쓰이는 단량체인 피롤(pyrrole), 계면활성제(sodiumbis(2-ethyl-hexyl) sulfosuccinate (AOT)), 도핑제(dopant, FeCl₃), 용매인 헥산(hexane)은 역시 알드리치(Aldrich, WI, USA)사에서 구매하여 추가적인 정제 없이 사용하였다. 전기측정을 위한 금 전극은 간단한 광리소그래피법으로 제조하였다.

데이터처리

실험에서 제시된 방법대로 폴리피롤 나노재료와 폴리피롤/사이클로덱스트린을 제조하여 얻어진 생성물을 적외선 분광학으로 분석하여 Figure 3과 같은 결과를 얻었다. 스펙트럼에서 보여주듯이 폴리피롤 나노소재의 경우, 폴리피롤의 특정 피크가 정확하게 나타나는 것을 볼 수 있었으며[9], 낮은 파수(wavenumber, cm^-1) 영역에서 베이스라인(baseline)이 아래 방향으로 기우는 것을 볼 수 있는데, 이는 폴리피롤 내부에서 플라즈마가 형성이 되어 적외선을 반사하기 때문에 나타나는 것이다.

이론/모형

적외선 분광 스펙트럼은 Perkin Elmer Spectrum One 분광기를 이용하여 얻었다. 전기적 측정은 Keithley 2612B 소스미터와 probe station(MS Tech, Model 4000)을 활용하여 실시하였다. 이때, 전기적 전류 신호의 변화를 초기 전류 값과 비교하여 제시하였다.
폴리피롤 제조에 쓰이는 단량체인 피롤(pyrrole), 계면활성제(sodiumbis(2-ethyl-hexyl) sulfosuccinate (AOT)), 도핑제(dopant, FeCl₃), 용매인 헥산(hexane)은 역시 알드리치(Aldrich, WI, USA)사에서 구매하여 추가적인 정제 없이 사용하였다. 전기측정을 위한 금 전극은 간단한 광리소그래피법으로 제조하였다. 용매인 에탄올(ethanol)은 삼전화학(서울, 대한민국)에서 구매하여 사용하였다.

성능/효과

전압을 -1볼트에서 1볼트까지 일정한 속도로 상승시키고 이에 따라 변하는 전류량을 측정하여 Figure 5에 나타냈다. 결과적으로, 선형 관계라 뚜렷하게 형성된 것을 볼 수 있으며, 이로부터 옴 접촉이 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 전류의 크기도 수십 µA로 신호 측정에 요구되는 정도인 µA를 능가하는 것을 알 수 있었다.
그러나 기존 연구에서는 기질을 제조하고 또 다른 표면 개질(surface modification)을 거쳐야 하는 불편함이 있었다. 따라서 본 실험에서 사용한 혼성체 제조가 조금 더 효율적일 것으로 판단된다. 더불어, 센싱 매체인 폴리피롤/사이클로덱스트린 혼성체와 전극 간의 접촉을 충분히 확보하기 위해 하이드로젤(hydrogel)에 혼성체를 도입하여 건조하였다.
전류의 크기도 수십 µA로 신호 측정에 요구되는 정도인 µA를 능가하는 것을 알 수 있었다.
즉, 파라벤의 농도를 바꾸어 측정을 시도하였을 때, 분석 물질이 증가함에 따라서 컨덕턴스의 변화량이 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 제작된 센서는 상당히 낮은 수준의 농도까지 감지가 가능한 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있었다.
전기 신호의 형성에 영향을 미치는 주요 변수로는 분석 물질의 농도를 선택하였다. 즉, 파라벤의 농도를 바꾸어 측정을 시도하였을 때, 분석 물질이 증가함에 따라서 컨덕턴스의 변화량이 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 제작된 센서는 상당히 낮은 수준의 농도까지 감지가 가능한 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있었다.
폴리피롤/사이클로덱스트린 혼성체의 경우에는 사이클로덱스트린의 도입에 의한 C-O-C band가 1,620, 1,530, 1,370 cm-1 인근에서 두드러지게 나타나는 것을 볼 수 있었으며, 더불어 3,000 cm-1 근처에서는 C-H bond에 해당하는 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 폴리피롤/사이클로덱스트린 혼성체를 하이드로젤에 도입하여 유해물질을 감지하는 목적으로 활용될 수 있음을 고찰하였다. 폴리피롤에 갖고 있는 우수한 장점에 사이클로덱스트린의 도입으로 분석 물질과의 host-guest interaction이 가능하게 되어, 성능면에서 향상된 센싱 물질이 만들어질 수 있었다. 전기적인 신호를 측정해 보았을 때, 사이클로덱스트린의 존재는 외부 유해 분자가 도입되었을 때 host-guest complex를 형성할 수 있도록 하며 이때 전하 전달이 촉진되고 이것이 폴리피롤을 거쳐 전극에까지 이르게 된다.

후속연구

따라서 고감도 센서가 구현될 수 있는 가능성을 볼 수 있었다. 이 연구는 가격이 저렴하고 쉽게 제조할 수 있는 고분자 물질과 친환경 저독성 물질을 혼성하여 우수한 소재를 제조할 수 있음을 보여주는 좋은 사례가 되어 향후 연구에 필요한 정보를 제공할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리피롤/사이클로덱스트린(PPy/CD) 혼성체 제조를 시도한 이유는 무엇인가?	폴리피롤 및 사이클로덱스트린의 장점에 착안하여, 두 가지 물질의 장점들이 서로 결합되어 시너지를 창출할 수 있다면 기존에 없는 매력적인 성질을 지닐 것으로 판단된다. 본 연구에서는, 폴리피롤이 갖는 넓은 제조 가능 영역, 뛰어난 전하 전달, 우수한 내구성과 사이클로덱스트린이 갖는 저독성, 친환경성, 안정성, host-guest complex 형성 가능성을 결합하기 위해 수용액 상에서 간단한 방법을 거쳐 폴리피롤/사이클로덱스트린(PPy/CD) 혼성체(hybrid) 제조를 시도하였다[5]. 만약, 두 가지 물질의 장점을 결합할 수 있다면 제조된 혼성체는 물질을 감지하고, 얻어진 신호를 효과적으로 전달할 수 있는 센싱 물질로 활용이 가능할 것으로 보인다[6].
	사이클로덱스트린(cyclodextrin, CD)이란 무엇인가?	사이클로덱스트린(cyclodextrin, CD)은 환형 다당류 분자들 중에서 대표적인 것들로, 해당 분자에 포함된 글루코피라노즈(glucopyranose) 단량체의 수가 여섯 개에서 여덟 개에 이르는 분자들이 주종을 이루고 있다. 이 분자들은 특이한 컵 모양의 구조를 지니고 있는데, 일정한분자량 범위(약 300 이하)의 분자들을 컵 내부에 포획할 수 있는 가능성을 지니고 있는 특징을 갖고 있다[3].
	전도성 고분자의 결합 특성 및 장점은 무엇인가?	전도성 고분자는 1970년대에 처음 보고된 이래로, 많은 관심을 끌고 있는 물질이다. 이 분자들은 일반적으로 공액 이중 결합(conjugated double bond)을 지니고 있으며, 외부에서 도핑물질(dopant)을 분자 사슬(chain)에 도입할 경우, 뛰어난 전하전달 능력을 가지는 것으로 알려져 있다[1]. 이러한 특징으로 인해서, 매우 다양한 분야에 응용되고 있는데, 투명전극, 배터리, 발광소재, 태양전지, 전자기 차폐, 반도체, 정전방지 등 그 사례를 열거하기 어렵다[1].

참고문헌 (11)

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J. H. Yang, H. T. Kim, and H. Kim, A cyclodextrin-based approach for selective detection of catecholamine hormone mixtures, Micro Nano Syst. Lett., 2, 1-10 (2014).

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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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