[논문]바이오 합성법으로 제조된 ZnO 나노입자의 구조 분석 및 항박테리아 거동

송재숙; 홍순익

doi:10.3740/mrsk.2020.30.5.252

[국내논문] 바이오 합성법으로 제조된 ZnO 나노입자의 구조 분석 및 항박테리아 거동
Biosynthesis of Zinc Oxide Nanoparticles and Structural Characterization and Antibacterial Performance 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.30 no.5, 2020년, pp.252 - 261

(인도 Sri Ramakrishna 공과대학) , 송재숙 (충남대학교 신소재공학과) , 홍순익 (충남대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We prepare ZnO nanoparticles by environmentally friendly synthesis using Cyathea nilgiriensis leaf extract. Various phytochemical constituents are identified through the assessment of ethanolic extract of plant Cyathea nilgiriensis holttum by GC-MS analysis. The formation of ZnO nanoparticles is confirmed by FT-IR, XRD, SEM-EDX, TEM, SAED and PSA analysis. TEM observation reveals that the biosynthesized ZnO nanopowder has a hexagonal structure. The calculated average crystallite size from the high intense plane of (1 0 1) is 29.11 nm. The particle size, determined by TEM analysis, is in good agreement with that obtained by XRD analysis. We confirm the formation of biomolecules in plant extract by FT-IR analysis and propose a possible formation mechanism of ZnO nanoparticles. Disc diffusion method is used for the analyses of antimicrobial activity of ZnO nanoparticles. The synthesized ZnO nanoparticles exhibit antimicrobial effect in disc diffusion experiments. The biosynthesized ZnO nanoparticles display good antibacterial performance against B. subtilis (Gram-positive bacteria) and K. pneumonia (Gram-negative bacteria). Bio-synthesized nanoparticles using green method are found to possess good antimicrobial performance.

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AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

^20-22) 금속 나노 입자의 항 박테리아 및 세포 독성 효과에 대한 많은 보고^23-24)가 있지만, 식물 추출물을 사용하여 제조한 금속 산화물 나노 입자에 대한 연구결과는 거의 없다. 따라서 식물 추출물을 이용한 ZnO 나노 입자의 녹색 합성과 생체 의학 분야에서 응용에 초점을 맞추어 연구를 수행하였으며, 본 연구에서는 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사용하여 친환경 합성방법으로 ZnO 나노 입자를 제조하여 분말의 구조 및 특성을 분석하고 항균성을 평가하였다.
FT-IR 스펙트럼 분석은 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에 의해 합성된 ZnO 나노 입자의 캡핑 및 안정화에 기여하는 생체 분자를 찾기 위하여 시험하였다.
aeruginosa) 박테리아 균주에 대해 우수한 살균 활성을 보였다. 본 연구에서는 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 얻은 바이오 합성 ZnO 나노 입자의 항균 효율을 분석 하였다.

가설 설정

³⁸⁾ 또한 표면에 주로 나타나는 금속 산화물 나노 입자의 항균 활성은 세포벽에 존재하는 단백질 의 티올(-SH) 그룹과 결합한다. 이러한 상호 작용은 세포 용해를 감소시켜 세포 융합을 유도하며, ³⁹⁾ 세포막의 손상은 미네랄, 단백질 및 유전 물질의 누출로 이어져 세포 사멸을 초래한다.

제안 방법

ZnO 나노 입자를 합성하기 위하여 0.1 M의 Zn(NO3)2· 6H2O 수용액 50 mL와 Cyathea nilgiriensis 잎 추출물 10 mL를 혼합하여 80 oC에서 2시간 교반하여 수산화 질산 아연 침전물을 형성시켰다.
FTIR 분석은 500 ~ 4,000 cm−1 범위의 Nicolet 520P FT-IR 분광계를 사용하여 분석하였으며, 입자 크기 분석기(Nanophox, Sympatec, Germany)를 사용하여 크기 분포를 측정하였다.
합성된 ZnO 나노분말의 XRD 분석은 PANalytical’s X-ray diffractometer 장비를 이용하였으며, Cu Kα를 사용하여 40 kV에서 30 mA로 10 ~ 80° 범위에서 측정하였다.
ZnO 산화물의 나노구조는 항 곰팡이, ¹²⁾ 항 박테리아, ¹³⁾ 항 바이러스, ¹⁴⁾ 상처 치유,¹⁵⁾ 자외선 필터링 특성, 높은 촉매 및 광화학 활성, 우수한 안정성 및 생체 적합성을 나타내어 많은 연구자들의 관심 대상이 되고 있다. 최근 몇년 동안 다양한 유형의 식물 추출물이 나노 결정질 물질의 합성에서 환원제 또는 캡핑제로 사용되는 것으로 보고되었으며, 본 연구진은 Pongamia pinnata, Nerium oleander, 알로에 잎 및 Vitex negundo L 잎 추출물을 사용하여 ZnO 나노 입자를 친환경적으로 합성하고 그 결과를 전문 학술지에 다수 발표하였다. ^16-19) 본 연구 결과에 따르면 식물 추출물에 존재하는 생체 분자는 효율적인 캡핑제로서 작용하여 나노 입자 합성에서 중추적이고 다양한 역할을 한다.
1)를 사용하여 여과 하여 밝은 갈색의 추출물을 얻었고, 여과액은 250 mL 삼각 플라스크에 수집하였다. 또한 GC-MS 분석을 위해, 20 g의 잎분말을 Soxhlet 장치를 사용하여 250 mL의 에 탄올 용매로 8시간(78.2 ^oC) 추출 하였으며, 얻어진 식물 잎 추출물을 증류 농축하여 GC-MS 분석을 하였다.
ZnO 나노분말의 항균활성을 분석하고자 디스크 확산 방법을 이용하여 3 g 그람 양성균(S. aureus, B. subtilis 및 M. luteus)과 3 g 그람 음성균(E. coli, S. paratyphi 및 K. pneumonia)에 대해 시험하였고, 유사하게 항진균 분석은 C. albicans와 A. niger의 두 균주에 대해 시험 하였다.
본 연구에서는 처음으로 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사용하여 환경 친화적 인 새로운 합성방법으로 ZnO 나노 입자를 합성하였다. ZnO 나노 입자 합성에 사용된 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 화합물을 분석하여 그 결과를 [Table 1]에 나타내었다.
Janakiraman et al. 연구진의 실험방법에 기반하여 본 연구에서는 분석 시간을 1시간(60분)으로 변경하여 60 개의 화학물질을 예측하였다.
1]은 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물의 GC-MS 스펙트럼을 나타낸다. GC-MS 분석에서 분석시간 1시간 동안 60개의 화합물을 예측하였다. 60개의 화합물 중 7 개의 화합물이 피크 영역 1 % 이내에 존재하고 있으 며, 나머지 53개의 화합물 중 43개의 화합물이 1~5% 의 피크 영역 내에 존재한다.
3종류의 그람 양성 세균(포도상구균, 고초균 및 마이크로코커스 루테우스균) 및 3종류의 그람 음성 세균 (대장균, 살모레나균 및 페렴구균)에 대한 항균 활성을 나타내었으며, 시프로플록사신은 모든 박테리아 균주의 표준이다. Table 2는 ZnO 나노 입자의 저지 영역을 나타내었으며, 곰팡이 및 세균 균주 모두에 대해 100g/디스크 샘플을 채취하여 분석하였다. 3종류의 그램 양성 세균에 대한 표준 시프로플록사신 억제 영역은 포도당구균 32 mm, 고초균 40 mm 및 마이크로코커스 루테우스균 34 mm로 측정되었다.

대상 데이터

건조된 잎 약 10 g을 증류수와 혼합하여 10분간 끓였으며, 2회 반복하였다. 혼합물은 여과지(Whatman No.1)를 사용하여 여과 하여 밝은 갈색의 추출물을 얻었고, 여과액은 250 mL 삼각 플라스크에 수집하였다. 또한 GC-MS 분석을 위해, 20 g의 잎분말을 Soxhlet 장치를 사용하여 250 mL의 에 탄올 용매로 8시간(78.

성능/효과

4) 시아테아(Cyathea) 속에 속하는 나무 고사리 는 241종의 종(種)과 4종의 잡종이 산악 지대에 분포되어 있다. ⁵⁾ 인도에는 Cyathea nilgiriensis 나무 고사리처럼 멸종 위기에 처해있는 11종의 Cyathea가 있으며, 야생 동식물에 관한 CITES(멸종 위기 종의 국제 무역 협 약) 부록 II에도 수록되어 있다.
⁴⁾ 시아테아(Cyathea) 속에 속하는 나무 고사리 는 241종의 종(種)과 4종의 잡종이 산악 지대에 분포되어 있다. ⁵⁾ 인도에는 Cyathea nilgiriensis 나무 고사리처럼 멸종 위기에 처해있는 11종의 Cyathea가 있으며, 야생 동식물에 관한 CITES(멸종 위기 종의 국제 무역 협 약) 부록 II에도 수록되어 있다. ⁶⁾ Cyathea nilgiriensis 나무 고사리는 Kerala, Karnataka, Tamil Nadu 및 Andhra Pradesh 지역에서 그늘지고 습기가 많은 시내 쪽 숲의 일부에만 분포한다.
⁵⁾ 인도에는 Cyathea nilgiriensis 나무 고사리처럼 멸종 위기에 처해있는 11종의 Cyathea가 있으며, 야생 동식물에 관한 CITES(멸종 위기 종의 국제 무역 협 약) 부록 II에도 수록되어 있다. ⁶⁾ Cyathea nilgiriensis 나무 고사리는 Kerala, Karnataka, Tamil Nadu 및 Andhra Pradesh 지역에서 그늘지고 습기가 많은 시내 쪽 숲의 일부에만 분포한다. ⁷⁾ Cyathea nilgiriensis 나무 고사리는 진통 효과가 있기 때문에 인도에서 뱀에 물린 상처을 치 료하는 민간 요법으로 널리 사용된다.
[Table 1]에서 보여 주는 바와 같이 15종류의 화합물 분석결과 13종류 의 화합물이 존재하는 것으로 분석되었다. 플라보노이드, 테르페노이드, 트리 테르페노이드, 폴리페놀 및 글리코시 드와 같은 대사산물은 더 높은 농도로 나타났으며(++로 표시), 타닌, 사포닌, 스테로이드, 알칼로이드, 탄수화물, 단백질, 안트라퀴논 및 쿠마린과 같은 대사산물은 약간 낮은 농도로 존재하며(+로 표시), 플로바탄닌과 안토시아닌 대사산물은 검출되지 않았다.
나머지 10종류 중 6종류 1-Hexadecene(C16H32), 테트라데칸산 에틸 에스테르 (C16H32O2), 옥타데칸산 에틸 에스테르(C20H40O2), 2,2,4,4- tetrakis(t-butyl)-1,3-bis[(mesityl)mercurio]-1,3-diphospha– 2,4-disiletane(C34H58Hg2P2Si2), Heptadecanoic acid-15- methyl-ethylester(C20H40O2) 및 1,2-bis(Trimethylsilyl)-4- (t-butyl)-1-bromo-2,2-bi phenyl(C26H33BrSi2) 등은 5 ~ 10 % 범위에 속하는 화합물이다. 이들 화합물에 대한 NIST 데이터와 분석된 피크가 일치할 확률은 각각 7.39 %, 76.54 %, 79.26 %, 36.74 %, 12.27 % 및 24.7 %이다. 따라서 테트데칸산 에틸 에스테르와 옥타데칸산 에틸 에스테르 화합물이 주요 화합물로 여겨진다.
따라서 테트데칸산 에틸 에스테르와 옥타데칸산 에틸 에스테르 화합물이 주요 화합물로 여겨진다. 나머지 4개의 화합물, 즉 C18H36O2 화합물, C21H54F2N2OSi5 화합물, C19H38N4O10 화합물 및 C25H39NO11 화합물은 10 ~ 15 % 범위에 존재하며, NIST 데이터와 일치 할 확률은 각각 74.17 %, 18.66 %, 14.29 % 및 10.66 %이고, 헥사데칸산 에틸 에스테르(C18H36O2)가 주요 화합물이다. C18H13BrO 및 C14H7Cl3O5 화합물 같은 플라보노이드는 환경친화적인 합성에 관여하는 화합물이다.
마지막으로, 알킨 C-H 변형은 632 ~ 680 cm⁻¹ 에서 보여준다. FT-IR 결과 잎으로부터 추출된 트리테르 페노이드, 스테롤, 알콜, 탄화수소, 플라보노이드, 쿠마린, 탄닌, 탄수화물, 단백질, 글리코시드와 같은 생물 미생물들이 나노 입자에 부착된다고 여겨진다.
9]에 나타내었다. Cyathea nilgiriensis 식물 추출물의 예비 분석 결과 알칼로이드, 테르페노이 드, 플라보노이드, 페놀 및 스테로이드의 존재가 확인되었다. ³¹⁾이들 대사 산물은 수성 추출물을 고도로 산화시키는 역할을 하며 ZnO 나노 입자의 생물학적 환원에 중요한 역할을 한다.
C₁₄H₇Cl₃O₅ 화 합물은 trihydorxy 플라보노이드 화합물이므로 쉽게 금속을 받아들여 복합체를 형성한다. 본 연구에서 ZnO 나 노 입자의 FT-IR 결과는 플라보노이드의 수산기와 카르보닐기의 존재가 있음을 시사한다. 또한, Johnson과 그 연구진은³⁵⁾ 금속에서 Ag 나노 입자의 합성에 관여하는 플라보노이드의 존재를 제시하였다.
Stan 등은³⁶⁾ 부추 속 사디움, 로즈마리 Officinalis, Ocimum basilicum 등의 식물 추출물 항균 활성을 설명 했다. 그들의 결과에 따르면 ZnO 나노 입자는 황색 포 도상구균(S. aureus), 고초균(B. subtilis), 리스테리아균(L. monocytogenes), 대장균(E. coli), 살모레나균(S. typhimurium) 및 녹용균(P. aeruginosa) 박테리아 균주에 대해 우수한 살균 활성을 보였다. 본 연구에서는 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 얻은 바이오 합성 ZnO 나노 입자의 항균 효율을 분석 하였다.
3종류의 그람 양성 세균 중 고초균(16 mm)의 저해 구역이 포도당구균(32 mm)과 마이크로 코커스루테우스균(34 mm) 보다 더 높았다. 3종류의 그람 음성 박테리아에 대한 표준 시프로플록사신 저해구역은 대장균 36 mm, 살모레나균 36 mm 및 페렴균 38 mm로 측정되어 페렴구균이 다른 음성 박테리아 균주와 비교하여 더 높은 억제영역을 나타내었다.
10]은 두 가지 균주에 대한 ZnO 나노 입자의 곰팡이 방지 이미지를 보여준다. [Table 3]에서 보는 바와 같이 2종류 곰팡이 종에 대한 표준 클로트리마졸에 대한 억제 구역은 칸디다 알비칸스균 37 mm와 아스페르길루스 니게르균 30 mm로 측정되었으며, 칸디다 알비칸스균(15 mm)은 다른 균류 인 아스페르길루스니 게르균(11 mm)에 비해 더 높은 억제 구역을 나타낸다.항균 활성은 미생물에서 음전하를 띤 세포막과 양전하를 띤 나노 입자 사이의 정전기 인력, 아연을 포함한 금속 이온과 미생물 및 ZnO 배열의 상호 작용을 통해 유도되며, 바이오 합성법을 사용하여 합성된 ZnO 나노 입자는 시험된 균류에 대해 우수한 항진균 활성을 갖는것으로 밝혀졌다.
[Table 3]에서 보는 바와 같이 2종류 곰팡이 종에 대한 표준 클로트리마졸에 대한 억제 구역은 칸디다 알비칸스균 37 mm와 아스페르길루스 니게르균 30 mm로 측정되었으며, 칸디다 알비칸스균(15 mm)은 다른 균류 인 아스페르길루스니 게르균(11 mm)에 비해 더 높은 억제 구역을 나타낸다.항균 활성은 미생물에서 음전하를 띤 세포막과 양전하를 띤 나노 입자 사이의 정전기 인력, 아연을 포함한 금속 이온과 미생물 및 ZnO 배열의 상호 작용을 통해 유도되며, 바이오 합성법을 사용하여 합성된 ZnO 나노 입자는 시험된 균류에 대해 우수한 항진균 활성을 갖는것으로 밝혀졌다. Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사 용하여 생합성화된 ZnO의 항균 작용은 세균 뿐만 아니 라 곰팡이 종에도 좋은 결과를 나타내었다.
항균 활성은 미생물에서 음전하를 띤 세포막과 양전하를 띤 나노 입자 사이의 정전기 인력, 아연을 포함한 금속 이온과 미생물 및 ZnO 배열의 상호 작용을 통해 유도되며, 바이오 합성법을 사용하여 합성된 ZnO 나노 입자는 시험된 균류에 대해 우수한 항진균 활성을 갖는것으로 밝혀졌다. Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사 용하여 생합성화된 ZnO의 항균 작용은 세균 뿐만 아니 라 곰팡이 종에도 좋은 결과를 나타내었다. 따라서 나노 입자는 잠재적인 항진균제로서 사용될 수 있으며, 기 존의 살균제에 대한 내성을 극복하는 대안으로 주목 받으며, 곰팡이 질병 관리의 장애물을 극복하는 것을 도울 수 있을 것으로 기대된다.
1. GC-MS 분석은 식물 Cyathea nilgiriensis의 에탄올 추출물에서 다양한 식물 화학 성 분의 존재를 확인하였다.
2. Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 이용한 ZnO 나노 입자 합성은 침전제 및 캡핑 제를 사용하여 실온에서 수산화물 침전, 450 ^oC에서 하소를 통한 녹색 화학 공정에 의해 얻어졌다.
3. 생합성 된 ZnO 나노 분말은 육방구조을 나타내며, 평균 결정립 크기는 29.11 nm로 측정되었다.
4. 생합성 된 ZnO 나노 입자는 그람 음성균과 그람 양성균에 대해 우수한 항 박테리아 활성을 나타내었으며, 칸디다 알비칸스균은 다른 균류인 아스페르길루스 니게르균에 비해 우수한 항진균 작용을 보였다.
10]은 Cyathea nilgiriensis 식물 추출물에서 바이오 합성으로 얻은 ZnO 나노 입자의 항균 이미지를 나타낸다. 3종류의 그람 양성 세균(포도상구균, 고초균 및 마이크로코커스 루테우스균) 및 3종류의 그람 음성 세균 (대장균, 살모레나균 및 페렴구균)에 대한 항균 활성을 나타내었으며, 시프로플록사신은 모든 박테리아 균주의 표준이다. Table 2는 ZnO 나노 입자의 저지 영역을 나타내었으며, 곰팡이 및 세균 균주 모두에 대해 100g/디스크 샘플을 채취하여 분석하였다.
Table 2는 ZnO 나노 입자의 저지 영역을 나타내었으며, 곰팡이 및 세균 균주 모두에 대해 100g/디스크 샘플을 채취하여 분석하였다. 3종류의 그램 양성 세균에 대한 표준 시프로플록사신 억제 영역은 포도당구균 32 mm, 고초균 40 mm 및 마이크로코커스 루테우스균 34 mm로 측정되었다. 3종류의 그람 양성 세균 중 고초균(16 mm)의 저해 구역이 포도당구균(32 mm)과 마이크로 코커스루테우스균(34 mm) 보다 더 높았다.
3종류의 그램 양성 세균에 대한 표준 시프로플록사신 억제 영역은 포도당구균 32 mm, 고초균 40 mm 및 마이크로코커스 루테우스균 34 mm로 측정되었다. 3종류의 그람 양성 세균 중 고초균(16 mm)의 저해 구역이 포도당구균(32 mm)과 마이크로 코커스루테우스균(34 mm) 보다 더 높았다. 3종류의 그람 음성 박테리아에 대한 표준 시프로플록사신 저해구역은 대장균 36 mm, 살모레나균 36 mm 및 페렴균 38 mm로 측정되어 페렴구균이 다른 음성 박테리아 균주와 비교하여 더 높은 억제영역을 나타내었다.

후속연구

Cyathea nilgiriensis 식물 추출물을 사 용하여 생합성화된 ZnO의 항균 작용은 세균 뿐만 아니 라 곰팡이 종에도 좋은 결과를 나타내었다. 따라서 나노 입자는 잠재적인 항진균제로서 사용될 수 있으며, 기 존의 살균제에 대한 내성을 극복하는 대안으로 주목 받으며, 곰팡이 질병 관리의 장애물을 극복하는 것을 도울 수 있을 것으로 기대된다.
5. 생합성 된 ZnO 나노 입자는 박테리아 및 곰팡이 식물 병원균에 대해 우수한 멸균특 성을 나타내어 농업 분야의 상업적 응용을 위한 항균제에 사용될 수 있음을 시사한 다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FT-IR 분석으로 플라보노이드의 페놀 화합물과 금속의 강한 결합으로 알 수 있는 것은 무엇인가?	FT-IR 분석 결과, 플라보노이드의 페놀 화합물은 금속 과의 결합력이 강하기 때문에 페놀기가 금속 나노 입자를 형성하여 응집을 방지하고 그로 인해 매체를 안정화시킬 수 있음을 나타낸다. 이것은 생물학적 분자가 수성 매질에서 ZnO 나노 입자의 형성과 안정화의 이중 기능을 수행 할 수 있음을 시사한다. Gnanasangeetha 등26)은 식물 추출물 azadirachta 및 emblica에서 테르페노 이드가 ZnO 나노 입자의 형성 및 안정화에 기여한다고 하였으며, 플라보노이드는 ZnO 나노 입자의 안정화 및 캡핑에 중요한 역할을 한다고 하였다.
	Cyathea nilgiriensis는 무엇인가?	Cyathea nilgiriensis는 인도 남부에 서식하는 나무 고사리이다. 4) 시아테아(Cyathea) 속에 속하는 나무 고사리 는 241종의 종(種)과 4종의 잡종이 산악 지대에 분포되어 있다.
	ZnO 산화물 나노 구조물의 특성은 무엇인가?	다양한 금속 산화물 중에서 ZnO는 새로운 생물학적 기능과 독특한 특성 때문에 유용하고 가치 있는 물질 중 하나이다. ZnO 산화물의 나노구조는 항 곰팡이, 12) 항 박테리아, 13) 항 바이러스, 14) 상처 치유, 15) 자외선 필터링 특성, 높은 촉매 및 광화학 활성, 우수한 안정성 및 생체 적합성을 나타내어 많은 연구자들의 관심 대상이 되고 있다. 최근 몇년 동안 다양한 유형의 식물 추출물이 나노 결정질 물질의 합성에서 환원제 또는 캡핑제로 사용되는 것으로 보고되었으며, 본 연구진은 Pongamia pinnata, Nerium oleander, 알로에 잎 및 Vitex negundo L 잎 추출물을 사용하여 ZnO 나노 입자를 친환경적으로 합성하고 그 결과를 전문 학술지에 다수 발표하였다.

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M. Stan, A. Popa, D. Toloman, T. D. Silipas and D. C. Vodnar, Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.), 29, 228 (2016).

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W. Rizwan, Y.-S. Kim, A. Mishra, S.-I. Yun and H.-S. Shin, J. Nanoscale Res. Lett., 5, 1675 (2010).

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J. Sunita, G. Suresh, N. Madhav and R. Anjali, J. Cluster Sci., 22, 121 (2011).

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H. Zhang and G. Chen, Environ. Sci. Technol., 43, 2905 (2009).

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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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