공학석사학위 청구논문

유기나노튜브의 형성과바이오센서로의 응용FormationofOrganicNanotubesandTheirBiosensoryApplications

2007년 8월

인하대학교 대학원

고분자공학과(고분자공학전공)

임 문 섭

지도교수 김 철 희

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

이 논문을 임문섭의 석사학위논문으로 인정함

2007년 05월 일

주심

부심

위심

FormationofOrganicNanotubesandTheirBiosensoryApplications

by

Moon-SupIm

A THESIS

SubmittedtothefacultyofINHA UNIVERSITY

inpartialfulfilmentoftherequirementsforthedegreeof

MASTEROFPOLYMERENGINEERING

DepartmentofPolymerEngineeringAugust2007

목목목 차차차그림 목차 ...............................................................................................................................I

국문 요약 ...............................................................................................................................II

영문 요약 ..............................................................................................................................IV

제1장.서론 .............................................................................................................................1

제2장.이론적 배경 ...............................................................................................................3

2.1.덴드리머와 덴드론 ....................................................................................................3

2.2.자기조립현상에 의한 초분자 구조 형성 .............................................................8

2.3.금 나노입자 ................................................................................................................9

제3장.합성과 증명 .............................................................................................................12

3.1.서론 ............................................................................................................................12

3.2.실험 ............................................................................................................................12

3.2.1.재료와 장비 ......................................................................................................12

3.2.2.아마이드 덴드론의 합성 ...............................................................................15

3.2.3.파이렌 모이어티를 갖는 아마이드 덴드론의 합성 ................................15

3.2.4.C-6위치가 치환된 시클로덱스트린의 합성 ..............................................21

3.2.4.(a)Mono-6-amino-β-Cyclodextrin의 합성 ..........................................22

3.2.4.(b)Mono-6-biotin-β-Cyclodextrin의 합성 ..........................................24

3.2.5.금 나노입자의 합성 .......................................................................................26

제4장.실험 결과와 토의 .................................................................................................27

제5장.결론 ........................................................................................................................38

참고문헌 ............................................................................................................................39

LLLiiissstttooofffFFFiiiggguuurrreeesss그림 1Stepsinthesynthesisofadefineddendrimer...........................................3그림 2Divergentsynthesis에 의한 PAMAM dendrimer..........................................5그림 3Convergent방법에 의한 Dendrimers..............................................................7그림 4금 나노입자의 합성 방법.....................................................................................10그림 5금 나노입자의 TEM 사진...................................................................................10그림 6금 나노입자의 반응 메커니즘............................................................................11그림 7placeexchange에 의한 금 입자의 functionalization.................................11그림 8structureofamide-dendron.............................................................................27그림 9self-assemblyofamide-dendron...................................................................27그림 10Schematicillustrationofdendron-vesicle..................................................28그림 11TEM & SEM imageofpyrene-dendronvesicle....................................28그림 12focalpoint에 pyrene유닛을 갖는 아마이드 덴드론의 합성....................29그림 13Structureofcyclodextrin................................................................................29그림 14Cyclodextrin& dendroncomplex.................................................................30그림 15FluorescentSpectroscopyofvesicle& nanotube.....................................30그림 16Reversibletransformationbetweenvesicle-nanotube............................31그림 17다양한 기능을 표면에 갖는 유기 나노튜브 ................................................31그림 18금 나노입자로 덮인 유기나노튜브 .................................................................32그림 19NH2-beta-CDNTs와 금 나노입자가 올라간 튜브의 spectrum ............33그림 20mono-NH2-beta-CD의 이미지 ......................................................................34그림 21튜브의 형광을 이용한 avidin측정 scheme..................................................35그림 22mono-6-biotin-β-CDNTs의 image..............................................................36그림 23biotin-CDNT +SA-Au...................................................................................36그림 24avidin의 농도에 따른 emission증가 ..............................................................37

국국국문문문요요요약약약

2006년 본 실험실에서는 세계 최초로 분자인식 메카니즘을 통한 새로운 자기조

립(Self-Assembly)현상과,독특한 형태의 유기 형광 나노튜브의 제조와 메카니

즘 규명에 대한 논문을 미국국립과학원의 저명 학술지인 PPPrrroooccc...NNNaaatttlll...AAAcccaaaddd...SSSccciii...

UUUSSSAAA...(2006,103,1199-1203)에 보고 하였다.이를 바탕으로 본 연구에서는 현재

까지 국내외적으로 구현된 바 없는 덴드리머 자기조립 모드에 대해 제안하고

이를 이용한 새로운 무기 나노재료의 제조와 바이오센서 등의 응용 가능성을

실현하고자 한다.본 실험에서는 amidedendron의 focalpoint에 cyclodextrin과

Host-Guestcomplex를 형성할 수 있는 형광물질인 pyrene을 도입하여 자기조

립현상에 의해 유기 나노튜브가 형성될 수 있음을 확인하였고 이러한 나노튜브

의 표면을 이루고 있는 cyclodextrin의 C6위치에 존재하는 OH 그룹을 원하는

작용기로 치환하여 튜브 전체에 원하는 기능을 갖는 유기나노튜브를 형성할 수

있었다.이는 기존과는 차별화 된 방법으로 자연의 메카니즘과 같은 자기조립현

상(Self-Assembly)를 이용하여 multi-functionalnanotube(다기능성나노튜브)를

구현 하고자 하였음이다.또한,최근 초분자 화학 분야는 생체 분자의 자기조립

특성을 모방하여 기능성 나노재료로 응용하고자 하는 연구들이 활발히 이루어

지고 있는데,하지만 이를 이용한 바이오센서나 생체 분자간의 인식에 대한 메

카니즘 이해에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다.따라서 독특

한 초분자 자기조립체의 제조와 자기조립 메카니즘 규명에 관한 연구결과들을

바탕으로,앞으로의 연구에서는 자기조립체에 생체분자를 인식할 수 있는 관능

기 등을 도입하여 이전에 보고되지 않은 새로운 형태의 바이오센서를 개발을

하고자 한다.기능성 유기나노튜브에 선택적으로 금 나노입자를 도입하여

pyrene이 가지고 있는 독특한 형광 성질을 이용하여 fluorescencequenching

effect에 관한 연구를 수행하였다.

AAAbbbssstttrrraaacccttt

Werecentlydevelopedcyclodextrin-coveredorganicnanotubes(CDNTs)of

dendrons triggered by the motif ofcyclodextrin-inclusion.The surface

functionalityofCDNTsisdeterminedbythefunctionalgroupofCDsatC-6

positions.Inaddition,pyreneofCDNT canexhibitanoticeablefluorescence

property by external stimuli or environmental change. Therefore, we

preparedseveralmodifiedCDsandgoldnanoparticlesbothtodemonstrate

ourexpectationfortheconstruction offunctionalCDNTsandtoobserve

photochemicaleventbetweenpyreneandgoldnanoparticle.Wehaveshown

thatcyclodextrincoveredorganicnanotubescanserveastemplatesforthe

arrayofwatersolublemetalnanocrystals.Moreoverweusesomekindsof

proteins those are biotin,streptavidin and avidin.Biotin can bind with

streptavidin.Soifcyclodextrinshavebiotinfunctions,andthestreptavidinis

attachedtoagoldnanoparticle,gondnanoparticlescanbearrayedonthe

surfaceofCDNTsfrom theinteractionbetweenbiotinandstreptavidin.And

then,thefluorescencecharacterofCDNTsisdisappeared.Inthepresenceof

avidin,streptavidin-gold nanoparticles are removed from the surface of

CDNTs and the fluorescence characterofCDNTs is regenerated.This

system canbeusedtoabiosensor.

- 10 -

CCChhhaaapppttteeerrr111...IIInnntttrrroooddduuuccctttiiiooonnn

‘There'sPlentyofRoom attheBottom(바닥에는 여지가 많다.)’1959년 12월

캘리포니아 공대에서 열린 미국 물리학회 총회에서,양자역학 연구 공로로 노벨

물리학상을 받은 리처드 파인만이 나노(nano)과학의 새로운 길을 세계에서 최

초로 제안한 이후 40년이 지난 현재에 세상 사람들은 마이크로의 세계에서 나

노의 세계로 눈을 돌려 새로운 패러다임,새로운 과학,새로운 테크놀로지를 찾

고 있다.당시에는 나노의 세계를 탐구하고 제어한다는 것은 상상속의 일이었지

만,지금은 백과사전의 내용을 핀 머리에 담는 것뿐만 아니라 원자 하나하나를

직접 제어하고,전자 현미경의 발전으로 인해 나노 사이즈의 이미지까지도 구현

할 수 있게 되었다.또한 세계의 저명한 학자들은 nanoelevator,nanomotor,

nanogear등 각종 nano-machine(나노기계)를 만들어 사람들의 관심을 받고

있으며 나노세계가 먼 미래만은 아니라는 희망을 보여주고 있다.나노머신은 기

존의 기계와 달리,단순히 사이즈가 나노인 것 뿐 아니라 그 기작(mechanism)

또한 마이크로 테크놀로지와는 다르게 구현되는 새로운 과학이고 기술이다.

새로운 나노기술중 최근 덴드리머 또는 덴드론의 자기조립 현상을 이용한 초분

자 나노 구조체를 제조하는 연구가 고기능성 나노 재료로의 응용 가능성으로

인해 큰 주목을 받고 있다.본 연구실에서는 수용액 뿐 아니라 유기 용매에서

자기조립을 이루는 아마이드 덴드론을 발견한 바 있고,이들의 자기조립을 통한

베시클(vesicle),실린더형의 미셀(micelle),구형의 micelle,라멜라 나노리본

(lamellarnanoribbons)등의 초분자 구조의 형성을 발표한 바 있다.또한 아마이

드 덴드론의 focalpoint에 소수성의 성질을 띠고 형광 특성을 가지고 있는

- 11 -

pyrene을 도입하였을 시에도 수용액 상에서 베시클(vesicle)을 형성할 수 있음

을 확인하였다.이러한 베시클 수용액에 시클로덱스트린(Cyclodextrin)이라고 하

는 덱스트린의 일종으로 환상 올리고당(cyclicoligosaccharide)로 이루어진 물질

을 넣어주었고 덴드론 베시클의 구조가 튜브의 형태로 변환하는 것을 발견하였

다.이는 β-시클로덱스트린의 내부는 소수성의 물질을 담지할 수 있는 성질을

갖고,외부는 친수성의 성질을 갖기 때문에 덴드론의 파이렌이 시클로덱스트린

의 내부로 들어가 Host-Guestcomplex를 형성하기 때문이다.이러한 결과를 바

탕으로 본 실험에서는 시클로덱스트린의 C-6위치에 존재하는 -OH기를 원하

는 작용기로 치환을 하고 선행 실험과 같은 방법으로 focalpoint에 pyrene이

존재하는 덴드론으로 형성된 베시클 수용액에 치환된 시클로덱스트린을 넣어주

어 원하는 작용기가 전 표면에 덮여있는 기능성 나노 튜브를 형성하였다.이러

한 튜브를 이용하여 금속 입자로 둘러싸인 금속 나노 튜브를 쉽게 형성할 수

있었고,최근 많은 관심을 받고 있는 바이오 센서에 응용을 하기 위하여 시클로

덱스트린에 단백질의 일종인 바이오틴(biotin)을 도입하여 나노 튜브를 만들고

아비딘(avidin)과의 상호작용을 이용하여 형광 나노튜브 센서를 고안하였다.

- 12 -

CCChhhaaapppttteeerrr222...TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllBBBaaaccckkkgggrrrooouuunnnddd

222...111...DDDeeennndddrrrooonnnaaannndddDDDeeennndddrrriiimmmeeerrr

2.1.1.Synthesisofdendrimers

-ConvergentandDivergentmethods

최근 고분자 연구에서 덴드리머 연구는 새로운 분야로서 전 세계적으로 활발히

진행이 되고 있다.1덴드리머는 ‘나무’의 뜻을 가진 그리스 어원인 ‘dendron’과

고분자의 ‘polymer'를 합성하여 규칙적인 가지를 가지는 올리고머(oligomer)또

는 폴리머를 말한다.덴드리머 연구의 시작은 1978년 Vögtle의 cascade

structure와 1981년 Denkewalter의 덴드리틱 polypeptide에 의해 처음 언급되었

다.그러나 본격적인 연구는 1985년 Tomalia2와 Newkome1에 의해 PAMAM 덴

드리머와 Arborol덴드리머를 발표한 후부터 시작되었다.

그림 1 Steps in the synthesis of a defined dendrimer(출처; Starpharma社)

덴드리머의 합성 방법은 일반적인 고분자의 합성방법이 제어가 어려운 데 반하

여 step-by-step성장과정을 거쳐 세대를 증가시킴으로써 거대 분자량의 분자

량 분포(PDI;polydispersityindex)가 거의 1에 가깝게 균일한 분자를 합성할

수 있다.이러한 덴드리머의 합성 방법에는 두 가지가 있으며 divergentmethod

- 13 -

와 convergentmethod이다. Divergent방법은 작용기를 여러개 가지는 core

물질로부터 차례로 밖으로 확산하여 나아가는 방법이며 Convergent방법은 최

외각의 가지로부터 core방향으로 합성해 가는 방법이다.두 방법 모두 단계적

인 성장 과정을 거치며 성장하는 것은 같지만 합성 방법의 차이가 다르기 때문

에 각각 장단점을 가지고 있다.

a)Divergentmethod

1978년 Vogtle등에 의해 최초로 덴드리틱 고분자량체에 대한 합성이 시도되었

다.3Bogtle은 divergent방법에 의해 cascademolecule을 합성하였으나 분자량

이 너무 작고 구조의 분석이 수행되지 못했다는 점에서 최초의 덴드리머라고

말할 수 없다.하지만 연속적인 반응에 의한 처음의 응용이라는 점에서 큰 의의

가 있다.

- 14 -

그림 2 Divergent synthesis에 의한 Poly(amido amine) (PAMAM) dendrimer

- 15 -

b)Convergentmethod

divergent방법은 덴드리머를 합성하는데 매우 유용한 것으로 입증되었다.하지

만 합성의 다양성을 제공하지 못하고 세대가 증가할수록 최외각 관능기들의 밀

도 증가에 따른 입체장애로 반응에 제한을 받게 되어 덴드리머 구조의 중대한

결함의 원인이 된다.이러한 단점들은 Frechet등이 제시한 convergentmethod

에 의해 극복되었다.4 Convergent방법은 최외각에서 시작하여 이를 building

block과 반응하고 활성화시키는 것을 반복하여 하나의 덴드론을 합성하는 것이

다.그렇게 한 후 덴드론을 여러개의 관능기를 갖는 하나의 core분자와 반응하

여 덴드리머를 얻는다.

- 16 -

그림 3 Convergent 방법에 의한 Dendrimers with2,4,6-Triaryl-1,3,5-triazinePeriphery

- 17 -

222...222...SSSeeelllfff---AAAsssssseeemmmbbbllleeedddSSSuuuppprrraaammmooollleeecccuuulllaaarrrSSStttrrruuuccctttuuurrreee

초분자 화학5은 분자들의 비공유결합(noncovalentbonding)작용에 중점을 둔

화학이다.전통적인 화학은 분자들간의 결합을 끊어주고,붙여주는 작용을 통하

여 원하는 분자를 만들어내었다.반면에 초분자 화학은 결합력이 약하고 가역적

인 비공유 결합을 이용한다.그러한 결합에는 수소결합(hydrogen bonding),

metalcoordination,hydrophobicforce,반데르발스 힘(vanderWaalsforce),

파이-파이 상호작용(pi-piinteraction),electrostaticinteraction등으로 인해 분

자들의 어셈블리에 영향을 미처 multimolecularcomplexes를 형성한다.이러한

초분자 화학은 크게 다섯 가지로 구분지을 수 있으며 분자들의 자기조립현상

(self-assembly),분자 인식(molecular recognition),Host-Guest chemistry,

mechanically-interlockedmoleculararchitectures,dynamiccovalentchemistry

가 있다.

-자기 조립 현상에 의한 초분자 구조체

자기조립은 분자 각각의 구성에 나타나있는 정보들을 모양,표면의 특성,전하,

극성,자기적 다이폴,부피 등으로 표출한다.이러한 특성은 자기조립 분자들 사

이의 상호 작용에 의해 나타난다.그러한 분자들의 디자인은 바라는 패턴의 구

조로 만들게 해 주며 이러한 분자들의 작용기가 중요한 요소가 된다.분자들의

자기조립은 비공유결합,약한 결합의 작용들을 이용한다.이러한 힘에는 반데르

발스 힘,정전기적 힘,hydrophobicinteraction,수소결합 등이 포함된다.6

자기조립현상은 분자들의 유동성을 필요로 하기 때문에 대개 유체상 또는 부드

러운 표면에서 일어난다.그러한 환경이 구성 분자들 사이의 상호 작용을 결정

- 18 -

한다.

-덴드리머의 자기조립현상

1996년 Zimmerman과 그의 동료들에 의해 발표된 자기조립에 의한 분자 집개7와 Frechet-type의 Poly(benzylether)dendron에 관한 내용8은 매우 획기적이

었다.매우 높은 세대의 덴드론 빌딩 블락은 hexameric덴드리머로 자기조립을

하였다.이것이 덴드리틱 빌딩 블락을 이용하여 비공유 결합에 의해 덴드리머를

구성하는 최초의 예가 되겠다.또한 다양한 자기조립현상들이 연구되고 있다.

덴드리머의 여러 가지 특징-definedstructure,크기-때문에 덴드리머는 나노

사이즈의 자기조립구조체의 가능성을 제공해준다.9

222...333...AAAuuuNNNaaannnaaarrrtttiiicccllleeesss

2.4.1.CitrateReduction

Gold(III)derivative를 reduction시켜서 Au나노입자를 만드는 가장 일반적인

방법으로 Trukevich등에 의해 1951년 보고되었다.이 방법은 trisodium citrate

가 Aucore를 안정화시키는 shell로 이용되기 보다는 최근에는 이를 이용하여

특정 크기의 나노입자를 제조하고 다른 기능을 갖는 리간드(ligand)를 도입하여

ligandexchangemethod를 통해 다른 목적으로 응용하는데 초점이 맞추어지고

있다.대략적인 합성 메커니즘은 다음에 나온 바와 같다.

- 19 -

그림 4 금 나노입자의 합성 방법

그림 5 금 나노입자의 TEM 사진

2.4.2.TheBrust-SchiffrinMethod

Alkanethiol을 이용한 Au나노입자의 합성 방법은 1993년 Mulvaney등에 의해

보고 되었다.Brust-Schiffrinmethod는 1994년 보고되었으며,크기 조절이 가능

하고(1.5~5.2nm),열적으로 안정하며,공기 중에서도 상당히 안정한 방법으로

알려져 있다. 이는 two phase system 으로 수용액 상의 AuCl4-를

phase-transferreagent인 tetraoctylammonium bromide를 이용하여 환원시켜

- 20 -

Au입자를 만드는 방법이다.이 방법은 Au입자 합성에 새로운 전환을 가져왔

으며,간단하고 효율적으로 일정한 크기의 금 나노입자를 제조 가능하다는 장점

이 있다.반응 메커니즘은 다음과 같다.

그림 6 금 나노입자의 반응 메커니즘

이 방법에 의해 만들어진 Au입자의 functionalization은 Murray등에 의해 보

고된 ‘placeexchange'개념을 통해 가능하게 되었다.

그림 7 place exchange에 의한 금 입자의 functionalization

- 21 -

CCChhhaaapppttteeerrr333...SSSyyynnnttthhheeesssiiisssaaannndddCCChhhaaarrraaacccttteeerrriiizzzaaatttiiiooonnn

333...111...IIInnntttrrroooddduuuccctttiiiooonnn

덴드리머 혹은 덴드리머를 이용한 자기조립에 의한 초분자구조의 형성에 관한

연구는 활발히 진행되고 있다.3합성된 아마이드 덴드론은 alkyltail의 자기 집

합체의 안정화(hydrophobicinteraction),amidegroups과 carboxylicacid의 수

소결합,그리고 아마이드 덴드론의 구조적 특성에 의해 자기집합에 의한 초분자

구조체를 형성할 수 있다.아마이드 덴드론은 carboxylicacid와 amidegroups

의 CDI를 통한 coupling과 succinicanhydride와의 반응을 반복적으로 수행함으

로써 2세대 덴드론을 합성할 수 있다.

마찬가지로 carboxylic acid가 존재하는 덴드론의 focalpoint는 CDI,DCC,

DPCI의 couplingagent를 이용하여 hydroxylgfoup또는 amidegroups과 반응

시켜 변화를 주었다.Cyclodextrin의 function을 개질하는 방법은 이미 publish

된 방법들을 이용하였다.합성된 물질은 1H NMR, 13C NMR,IR,GPC,

MALDI-TOF,FAB-Mass로 확인하였다.

333...222...EEExxxpppeeerrriiimmmeeennnttt

3.2.1.MaterialsandEquipment

a)Chemicals.

- 22 -

1,1'-Carbonyldiimidazole (CDI), lauric acid, 1-pyrenecarboxylic acid,

1-pyrenebutyric acid,1-aminopyrene,1,3-dicyclohexylcarbodiimide (DCC),

1,3-diisopropylcarbodiimide (DIPC), 4-(dimethylamino)pyridine (DMAP),

N-hydroxysuccinimide,poly(propylene glycol) with Mw = 1000,iodine,

ethylenediamine 은 모두 Aldrich에서 구입한 그대로 사용하였다.

N-(3-Aminopropyl)-propandiamine과 1,4-diaminobutane을 Aldrich로부터 구입

하였으며 calcium hydride상에서 진공 증류(vacuum distillation)의 방법으로 정

제하여 사용하였다.Succinic anhydride(Aldrich)는 n-Hexane/Acetone (2:8,

v/v)에서 재결정을 잡았으며 Triethylamine(Aldrich)는 calcium hydride상에서

증류하여 사용하였다.α-Cyclodextrin,β-Cyclodextrin,γ-Cyclodextrin은 TCI에

서 구입한 것을 그대로 사용하였다.모든 솔벤트는 문헌에 나와 있는 데로 정제

하여 사용하였다.

b)Equipment111HHH aaannnddd 111333CCC NNNMMMRRR ssspppeeeccctttrrraaaVarian Unity INOVA400을 이용하여 100MHz,

400MHz에서 측정을 하였고 TMS(tetramethylsilane)을 기준으로 분석하였다.

FT-IRspectra는 Perkin-ElmerSystem 2000FT-IRspectrophotometer을 이용

하여 측정하였다.EA (elementalanalysis,원소분석)의 측정은 CE Instrument

EA 1110을 이용하였다.MALDIspectra는 VoyagerBiospectrometrytimeof

Flightmassspectrometer(PerSeptiveBiosystem)을 이용하여 25kV 가동 전압

을 사용하였고,reflectormode에서 측정하였으며 Dithranol(solvent;CHCl3)가

매트릭스로 사용되었다.

- 23 -

DDDyyynnnaaammmiiiccc LLLiiiggghhhttt SSScccaaatttttteeerrriiinnnggg... Dynamic light scattering은 Brookhaven

BI-200SM goniometer와 BI-9000AT digitalautocorrelator을 이용하여 측정하

였다. 모든 측정은 25°C에서 수행되었다. He-Ne 레이저 (Research

Electro-Optics35mW)632.8nm 를 이용하여 90°각도에서 빛의 산란을 측정하

였다.시료의 용액은 Millipore0.45μm filter를 통과시켜 정제하였다.베시클의

hydrodynamicdiameter는 Stokes-Einsteinezuation인 d=kBT/3πηD 를 이용하

였다.kB는 Bolzmann상수이고,T는 절대 온도,η는 용매의 점도,D는 확산계

수이다.

FFFllluuuooorrreeesssccceeennnccceeeMMMeeeaaasssuuurrreeemmmeeennnttt...모든 형광실험은 ShimadzuRF-5301PC를 이용

하여 수행하였다.emission스펙트럼을 얻기위해 emission과 excitation의 슬릿

의 넓이는 1.5nm로 고정하였고 excitation파장은 λex=345nm로 고정하였다.

TTTrrraaannnsssmmmiiissssssooonnnEEEllleeeccctttrrrooonnnMMMiiicccrrrooossscccooopppyyy...Energy-filteringTEM (EF-TEM)실험

은 120kV의 가속전압으로 구동하는 Leo912Omega를 사용하여 수행하였다.

TransmissionElectronMicroscopy(TEM)의 이미지는 PhilipsCM200을 이용

하여 얻었으며 이때의 가속 전압은 80kV를 사용하였다.염색하지 않은 시료는

샘플 수용액을 carbone으로 코팅된 200-meshcopporgrid에 dropping하여 준비

하였다.샘플을 떨어뜨리고 약 3분 후에 필터페이퍼를 이용하여 샘플 수용액 방

울을 제거하였다.염색은 2wt%의 uranylacetate나 phosphotungsticacid수용

- 24 -

액을 dropping하여 염색하였다.샘플이 올려진 grid는 측정 전 자연건조를 통해

수분을 제거하였다.

EEEnnnvvviiirrrooonnnmmmeeennntttaaalllSSScccaaannnnnniiinnnggg EEEllleeeccctttrrrooonnn MMMiiicccrrrooossscccooopppyyy...Environmentalscanning

electronmicroscopy(E-SEM)은 FEIXL-30fieldemissiongunE-SEM장비를

이용하여 측정하였으며,10~15kV의 가속전압을 사용하였고 측정 압력은 0.8~

0.9Torr정도가 된다.E-SEM의 시료는 200-mexhcarboncoatedcoppergrid

나 siliconwaferdnl에 수용액을 dropping하고 자연건조 시켜 준비하였다.

3.2.2.SynthesisofAmideDendron

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofff111...아마이드 덴드론은 전형적인 convergent방법에 의해 합성되

었다.4 1세대의 덴드론은 chloroform에서 lauric acid를 CDI와 반응시킨 후

N-(3-aminopropyl)-1,3-propanediamine을 통해 focalpoint를 2차 aminegroups

으로 활성화 시킨다.그런 후 succinicanhydride와 반응시켜 1세대 아마이드 덴

드론을 합성하였고 2세대 덴드론은 위의 과정을 반복하여 얻을 수 있었다.자세

한 과정은 선행 논문에 보고되어 있다.10

3.2.3.SynthesisofAmideDendronwithPyreneFocalMoiety

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofff111AAA...덴드론 111(5.0g,3.6mmol)과 1,1’-carbonyldiimidazole(679

mg,4.3mmol)을 클로로포름(chloroform)용액에 넣고 45℃,질소 충전 상태에

- 25 -

서 12시간 교반하여준다.용매는 저 압력에서 제거해 준 후 chloroform/ethyl

acetate(1:9v/v)에서 재결정법을 사용하여 1A를 얻었다.(yield4.1g,79%)1H NMR(400MHz,CDCl3)δ 0.85(t,J=6.8Hz,12H,CH3-CH2-),1.17-1.24(s,

64H,-CH2-),1.58-1.85(br,20H,-CH2-CH2-CO-,-NH-CH2-CH2-CH2-N-),

2.11-2.16(m,8H,-CH2-CO-),2.51-2.67(m,8H,-CO-CH2-CH2-CO-),2.80

(t, J=6.2Hz, 2H, -CO-CH2-CH2-CO-N-), 3.12-3.36 (m, 26H,

-CO-CH2-CH2-CO-N-,-CO-NH-CH2,-CH2-N-CO-),5.75-5.78 (br,1H,

-NH-),6.30-6.32(br,1H,-NH-),7.08(s,1H,-N-CH=N-),7.47(s,1H,

-CO-N-CH=CH-N-),8.19(s,1H,-CO-N-CH=CH-N-);13C NMR (100.64

MHz,CDCl3) δ 14.02,22.58,27.57,27.65,27.83,28.31,28.39,28.63,29.24,

29.32,29.45,29.53,29.56,30.46,30.96,31.80,36.09,36.33,36.52,36.72,42.47,

42.60,42.97,45.08,116.02,130.89,136.21,169.38,170.61,172.14,172.27,172.33,

172.69,173.38,173.79.

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofff111BBB...덴드론 1A (3.6g,2.5mmol)을 chloroform (250ml)에 녹인

후 ethylenediamine(4.5g,75.0mmol)이 녹아있는 chloroform (30ml)용액에

droppingfunnel을 사용하여 천천히 떨어뜨린다.상온에서 8시간동안 교반시킨

후,낮은 압력에서 용매를 기화시켜 제거한다.그런 후 product는 THF

(tetrahydrofuran)에서 재결정을 사용해 정화하여 얻는다.(yield3.28g,92%)

1H NMR (400MHz,CDCl3)1H NMR (400MHz,CDCl3) δ 0.87(t,J=6.8Hz,

12H, CH3-CH2-), 1.20-1.27 (s, 64H, -CH2-), 1.61-1.87 (br, 20H,

- 26 -

-CH2-CH2-CO-,-NH-CH2-CH2-CH2-N-),2.13-2.19 (m,8H,-CH2-CO-),

2.53-2.69 (br, 12H, -CO-CH2-CH2-CO-), 2.83 (t, J=5.8Hz, 2H,

-CH2-CH2-NH2),3.12-3.38(m,26H,-CO-NH-CH2-,-CH2-NCO-);13C NMR

(100.64MHz,CDCl3) δ 14.01,22.60,25.81,27.31,27.67,28.16,28.36,28.61,

29.27,29.35,29.49,29.56,31.10,31.25,31.37,31.84,36.31,36.47,36.57,36.74,

36.78,41.18,41.80,42.89,45.32,172.31,172.34,172.40,172.81,173.11,173.55,

173.87;IR (KBr) υ ===3313,3085,2918,2850,1635,1558,1467,1384,1252,

1173,1118,721;MS (MALDI-TOF)calcdforC80H153N11O10 1429.16,found

1429.52.

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofff111CCC...덴드론 1A (3.6g,2.5mmol)을 chloroform (250ml)에 녹인

후 1,4-diaminobutane(6.6g,75.0mmol)이 녹아있는 chloroform (30ml)용액

에 droppingfunnel을 사용하여 천천히 떨어뜨린다.상온에서 8시간동안 교반시

킨 후,낮은 압력에서 용매를 기화시켜 제거한다.그런 후 product는 THF

(tetrahydrofuran)에서 재결정을 사용해 정화하여 얻는다.(yield3.48g,95%)1H NMR(400MHz,CDCl3)δ 0.85(t,J=6.8Hz,12H,CH3-CH2-),1.17-1.25(s,

64H,-CH2-),1.53-1.84(br,24H,-CH2-CH2-CO-,-NH-CH2-CH2-CH2-N-,

-NH-CH2-CH2-CH2CH2-NH2),2.11-2.17(m,8H,-CH2-CO-),2.49-2.62(br,

12H,-CO-CH2-CH2-CO-),2.75(t,J=6.4Hz,2H,-CH2-CH2-NH2),3.11-3.33

(m,26H,-CO-NH-CH2-,-CH2-N-CO-);13C NMR (100.64MHz,CDCl3) δ

13.69,22.26,25.50,26.23,26.93,27.32,27.78,27.93,27.97,28.02,28.22,28.38,

- 27 -

28.93,29.08,29.19,29.21,30.60,30.66,30.79,31.49,36.11,36.23,36.41,38.61,

40.51,42.70,45.05,171.94,172.11,172.35,172.47,173.38,173.71;IR(KBr)υ =

3313,3085,2918,2850,1635,1558,1467,1384,1252,1173,1118,721;MS

(MALDITOF)calcdforC82H157N11O101457.22,found1457.66.

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofff111DDD...Methylenechloride용액 100ml에 1-pyrenecarboxylicacid

(1.0g,4.06mmol),N-hydroxysuccinimide(560mg,4.87mmol),DMAP(62

mg,0.51 mmol)을 녹여준다.이러한 용액에 DCC (837 mg,4.06 mmol)를

methylenechloride20ml에 녹여 넣어준다.상온에서 8시간 동안 교반시킨 후

반응기에 생긴 침전물인 urea를 필터를 이용하여 제거한다.저 압력에서 용매를

기화시켜 모두 날려버리고 남아있는 물질은 silica gel이 충진 된 column

chromatography를 이용하여 chloroform으로 분리한다.THF/n-hexane (1:9

v/v)용매에서 재결정을 통하여 더 깨끗하게 정제한다.(yield1.10g,79%)1H NMR (400MHz,CDCl3)δ 2.97(s,4H,-N-CO-CH2-),8.05-9.12(m,9H,

py);13C NMR (100.64MHz,CDCl3) δ 25.79,117.21,123.62,124.04,124.50,

126.56,126.89,126.95,128.82,130.08,130.42,130.67,130.73,132.21,135.66,

162.56,169.58.

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofff111EEE...Methylenechloride용액 100ml에 1-pyrenebutyricacid

(1.0g,3.46mmol),N-hydroxysuccinimide(439mg,3.81mmol),DMAP(52

- 28 -

mg,0.43 mmol)을 녹여준다.이러한 용액에 DCC (713 mg,3.46 mmol)를

methylenechloride20ml에 녹여 넣어준다.상온에서 8시간 동안 교반시킨 후

반응기에 생긴 침전물인 urea를 필터를 이용하여 제거한다.저 압력에서 용매를

기화시켜 모두 날려버리고 남아있는 물질은 silica gel이 충진 된 column

chromatography를 이용하여 chloroform으로 분리한다.THF/n-hexane (2:8

v/v)용매에서 재결정을 통하여 더 깨끗하게 정제한다.(yield1.12g,84%)1H NMR (400MHz,CDCl3) δ 2.27-2.34(m,2H,-CH2-CH2-CH2-),2.74(t,

J=7.0Hz,2H,-CH2-CH2-CO-O-),2.84 (s,4H,-N-CO-CH2-),3.47 (t,

J=7.6Hz,2H,-CH2-CH2-Py),7.87-8.30(m,9H,py);13C NMR (100.64MHz,

CDCl3) δ 25.58,26.43,30.52,32.19,123.10,124.81,124.86,124.95,125.84,

126.80,127.40,127.43,127.56,128.69,130.10,130.85,131.36,134.82,168.49,

169.09.

SSSyyynnnttthhheeesssiiisss ooofff222...Chloroform 용액 30ml에 덴드론 111 (1.0 g,0.72 mmol),

1-aminopyrene(187mg,0.86mmol),DMAP(10mg,0.09mmol)을 녹여준다.

이러한 용액에 DIPC(90mg,0.72mmol)를 chloroform 5ml에 녹여 넣어준다.상

온에서 12시간 동안 교반시킨 후 저 압력에서 용매를 제거한다.그런 후 THF

와 methanol의 혼합 용매에서 여러 차례 재결정을 통하여 정제한다.(yield

810mg,71%)mp145°C1H NMR(400MHz,CDCl3)δ 0.85(t,J=6.8Hz,12H,CH3-CH2-),1.20-1.28(s,

64H,-CH2-),1.50-1.83(br,20H,-CH2-CH2-CO-,-NH-CH2-CH2-CH2-N-),

- 29 -

2.02-2.15 (m, 8H, -CH2-CO-), 2.48-2.59 (br, 8H,

-N-CO-CH2-CH2-CO-NH-), 2.85-2.88 (m, 2H,

-N-CO-CH2-CH2-CO-NH-Py), 2.97-3.45 (m, 26H, -CONH-CH2-,

-CH2-N-CO-,-N-CO-CH2-CH2-CO-NH-Py),7.96-8.36 (m,9H,Py); 13C

NMR (100.64MHz,CDCl3) δ 14.03,22.60,25.72,27.29,27.52,27.98,28.31,

28.57,29.25,29.33,29.45,29.53,30.96,31.22,31.81,32.25,36.07,36.25,36.33,

36.45,36.45,36.63,42.59,45.03,124.22,124.41,124.54,124.68,125.61,125.65,

125.79, 125.86, 126.36, 126.57, 127.04, 128.36, 128.48, 130.55, 131.02,

131.29,170.34,172.22,172.27,172.31,172.73,173.49,173.83,173.93;IR (KBr)υ

=== 3306,3084,2921,2851,1639,1555,1467,1379,1270,1125,842,712;MS

(MALDI-TOF)calcd forC94H156N10O10 1586.33,found 1587.36(M+H).Anal.

CalcdforC94H156N10O10C:71.17H:9.91N:8.83,foundC:70.61H:10.07N:

8.79.

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofff333...Chloroform 용액 10ml에 111DDD (187mg,0.54mmol)을 녹여준

다.이러한 용액에 덴드론 111BBB (600mg,0.42mmol)과 triethylamine(54mg,

0.54mmol)을 chloroform 30ml에 녹여 넣어준다.상온에서 12시간 동안 교반

시킨 후 저 압력에서 용매를 제거한다.그런 후 THF용매에서 여러 차례 재결

정을 통하여 정제한다.(yield500mg,79%)mp146°C1H NMR (400MHz,CDCl3)δ 0.87(t,J=6.8Hz,12H,CH3-CH2-),1.17-1.28(s,

64H,-CH2-),1.43-1.75(br,20H,-CH2-CH2-CO-,-NH-CH2-CH2-CH2-N-,

- 30 -

-NH-CH2-CH2-CH2CH2-NH-),2.06-2.13(m,8H,-CH2-CO-),2.38-2.64(br,

12H, -CO-CH2-CH2-CO-), 2.94-3.25 (m, 24H, -CO-NH-CH2-,

-CH2-N-CO-),3.59-3.62(m,2H,-CO-NH-CH2-CH2-NH-CO-Py),3.76-3.78

(m,2H,-CH2-CH2-NH-CO-Py),8.03-8.64(m,9H,Py);13C NMR (100.64

MHz,CDCl3) δ 14.05,22.59,25.75,27.02,27.52,27.95,28.13,28.37,29.27,

29.32,29.46,29.57,31.10,31.46,31.83,36.16,36.48,36.65,39.66,40.20,42.73,

45.14,121.34,122.55,124.00,124.47,124.89,124.95,125.24,126.08,126.75,

127.14,127.50,128.88,130.92,130.70,131.12,172.13,172.25,173.42,172.70,

173.38,173.72,173.80;IR(KBr)υ ===3313,3085,2919,2850,1637,1554,1467,

1364,1252,1118,847,721;MS(MALDI-TOF)calcdforC97H161N11O111657.41,

found1658.45.Anal.CalcdforC97H161N11O11C:70.29H:9.79N:9.30,found

C:70.01H:9.81N:8.88.

3.2.4.SynthesisofC-6ModifiedCyclodextrin

GGGeeennneeerrraaalll화학물질은 구입한 그대로 사용하였다.드라이한 용매를 사용할 때에

는 다음과 같은 절차를 거쳐 정제를 하였다.

i)DMF는 CaH2을 통하여 수분을 제거한 후 필터링을 통하여 정제하였다.

ii)pyridine(C5H5N)은 CaH2과 증류를 통하여 정제하였다.

iii)THF는 질소를 충진한 상태에서 Na/Ph2CO ketal용액으로부터 증류하여

사용하였다.

Thinlayerchromatography(TLC)는 실리카가 코팅되어 있는 plate를 이용하

- 31 -

였고,eluents로는 다음의 두 종류를 사용하였다;A =7:7:5:4EtOAc/

2-propanol/concentratedNH4OH /H2O;B=7:7:5EtOAc/2-propanol

/H2O.TLC plate는 ultravioletlight를 이용하여 확인한 후 5% H2SO4 in

EtOH 용액을 흩뿌린 후 오븐에서 열을 주거나,heatgun을 이용하여 가열하여

Cyclodextrin의 발색으로 확인한다.amine의 경우는 ninhydrin희석 용액을 만

들어 위와 같은 방법으로 사용하였다.

분자량은 FastAtom Bombardmentmassspectra(FABMS)를 이용하여 측정

하였고 FAB은 8keV로 가속하였다.3-nitrobenzylalcohol(NOBA)matrix와

kryptonprimaryatom beam을 이용하였다.

(a)SynthesisofMono-6-amino-β-Cyclodextrin

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofffMMMooonnnooo---666---(((ppp---tttooollluuueeennneeesssuuulllfffooonnnyyylll)))---ββββ---CCCyyyccclllooodddeeexxxtttrrriiinnn

β-Cyclodextrin(60.0g,52.9mmol)을 500mL의 물에 분산시킨 후 20mL의 물

에 NaOH (6.75g,164.0mmol)을 녹인 후 6분 동안 dropping한다.그러면 분

산되어있던 β-Cyclodextrin은 dropping이 끝나기 전에 약간 노란색을 띄는 용

액으로 균일하게 완전히 녹는다.그런 후 p-Toluenesulfonylchloride(10.08g,

52.9mmol)을 30mL의 Acetonitril에 녹여서 8분 동안 dropping한다.dropping

이 시작되면 바로 하얀 침전물이 발생됨을 관찰할 수 있다.상온에서 두 시간동

안 교반 후 용액 내의 침전물을 필터를 통하여 제거한 후 4°C에서 24시간 보관

하여 재결정을 잡는다.필터를 통하여 결정을 얻고 오븐에서 건조시키면 흰색

고체를 얻을 수 있다.또한 TLC를 보았을 때 Rf0.61(eluentA),Rf0.60

(eluentB)에서 onespot임을 확인하였다.(yield11%)mp179°

- 32 -

1H NMR (400MHz,DMSO-d6) δ 2.42(s,3H),3.18-3.42(m,overlapswith

HOD),3.43-3.74(m,28H),4.14-4.55(m,6H),4.76(brs,3H),4.82(brs,4H),

5.58-5.87 (m,14H),7.42 (d,J=8.02Hz,2H),7.74(d,J=8.07Hz,2H)MS

(FAB-MS)calcdforC49H76O37S1289.18,found1311[M+Na]+.

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofffMMMooonnnooo---666---aaazzziiidddooo---ββββ---CCCyyyccclllooodddeeexxxtttrrriiinnn

파우더 형태의 Mono-6-(p-toluenesulfonyl)-β-Cyclodextrin (0.500 g,0.388

mmol)을 dryDMF1.5mL에 분산시킨다.용액을 60°C로 가열하면 파우더는 균

일하게 녹는다.이러한 용액에 crystallineKI(potassium iodide,0.032g,0.194

mmol)과 NaN3(sodium azide,0.252g,3.8mmol)을 넣어준 후 반응기의 온도

를 60-65°C로 맞추고 24시간동안 교반한다.반응용액을 상온으로 냉각시킨 후

Amberlite MB-3 resin이나 Fuller's Earth를 사용하여 salt를 제거한다.

Acetone(100mL)를 부어 침전을 잡는다.suctionfiltration으로 product을 얻고

오븐에서 건조시킨다.TLC 결과 Rf0.71(eluentA)에서 확인하였다. (yield

0.398g,88%)mp206°C1H NMR (400MHz,DMSO-d6) δ 2.86(dd,8H),3.10(dd 1H),3.47(1H),

3.56-3.66 (m),3.81-4.98 (m),5.07 (m,7H);MS (FAB-MS) calcd for

C42H71NO341134,found1139[M+5H]+,1156[M+Na]+.

- 33 -

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofffMMMooonnnooo---666---aaammmiiinnnooo---ββββ---CCCyyyccclllooodddeeexxxtttrrriiinnn

Mono-6-azido-β-Cyclodextrin(0.833g,0.718mmol)을 DMF20mL에 녹여준

다.그런 후 Ph3P(triphenylphosphine,0.425g,1.622mmol)을 반응기에 넣어주

면 반응기 내에서 N2기체의 발생에 따른 방울을 관찰할 수 있다.1시간 정도

지나 N2 기체가 더 이상 생기지 않으면 concentrated aqueous NH3 (6g,

approximately35%)를 서서히 dropping한다.NH3솔루션을 모두 넣어주면 반응

용액은 회색빛으로 변하고 18시간 이상 상온에서 교반을 시켜준다.시간이 지난

후 증류장치를 이용하여 저압에서 용액을 5mL 정도로 농축시킨다.그런 후

EtOH 100mL에 부어 침전을 잡는다.침전물은 ethanol을 이용하여 washing한

후 오븐에서 건조시킨다.TLC결과 Rf0.43(eluentA)에서 확인하였다.(yield

98%)mp201°C1H NMR(400MHz,D2O)δ 2.86(dd,8H),3.10(dd1H),3.47(1H),3.56-3.66

(m),3.81-4.98(m),5.07(m,7H);MS(FAB-MS)calcdforC42H71NO341134,

found1139[M+5H]+,1156[M+Na]+.

(b)SynthesisofMono-6-biotin-β-Cyclodextrin

BBBiiioootttiiinnn---NNN---hhhyyydddrrroooxxxyyy---sssuuucccccciiinnniiimmmiiidddeee---eeesssttteeerrr

biotin (250 mg,1.02 mmol)을 10mL의 DMF에 녹여준 후 166 mg의

N,N-̀carbonyldiimidazole(1.02mmol)이 녹아있는 78°C수용액에 넣어준다.상

온에서 2시간 정도 교반하면 하얀 침전이 생긴다.이러한 용액에 115.7mg의

N-hydroxysuccinimide(1.02mmol)을 넣어주고 한 시간 더 교반해준다.증류장

치를 이용하여 용매를 제거한 후 남아있는 물질은 2-propanol과 DMF/diethyl

- 34 -

ether혼합 용액에서 각각 재결정을 잡아 정제한다.(yield261.1mg,75%)mp

209°C1H NMR (400MHz,DMSO-d6) δ 1.43-1.7(6H,m,H8-10),2.58(1H,d,H6B),

2.67(2H,t,H11),2.83(1H,m,H6A),2.81(4H,s,H14,15),3.08(1H,m,H7),4.15

(1H,m,H5),4.31 (1H,m,H4),6.37 (1H,s,H3),6.44 (1H,s,H2);MS

(MALDI-TOF)m/z=341.92(M+),363.90(M+Na+),379.87(M+K+)

SSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofffMMMooonnnooo---666---bbbiiioootttiiinnn---ββββ---CCCyyyccclllooodddeeexxxtttrrriiinnn

Biotin-N-hydroxy-succinimide-ester와 Mono-6-amino-β-Cyclodextrin를

coupling시켜 합성한다.Mono-6-amino-β-Cyclodextrin(0.032g,0.028mmol)

을 DMF에 녹여준다.그 다음 Biotin-N-hydroxy-succinimide-ester(0.01g,

0.028mmol)을 넣어주고 40°C에서 24시간 교반한다.증류장치를 이용하여 저압

에서 용매를 적당히 제거한 후 Acetone에 dropping하며 침전을 잡는다.침전물

은 물에 녹인 후 CM SephadexC-25로 충진한 컬럼 크로마토그래피를 이용하

여 정제한다.컬럼 크로마토그래피는 0에서 1M의 암모니아 용액을 eluent로 사

용한다.원하는 product가 있는 fractions을 분리해 동결건조를 통하여 결과물을

얻는다.1H NMR (400MHz,DMSO)δ 1.38-1.81(6H,br,CH2),2.18(2H,t,COCH2),

2.69 (1H,dd,SCH2),2.95 (1H,dd,SCH2),2.75-2.85 (2H,CH2NHCO),

3.30-3.95(overlapswithHOD),4.23(1H,m,CHNH),4.41(1H,m,CHNH),

4.90-5.00(7H,m,H-1(CD));MS(FAB-MS)calcdforC52H85N3O36S1360.31,

- 35 -

found1360(M+),1382(M+Na).

3.2.5.SynthesisofGoldNanoparticle

GGGeeennneeerrraaalllPPPrrroooccceeeddduuurrreeefffooorrrSSSyyynnnttthhheeesssiiisssooofffgggooollldddnnnaaannnooopppaaarrrtttiiicccllleeesss

tetraoctylammonium bromide(0.342g,0.624mmol)을 toluene20mL에 녹여

교반한다.이러한 용액에 hydrogentetrachloroaurate(0.085g,0.25mmol)수용액

을 상온에서 넣어준다.10분간 교반한 후 orange색의 toluene층을 제거한다.이

반응용액에 2-mercaptoaceticacid(2.0ginCH2Cl2 5mL)를 넣어준다.계속

교반하며 icebath를 이용하여 0-2°C 로 온도를 낮춰주고 sodium borohydride

(0.1g,2.5mmol)을 물 6mL에 녹여 넣어준다.30분 후에 icebath를 제거하고

2일간 더 교반한다.검은색 톨루엔 층을 분리하고 남은 톨루엔을 rotary

evaporator를 이용하여 50°C에서 제거한다.검은색의 용액을 ethanol20mL와

함께 5분간 sonication한 후 ethanol을 decanting한다.이러한 과정은 20회정도

반복하면 무색의 용액으로 바뀐다.에탄올을 제거하고 상온에서 건조시킨 후 진

공에서 2일간 건조시킨다.

- 36 -

CCChhhaaapppttteeerrr444...RRReeesssuuullltttsssaaannndddDDDiiissscccuuussssssiiiooonnn본 연구실에서는 지난 수년간에 걸쳐 유기용매 또는 수용액 상에서 자기조립을

이루는 덴드론들에 대한 연구를 수행한 바 있으며,자기조립에 필요한 빌딩 블

록의 구조적 필요조건과 자기 조립 메카니즘에 대한 노하우를 보유하고 있다.10

이러한 연구 결과를 바탕으로 한 개의 덴드론이 유기용매,수용액,solid

substrate모두에서 자기조립하는 방법들을 제시하였다.즉,한 가지의 빌딩블록

을 이용하고 자기조립 환경 (유기용매,수용액,solidsubstrate등)만을 변화시

킴으로써 다양한 구조의 나노물질들을 매우 편리하게 제조할 수 있을 뿐 아니

라,덴드론의 focalpoint에 여러 가지 기능성 작용기를 부착하여 이러한 작용기

들이 자기조립된 나노구조에 도입되는 독특한 나노물질의 제조방법을 제시할

수 있었다.이러한 결과 중 일부는 재료화학분야 저명 저널에 보고되었다.덴드

론 빌딩블록이 유기용매에서 자기조립이 유도되기 위해서는 수소결합이 가능한

아마이드 브랜치 unit,vanderWaals상호작용이 가능한 알킬 periphery,덴드

리틱 구조,그리고 focalpoint의 카르복실 그룹 모두의 조화에 의해 가능하다는

사실을 규명하였다.10

그림 8structureofamide-dendron

그림 9self-assemblyofamide-dendron

또한 최근 발표 결과로서,pyrene(파이렌)과 같이 매우 소수성이 큰 그룹이

- 37 -

focalpoint에 존재하여도 덴드론이 수용액에서 vesicle구조를 이룸을 발견하였

다.

그림 10Schematicillustrationofdendron-vesicle

그림 11 TEM & SEM image ofpyrene-dendronvesicle

그리고 덴드론 focalpoint의 파이렌과 Host-Guestinteraction을 하는 것으로

잘 알려진 친수성의 시클로덱스트린(cyclodextrin)을 vesicle용액에 넣어주었을

경우 베시클에서 nanotube로의 초분자 나노구조의 상태변형이 일어나는 것을

관찰 하였다.11

- 38 -

그림 12 focal point에 pyrene 유닛을 갖는 아마이드 덴드론의 합성

그림 13Structureofcyclodextrin

- 39 -

그림 14Cyclodextrin& dendroncomplex

이때 베시클 상태에서,파이렌의 π-π 상호작용에 의해 480nm에서 고유의 형광

(excimerpeakemission)을 발하던 것이 cyclodextrin의 안쪽으로 들어가며 튜

브로 변형이 일어나면 480nm의 형광은 사라지게 되고 380-420nm에서 고유의

monomericpeak을 보인다.따라서 UV파장을 쏘이면 눈으로 쉽게 나노구조의

변형이 일어남을 확인할 수 있다.

그림 15FluorescentSpectroscopyofvesicle& nanotube

마지막으로,변형된 초분자 나노구조를 다시 원래의 구조로 돌리기 위한 새로

운 guest분자로는 cyclodextrin과 결합상수가 큰 lithocholicacid나 그 유사체

등을 제시하고자 하였다.또한 Harada등에 의해 보고된 PEG-cyclodextrin

rotaxane혹은 PPG-cyclodextrinrotaxane등 다양한 polymer를 이용하여 초분

자 나노구조의 가역적인 상태변형 연구에 적용하였다.

- 40 -

그림 16Reversibletransformationbetweenvesicle-nanotube

또한 이렇게 형성된 나노튜브의 내-외부 표면을 덮고 있는 cyclodextrin의 C-6

position을 원하는 작용기로 modify함으로서 유기 나노튜브의 전체에 원하는 기

능을 쉽게 부여할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다.

그림 17 다양한 기능을 표면에 갖는 유기 나노튜브

---자자자기기기조조조립립립현현현상상상에에에 의의의한한한 메메메탈탈탈 나나나노노노튜튜튜브브브의의의 형형형성성성

여러 작용기를 갖는 나노튜브 중에서 표면에 아민기(-NH2)를 갖는 튜브를 만

들고 이 튜브의 아민기와 카르복실기(-COOH)의 전기적 상호작용(electrostatic

- 41 -

interaction)을 이용하면 다음의 그림과 같은,튜브의 표면이 gold(Au)라는

metal로 덮여있는 메탈 나노튜브를 형성하였다.

그림 18 금 나노입자로 덮인 유기나노튜브

10mL의 수용액에 Mono-6-amino-β-Cyclodextrin0.00034g과 그림 12의 3

dendron 0.0005 g을 이용하여 Mono-6-amino-β-Cyclodextrin

Nanotube(CDNT)를 제조하였고,외각이 carboxyl-기로 덮여있는 금 나노입자

수용액을 넣어주었다.튜브의 표면은 아민기(-NH2)로 덮여 있기 때문에 수용액

상에서 (+)charge를 띄게 되며,Aunanoparticle의 표면을 카르복실기(-COOH)

로 만들어 주게 되면 gold의 외부는 (-)charge를 갖게 된다.튜브와 gold

nanoparticle둘 사이의 electrostaticinteraction에 의하여 메탈 나노 튜브를 만

들 수 있게 된다.

- 42 -

그림 19 NH2-beta-CDNTs와 금 나노입자가 올라간

튜브의 emission spectrum

또한 pyrene만이 갖는 특유의 emission과 electronaccoptor로 사용될 수 있는

goldnanoparticle을 이용하여 quenching실험을 수행하였다.Quenchingeffect

는 pyrene과 goldnanoparticle이 일정 거리내에 존재할 경우 excitation된 전자

가 goldnanoparticle로 transfer되므로 pyrene의 emission은 quenching된다.이

는 electrontransfer,energytransfer의 두가지 현상으로 해석될 수 있다.12튜

브 고유의 형광(λ≈400nm, monomeric peak)은 quenching(억제)되었고

emissionspectrum을 통하여 메탈 나노튜브의 형성을 쉽게 확인하였고 TEM을

통하여 명확히 확인할 수 있었다.

- 43 -

그림 20 i, ii)는 mono-NH2-beta-CD의 SEM, TEM 이미지, iii), iv)

는 mono-NH2-beta-CD + Au-COOH의 TEM 이미지(scale bar는

각각 1μm, 100nm, 20nm, 20nm)

- 44 -

---튜튜튜브브브의의의 바바바이이이오오오 센센센서서서 응응응용용용

그림 21튜브의 형광을 이용한 avidin측정 scheme

본 연구에서는 비타민 B복합체에 속하는 biotin이라는 분자를 이용하였다.

biotin이 단백질인 streptavidin과 결합을 한다는 현상은 1989년 Weber연구팀이

발표하여 잘 알려진 현상이다.또한 avidin역시 biotin과 결합하는 단백질이며

streptavidin보다 더 강한 힘으로 biotin과 결합을 하는 사실을 이용하여 바이오

센서로 응용하였다.우선 cyclodextrin에 biotin 관능기를 도입하였고 이러한

mono-6-biotin-β-Cyclodextrin 0.00031g과 0.0005g의 3dendron 을 섞어주어

표면이 biotin으로 뒤덮인 바이오 유기 나노 튜브를 쉽게 만들 수 있다.

- 45 -

그림 22 mono-6-biotin-β-CDNTs의 SEM과 TEM image(scale bar는 모두 1μm)

이러한 튜브 용액에 튜브의 표면을 감싸고 있는 biotin과 결합할 수 있는

streptavidin-Auparticle(SA-Au)을 넣어주면 SA-Au는 biotin튜브의 외각에 붙

게 되고 Mono-6-amino-β-CDNTs와 Au-COOH를 섞어주었을 때와 같이 튜브

고유의 emission은 표면의 gold에 의해 quenching된다(그림 23).

그림 23 i) biotin-CDNT + SA-Au의 TEM이미지 ii) biotin-CD-NT와SA-Au-NP/biotin-CD-NT의 Fluorescencespectra

이러한 튜브용액에 튜브의 표면을 덮고 있는 SA-Au의 streptavidin보다 biotin

- 46 -

과 더 강한 interaction을 하는 avidin을 넣어주면 SA-Au가 떨어져 나가며

quenchingeffect가 감소되고 튜브의 본래 emission은 avidin의 농도 증가에 따

라 증가하게 된다.이는 역시 emissionspectrum으로 알 수 있다.

그림 24 iii)avidin의 농도에 따른 emission증가

이를 이용하여 avidin의 검출을 위한 biosensor로서의 가능성을 제사할 수 있

다.

- 47 -

CCChhhaaapppttteeerrr555...CCCooonnncccllluuusssiiiooonnn본 연구에서는 수용액 상에서 자기조립을 할 수 있는 dendron의 focalpoint에

pyrene이라는 분자를 도입하여 Cyclodextrin과의 Host-Guestcomplex를 응용

하였다. 수용액상에서 안정한 vesicle을 이루는 dendron수용액에

Cyclodextrindmf 넣어주고 dendron의 pyrene이 Cyclodextrin의 내부에

inclusion되며 vesicle구조에서 tube의 구조로 형태가 변화한다. 또한

Cyclodextrin의 C-6position에 다양한 작용기를 도입하여 표면 전체가 원하는

function으로 덮여있는 유기나노튜브를 쉽게 만들 수 있었다.

특히 amine작용기를 갖는 Cyclodextrin을 이용하여 만든 튜브는 gold와 같은

금속 나노입자를 배열할 수 있었고 이는 유기-무기 복합 나노튜브의 형성에 응

용이 가능하다.또한 biotin이라는 단백질 분자를 Cyclodextrin에 도입하여 만든

튜브는 내부-외부 표면 전체가 biotin 단백질로 덮여있고 이 튜브는

Streptavidin-Aunanoparticle과 상호작용을 하여 튜브 표면에 금 입자를 배열

하는 것이 가능하였다.이러한 튜브에 streptavidin보다 더 강한 interaction으

로 작용하는 avidin단백질이 들어간다면 그 양에 따라 금 입자에 의해 저해 되

었던 튜브 고유의 형광이 그 농도가 증가할수록 증가하게 되며 이를 바이오센

서로 응용이 가능할 것이라 생각한다.

이처럼 Cyclodextrin의 C-6position을 원하는 어떠한 작용기로 치환한 후 튜브

를 만들면 원하는 function을 갖는 튜브를 쉽고 간단하게 만들 수 있을 것이며

다양한 작용기의 cyclodextrin을 도입하면 다양한 기능을 갖는 튜브의 제조도

가능하리라 예상한다.

- 48 -

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