환경과 바이오메디컬 응용을 위한 다기능성 탄소나노입자의 개발

Abstract

본 연구에서는 탄소 나노입자의 환경과 바이오메디컬 분야에의 응용가능성을 제시하고자 하였다. 따라서 암 질병의 조기 진단 및 효과적인 치료를 위한 초분극 기술 기반의 영상프로브 합성 연구와 수중 유기물 및 중금속과 같은 유해물질의 효과적인 흡착 연구를 수행하였다. 영상프로브 합성을 위해 도파민을 전구체로 폴리도파민나노입자를 변형된 스토버법을 이용하여 100 nm ~ 500 nm 사이의 다양한 크기로 합성하였다. 이를 700℃ ~ 2400℃의 온도에서 탄화하여 탄소나노입자를 얻을 수 있었으며, 탄화 후에도 물에서 높은 분산도를 가지는 것을 토대로 체내에서도 잘 분산될 것이라 판단하였다. 또한 2400℃에서 탄화한 입자의 경우 높은 결정성을 가짐을 확인하였으며, 입자가 가지는 높은 결정성은 DNP 기술 이용 시 긴 T1 시간을 가질 수 있게 해 영상 감도를 높이는데 도움을 줄 것으로 예상할 수 있었다. 표면 홀전자의 양을 늘려 DNP 사용시 신호증폭이 용이하도록 하기 위해 탄소 나노입자 표면에 TEMPOL 라디칼을 처리하였고, 이를 EPR을 통해 확인하였다. 따라서 결정성이 높고 표면 홀전자가 많은 탄소 나노입자가 성공적으로 합성되었으며, 이는 본 연구에서 합성한 탄소나노입자가 영상프로브로써 활용이 가능함을 시사한다. 앞서 합성한 탄소나노입자의 넓은 표면적을 이용하면서 기존의 낮은 회수율을 보완하여 2차 오염을 방지하고자 회수가 용이한 자성 탄소나노입자를 합성하였다. 변형된 스토버 법을 이용해 탄소나노입자 내부에 작은 자성 나노입자가 여러 개 포함된 200 nm 크기의 철-탄소 복합체를 합성하였고, 150 nm 크기의 자성나노입자를 탄소가 코팅하고 있는 코어-쉘 구조의 입자를 200 nm의 크기로 합성하여 이의 모양과 분포가 균일함을 전자주사현미경을 통해 확인하였다. 또한 이의 BET와 VSM의 Hysteresis 구조로부터 입자가 강한 자성특성과 메조 기공을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 환경친화적인 도파민 전구체로부터 표면적이 넓고 회수가 용이한 새로운 다공성 자성 탄소나노입자를 합성하였음을 의미한다. 흡착 효율과 흡착 반응 속도를 분석하기 위해 Methylene blue, Methyle orange, Congo red와 같은 염료와 Phenol, Benzene, Trichloroethylene, Dichloromethane과 같은 VOCs를 사용해 흡착 실험을 수행하였다. 입자가 가지고 있는 표면 전하에 의해 전하를 띄는 염료 물질은 상용활성탄 대비 더 짧은 시간 내에 흡착이 되는 것을 확인하였다. 또한, VOCs 흡착 실험 결과 저 농도에서는 상용 활성탄과 비슷한 정도의 흡착 능력을 가지고 있음을 확인하였고, 이 결과를 토대로 실제 활성탄이 사용되어지는 고도정수처리장에서 상용 활성탄을 대체할 수 있을 것으로 예측된다. 본 결과를 통해 생체친화적인 도파민 전구체로 합성된 탄소 나노입자의 높은 결정성과 표면 개질이 쉽다는 장점을 바탕으로 자기공명영상 프로브로써의 활용 가능성과 큰 표면적과 자성을 띄는 철 입자의 도입으로 회수가 가능한 장점을 바탕으로 2차 오염 및 경제성 문제를 극복할 수 있는 흡착제로써의 활용 가능성을 기대할 수 있을 것이다.