수용성 양자점의 특성 규명과 미생물을 이용한 독성 시험

Abstract

이산화티타늄 (TiO2), 금(Au), 은(Ag) 그리고 반도체 양자점과 (semiconductor quantum dot)같은 나노 사이즈 무기 입자들이 가진 독특한 물리 화학적 성질은 디스플레이(display), 디바이스(device), 센서(sensor), 태양 전지(solar cell), 분자 이미징 탐침 (imaging probe) 같은 다양한 분야에서의 응용 가능성으로 큰 기대와 주목을 받고 있다.1,2 그로 인해 카본나노튜브, 나노 유/무기입자, 나노금속입자 등, 뛰어난 기능을 가진 다양한 나노 물질들이 계속 연구 개발되고 있으며, 대량 생산을 통하여 이미 실생활의 제품으로써 그 소비가 급격히 확대 되고 있다. 그러나 최근 나노 물질들이 사람의 인체와 다른 생물들의 체내에 유입될 가능성에 대한 의견이 제기되고 있으며 이것이 환경과 바이오 시스템에 잠재적인 악영향을 줄 수도 있다는 의견이 제시되고 있다. 하지만 이들이 인체와 생물계 및 환경에 어떠한 영향을 미치는가에 대해서는 아직 명확히 해명되지 않은 부분이 많다. 그렇기 때문에 다양한 나노 물질들의 개발과 병행하여 이것 의 잠재적인 영향성에 대한 관찰과 평가에 대한 깊은 이해가 TiO₂ 이라고 할 수 있다. 본 연구는 위와 같이 다양한 형태와 기술로 나날이 발전하는 나노 물질들의 세포 독성에 대한 평가를 관찰하기 위해서 많은 나노 물질들 가운데 반도체 양자점을 선정하여 양자점의 특성 규명과 함께 박테리아를 통한 세포 독성 실험을 수행하였다. 수용액상에 단순 분산 (monodisperse) 상태로 존재하는 수용성의 (water soluble) 양자점 (quantumdots, QDs)은 표면 개질 과정을 통해 준비하였고 자외선, 적외선 분광법 및 XRD 와 같은 다양한 분석 도구를 이용하여 양자점의 크기, 농도 그리고 결정 구조와 같은 기본적인 특성을 규명한다. 마지막으로 이러한 준비 과정을 통해 얻은 양자점을 이용하여 대장균 (E-coli) 세포를 통한 독성 평가 실험을 수행하였다. 수용성의 양자점을 준비하는 과정 중, 양자점은 정제 된 정도에 따라 각각 다른 상태의 콜로이드로 존재하게 되는데 (순수 하게 양자점만 존재하는 경우와 그 밖의 다른 물질들과 함께 존재할 경우) 오직 양자점의 독성 평가를 관찰 하기 위해서는 그 밖의 함께 존재 할 수 있는 여러 다른 물질들의 세포에 대한 영향에 대한 관찰 역시 명확하게 할 필요가 있다. 양자점의 독성 평가는 주로 세포의 생장 곡선을 통한 각 주기에 따른 세포의 개체 수 변화를 관찰하면서 이루어졌다. 이 외에도 투과전자현미경 (TEM)을 통한 이미지 관찰은 세포 구조와 양자점의 세포 내 유입 및 세포 주위에 분산 된 정도를 보다 세부적으로 관찰 할 수 있도록 도와준다. 위 연구를 통하여 양자점의 농도 [QD] ≤ 6.70X 10-8M, 48 시간 이하의 노출 시간의 조건 아래에서는 양자점이 세포의 생장 곡선 에 특별한 독성을 미치지 않는다는 것을 관찰 할 수 있었다.; Recently, mass production and extensive use of novel engin eered nanomaterials (e.g., carbon nanotubes, fullerene,nano -TiO₂, nano-Au and quantum dots) raise increasing concer- ns about their potential harmful effects on our environment and human health. Among various engineered nanoparticles, semiconductor quantum dots (QDs) have received significant attention as a new type of fluorophore for the biological and medical imaging. However, they also induced increasing concern as a potential pollutant, due to its unknown toxicity as a nanometer-scale material as well as the toxic components (i.e., Cd, Zn, Se and etc). But, their colloidal stability, photochemical property, dissolution behavior and overall cytotoxic impact of these QD colloids have not been systematically studied and completely understood yet. In this study, using various analytical tools, we have prepared and characterized water-soluble monodisperse QD nanocolloids with well-defined core and hydrodynamic size, functional groups at the interface, impurities, nanoparticle concentration and impurities in aqueous solution. Then, toxicological impacts of QD nanocolloids collected at different stage of preparation (i.e., different degree of impurity) were tested on gram negative bacterial cells (i.e., Escherichia coli). Overall result of this study indicated that, under experimental conditions tested here ([QD] ≤ 6.70 X 10-8M, exposure time ≤ 48 hrs ), no significant cytotoxic impact of QDs were observed on E. coli cell growth, despite of the association of QD nanoparticles with microbial cells observed by TEM micrographs, while some misleading inhibitory effect (e.g., extended periods of lag phase) was observed for certain sample mainly due to residual impurities included during QD preparations, such as free MAA. These results emphasize the importance of reference nanocolloids for impartial toxicity assessments of these novel materials, which are well prepared in appropriate aqueous media and characterized by various analytical techniques for their physicochemical properties.