1. 서 론

사이클로덱스트린(cyclodextrin, CD) 분자는 원형다당류(cyclic oligosaccharide) 분자를 통칭하며, 이 중에서 6~8개의 글루코피라노즈 (glucopyranose) 단량체를 갖는 분자들이 대표적이다. 이 분자들은 특 이하게도 분자들의 바깥 부분은 친수성을 띄고 있으며, 분자들의 내 부는 소수성을 지니고 있다[1]. 따라서, 이 분자들은 매우 규칙적인 구 조를 지니고 있으며, 물과 같은 극성 용매에 잘 녹고, 내부에 들어온 분자들을 외부로부터 잘 보호하는 장점을 지니고 있다. 더불어, 독성 이 매우 낮으며, 내부 공간의 크기가 다양하며, 계면활성제로 활용될 수 있다는 장점도 지니고 있다[2-3]. 그리고, 이 물질은 다른 재료의 내부에서 기공을 형성할 수 있는 기능도 지니고 있어 그 활용도가 매 우 높다고 할 수 있다[1].

이러한 사이클로덱스트린의 장점 중에서, 본 연구에서의 다양한 분 자들과 host-guest complex를 형성할 수 있는 점에 주목하고자 한다. 사이클로덱스트린 분자의 기공 크기가 1나노미터에서 수 나노미터에 이를 수 있는 관계로 분자량 1,000 이하의 분자를 포획하는 것이 가능 한 구조로 되어 있다[4]. 특히, 소수성 분자의 경우 내부의 공간에 들 어갈 경우 여러 가지 상호작용들에 의해서 외부로 빠져나오는 과정이 매우 여러워질 수 있다. 따라서, 이 기능을 활용하여 다양한 목적을 추구하는 여러 가지 연구들이 행해져 왔다[5]. 예를 들어, 사이클로덱 스트린 분자가 냄새 분자를 포획하는 방식을 활용하여 냄새제거제로 활용할 수도 있다. 자연계에 존재하는 다양한 유해 분자를 포획하여 제거하는 것도 당연히 가능할 것으로 판단된다.

본 연구에서는, 사이클로덱스트린 분자가 다양한 종류의 유해성 분 자들을 포획할 수 있는 것에 착안하여, 이 과정을 전기화학적으로 모 니터링하여 신호를 얻을 수 있는지에 관하여 연구하고자 한다. 이 연 구는 향후 연구의 어려움을 덜어줄 수 있는 매우 의미 있는 실험이지 만, 실험 수행 상에 여러 가지 제약 사항이 존재하는 것으로 알려져 있다. 먼저, host-guest complex를 형성하는 분자들 간의 charge interaction 또는 charge transfer 정도가 매우 약하다는 점이 있다[6]. 그리 고, 용액 상에서 실험을 수행해야 하는 관계로 얻고자 하는 signal에 비해 noise가 매우 클 가능성이 높다[7]. 이러한 전제 아래에서 이루어 진 기존의 연구 사례를 몇 가지 찾아볼 수 있다. 일례로, 계산을 이용 하여 베타-사이클로덱스트린과 파라벤의 결합 산물에 대해 분석한 연 구가 존재한다[5]. 분광학을 이용하여 사이클로덱스트린-파라벤 화합 물의 특징에 대해 분석한 사례도 존재한다[8]. 금전극에 사이클로덱스 트린 분자를 도입하고, 화합물을 도입하였을 때 일어나는 현상을 전 기화학 셀을 이용하여 분석한 이전 연구도 보고되어 있다[9].

그러나, 본 연구에서는 좀 더 직접적인 관찰과 분석을 추구하는 방 법론의 일환으로, 분광학적 방법을 활용하여 사이클로덱스트린과 모 델 분자인 메틸 파라벤(methyl paraben, MePRB) 사이의 host-guest complex의 형성 여부를 분석하였다. 나아가, Au 전극에 간단한 표면 화학 개질 방법을 활용하여 cyclodextrin 분자를 공유결합 형태로 도 입하여 전기화학적 분석을 시도하였다. 이 두 가지 방식을 결합하여, 사이클로덱스트린-메틸파라벤 complex 형성 시에 개입되는 전하의 이동 및 conductance의 변화를 전기적 신호로 도출해 낼 수 있는 가능 성에 접근하고자 하였다. 연구의 목적이 성공적으로 달성될 경우, 유 해 물질의 존재 여부를 판정할 수 있는 효과적인 방법론으로 응용될 수 있는 가치가 클 것으로 기대된다.

2. 실 험

2.1. 재료

베타-사이클로덱스트린(beta-CD)과 포획 모델 분자인 메틸 파라벤 은 알드리치(Aldrich, USA)사에서 구매하여 추가적인 정제과정 없이 사용하였다. 표면 개질을 위해 시스테아민(cysteamine), 클로로부틸산 (chlorobutyric acid, CA) 에틸디메틸아미노프로필 카보디이미드 (ethyl(dimethylaminopropyl) carbodiimide, EDC) 및 하이드록시석신이 미드(N-hydroxysuccinimide, NHS)도 알드리치(Aldrich, USA)사에서 구매하여 추가적인 정제과정 없이 사용하였다. 전기측정을 위한 금전 극은 간단한 광리소그래피법으로 제조하였다. 용매인 에탄올(ethanol) 은 삼전화학(서울, 대한민국)에서 구매하여 사용하였다. 전기측정을 수월하게 수행하기 위해 유리관을 사용하였다.

2.2. 금전극 표면처리

전형적인 광리소그래피법으로 제작된 금전극(Figure 1)의 표면에 베타-사이클로덱스트린을 도입하기 위해 간단한 바이오컨쥬게이션 (bioconjugation) 방식을 사용하였다. 먼저 금전극을 cysteamine 에탄 올 용액(1 mM)에 담궈서 12 h 동안 처리한다. 이 전극을 클로로부틸 산 용액(50 mM)에 수 시간 처리해서 활성 산그룹을 도입한 후, 잘 알 려진 EDC/NHS 커플링 방식을 사용하여 베타-사이클로덱스트린을 공 유결합 형식으로 도입할 수 있는 관능기를 부여한다. 이어서, 베타-사 이클로덱스트린(5 mM)을 수산화칼륨 수용액(3 M, 10 mL)과 함께 전 극에 도입한다[7].

2.3. 측정 및 분석

자외선 분광 스펙트럼은 Shimadzu UV 1200 분광기를 통해 얻어졌 다. 적외선 분광 스펙트럼은 Perkin Elmer Spectrum One 분광기를 이 용하여 얻었다. 전기적 측정은 Keithley 2612B 소스미터와 probe station (MS Tech, Model 4000)을 활용하여 실시하였다. 이때, 전기적 전 류 신호의 변화를 초기 전류값과 비교하여 제시하였다. 용액에 대한 전기 측정을 가능하게 하기 위하여, 용액용 유리관을 이용하였다 (Figure 1).

3. 결과 및 고찰

본 실험을 수행하기 위하여 필요한 전극은 실험 파트에서 설명한 대 로 Figure 1과 같이 제조되었다. 먼저 통상적인 리소그래피(lithography) 방식으로 제조된 금 미세 전극(micropatterned electrode)을 출발점으로 활용하였다. 표면을 물, 에탄올, 아세톤으로 세척한 후 잘 알려진 간단 한 bio-conjugation 반응을 통해서 host 분자인 beta-CD를 도입하고, 센 서 측정을 효과적이고 안정적으로 진행하기 위해서 유리관을 활용한다.

현재까지, beta-CD를 host 물질로 활용하여 다양한 guest 분자를 검 출하는 시도는 비교적 다양한 방식으로 진행되어 온 것이 사실이다. 기존의 방식을 예를 들어 보면, 이들은 주로 정전기적(electrostatic) interaction 또는 수소 결합 등의 특이적(specific) interaction을 활용하여 시도되어 왔다. 이 두 경우는 모두 guest 물질이 host에 다가올 때 전 기적인 성질이 변화하는 것을 감지하는 방식으로 이루어져 왔다. 먼 저, 전기적인 charge 밀도가 낮은 guest 물질이 host에 다가오면 guest 물질이 저항으로 작용을 하여 host-guest 물질의 전체적인 전하의 밀 도가 낮아지게 된다. 이 경우에는, 전기적 신호(전류)의 크기가 감소하 는 것을 감지하여 guest 물질의 유입 및 존재를 감지하는 것이 가능해 진다[7]. 한편으로, 전기적인 charge의 밀도가 높은 물질이 guest로 다 가오거나 또는 host-guest 물질이 형성됨으로 인해서 두 물질 간의 전 기적인 charge의 전달이 촉진되는 경우에는 전기적 신호(전류)가 증가 하거나 전도성(conductance)이 증가하게 된다[10]. 두 번째 케이스의 후자는 감지가 상대적으로 까다롭고 실험적인 변수에 의해서 noise의 형성이 증가하기 때문에 정확한 판단을 하기가 다소 어렵다는 단점이 존재한다. 그렇지만, 본 연구에서는, 좀 더 감도가 높고 선택적인 물질 감지를 추구하기 위해서 보다 직접적인 감지 방식을 시도하고자 한다. 이를 위해서는 무엇보다, host-guest interaction molecule이 형성될 때 발 생하는 전기적 신호(전류) 및 conductance의 변화를 가시적으로 보여주 는 것이 관건이다. 이는 현재까지는 전기화학분석(electrochemical analysis) 및 감지 방식으로 많이 이루어져 왔으나, 본 연구에서는 보다 직 접적인 전기적(electrical) 측정 방식을 시도해 보도록 한다.

가장 먼저 확인해야 할 점은, 금전극의 표면에 beta-CD이 정확하게 도입이 되어 있는지를 판단하는 것이다. 본 연구에서 사용된 bio- conjugation 반응의 신뢰도는 확보되어 있으나, 이를 한 번 더 확인하는 것이 필요하다. 따라서, 적외선 분광 스펙트럼을 분석하여 beta- CD 분 자가 host 물질로 도입되어 있는지 판단하고자 하였다. Figure 2에서는 두 가지 적외선 분광 스펙트럼을 보여주고 있는데, 먼저 금전극이 존 재하지 영역에 도입된 케이스와 금전극이 존재하지 않는 영역에 도입 된 케이스를 비교하여 보여주고 있다. Figure 2(a)에서 보듯이 beta-CD 가 도입되면 무엇보다 3,300파수(wavenumber)영역의 OH 그룹의 대 칭 스트레칭 피크가 우측과 비교하여 두드러지게 나타나는 것을 볼 수 있다. 더불어, 3,000파수 영역의 CH 그룹 대칭 스트레칭 피크, 1,600, 1,550, 1,370파수 영역의 C-O-C bending 피크들이 명확하게 나 타남을 알 수 있다. 이들 중 일부 피크는 아래 스펙트럼에서도 나타나 는 것이 보이고 있는데, 이는 금전극이 존재하지 않는 부분에서도 bio-conjugation 반응이 다소가 일어나는 것을 의미한다. 특히, 위에서 명시한 파수들에서 나타나는 피크의 크기들은 위에서 낮게 나타나는 것이 보이고 있는데, 이는 금 표면에서 반사되는 적외선의 portion이 크기 때문이다. 또한, 위에서는 아래에 비해 유리의 성분이 되는 siloxane에 의한 피크가 다수 두드러지게 나타나는 것이 보이고 있다. 이 사실들을 통해, 금전극 표면에 host 물질인 beta-CD가 효율적으로 도 입되어 있음을 알 수 있다[9]. 정량적인 분석과 도입되는 guest 물질의 양을 알기 위해서는 표면적당 도입된 beta-CD의 양을 구하는 것이 이 상적이나, 본 실험에서는 동일한 조건에서 반응이 이루어졌고, 신호의 유무를 판단하는 것이 목적이므로 위의 과정은 생략하기로 한다.

이제는 본격적으로 beta-CD가 도입된 금전극에 분석 물질을 도입 해 보기로 한다. 먼저, beta-CD가 처리된 금전극 표면에 유리관을 세 운 후 두 가지 용액, 즉 용매만으로 이루어진 것과 분석물질이 용매에 녹아 있는 것을 차례로 전극에 맞닿게 하여 전기 신호의 존재 유무를 검사해 보았다. 이를 보다 정확하게 실험하기 위해서는 beta-CD를 도 입하지 않은 금전극과 beta-CD를 도입한 금전극 두 가지 전극에 대해 서 동일하게 실험해야 한다. 다만, beta-CD가 도입된 금전극을 활용한 실험에서 필요한 정보를 모두 도출할 수 있었다. Figure 3(a)에서 보듯 이 beta-CD가 도입된 금전극에 용매인 에탄올만을 도입하였을 때는 두 드러진 신호(electrical signal)가 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. 다만, 에탄올 분자도 약한 쌍극자(dipole moment)를 지니고 있는 극성 분자이 며, host-guest 물질이 형성되었을 때 다소 간의 전하 전달이 이루어질 수 있으므로, 군데군데 약한 전기 신호가 드러나고 있다. 반면에, Figure 3의 아래에서는 에탄올 용매 속에 분석물질인 메틸파라벤 분자(methyl paraben)가 녹아 있는 용액을 beta-CD가 도입된 금전극 위에 도입하였 을 때 얻어지는 전기 신호를 나타내고 있다. Figure 3(a)와는 다르게, 전 기적 신호가 보다 명확하게 관찰되고 있다.

나아가, 전류변화량도 좌측과 비교하였을 때 매우 큰 값을 보여주 고 있다. 이 사실은 host-guest 물질이 형성되었을 때 전기적 성질의 향상이 두드러짐을 의미하고 있다. 부가적으로, 동일한 두 가지 용액 을 beta-CD가 도입되지 않은 금전극 위에서 측정해 보았을 때, Figure 3(b)와 유사한 형태가 얻어졌다.

본 실험에서 도모한 측정방식은 직접적인 측정 방식이나, 다양한 환경적인 변수에 의해서 신호의 발생 여부나 발생된 신호의 크기가 영향을 받는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해서는 분광학적인 방법 을 통해서 추가적인 확인을 할 필요가 있다. 따라서 자외선 분광학을 이용하여, beta-CD/guest 물질이 형성되었을 때 어떠한 스펙트럼 상의 변화가 나타나는지를 고찰하였다. 먼저 Figure 4에서는 host인 beta- CD의 농도를 바꾸고 이와 함께 guest 물질인 메틸파라벤의 농도를 함 께 바꾸어서 스펙트럼의 변화 양상을 고찰하였다. 모든 파라벤 농도 케이스에서 같은 양의 beta-CD가 존재할 경우, 자외선 영역에서의UV 흡광도가 다소간 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는, host-guest 물질의 형성에 의한 영향이라고 고려할 수 있다. 1 mM 이상의 농도에서는 이 경향이 나타나는 것을 이론적으로 보고한 사례가 있으나[11], 더욱 낮 은 농도에서도 이러한 경향이 지속되는 것을 확인한 것은 의미 있다.

다른 한편으로, 분석물질의 농도는 고정하고, beta-CD의 농도를 바 꾸어 가면서 자외선 흡광도의 변화 형상을 분석하였다. Figure 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 일정한 guest 분자의 농도 하에서 host의 농도 가 증가하였을 때, 청색 가시광에 가까운 영역에 존재하는 자외선의 흡광도가 상당히 눈에 띄게 증가하는 양태를 보이고 있다. 이는 두 물 질간의 interaction에 의해서 전기적인 신호 또는 conductance가 증가 하고 있음을 나타내는 또 다른 증거가 될 수 있다.

이 실험에서 보여준 몇 가지 실험을 통해서, beta-CD/analyte로 이루 어진 host-guest 물질의 형성 시에 전기적인 전하밀도 또는 conductance 의 증가를 유도할 수 있고, 이를 통해서 유입물질의 감지가 전기적으 로 가능하다는 것을 뒷받침하고 있다. 다만, 본 실험에서 도입한 방법 은 전기적 신호가 표적물질의 농도에 비례한다는 장점이 있고 민감도 는 준수하다는 특징을 지니고 있으나, CD 분자의 특성상 높은 수준의 선택성을 가지기는 어려운 단점이 있다. 이는 CD 분자가 어느 정도의 크기 또는 분자량을 갖는 분자들을 대부분 포집할 수 있기 때문이다. 따라서, 전기적 신호의 농도에 대한 반응성은 이전 논문에서 정보를 찾을 수 있다[7].

본 연구는 기초적인 현상에 대해서 살펴보는 연구이나, CD 분자가 다양한 종류의 분자들을 포획할 수 있는 가능성이 있고 이를 전기적 으로 검출할 수 있다는 것을 제시하였으므로 필요한 전극을 도입하여 악취유발 분자들을 제거할 수 있는 전자식/회로식 탈취제로 활용될 수 있는 가능성이 있다.

4. 결 론

본 실험에서는, 마이크로패턴된 금전극에 beta-CD를 도입하여 분석물 질을 guest분자 형태로 도입하여 직접적이고 전기적인 신호를 통해 감지 할 수 있는지에 대해서 고찰해 보았다. 결론적으로, beta-CD/analyte의 배타적인 상호작용을 전기적인 측정 방식과 자외선 분광학을 통해서 확인하였고, 이를 바탕으로 현재의 기법이 센서에 활용될 수 있음을 알 수 있었다. 이는 감지 매체와 분석 물질의 상호 작용을 가시적으로 분석하고 판단할 수 있으므로 매우 효과적일 것으로 기대된다. 본 연 구는 향후 보다 감도가 좋고 선택성과 신뢰도가 높은 센서의 제작에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, beta-CD를 포함한 다양한 형 태의 무독성, 친환경성 전분 분자들을 다양한 센서에 활용하는 데 기 여할 것으로 기대된다.