1. 서 론
금 나노입자(Au NPs)는 고유의 광학적 특성, 전기적 특성, 생체 적 합성, 무독성 및 다양한 표면 기능 활용성 때문에, 광학, 촉매, 바이오 센서, 나노 의학, 바이오 이미징 등의 분야에서 광범위하게 연구되고 있다[1]. 특히, 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)의 특성 을 갖고 있기 때문에 비색 검출 바이오센서, 광열 치료로 활용이 가능 하며, 금 나노 입자가 갖는 높은 표면적 및 고유의 산화⋅환원 활성으 로 인해 촉매로 활용되어왔다[1-3].
일반적으로 금 나노입자는 염화금산(chloroauric acid, HAuCl4)의 환 원에 의해 합성되는데, 이때 입자의 크기에 따라 특성이 달라지기 때 문에 크기 제어가 매우 중요하며, 입자들 사이의 응집을 방지하기 위 한 안정화제와, 금 입자 표면에 다양한 기능성을 부여하기 위한 추가 적인 화학적 처리를 수반한다[1]. 1951년에 개발된 Turkevich 합성법 은 시트르산을 환원제 및 안정화제로 사용하여 염화금산을 고온에서 반응시켜 Au3+ 이온을 금 나노입자로 환원시킨다[4]. 그러나 시트르산 으로 안정화된 금 나노 입자는 기능성을 부여하기 위한 추가적인 표 면 개질 과정 동안에 비가역적 응집을 초래할 수 있다[1]. 이러한 문제 를 해결하기 위해 다양한 화학적 합성 방법들이 개발되었지만, 다단 계 합성 과정이 필요하거나, 유기 용매 또는 독성이 있는 화학 시약을 사용하기 때문에 환경문제 및 바이오메디컬 분야 적용에 한계를 가진 다는 단점이 있다[1,5]. 최근에는 아미노산, 펩타이드를 환원제 및 안 정화제로 사용한 친환경적(green synthetic), 생물학적(biological synthetic) 금 나노입자의 합성 방법이 보고되고 있으며, 이러한 방법들로 합성된 금 나노입자는 낮은 독성 및 생체 친화성을 가지며, 맞춤형 표 면 기능성을 단일 공정(one-pot)으로 부여할 수 있다는 장점이 있다[6].
본 연구에서는 UV 조사하에서 Tyr-Tyr-Gly-Tyr-Tyr (YYGYY) 서 열의 타이로신이 풍부한 펩타이드를 환원제 및 안정화제로 사용하여, 3~15 nm 크기의 금 나노입자를 단일공정으로 합성하는 방법에 관해 조사하였다. 합성된 금 나노입자는 다양한 분석기법을 통해 분석하였 고, 4-니트로페놀의 환원 반응에 촉매로 사용하여 촉매 활성을 관찰하 였다.
2. 실 험
2.1. 시약 및 재료
YYGYY 서열 펩타이드(순도 98%)는 GL Biochem (China)에서 구 입하였으며, 염화금산(chloroauric acid, HAuCl4), 4-니트로페놀(4-nitrophenol) 그리고 소듐보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4) 는 Sigma-Aldrich 사에서, pH 10 완충 용액은 Samchun chemical 사에 서, 투과전자현미경 분석에 사용된 그리드(FC-200 mesh Cu)는 Ted Pella 사에서 각각 구입하여 사용하였다.
2.2. 금 나노입자 합성
금 나노입자를 합성하기 위해 각각 500 μL의 다양한 농도로 제조 된 HAuCl4 수용액과 pH 10 완충 용액에 녹인 펩타이드 용액을 큐벳 에서 혼합하여 총 1 mL의 반응 혼합액을 제조하여 실험을 진행하였 다. 혼합액 구성성분의 최종 농도는 Table 1에 나타내었다. 혼합액은 농도에 따라 3~5 h 동안 310 nm 파장의 UV 광(Vilber, T-6M, 6 W, 6개)에 노출시켰으며, 반응이 끝난 혼합액은 15,000 rpm에서 20 min 간 원심분리하고, 침전된 샘플을 회수하여 증류수로 세척하는 과정을 3번 반복한 후 다시 증류수에 분산시켰다. 모든 실험은 3번 반복으로 진행하였다.
2.3. 특성 분석
합성된 금 나노입자의 특성 분석을 위하여 바이오 투과전자현미경 (bio-transmission electron microscope, Bio-TEM, Hitachi, HT 7700), 자외선 및 가시광선 분광분석기(UV-Vis spectrophotometer, Nanodrop 2000c, Thermo Fisher Scientific), 전계방사형 투과전자현미경(field emission transmission electron microscope, FE-TEM, FEI company, Titan G2 chemiSTEM Cs Probe), 푸리에 변환 적외선 분광기(fourier transform infrared spectrometer, FT-IR, PerkinElmer, Frontier) 및 X-선 회절 분석기(X-Ray diffractometer, XRD, Panalytical, EMPYREAN)를 사용하였다.
2.4 촉매 반응 분석
금 나노입자의 촉매 활성을 분석하기 위해 4-니트로페놀의 촉매 환 원 반응을 진행하였다[7]. 세척 후 증류수에 분산시킨 0.1 mM의 금 나노입자 용액 500 μL와 1 mM 4-니트로페놀(4-nitrophenol) 500 μL, 100 mM 소듐보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4) 500 μL 를 혼합한 후 자석 교반기에서 반응을 진행하며, 반응 시간에 따라 UV-Vis 스펙트럼을 측정하였다. 과량의 NaBH4 존재 하에 4-니트로페 놀의 농도에 의해 반응 속도가 결정되는 1차 반응(first-order reaction) 으로 실험을 진행하였음으로, 4-니트로페놀의 농도에 따른 금 나노입자 촉매의 반응 속도상수(kcat)는 다음의 식으로 유도하였다[8]. 4-nitrophenol의 초기 및 시간 t에서의 농도는 각각 C04-nitrophenol, Ct4-nitrophenol 이며, Ct4-nitrophenol/C04-nitrophenol의 비는 400 nm에서의 초기 및 시간 t에 서의 흡광도 비 A400nm(t)/A400nm(0)와 같다. 따라서 kcat은 식 (3)에 의해 계산하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 펩타이드를 이용한 금 나노입자의 합성과 특성 분석
20개의 천연 아미노산 중 타이로신은 페놀기를 갖고 있는 아미노산 으로, 페놀기의 높은 산화 환원 활성으로 인해 금속 이온을 환원하여 나노입자를 합성할 수 있는 것으로 알려져 있다[9-11]. 또한 페놀의 하이드록실기는 금속 이온과 상호 작용할 수 있어 생체 광물화(biomineralization) 를 통해 금속-펩타이드 복합 구조를 만드는데 사용되어 왔다[12,13]. 이러한 타이로신의 특성을 활용하면, 독성을 갖는 화학적 환원제의 사용 없이 친환경적으로 금속 나노입자를 합성할 수 있고, 환원된 금속 나노입자의 표면이 아미노산으로 안정화되기 때문에 생 체 친화성을 갖는 장점을 가진다. 본 연구에서는 YYGYY 서열을 갖 는 타이로신이 풍부한 펩타이드를 환원제 및 안정화제로 사용하여 펩 타이드로 안정화된 금 나노입자를 단일 공정으로 합성하는 방법을 연 구하였다. Figure 1에 금 나노입자 제조를 위한 YYGYY 서열 펩타이 드의 화학적 구조와 합성 방법을 나타내었다. 타이로신의 페놀기는 염기성 수용액에서 자외선 조사를 통해 산화 및 라디칼을 생성하여, Au3+ 이온에 전자를 전달하면서 금 나노입자를 형성하고, 표면은 펩타 이드로 안정화되어 응집 없이 콜로이드 형태를 유지하게 된다[9-11,14]. 펩타이드를 사용한 금 나노입자의 합성을 확인하기 위하여, 펩타이드와 HAuCl4의 농도를 5 mg/mL, 5 mM (entry no. 6)로 설정하여 UV 조사 를 진행하였고, TEM과 UV-Vis 분광법으로 분석하였다. Figure 2(a)에 서 보여주는 TEM 결과에 의하면, 구형의 금 나노입자가 합성된 것을 확인하였으며, 비교적 균일한 평균입도 크기(14.5 ± 1.6 nm)를 가짐을 확인하였다(Figure 2b). Figure 2(c)의 확대된 TEM 이미지에서, 금 나 노입자 표면에 약 2.7 nm 두께의 펩타이드 분자로 막이 형성되었다는 것을 확인하였다. Figure 2(d)는 반응 시간에 따른 금 나노입자 합성 용액의 UV-Vis 결과를 보여주고 있다. 반응 시간이 길어질수록 구형 의 금 나노입자 콜로이드가 형성되어, 527 nm 파장에서 표면 플라즈 몬 공명(surface plasmon resonance)에 의한 흡광도가 증가하는 것을 확 인하였다. 또한 노란색의 반응 혼합 용액이 시간이 지날수록 짙은 빨 간색으로 변하는 것을 확인하였으며, 응집 현상 없이 안정적인 콜로 이드 형태로 수용액에 분산되어 있음을 확인하였다[Figure 2(d) inset].
Figure 3은 합성된 금 나노입자의 결정성을 보여주고 있다. HR-TEM 이미지상에서 면심입방구조의 (111) 면에 해당하는 0.23 nm의 격자 프린지(lattice fringe)가 관찰되었고, 전자회절 분석(selected area electron diffraction, SAED)을 통해 다결정(polycrystalline)의 금 나노입자 가 합성되었음을 확인하였다. 또한 건조된 금 나노입자의 XRD 분석 을 하였을 때, 38.2°, 44.1°, 64.7°, 77.5°, 81.4°에서 면심입방구조의 (111), (200), (220), (311), (222)를 나타내는 5개의 회절 피크가 관찰 되었다(JCPDS no. 04-0784). (111)면의 피크가 다른 피크보다 강하게 나타난 것을 확인하였고, 이는 면심입방구조의 금 나노입자가 (111)면 을 따라 주된 성장을 한다는 것을 의미한다[15].
Figure 4는 금 나노입자 표면의 원소를 분석하기 위한 STEM-EDS 관찰 결과를 보여준다. EDS merging 이미지에서 합성된 금 나노입자 의 표면에 펩타이드의 구성성분 중 하나인 질소가 금 나노입자가 모 여 있는 곳에서 주로 관측되는 것을 확인하였다.
펩타이드로 합성된 금 나노입자의 표면 관능기를 분석하기 위하여 FT-IR을 사용하였다. Figure 5에서 보이는 것처럼, 펩타이드로 합성된 금 나노입자는 1202, 1510, 1644과 3243 cm-1에서 각각 타이로신 페놀 기의 C-O stretching, C=C stretching, Amide I (C=O stretching vibration), Amide A (N-H stretching vibration) 피크가 관찰되었다[16,17]. 따라서 금 나노입자의 표면에 펩타이드 분자가 층을 이루어 안정화하고 있음 을 확인하였고, 이는 TEM에서 관찰된 결과와 일치하였다.
3.2. 농도 조성 변화에 따른 금 나노입자 형성
펩타이드와 HAuCl4의 농도에 따른 금 나노입자의 크기 영향을 확 인하기 위하여 다양한 농도 조성에서 나노입자를 합성한 후 TEM 이 미지를 관찰하였다(Table 1, Figure 6). 펩타이드 2.5 mg/ml, HAuCl4 2.5 mM (entry no.2)와 펩타이드 5 mg/ml, HAuCl4 5 mM (entry no.6) 의 농도조건에서는 각각, 13.2 ± 1.5와 14.5 ± 1.6 nm의 평균입도를 갖는 구형의 금 나노입자가 형성되었다. 펩타이드가 금 이온에 비해 높 은 비율의 조성인, 펩타이드 2.5 mg/ml, HAuCl4 0.5 mM (entry no.1), 펩타이드 5 mg/ml, HAuCl4 0.5 mM (entry no.4), 펩타이드 5 mg/ml, HAuCl4 2.5 mM (entry no.5) 농도조건에서는 각각, 4.2 ± 1.6, 3.3 ± 0.8, 4.7 ± 1.6 nm의 작은 평균입도를 갖는 금 나노입자가 형성되었다. 한편, 상대적으로 적은 양의 펩타이드를 사용한 조성인, 펩타이드 2.5 mg/ml, HAuCl4 5 mM (entry no.3) 농도조건에서는 펩타이드가 금 나 노입자의 환원 과정 중에 충분이 표면을 안정화하지 못하여 입자들 사 이의 응집이 일어난 불규칙한 모양의 금 나노입자가 관찰되었다[18].
3.3. 금 나노입자의 촉매 반응
금 나노입자의 촉매 활성을 확인하기 위하여 4-니트로페놀의 환원 촉매 반응 실험을 진행하였다(Figure 6). 4-니트로페놀의 환원 반응은 NaBH4와 금 나노입자 존재 하에 4-아미노페놀로 환원되며, 반응의 진 행 정도는 UV-Vis 의 400 nm 흡광도 분석을 통해 쉽게 결과를 알 수 있는 대표적인 모델 촉매 반응이다[7]. 먼저, 비교실험으로 금 나노입 자가 없는 상태에서의 환원 반응을 진행하였을 때, 400 nm에서의 흡 광도 변화가 관측되지 않았다[Figure 6(b)]. 이와는 반대로 펩타이드로 환원된 금 나노입자가 촉매로 사용되었을 때는, Figure 6(c)의 반응 시 간에 따른 UV-Vis 결과에 나타난 것처럼, 반응이 진행됨에 따라 4-니 트로페놀에 의한 400 nm에서의 흡광도가 감소되는 것이 관측되었다. Figure 6(c)로부터 시간에 따른 –ln[A400nm(t)/A400nm(0)]의 그래프를 Figure 6(d)에 나타내었으며, 그래프의 기울기를 통해 반응 속도 상수 kcat의 값을 7.3 × 10-3 s-1으로 산출하였다. 기존에 보고된 카페산(caffeic acid), 카테킨(catechin), 맥아당(maltose)로 환원된 금 나노입자의 4-니트로페 놀 환원 촉매 반응 속도 상수 값과 비교하였을 때, 펩타이드로 환원 및 안정화된 금 나노입자의 촉매 반응은 더 적은 양의 당량비를 사용하였 음에도 우수한 촉매 활성을 나타내는 것을 확인하였다(Table 2)[19-21].
4. 결 론
본 연구에서는 타이로신이 풍부한 펩타이드 YYGYY를 환원제 및 안정화제로 도입하여 금 나노입자의 친환경 단일 합성법에 대해 연구 하였다. 펩타이드와 금속 이온의 농도를 조절하여 3~15nm 크기를 갖 는 구형의 다결정 금 나노입자를 성공적으로 합성하였으며, 합성된 금 나노입자는 다양한 분석기법을 통해 특성이 확인되었고, 펩타이드 로 안정화되어 있기 때문에 응집 없이 콜로이드 형태를 유지할 수 있 었다. 또한 4-니트로페놀의 환원 반응에 펩타이드로 안정화된 금 나노 입자를 촉매로 사용하였을 때, 7.3 × 10-3 s-1의 반응속도 상수를 갖는 촉매 활성을 확인하였다. 이러한 금 나노입자의 특성은 촉매 활성을 갖는 기능성 나노 물질로서의 활용 가능성을 시사하며, 바이오 메디컬 및 나노 바이오 공학 분야에 다양한 적용이 가능할 것으로 기대된다.