금 나노입자: 특징 및 응용분야

소개

교질염화금 나노입자는 가시광선과의 상호작용으로 만들어진 선명한 색상으로 인해 많은 예술가들 사이에서 수 세기 동안 애용되었습니다. 최근에는 이러한 독특한 광전자 특성에 대해 연구가 활발하게 이루어지면서 유기 광전학, 감각 탐지기, 치료약제, 생물학 및 의료 응용분야에서의 약물 전달, 전자 전도체 및 촉매와 같은 첨단 기술 응용분야에 활용되고 있습니다. 금 나노입자의 광학적, 전자적 특성은 크기, 모양, 표면 화학 또는 통합 상태를 변경하여 조정할 수 있습니다.

금 나노입자의 광전자 특성

금 나노입자와 빛의 상호작용은 환경과 크기 및 물리적 수치에 의해 강하게 좌우됩니다. 콜로이달 나노입자 주변에서 전파되는 광선의 진동 전기장은 자유 전자와 상호작용하여 가시광선의 주파수와 공명 상태에 있는 전자 전하의 공동 진동을 유발합니다. 이러한 공명 진동은 표면 플라스몬으로 알려져 있습니다. 30 nm까지의 단분산성 금 나노입자의 경우, 표면 플라스몬 공명 현상은 스펙트럼의 청녹색 부분(450 nm까지)에서 빛의 흡수를 일으키는 반면 적색(700 nm까지)은 반사되어 풍부한 적색(red color)을 생성합니다. 입자 크기가 증가함에 따라 표면 플라즈몬 공명과 관련된 흡수 파장은 더 길고 더 붉은 파장으로 이동합니다. 붉은 빛은 흡수되고 파란 빛은 반사되어 옅은 청색 또는 자주색으로 용액이 산축됩니다(그림 1). 입자 크기가 벌크 한계까지 지속적으로 증가함에 따라 표면 플라스몬 공명 파장이 스펙트럼의 IR 부분으로 이동하고 대부분의 가시적인 파장은 반사되어 나노입자가 선명하거나 반투명하게 나타납니다. 표면 플라스몬 공명은 나노입자의 크기나 모양을 변화시킴으로써 조정할 수 있으며, 이를 통해 다른 용도에 맞게 조정한 광학 특성을 가진 입자로 만드는 것이 가능합니다.

그림 1. 다양한 크기의 단분산 금 나노입자의 색상

또한 이러한 현상은 금 용액에 과도한 소금이 첨가될 때 나타납니다. 금 나노입자의 표면 전하가 중성화되어 나노입자가 집합을 형성하게 됩니다. 따라서 용액의 색상이 적색에서 청색으로 변경됩니다. 집합 형성을 최소화하기 위해, 금 나노입자의 다양한 표면 화학에서는 고분자, 저분자 및 생물학적 인식 분자(recognition molecules)를 사용하여 입자를 코팅할 수 있습니다. 이러한 표면 변형을 사용함으로써 화학, 생물학, 공학 및 의료 응용분야에서 금 나노입자를 광범위하게 사용할 수 있게 됩니다. 금 나노입자의 대표적인 특성은 표 1에서 설명하고 있습니다.

표 1 금 나노입자의 제품 특성

지름	나노입자 /mL	피크 SPR 파장	Molar Ext (M-1cm-1)	제품 번호
5 nm	5.47 x 1013	515-520 nm	1.10 x 107	741949(계면활성제 안정화됨) 752568(PBS)
10 nm	5.98 x 1012	515-520 nm	1.01 x 108	741957(계면활성제 안정화됨) 752584(PBS)
15 nm	1.64 x 1012	520	3.67 x 108	777137(계면활성제 안정화됨) 777099(PBS)
20 nm	6.54 x 1011	524 nm	9.21 x 108	741965(계면활성제 안정화됨) 753610(PBS)
30 nm	1.79 x 1011	526 nm	3.36 x 109	741973(계면활성제 안정화됨) 753629(PBS)
40 nm	7.15 x 1010	530 nm	8.42 x 109	741981(계면활성제 안정화됨) 753637(PBS)
50 nm	3.51 x 1010	535 nm	1.72 x 1010	742007(계면활성제 안정화됨) 753645(PBS)
60 nm	1.96 x 1010	540 nm	3.07 x 1010	742015(계면활성제 안정화됨) 753653(PBS)
80 nm	7.82 x 109	553 nm	7.70 x 1010	742023(계면활성제 안정화됨) 753661(PBS)
100 nm	3.84 x 109	572 nm	1.57 x 1011	742031(계면활성제 안정화됨) 753688(PBS)
150 nm	3.60 x 109	비측정	-	742058(계면활성제 안정화됨)
200 nm	1.9 x 109	비측정	-	742066(계면활성제 안정화됨)
250 nm	7.1 x 108	비측정	-	742074(계면활성제 안정화됨)
300 nm	4.5 x 108	비측정	-	742082(계면활성제 안정화됨)
400 nm	1.9 x 108	비측정	-	742090(계면활성제 안정화됨)

응용분야

금 나노입자의 응용분야는 빠르게 증가하고 있으며 다음 용도를 포함합니다.

1. 전자제품 - 금 나노입자는 인쇄 가능한 잉크에서 전자 칩에 이르는 도체까지 사용할 수 있도록 설계됩니다.¹ 전자제품의 크기가 점점 작아지고 있으므로 나노입자는 칩 설계의 중요한 구성 요소입니다. 나노스케일 금 나노입자는 저항기, 전도체, 전자 칩의 다른 요소들을 연결하는데 사용되고 있습니다.
2. 광역학 요법 - 금 나노입자(금 나노쉘과 나노로드 포함)를 흡수하는 근접 IR은 700-800 nm의 파장에서 빛에 의해 흥분될 때 열을 발생시킵니다. 이를 통해 나노입자는 표적 종양을 퇴치할 수 있습니다.² 금 나노입자가 포함된 종양에 빛을 가하면 입자가 급속히 가열되어 고열 요법으로도 알려진 치료 요법으로 종양세포가 파괴됩니다.
3. 치료제 전달 - 치료제는 금 나노입자의 표면에 코팅될 수도 있습니다.³ 금 나노입자의 큰 표면 면적 대비 부피 비율은 표면에 수백 개의 분자(치료제, 표적 치료제, 비오염 고분자 포함)를 코팅할 수 있게 만듭니다.
4. 센서 - 다양한 센서에 금 나노입자가 사용됩니다. 그 예로 금 나노입자에 기초한 비색 센서는 음식이 섭취하기에 적합한지 여부를 식별할 수 있습니다.⁴ 이외의 분석법(예: 표면 강화 Raman 분광법)에서는 화학 결합의 진동 에너지를 측정할 수 있도록 금 나노입자를 기질로 이용합니다. 이러한 방법은 또한 단백질, 오염 물질, 라벨이 표기되지 않은 기타 분자들을 검출하는 데 사용될 수 있습니다.
5. 프로브 - 금 나노입자는 또한 빛을 산란시키고 암시야 현미경으로 일련의 흥미로운 색을 만들어 낼 수 있습니다. 금 나노입자의 산란된 색상은 현재 생물학적 영상 응용분야에 사용되고 있습니다.⁵ 또한 금 나노입자는 상대적으로 밀도가 높아 투과 전자 현미경 탐사에 유용하게 사용됩니다.
6. 진단 - 심장병, 암 및 감염원 진단 시 생체표지판 검출에도 금 나노입자가 사용됩니다.⁶ 또한 측면 유동 면역분석법에서도 흔하게 볼 수 있는데, 일반적인 사용 예는 가정용 임신 진단 테스트입니다.
7. 촉매 - 금 나노입자는 여러 화학 반응에서 촉매로 사용됩니다.⁷ 금 나노입자의 표면은 선택적 산화에 이용될 수 있으며, 어떤 경우에는 표면 반응(질소산화물)을 감소시킬 수 있습니다. 금 나노입자는 연료 전지 용도를 위해 개발되고 있습니다. 이러한 기술은 자동차와 디스플레이 산업에서 유용하게 적용될 것입니다.

품질 이점

머크는 세포 진단과 함께 생명 공학 및 재료 공학 분야에서 첨단 기술 응용분야에 특별히 적합하게 제작된 광범위한 금 나노입자 포트폴리오를 자랑스럽게 선보이고 있습니다. 금 나노입자는 직경 5 nm에서 400 nm까지 다양한 용제 성분에서 다양한 표면 기능을 가진 크기로 이용할 수 있습니다.

구면 금 나노입자는 전통적으로 구연산나트륨 또는 수소화붕소나트륨 등의 환원제를 사용하여 합성됩니다. 하지만 세포진단은 강력한 환원제 없이도 높은 수준의 구면 금 나노입자의 조제로 이어지는 적합 과정과 제형을 가지고 있습니다. 이러한 나노입자는 다른 금 나노입자와 비교했을 때 아래와 같은 많은 장점을 가지고 있습니다.

1. 좁은 크기 분포 - 동적 광 산란(DLS) 및 TEM 분석에 기반을 두고 있습니다. 각 배치는 DLS 및 UV-Vis 분광학으로 검증되었습니다.(그림 2).

그림 2. 세포 진단에서 정확한 금 나노입자를 보여주는 DLS 및 UV-Vis 스펙트럼입니다.

 

2. 일관된 크기 및 모양 — 100 nm를 초과하는 크기에도 10 % 이하의 CV(분산 계수)를 나타냅니다. 5 nm 및 400 nm 나노입자의 예는 아래 그림 3을 참조하십시오.

그림 3. 5 nm(좌측) 및 400 nm(우측) 금 나노입자의 TEM 이미지<8% CV.

 

Gold NanoUrchins

그림 4. TEM 100 nm Gold NanoUrchins

Gold NanoUrchins은 같은 코어 직경의 구형 금 나노입자에 비해 독특한 광학 특성을 가지고 있습니다. 뾰족하고 고르지 못한 표면은 표면 플라스몬 피크의 적색 이동을 유발하고 구형 입자에 비해 Gold NanoUrchins 스파이크의 끝에서 전자기장을 더 크게 강화시킵니다. 예를 들어 100 nm 구형 금 나노입자는 570 nm에서 SPR 피크를 가지며, 100 nm Gold NanoUrchins는 약 680 nm에서 SPR 피크를 갖습니다(그림 4).

그림 5. 100 nm Gold NanoUrchins(청색)와 100 nm 표준 금 나노입자(녹색)의 UV-VIS 스펙트럼 SPR-피크의 적색 이동을 참조하십시오. 직경이 50 nm에서 100 nm에 이르는 Gold NanoUrchins의 UV-VIS 스펙트럼

전망

금 나노입자는 합성 절차가 잘 발달했기 때문에 전자 및 물리적 특성을 가진 광범위한 응용분야에 다목적으로 사용되는 재료입니다. 또한 금 나노입자의 표면 화학 작용은 변형하기 쉽습니다. 이러한 특징으로 인해 금 나노입자는 학술 연구에 가장 널리 사용되는 나노 소재 중 하나이며 전 세계적으로 관심을 가지고 있는 의료 기기 및 산업 제품의 필수적인 구성 요소입니다. 전 세계적인 연구 기관들이 자사의 광범위한 금 나노입자 관련 제품군은 채택하고 있으며 이는 곧 첨단 기술 응용분야에서 다양한 옵션을 제공하는 데 기여하고 있습니다.

참고문헌

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6. Peng G, Tisch U, Adams O, Hakim M, Shehada N, Broza YY, Billan S, Abdah-Bortnyak R, Kuten A, Haick H. 2009. Diagnosing lung cancer in exhaled breath using gold nanoparticles. Nature Nanotech. 4(10):669-673. https://doi.org/10.1038/nnano.2009.235

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