금 나노 입자의 개요

나노 입자(nanoparticle)는 적어도 한 차원이 100nm, 즉 천만분의 1미터이하인 입자이다. 분자나 원자를 조작해 새로운 구조, 소재, 기계, 기구, 소자를 제작하고 그 구조를 연구하는 나노기술의 영역에 속하는 입자이다. 미국 국립 과학재단의 나노기술에 대한 정의에 의하면 나노 기술이 다루는 대상의 크기는 최소한 1~100nm 가 되어야 한다. 또 나노 크기의 물리, 화학적 성질을 근본적으로 제어할 수 있는 과정을 통해 만들 수 있어야 하고 더 큰 구조물로 합쳐야만 한다. 이 정의에 따르면 크기만 생각했을 때 원자의 개수가 수 개 또는 수 백 개의 복합체, DNA, 단백질 등도 나노에 속한다.

 

나노입자를 기존의 제품에 첨가하면 얇은 층을 형성하면서 여러가지 특성을 나타내는데, 이 특성을 이용해 기존 제품에 응용할 수 있다. 예를 들어 나노 입자를 입힌 마루는 잘 긁히지 않고, 주방 용품이나 화장실 타일 등에 입히면 얼룩이나 긁힘이 잘 생기지 않는다. 수 많은 제품에 은나노 입자를 입혔다고 홍보하는 이유도 여기에 있다. 예를 들어 은 나노 입자의 경우 항균성을 가지고 있어 제품에 입힐 경우 곰팡이가 번식하기 힙들어지기 때문이다. 이렇듯 나노미터 크기 단위의 미립자가 가지는 특이한 물리적, 화학적 성질을 이해하면 아주 다양한 분야에 적용 가능하다.

 

최근에는 컴퓨터 저장 매체의 기억 용량을 현재의 10배 이상으로 늘릴 수 있는 나노슈퍼구조체가 개발되었다. 3차원 네트워크 나노 슈퍼구조체는 100조 개의 자성 나노입자가 1mm³ 에 직접되어 있어 차세대 초고집적 저장 매체로 응될 수 있다. 나노 슈퍼 구조체의 특성으로는 일반 나노 입자에 비해 약 25배 정도로 매우 증폭된 자기적 성질을 나타낸다. 이를 하드 디스크에 적용할 경우 손목시계정도크기의 메모리에 신문 1,280장, 600메가바이트 용량의 영화 2,700 편, 500쪽 짜리 책 100만 권을 담을 수 있다고 한다. 나노 슈퍼구조체는 자성 메모리 매체뿐 아니라 광메모리 분야, 자성 반도체 트랜지스터 소재, MRI조영제 개발등에 응용될 수 있다.     <출처 : 위키백과>

 

 

그러면, 다음은 나노 금입자에 대한 설명이다.

 

금나노입자는 금의 입자 크기가 나노미터 스케일의 것으로, 1~100nm 정도 크기의 입자를 말한다. 크기가 매우 작아 일반적인 광학현미경으로 관찰이 어려우며, TEM, SEM 등 고해상도 현미경을 이용하여 관찰할 수 있다.

고체의 경우 금나노 입자는 완전한 구 모양이 아니라 불규칙한 모양으로 되어있으며 각각의 모양과 크기에 따라 상태와 색상이 다르다. 일반적으로 벌크 상태 금의 중요한 물리적 특성인 녹는점이 1064 ℃인 반면 2 nm 크기의 금 나노 입자의 경우 500 ℃로 전혀 다른 녹는점을 가지게 된다. 그리고 금을 나노 단위까지 쪼개면 금색은 사라지고 진한 포도주색으로 변하게 된다. 이는 벌크 상태의 금의 경우 가시광선의 빛을 전혀 흡수를 하지 않지만 100 nm 미만의 크기를 가지는 금 나노 입자의 경우는 530 nm의 가시광선을 강하게 흡수함으로써 색깔이 진한 적포도주색을 띄게 된다.

 

금나노입자를 제작하는 방법은 1951년 Turkevitch에 의하여 처음으로 보고되었는데 이때 물속에서 금 이온을 시트릭산을 이용하여 환원시켜 약 20 nm의 나노 입자를 제작하였다. 이후 1973년 Frens는 환원제와 안정화 물질의 몰 비를 조절하여 16에서 147 nm까지 다양한 크기를 가지는 금 나노 입자를 제작하는데 성공하였다. 이때 금이온과 안정화 물질의 몰 비를 변화시켜 크기를 조절할 수 있다.

나노 입자의 경우 크기에 따라 물리 화학적 특성이 크게 변하므로 균일한 크기의 나노 입자를 합성하는 것이 중요한데 위의 방법으로 합성된 나노 입자는 크기 분포가 넓다. 따라서 크기 분포를 줄이기 위해 크기에 따른 용해도 차이를 이용하여 큰 입자들을 침전시키는 방법을 사용하여 크기를 균일하게 합성할 수 있다.

1994년 Brust 등은 이중 상에서 티올(thiol)을 이용하여 나노 입자 크기 분포가 크게 개선되고 크기를 쉽게 조절할 수 있는 합성 방법을 발표하였다.  이렇게 제작된 금 나노 입자는 열적 안정성과 공기에 대한 안정성이 크게 개선되며 티올 리간드에 의하여 안정화되어 침전이 일어나지 않고 쉽게 유기용매에서 다른 리간드로 치환이 가능하다는 장점을 가지고 있어 이후 수많은 연구 그룹에서 유사한 방법을 이용하여 다양한 종류의 금속 나노 입자를 제작하였다.

 

아래 그림은 Brust 방법에 의하여 제작된 금 나노 입자의 리간드를 다양한 작용기를 가지는 리간드로 치환하는 도식을 나타낸 것이다. 새로운 작용기를 가지는 리간드로 치환하는 반응은 원하는 DNA나 단백질을 나노입자에 결합시키고자 할 때 많이 사용된다.

 

미세 이멀젼이나 역미셀을 형성하는 표면활성제를 이용하여 미세 환경 하에서 금속 이온을 환원시켜 금 나노입자를 제작할 수도 있다. 이 방법의 경우 앞의 이중상에서 반응시키는 방법에 비해 크기 분포가 훨씬 좁고 크기 조절 역시 용이하다. 그리고 역미셀을 이용하는 방법의 경우 이미 형성된 나노 입자에 다른 금속 이온을 반응시켜 코어‐쉘 구조를 만들 수 있다는 장점도 있다. 이외에 음파 분쇄법, 광화학적 방법, 방사선 분해법 등을 이용하여 금속 나노 입자를 제작할 수 있다.

 

최근에는 금 혹은 은 나노 입자를 씨앗으로 사용하여 상온에서 이방성으로자라게 하는 방법이 개발되어 씨앗과 금속 이온의 농도 비에 따라 다양한 종횡비를 가지는 나노 막대 혹은 나노선을 제작할 수 있다. 아래 그림은 금속 나노 막대 및 나노선의 성장 메커니즘을 보여주고 있다.

 

 

일반적으로 씨앗 나노입자를 제작하는 경우 입자를 안정화시키기 위해 표면을 표면활성제가 둘러싸게 된다. 입자를 둘러싸는 표면활성제의 양은 씨앗 나노입자의 결정면에 따라 달라지게 되는데 이는 각 면의 반응성이 다르기 때문이다. 이때 결정면의 (100)면에 비하여 (111)면의 노출이 심하다. 따라서 새로 첨가된 금속 이온은 노출이심한 (111)면에 붙으면서 나노 막대 혹은 나노선으로 성장하게 되는 것이다.

 

일반적으로 Au, Ag, Cu의 경우 나노 입자를 형성하게 되면 벌크 금속과 달리 가시광선에서 강한 흡수 현상을 보이게 되는데 이를 보통 플라즈몬 밴드라 한다. 금 나노 입자의 플라즈몬 흡수는 금 나노 입자의 표면에 존재하는 전도대의 6s 전자와 입사되는 전자기장과의 작용에 의하여 생기게 된다. 금 나노 입자의 경우 530 nm 근처에서 강한 흡수를 하며, 은 나노 입자의 경우 420 nm, 구리 나노 입자의 경우 580 nm에서 강한 빛을 흡수한다.

 

이러한 금속 나노 입자의 플라즈몬 밴드 위치 및 크기는 1908년 발표된 Mie의 원리에 의하여 구할 수 있다. 그리고 금속 나노입자의 플라즈몬 흡수 파장 및 흡광계수는 금속 입자의 크기 및모양과 주위물질의 유전상수에 크게 의존한다. 그림 5의 경우 금 나노 입자의 크기에 따른 흡광도의 차이를 보여주고 있다. 아래 그림에서 보이는 바와 같이 크기가 2 nm 이하의 경우 플라즈몬 흡수가 아주 미미하며 크기가 증가할수록 흡수가 강하게 이루어짐을 알 수 있다.

 

금속 나노 입자를 이용한 단전자 소자, 화학물질 센서, 바이오 센서, 약물전달 및 촉매 등에의 응용에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 금속 나노입자는 이들의 광물리적, 화학적 성질을 이용하여 단일 세포및 단분자 분석이 가능한 나노 생체 분석이나 기존의 바이오센서에 나노 기술이 접목된 나노바이오 센서 개발에 많이 사용되고 있다. 금속 나노 입자의 표면 플라즈몬 흡수 특성과 주위 환경의 변화에 민감하게 반응하는 점을 이용하여 단백질‐단백질 상호 작용과 다른 생체 분자간 (단백질‐리간드, 항원‐항체) 상호 작용 및 DNA 배열 해독에 응용할 수도 있다.

 

아래 그림은 금 나노 입자를 이용하여 DNA를 검출하는 방법을보여주고 있다. 전극 사이에 단일 가닥 DNA를 고정시키고금 나노 입자에 붙어 있는 DNA를 넣어 전기적 신호를 측정하는 것이다. 이때 상보적인 DNA만이 표면의 DNA와 서로결합하여 표면에 금 나노 입자의 밀도가 높이므로 전류의 세기를 측정함으로서 DNA를 검출할 수 있게 되는 것이다.

 

 

비슷한 원리를 이용하여 표면에 비오틴 (biotin, 비타민 B 복합제의 일종) 을 고정시키고 금 나노입자에 스트렙타비딘(streptavidin, 방선균이 생산하는 분자량 약 6만의 단백질) 을 연결한 뒤 전기적 신호를 측정함으로써 스트렙타비딘의 농도를 측정할 수도 있다. 나노 바이오센서의 장점은 손상을 극소화하면서 단일 세포를 직접 분석가능하고, 응답 시간이 빠르고 감도와 선택성이 뛰어나 연속측정이 가능하며 초고속 분석이 가능하다는 점이다. 그리고 나노 입자의 광학적 특성을 이용하여 나노 입자에 생물질을부착시켜 원하는 세포나 기관에 바이오 물질을 옮기는 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

 

벌크 상태의 금은 화학적으로 상당히 안정한 물질로 알려져 있지만 나노미터 크기의 금 입자는 전자 친화도나 산화에너지 값이 바뀌면서 촉매로서의 활성을 가진다. 이러한 성질을 이용하여 일산화탄소와 같은 유해가스를 이산화탄소로 처리하거나 올레핀(olefine, 에틸렌계 탄화수소) 의 수소화 반응, 물의 수소발생 반응에서 촉매로서 높은 반응성 및 선택성을 보인다. 그리고 금 나노 입자를 산화티타늄 표면에 증착하는 경우 광촉매 효율을 크게 증진시킬 수 있다.

 

금나노입자에 항암제 등 약물을 부착시켜 입자를 약 운반제로 이용하거나, 특정 항체를 부착시켜 세포 표면에서 항원을 검출할 수 있는 가능성이 있다. 루마티스 관절염의 치료제 등의 의료 분야 뿐 아니라 다양한 분야에 사용될 수 있는 차세대 신 물질이다. <출처 : 물리학과 첨단기술 2006년>

 

 

 

응용분야면에서 금 나노입자가 각광받고 있는 이유는 생체 내에서 면역거부반응이 없고 독성도 없다는 것이다.

주로 적용되는 기술은  ▲금 나노입자의 형광특성을 이용한 진단키트 ▲ 금 나노입자의 X선 흡수를 이용한 암세포 조영제 ▲ 금 나노입자(골드 케이지)의 광열효과를 이용한 암세포 치료제를 들 수 있다.

 

금 나노입자는 X선 흡수율이 우수해 기존 조영제에 비해 소량으로도 정확한 측정이 가능하기 때문에 부작용을 크게 감소시킬 뿐 아니라 치료제로서도 탁월한 효과를 보여주는 것으로 나타났다.