STEAM R&E 연구결과보고서
(Porphyrin의 pH 의존적 Kc에 관한 탐구)
2015. 11. 16.
세종과학예술영재학교
< 연구결과 요약 >
과 제 명 Porphyrin의 pH 의존적 Kc에 관한 연구 연구목표
헴과 엽록소의 포르피린과 금속의 결합에 H+가 미치는 영향을 정성/정량적 으로 분석한다. 분광법을 이용해 엽록소의 Mg2+와 H+의 치환반응 평형을 정량하고, H+의 계수가 포함된 완결된 평형상수식을 제시한다.
연구방법
1. Heme에서 H+가 Fe2+-Heme 결합에 미치는 영향에 대한 개괄적 분석 Heme을 소 혈액으로부터 원심분리-화학적 용혈-단백질 침전의 프로토 콜로 추출한 후, Heme 수용액의 pH를 조절해 나타나는 현상을 정성적으 로 관찰하였다. pH에 따른 침전물의 상대적 양과, 침전물의 성분이 황화철 인지를 정성적인 분석법으로 확인하였다.
2. Chlorophyll에서 H+를 반영한 Kc 식 제시
Chlorophyll을 시금치로부터 조직 파쇄-아세톤 추출-헥세인 추출-물/아 세톤 용해의 프로토콜을 거쳐 수용액 형태로 제조하였다. Chlorophyll의 농도를 정량한 후, 일정량의 HCl을 가해 pH를 1~6의 범위로 조절하였다.
UV-Vis Spectroscopy를 통해 반응 후 엽록소의 농도를 정량하였고, linear fit를 통해 Mg2+ 하나와 치환반응을 일으키는 H+의 개수 비를 파악해 평형상수 식을 완성할 수 있었다.
연구성과
1. Heme에서 H+가 Fe2+-Heme 결합에 미치는 영향에 대한 개괄적 분석 Heme이 염기성 환경에 놓이면 큰 변화가 없었지만, 산성 환경에 S2-와 함께 놓이면 많은 양의 침전이 생성되었다. 침전의 성분은 정성적 HCl 검증법을 통해 H2S임을 확인하였다.
2. Chlorophyll에서 H+를 반영한 Kc 식 제시
엽록소에서도 pH가 감소할수록 흡광도가 감소하는 경향성이 파악되었다.
log( )의 linear fit를 통해 완결한 평형상수식은 다음과 같다.
주요어
(Key words) 포르피린, 헴, 엽록소, pH 의존적, 착화합물 평형, 치환반응
Ⅰ 개요
□ 연구 동기 및 목적
포르피린은 금속과 강하게 결합하는 분자로써 그 활용 범위가 무궁무진하다.
포르피린의 대표적인 활용 영역으로는 식용 색소, 의약품, 태양전지, 생체 모방 촉매, 유기지구화학, 초분자화학 등이 있다. 하지만 포르피린의 화학적 성질에 관한 지식은 포르피린의 응용에 관한 지식에 비해서 매우 미진한 상태이다.
따라서 이 연구를 통해 포르피린의 화학적 성질에 대한 이해를 더하고, 포르피린 을 활용하는 데에 있어 더 다양한 응용이 가능하도록 하는 과학적 밑바탕을 제시했으면 하는 바이다.
포르피린
□ 연구범위
포르피린은 자연계에 존재하는 리간드로, 다양한 금속과 착화합물을 형성할 수 있다. 본 연구에서는 자연계에 존재하는 포르피린을 이용해 다양한 금속과의 착화합물 평형에 pH가 미치는 영향을 확인하고, Mg2+와 H+의 치환반응 비를 구하여 [H+]를 포함한 평형상수 식(Kc)을 완결하였다. 먼저 Heme을 이용하여 pH가 낮을수록 착화합물이 불안정해진다는 것을 정성적으로 확인하였고, Chlorophyll을 이용해 H+가 포르피린 중심에 하나만 결합해도 Mg2+가 유리된다 는 사실을 정량적으로 검증하였다.
Ⅱ 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구 1.1 이론적 배경: 포르피린
1.1.1 Porphyrin
포르피린은 피롤(pyrrole) 분자 4개가 환형으로 결합한 형태의 원자단을 일컫 는 말이다(그림 1). 가장 간단한 포르피린인 ‘포르핀(porphine)’은 C22H24N4의 분자 식을 지니고 있다. 포르피린의 구조 중 가장 특징적인, 중심 공간 주위로 존재하 는 4개의 질소 원자는 포르피린의 가장 중요한 물성인 리간드로서의 기능을 부 여해준다. 질소의 비 공유 전자쌍이 금속 양이온에 전자쌍을 제공해 배위결합을 형성하고, 이를 중심 공간 속에 고정하게 된다. 중심 공간의 반지름은 60~70pm 이며1), 이는 Ni[II], Cu[II]의 이온 반지름과 매우 유사하다. 포르피린과 안정된 착 화합물을 이룬다고 확인된 금속으로는 Ni[II], Cu[II]2), Mg[II], Fe[II,III]3), V[III], Zn[II]4) 등이 있으며, 이들의 반지름이 중심 공간의 반지름으로 알려진 60~70pm 으로 국한되지 않는다는 점5)에서 포르피린의 다능성을 확인할 수 있다.
포르피린에 금속이 결합할 때는 포르피린에서 H+가 유리되어 나간 포르피린 음이온 형태로 결합한다는 것은 이미 증명된 바 있다. 이러한 작용은 수소가 결합함으로써 금속과 결합할 수 없었던 질소 원자 2개의 lone pair를 금속과 직접적으로 상호작용할 수 있도록 하는 효과와, 음이온이 되어 양이온인 금속 과 강한 쿨롱 인력이 작용하게 되는 효과를 유발시킨다. 따라서 H+의 농도가 금
속과 포르피린의 착화합물 형성에 중요한 역할을 할 수 있음을 짐작할 수 있다.
1.1.2 Heme
헴은 동물에서 흔히 발견되는 포르피린 분자이다. 척추동물, 절지동물 등의 순환계에 다량 존재하는 헤모글로빈, 근육 조직에서 O2분자를 저장하는 미오 글로빈, 세포호흡이나 광합성에서 사용되는 전자전달계의 시토크롬 등이 모두 헴을 보결분자단으로 가지고 있는 단백질이다. 동물의 헴은 Fe[II]를 중심 금속 원자로 가지고 있으며, 이 철 원자는 주변부의 아미노산 R기와 상호작용해 O2
Bridge를 형성하거나(그림 2) 스핀 상태를 변화하며 전자의 이동을 매개한다.6)
1.1.3 Chlorophyll
엽록소는 남세균, 지의류, 식물 등에 다량 존재하는 포르피린이다. 식물에서 엽록소는 광계(photosystem) 단백질 복합체에 고정된 채 엽록체 틸라코이드 막 에 분포한다. 엽록소는 헴의 철과 같이 중심에 존재하는 Mg[II] 이온과 배위결합 하고 있다. 이 Mg[II] 이온은 빛을 받은 뒤 형광을 방출하는 방식으로 빛 에너지 를 전달하거나, 그 에너지를 수용해 이온화되며 산화제의 역할을 수행한다.7)
1.2 사전 연구
혈액의 헤모글로빈으로부터 철을 공급받는 말라리아 원충 원충이 헤모글로빈을 흡수할 때 food vacuole이 산성 환 경으로 변화
Gabay et al. (1993)은 Heme에서 철을 빼내는 것과 pH 간의 관련성을 연구
연구 결과, 철이 잘 제거되는 조건을 발견 1) pH가 낮을 수록,
2) 단백질이 강하게 변성될 수록 철이 보다 잘 제거됨
출처 : T. Gabay et al., Hemoglobin Denaturation and Iron Release in Acidified Red Blood Cell Lysate--a Possible Source of Iron for Intraerythrocytic Malaria Parasites, Experimental Parasitology vol. 77, pp. 261-72(1993)
중금속을 S2-로 침전시켜 EDTA로부터 제거하는 실험을 진행
먼저 중금속을 침전시키면서 매개체 이온으로 치환을 한 후, 염기를 이용해 제거
중금속 이온을 매개체 이온으로 치환한 후, 염기로 모두 제거
이러한 방법들을 통해 리간드에 결합한 금속 이온을 제 거해 리간드를 재활용 할 수 있다는 가능성을 엿볼 수 있음
출처 : L. Di Palma et al., Recovery of EDTA and metal precipation from soil flushing solutions, Journal of Hazardous Materials vol. 103, pp.
153-168(2013)
1.2.1 포르피린의 산·염기 반응
천연 포르피린의 일종인 엽록소가 다양한 pH 환경에 노출되었을 시, 포르피 린 구조를 가진 다양한 물질로 변하게 된다. 그 대표적인 예로는 엽록소와 마 찬가지로 광계의 일원인 Pheophytin, 탄소 사슬이 제거된 수용성의 Chlorophyllin, 구리나 철 등을 첨가했을 시 형성되는 안정한 발색제인 Metal-Chlorophyllin 등이 있다. 하지만 이 대부분의 경우 생명과학 측면 (Pheophytin)이나 화학공학적 측면(Metal-Chlorophyllin)에서 많이 다뤄졌으며, 엽록소의 포르피린과 금속의 결합에 대해 정성적·정량적으로 분석한 연구는 찾 아볼 수 없었다.
□ 연구주제의 선정 1.3 연구 개요
1.3.1 연구 목표
이 연구가 제시하는 목표는 크게 다음 두 가지이다.
(1) Porphyrin과 금속의 결합을 pH-regulation을 통해 분리할 수 있음을 보인다.
(2) Porphyrin과 금속의 착화합물 평형에 H+가 미치는 영향을 실험과 수식으로 검 증한다.
∙연구 주제 선회의 변본 연구의 경우, 처음에 계획하여 제시했던 주제와는 다른 방향성을 가진 연구를 얻어내게 되었다. 아래는 연구주제 변경이 이뤄진 이유에 대한 짧은 설명이다.
처음에 연구주제를 선정하는 과정에서는 융합적인 요소를 많이 반영한 포르 피린의 활용에 초점을 두었다. 원래 주제는 폐기물로 버려지는 천연 포르피린 을 추출·가공해 중금속과 결합시키는 것을 실험하고, 중금속 제거, 물감 제작 등 다양한 융·복합적 응용을 시도하는 것이었다. 하지만 연구를 진행하던 도중 포르피린의 화학적 성질과 같은 기초자료가 응용 파트에 비해 상당히 부족하 다는 사실을 인지하였고, 이로 인해 연구의 방향을 STEAM의 요소가 모두 결합 된 융합 프로젝트에서 순수과학 방면으로 선회하게 되었다. 하지만 후속 연구 로는 포르피린의 검토되지 않았던 응용 분야를 다뤄볼 생각이며, 그 과정에서 는 더더욱 포르피린에 대해 융·복합적인 측면으로 깊이 있게 접근할 수 있을 것이다.
□ 연구 방법
2.1 Demetalizing Blood-Derived Heme
2.1.1 Hemoglobin Separation
이 실험의 가장 중요한 재료인 헴을 얻기 위해서는 먼저 헤모글로빈을 다음 과정을 통해 정제하는 과정이 필요하다. 실험에는 소 혈액을 이용하였다.8)
[준비물]
소 혈액, 헤파린(Sigma-Aldrich), 톨루엔(Sigma-Aldrich), 원심분리기(DSC-200T), Conical Tube(15ml), 거름종이(Advantec, 110mm), 메스실린더(Pyrex), 비커(Pyrex), 냉장실
[실험방법]
1) 혈액을 채취(헤파린 첨가를 통한 응고방지)한다.
2) 3100rpm에서 15분 동안 원심분리 한다.
3) 하층(적혈구)만 분리한다.
6) 적혈구, 증류수, 톨루엔을 1.4:1.0:0.4의 부피비로 가해 적혈구를 용혈시킨다.
7) 섭씨 4도에서 10시간 이상 보관한 뒤 하층액(물)을 취한다.
8) 거름종이로 여과한다.
2.1.2 Peptide Precipitation
헴을 감싸고 있는 글로빈 펩타이드는 헴과 결합하고 있지 않은 Fe[II]의 binding site 2개를 고정하고 있다. 따라서 순수한 포르피린의 효과만 확인하기 위해서는 펩타이드를 제거하는 과정이 필요하다. Acetone-Acid Precipitation 과 정은 다음과 같다.9)
[준비물]
헤모글로빈 용액, 염산(10%), 아세톤(95% Assay), 헝겊, 거름종이(Advantec, 1110mm), 교반기, 30mm stirring bar, 비커(Pyrex)
[실험방법]
1) 헤모글로빈 용액과 아세톤(95%), 염산(10%)을 5:1:1(V:V:V)로 혼합한다.
2) 5시간동안 교반한다.
3) 헝겊과 거름종이로 여과한다.
4) 펩타이드 성분의 슬러지가 제거된 후의 용액은 다량의 헴을 포함하고 있다.
2.1.3 Demetalizing
pH에 따른 Demetalizing 여부를 검증하기 위해 선택한 반응식은 다음과 같다.
→
[준비물]
헴 용액, Na2S(95%, Sigma-Aldrich), HCl(10%), NaOH(98%), 교반기, 30mm stirring bar, 비커(Pyrex), 뷰렛(Pyrex), 뷰렛 코크(PVC), 스탠드/뷰렛 클램프
[실험방법]
1) 헴 용액 50ml의 pH(=10.4)를 1, 5, 9, 13으로 HCl과 NaOH 시약을 이용해 조절한다.
2) 산-염기 평형의 도달을 위해 30분간 교반(rpm=300)한다.
3) Na2S 0.5M 수용액을 제조한다.
4) 뷰렛을 이용해 Na2S 수용액 30ml를 천천히 흘려준다.
5) 투입이 완료된 후 반응의 종결을 위해 30분간 교반한다.
6) 거름종이로 여과한다.
2.1.4 Qualitative Analysis
헴 용액과 Na2S를 통해 얻어낸 침전물의 성분을 확인하기 위하여, 침전의 주성분을 정성적으로 파악해내기 위한 Hydrochloric acid법을 수행하였다10).
[준비물]
2.1.3의 침전물, HCl(10%), pH 미터기(Vernier), 집기 플라스크(Pyrex), 실리콘 튜브, 파라필름
[실험방법]
1) 침전물을 한 쪽 집기 플라스크에, pH=7인 증류수를 반대쪽 집기 플라스크 에 투입한다.
2) 침전물이 담긴 집기 플라스크에 HCl 용액을 첨가한 후, 파라필름으로 양쪽 플라스크를 모두 봉한다,
3) 반응이 종결된 후 증류수의 pH를 측정한다.
2.2 Confirming K
cEquation 2.2.1 Chlorophyll Separation
본 연구에 사용된 엽록소는 시금치를 이용하여 추출하였다. 시금치로부터 엽록 소를 추출하고 정량하는 과정은 총 두 단계(Acetone Extract, Hexane-Water Solvent Extraction)를 거쳐 진행되었다.
2.2.1.1 Acetone Extract
시금치 잎 조직에서 엽록소 성분을 추출하기 위하여 Acetone Extract를 사용하였 다.
[준비물]
시금치 잎, 아세톤(덕산), 믹서, 비커(Pyrex), 천, 거름종이
[실험방법]
1) 시금치 잎 조직을 믹서를 이용해 분쇄한다.
2) 분쇄된 조직과 아세톤을 비커에 넣는다.
3) 10시간동안 실온 보관한다.
4) 천을 이용해 슬러지를 여과한 후, 거름종이를 이용해 부유물을 처리한다.
2.2.1.2 Hexane-Water Solvent Extract
Acetone Extract에는 엽록소뿐만 아니라 카로티노이드와 같은 수용성 불순물도 포함되어 있다. 이를 제거하기 위해 일반적으로 사용하는 헥세인을 이용한 Solvent Extract법을 적용하여 카로티노이드를 제거하였다. 또한, 결과를 검증하기 위한 Paper Chromatography를 수행하였다.
[준비물]
시금치 Acetone Extract, 헥세인(덕산), 교반기와 Stirring Bar, 피펫
[실험방법]
1) 시금치 Acetone Extract와 Hexane를 1:1(V/V)혼합한다.
2) 교반기를 이용해 1500rpm에서 1시간동안 교반한다.
3) 밀봉한 후 섭씨 5도에서 보관한다.
4) 피펫을 이용해 헥세인 층을 걷어낸다.
2.2.2 pH-Regulated Mg-Porphyrin Equilibrium
본 연구에서는 pH가 엽록소-Mg2+의 평형을 결정하는 인자로 작용할 것이라 는 가설을 세웠다. 따라서 실제로 pH에 따라 엽록소의 흡광도가 변하는 정도 를 정량해 [H+]가 반영된 평형상수 식과 그 값을 구하고자 한다.
→
2.2.2.1 Chlorophyll solution pH regulation
Chlorophyll은 불용성이므로, 수용액 상에서 온전히 반응을 일으키기 어렵다.
따라서 Chlrophyll의 탄화수소 꼬리를 제거해 수용성으로 만드는 작업을 거친 후11), 수용액의 pH를 조절하였다.
[준비물]
Chlorophyll solution(aq), NaOH(0.1M), HCl(10%), pH meter(Vernier), 마이크로 피펫(팁), Syringe(Kovax)&Syringe filter(Whatman)메스실린더 등 초자(Pyrex)
[실험방법]
1. Chlorophyll solution에 NaOH 수용액을 첨가해 pH=11로 조정한다.
2. 약 10분 동안 반응시켜 Na/Mg-Chlorophyllin(aq)를 만든다.
3. 완성된 Chlorophyllin 수용액에 HCl 수용액을 첨가해 pH=1~3의 용액을 만들고, 등온에서 보관한다.
4. Syringe Filter로 여과한 후, UV-Vis Spectrometer를 이용해 흡광도를 측정 한다.
2.2.2.2 UV-Vis Spectroscopy
[준비물]
2.2.2.1의 pH별 용액, UV-Vis Spectrophotometer (Shimadzu), 큐벳(quartz), 마 이크로피펫(팁)
Chlorophyll의 정량을 위해 UV-Vis Spectroscopy를 이용하였다. Chlorophyll의 농도는 Arnon(1949)12)의 공식과 흡광도 데이터를 이용해 계산하였다.
2.2.2.3 Data linear fit
측정한 몰농도를 이용해 Mg2+ 이온 하나를 치환하기 위해 포르피린에 결합 하는 H+의 개수 비, 즉 n을 계산하려면 평형상수 식의 수학적인 정리가 선행 되어야 한다.
log
log
log
log
여기에서 독립 변수는 pH, 종속 변수는 log
이므로 n은 곧 위 둘을 도시한 선형 그래프의 기울기×(-1)이 되고, Kc는 10(그래프의 y절편)이 된다.
□ 연구 활동 및 과정
비록 결과 보고서에는 성공한 실험만 포함되었지만, 수많은 실험들이 미 흡한 사전 조사와 연구자의 경험 부족에 의해서 수포로 돌아갔다. Heme을 이용한 첫째 실험에서는 헤모글로빈에서 헴을 추출하지 않고 통째로 사용하 면서 결과 도출에 어려움을 겪었기도 하였고, 이론에 대한 이해가 미흡해 산성 환경에서만 가능한 demetalizing 과정이 염기성 환경에서만 일어난다고 단정 지었던 순간도 있었다. Chlorophyll을 이용한 실험에서도 많은 시행착 오를 거쳐야만 했다. 수용액을 만들기 위해 증발시켜야 하는 아세톤과 물이 혼합된 추출액이 10여 일 동안 다 기화되지 않아 곤욕을 치르기도 하였으 며, 걸러야 하는 용액의 양이 많음에도 불구하고 천으로 1차 여과를 하지 않아 거름종이로 5시간을 넘게 붙잡고 씨름하던 날도 있었다. 또, 난용성인 엽록소가 콜로이드 상태로 존재한다는 것을 인지하지 못하고 syringe filter로 여과했다가 거의 모든 대역에서 투명한 액체가 걸러져 나오는 일이 있었다.
하지만 대부분의 어려움은 지속적인 문헌조사로 돌파구를 찾아낼 수 있었 고, 결국에는 만족스러운 결과를 얻어내게 되었다.
Ⅲ 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
3.1 Demetalizing Blood-Derived Heme
3.1.1 Demetalizing Blood-Derived Heme
2.1에 제시된 실험을 통해 다음과 같은 사실을 정성적으로 확인할 수 있었다.
1) Heme 용액의 pH를 조절하고 Na2S 용액을 첨가하면 침전 반응이 일어난다.
2) 침전되는 물질의 양은 pH가 낮아질수록 증가한다.
3) 침전된 물질은 FeS이다.
3.1.2 Qualitative HCl Analysis
침전물의 성분을 정성적으로 확인하기 위해 수행된 HCl 분석법을 통해 FeS가 침전되었음을 확인하였다. 침전물과 HCl을 반응시켜 얻은 정성적 결과는 다음 과 같다.
1) 침전물과 염산이 반응해 기포가 발생하였다.
2) 소량 첨가한 증류수의 pH가 4.2까지 감소하였다.
3) 파라필름을 제거하자 악취가 났다.
이에 따라 본 연구에서는 FeS + 2HCl → H2S + FeCl2 의 반응이 일어났으 며, Heme으로부터 철을 제거하였다고 판단하였다.
3.2 Confirming K
cEquation
3.2.1 UV-Vis Spectroscopy
pH가 서로 다른 Chlorophyll solution filtrate의 UV-Vis Spectroscopy 결과와, Arnon 공식을 통해 계산한 몰농도의 값은 다음과 같다.
Abs[663] Abs[645] mol/L
기존 용액
0.535 0.545 1.7×10-5pH=1
0.246 0.247 7.79×10-6pH=1.5
0.284 0.285 8.99×10-6pH=2
0.412 0.505 1.39×10-5pH=2.5
0.454 0.552 1.52×10-5pH=3
0.485 0.539 1.58×10-53.2.2 Data linear fit
2.2.2.3에 상술된 바와 같이 pH와 로그 함수 값에 대한 linear fit을 실시하였 고, 그 결과 기울기가 -1.0813이며 y절편이 -3.9397인 선형 그래프를 얻어내었 다. 따라서 Mg2+는 H+가 엽록소에 하나만 결합하더라도 포르피린에서 제거됨 을 확인할 수 있었다. 또한 Kc의 값은 10(y절편)으로서, 1.15×10-4(25〫 C)로 확인되 었다. 신뢰도(R2)는 0.9812로, 상당히 신뢰할 만한 결과임을 확인하였다.
3.3 결론
Heme와 Chlorophyll를 이용하여 수행한 일련의 실험들을 통해 H+가 금속-포 르피린 사이의 결합에 미치는 영향을 평형상수식의 결정을 통해 정성적, 정량 적으로 파악할 수 있었다. 완성된 평형상수 식은 다음과 같다.
Chlorophyll의 경우, H+가 중심부의 질소 원자에 하나만 결합하더라도 중앙 의 금속 이온이 유리되는 것을 확인하였다. 이 현상이 발생한 이유는 H+의 결 합으로 실질적인 내부 공간의 반지름이 감소해 온전히 모든 비 공유 전자쌍과 상호작용할 수 없을뿐더러, 양이온과 배위 결합하는 질소 부분의 음전하가 반 감되어 결합력이 크게 저해돼서인 것으로 보인다.
□ 시사점
이 연구를 통해 사전 문헌조사의 중요성을 깨달을 수 있었다. 하루의 실험을 진행하기 위해서 필요한 이론적/실험적 지식을 얻는 데에만 1주일 이상의 조사 가 수반되었다. 그럼에도 실험이 단번에 완벽하게 되지 않은 것을 통해, 연구의 가장 기저가 되는 사전 조사가 초반에 조금 부족했음을 느꼈다. 덕분에 후반 연 구에는 철저하게 이론 조사를 해서 실험 방법론적의 측면에서 크게 오류가 발 생하지 않을 수 있었다. 물론 위의 시행착오 항목에서 언급한 것과 같은 자잘한 시행착오는 발생했지만, 그래도 연구의 방향을 통째로 수정해야만 하는 수준의 중대한 오류는 예방할 수 있었다.
또한, 이 연구를 하면서 우리가 융합을 추구하는 이유에 대한 많은 고민을 할 수 있었다. 평소에 과학과 인문·예술은 서로 분리된 영역이라고 생각하 는 바가 컸는데, 이번 STEAM R&E를 준비하면서 그 둘의 융합이 추구되어 야 하는 이유가 무엇인지 깨달을 수 있었다. 과학은 수단적인 측면이 강하 다. 다양한 지식을 축적하고, 기술을 개발하며, 이의 응용 방안을 찾는 데에 특화되어 있는 분야가 바로 과학이다. 하지만 인문은 목적성이 더 강한 학
문이다. 사람을 중심에 두고 인간들의 행동과 심리, 복지를 위해 고민하는 인문학은 결국 그 목적을 인간에 두는 데에 존재 의의가 있다. 이러한 상반 된 두 학문의 융합은 완벽한 시너지를 자랑한다. 과학은 수단이 있음에도 불구하고 절대적인 목적이 없어 전쟁 기술이나 살상 무기와 같이 잘못된 목적으로 빠지기 쉽고, 인문은 자연 현상이 바탕이 되지 않으므로 목적은 분명한 데에 비해 심리 분석의 부정확성, 법의 논리 상충 등 수단적인 측면 에서 여러 방면으로 부족함을 느끼는 경우가 많다. 과학과 인문의 융합은 목적이 없는 수단과 수단이 없는 목적의 연결이며, 이는 목적과 수단을 모 두 갖춘 새로운 학문의 탄생인 것이다. 이러한 사고는 이번 STEAM R&E 활 동에도 반영되어, 포르피린의 활용법에 대해 고민하던 순간에도 언제나 사 람에게 도움이 되는 기술이 대체 무엇일지에 대해 생각하게 되었다.
Ⅳ 홍보 및 사후 활용
□ 후속 연구 계획
이번 연구를 통해 포르피린이 어떤 물질인지를 보다 잘 이해하게 되었다.
따라서 후속 연구는 포르피린의 화학적 성질을 바탕으로 한 응용 분야 확 장에 관해 이루어질 것이다. 포르피린이 다양한 pH 환경에서 일으키는 반 응들을 통해 포르피린 내부 공간의 화학적 성질을 바꾸고, 이를 다양하게 활용하는 것이 가능할 것이다. 예를 들면, 엽록소를 염기성-산성-염기성 환 경에 순서대로 노출해 주면 중앙의 Mg2+가 Na+로 치환되고 탄화수소 꼬 리가 잘려나가 수용성이 된 엽록소가 될 것으로 생각되는데, 이를 이용해 중금속을 제거해 볼 수 있을 것이다. 또한, pH에 따라 흡광도가 달라지는 현상을 이용, 지시약으로서의 사용 가치도 파악할 수 있을 것이다.
□ 연구 결과 확산
지금까지의 연구 성과를 한국영재학회와 같은 청소년 학회에 발표할 것을 계획하고 있다. 이를 통해 포르피린에 관한 화학적 지식을 공유할 뿐만 아 니라, 포르피린에 관심이 있는 다른 학생들이 연구를 시작할 수 있는 초석 이 되었으면 한다.
Ⅴ 참고문헌
01) W. Kaim, B. Schwederski, Bioanorganische Chemie, 4th edn. (B. G. Teubner, Wiesbaden, 2005)
02) L. K. Blush, The Siamese-Twin Porphyrin and Its Copper and Nickel Complexes:
A Non-Innocent Twist, Springer Inorganic Chemistry (2013) 03) N. Campbell
et al.
, Campbell Biology 9th edition (2012)04) M. Lewan, J. B. Maynard, Factors controlling the proportionality of vanadium and nickel in the bitumen of organic sedimentary rocks. Geochim Cosmochim Acta (1982)
05) R. D. Shannon, Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta Cryst A32: 751–767. (1976) 06) H. Z. Zhao
et al.
, Mechanisms for the Direct Electron Transfer of CytochromeC Induced by Multi-Walled Carbon Nanotube, Sensors(Basel) (2012) 07) N. Campbell
et al.
, Campbell Biology 9th edition (2012)08) 김기범 외 9명, 혈액대용물질의 제조 및 특성평가, Korean Chemical Engineering Research, Vol. 46, pp. 626-632 (2008)
09) Patent: CN1186807 A.
10) Wikipedia, Iron[II] Sulfide, ‘en.wikipedia.org’, 6 Jul 2015
11) E. Monroe, Preparation of chlorophyll derivatives for industrial and pharmaceutical use, U.S. Bureau of Agricultural and Industrial Chemistry (1951) 12) E. Arnon, Copper Enzymes In Isolated Chloroplast. Polyphenoloxidase in
