질량분석을 변화시키는 ‘나노 꽃’ 개발
질량분석은 현대 과학에서 없으면 안 될 분석수단의 하나이다. 최근에는 물질의 질량을 측정하 는 수단으로서 단백질이나 DNA 등의 분석이 활발하며, 특히 ‘프로테옴’ 해석을 통해 신의약을 개발하는 바이오 분야나 유해 화학물질에 대해 신속하고 간단한 분석이 필요한 환경분야에 있어 서도 매우 중요한 수단이다. 그 중에서도 ‘매트릭스 지원 레이저 이탈 이온화 질량분석법 (MALDI-MS)’은 시마즈 제작소의 다나카 고이치(田中耕一)가 2002년에 노벨 화학상을 수상한 분석방법으로 잘 알려져 있다.
도쿄대학대학원의 요네자와 토오루(米澤徹) 연구팀은 나노 입자의 화학적 제작 기술을 활용하 여 백금 이온의 용액 안에서 수소화 붕소 나트륨이라는 강력한 환원제를 사용, 이온을 환원시킴 으로써 백금의 나노 사이즈 입자 표면에 1∼2 nm 두께의 꽃잎 모양의 박편을 생겨나게 하는데 성공하였고, 이를 ｢나노 플라워｣라고 명명했다(Figure). 이 나노 플라워를 레이저 이탈 이온화법 측정 플레이트의 표면에 도포한 뒤 샘플과 이온화제를 도포하여 LDI-MS측정을 했다. 그 결과 분자량이 최대 20 kDa (1 Da = 1 g/mol)의 분자까지 이탈 이온화가 가능하고 극히 소량으로 이온 화 할 수 있는 것을 알아냈다. 게다가 무기입자를 사용하고 있기 때문에 유기 매트릭스를 이용할 경우 나타나는 매트릭스 분자 및 그 분해 피크를 억제할 수 있는 이점도 알아냈다. 고분자량은 물론 지금까지 MALDI-MS로는 어렵다로 여겨진 m/z < 1000의 저분자영역 [m/z는 질량전하비, 즉 이온의 질량(m)을 전하수 (z)로 나눈 값]에서의 측정도 용이해져 약물 검사, 약품검사 등의 간이검사에 MALDI-MS를 이용할 수 있는 가능성이 높아졌다.
Figure. 백금 나노플라워 SEM 사진.
출처: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/info/press/press-2007-21.html 소 대 섭 (KISTI)
발광 유기 나노튜브 제작 성공
일본의 산업기술총합연구소 계면나노아키텍토닉스연구센터의 아사카와 마스미(淺川眞澄) 주임 연구원은 분자가 자기조립하여 형성하는 유기 나노튜브(이하 ONT-AIST)에 형광분자를 섞음으 로써 형광을 발광하는 나노튜브(이하 발광성 ONT-AIST)를 개발했다(Figure). 발광성 ONT- AIST는 양친매성(兩親媒性)분자가 용액 안으로 자기집합하는 과정 중에 형광분자를 첨가하여 발광 유기 나노튜브를 얻은 것이며, 나노튜브의 관벽에 형광분자가 안정적으로 혼입되는 구조이 다. 형광분자를 가하여도 유기 나노튜브 내부 구조는 비어 있는 채로 남아 있어 약제 등을 내부 에 받아들일 수 있게 된다. 이 발광성 ONT-AIST를 이용하여 지금까지 어려웠던 ONT-AIST의 생체 내 관찰이 용이해져 ONT-AIST를 통한 약제 운반 상황 해석에 응용될 것으로 기대된다.
Figure. 왼쪽부터 무발광, 적색, 귤색, 황색, 청색으로 발광하는 유기 나노튜브 사진.
출처: http://www.aist.go.jp 소 대 섭 (KISTI)
세포 내 SWCNT의 직접 묘화
Direct imaging of single-walled carbon nanotubes in cells
Single-walled carbon nanotube (SWCNT)의 다양한 생의학적 응용에 관한 연구가 주를 이루 었으나 세포에 대한 독성문제가 제기됨으로써 세포독성 및 uptake에 관한 연구가 새롭게 대두되 고 있다. 이러한 SWCNT의 다양한 세포에 대한 독성은 이미 밝혀졌지만, 탄소가 주성분인 세포 구조와 역시 탄소로 이루어진 SWCNT의 구별이 어려워 uptake에 관한 직접적인 관찰은 이루어 지지 못하였다. 본 연구는 TEM (transmission electron microscopy)과 공초점 현미경(confocal microscopy)을 이용하여 HMMs (human monocyte-derived macrophages) 내의 SWCNT를 관찰 하였다. Macrophage (대식세포)는 외부 물질이 몸에 들어올 때 제일 먼저 스스로 방어하는 역할을 담당하기 때문에 SWCNT가 몸 안에 흡수된다면 macrophage에 의해 가장 먼저 흡수될 것이다.
HMMs를 2~4일 동안 서로 다른 SWCNT 농도에서 처리하여, 처리시간 및 농도에 따른 HMMs 파괴를 관찰하였다. 2일이 경과했을 때 가장 높은 SWCNT 농도(10 mg/L)로 처리한 경우에도 HMMs가 거의 파괴되지 않았으나 4일이 지났을 때는 60% 수준으로 생존율이 크게 감소하였다.
2일 후에 SWCNT가 lysosome으로 들어가는 것이 관찰되었고, 4일 후 cytoplasm과 nucleus에 들 어간 것이 관찰되었다. 이는 SWCNT가 세포 내 단백질, 세포기관 및 DNA와도 상호작용할 수 있다는 것을 시사한다.
나노 기술은 산업 및 생활용품에 다양하게 응용되면서 각광받고 있으나 위해성에 대한 연구도 항상 병행되어야 할 것이고 일반인들의 나노 기술에 대한 인식을 새롭게 전환하는 노력이 필요 할 것이다.
출처: Nature nanotechnology 2 (2007) 713-717 심 상 준 (성균관대학교)
내열 온도 300 ℃의 식물성 수지 개발
일본 JAIST 물질 과학 연구과에서는 식물에 포함된 자연 분자를 이용해 내열 온도가 섭씨 300 ℃ 를 넘는 식물성 플라스틱의 개발에 세계에서 처음으로 성공했다.
석유 재료인 플라스틱을 대체하면, 이산화탄소 배출량 삭감으로 연결될 것으로 기대된다. 경량 이기 때문에 자동차 부품 등에도 이용이 전망되어 관련 기술에 관한 특허를 출원하고 실용화에 나섰다. 식물성 수지는 휴대 전화기나 개인용 컴퓨터의 케이스 등에 이용되고 있는데, 내열성이 낮은 것이 문제 중 하나였다.
폴리유산을 주성분으로 하는 일반적인 식물성 수지의 내열 온도는 60 ℃ 정도이다. 그 때문에 석유계 수지나 광물 등을 혼합해 내열성을 높이는 경우가 많았다.
식물의 세포벽에 포함된 계피산류와 초산 유도체 등의 촉매를 폴리유산에 혼합했다. 계피산류 는 모든 식물의 세포벽에 포함되는 폴리페놀의 일종으로 벤젠환 구성 성분이 포함되기 때문에 내열 온도가 높아진다고 한다. 하지만, 계피산류와 촉매만 혼합했을 경우 내열온도는 169 ℃에 머 무른다. 이를 200 ℃을 넘는 고온으로 열처리 함으로써 화학 변화를 일으켜 300 ℃를 넘는 내열 온도가 된다.
연구팀에서는 수 년 전부터 폴리페놀 재료의 플라스틱 개발을 진행해 2년 전에는 169 ℃의 내 열성을 가진 플라스틱을 만들어 냈다. 이것을 다시 고온 고압에서 장시간 가열함으로써 내열성을 300 ℃ 이상으로 높이는 데 성공한 것이다. 새로운 플라스틱은 갈색으로 가열에 의한 화학반응의 영향으로 섬세한 기포가 발생하고 있다. 비중은 1.1로 가벼워 현재 자동차의 엔진 부품에 사용되 고 있는 석유 재료의 플라스틱(비중 1.6~1.8, 내열 온도 약 260 ℃)을 대체하면 엔진룸을 경량화 시킬 수 있어 연비 향상도 기대된다.
출처: KISTI 글로벌동향브리핑(GTB) 김 상 범 (경기대)
시편 준비가 필요 없는 새로운 질량 분광법
스크립스 연구소(Scripps Research Institute)의 질량 분광학자들은 최근 소형 분자의 신진대사 물 분석 및 질량 이미징에 적절한 질량 분광기술에 이용되는 새로운 탈착/이온화 방법(desorp- tion/ionization method)을 소개하였다(Nature 2007, 449, 1003). 나노구조 개시제 질량 분광법, NIMS (nanostructured initiator MS)는 소형 분자의 탈착 및 이온화를 개시하기 위해 표면 활성 분자(surface activator molecules)를 이용한다. 반면, 현재의 질량 분석법들인 매트릭스 공조 레이 저 탈착 이온화법(matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI))은 분자 매트릭스를 이용 하고(GTB2005040184, GTB2001020738), 이차 이온 질량 분광법(secondary ion MS (SIMS))은 고에너지 이온을 이용한다.
NIMS의 핵심은 다공성 나노구조 표면(porous nanostructured surface)의 구멍에 포획된 개시제 분자이다. 퍼플로린화된 고분자(Perfluorinated polymers)는 최고의 개시제 분자이며, 분석 분자가 녹지 않는 불소 상을 형성한다고 스크립스 질량 분광 센터장이자 분자 생물학 부교수인 게리 시 우즈닥(Gary Siuzdak)은 말했다.
NIMS에서 시료는 준비된 표면의 상부에 위치된다. 표면을 레이저 혹은 이온빔과 같은 광원으 로 가열하면 포획된 개시제 분자는 증기화된다. 이들이 표면에서 떨어져 나갈 때 시료 분자도 함 께 기체 상으로 변화되도록 만든다. 분석물 하부에서 잡아당길 수 있는 깔개로서 표면을 변화시 킨 것으로 고려될 수 있다고 시우즈닥은 말했다. 스크립스 연구진은 NIMS를 이용하여 혈액, 소 변, 절개된 조직 등의 다양한 시료를 분석하였다고 질량 분석 센터의 부연구원인 트렌트 노르텐 (Trent R. Northen)은 말했다. 노르텐은 의학 분석에 대한 새로운 가능성에 매우 흥분되어 있었 다. 이 과정은 시료 준비과정이 필요 없으며, 기본적으론 칩에 한 방울의 혈액을 떨어뜨린 후 이 를 분석하면 된다. NIMS는 단백질에서 보다는 신진대사물질과 같은 소형 분자에서 잘 작동한다.
물론 단백질도 이온화는 가능하다. 이러한 측면에서 NIMS는 소형분자 보다 단백질에서 원활히 작동하는 MALDI와 상보적이다. 레이저에 기반한 NIMS는 아토몰(attomole)의 시료를 분석할 정 도로 충분히 민감하며, 심지어 욕토몰(yoctomole)의 특정분자도 검출할 수 있다.
NIMS의 나노구멍 형태는 SIMS의 해상도로 MALDI의 분자 특정성을 획득할 수 있는 창조적 인 방법이라고 SIMS 이미징의 리더인 펜실베니아 주립대(Pennsylvania State University) 니콜 라스 위노그라드(Nicholas Winograd)는 말했다. 새로운 응용 분야의 도래를 지켜보는 것은 흥미 롭다. 시우즈닥 연구진은 실험실 내에 필요한 장비를 갖추고 있기 때문에 레이저에 기초한 NIMS 에 초점을 맞추었다. 그들은 다른 사용자들이 나노구조 표면과 개시제의 조합을 확인하길 기대하 고 있다. 이를 돕기 위해 연구진은 표면 제조법을 설명하는 비디오를 제작하였다.
출처: KISTI 글로벌동향브리핑(GTB) 김 상 범 (경기대)
Glycerol/O2 바이오 연료전지
Glycerol은 무독성, 비휘발성 및 비인화성인 특성을 지니고 있을 뿐만 아니라, 고 에너지 밀도 를 가지고 있으며, 바이오디젤 생산시 부산물로 나온다는 특성으로 인해 기존의 연료전지에 사용 하는 연료를 대체할 수 있는 대체제로서 매우 유망한 물질로 간주되고 있다. 그럼에도 불구하고 저온 혹은 귀금속을 사용하는 연료전지에 있어서는 연료로서 사용되지 못하고 있다. 미국 Saint Louis 대학의 한 연구팀은 효소에 의한 바이오 연료전지에 사용되는 연료로서 glycerol을 사용하 는 연구를 지난 수년간 수행하여 alcohol dehydrogenase와 aldehyde dehydrogenase를 기반으로 한 바이오 음극을 제조하여 이것이 glycerol을 산화시키는데 성공하였다고 밝혔다. 이러한 바이오 음극을 채택한 Glycerol/O2 바이오 연료전지는 1.21 mW/cm2 이상의 출력밀도와 98.9%와 같은 고농도에서 작동됨을 기록하였는데, 이는 기존의 바이오 연료전지가 저 지방족 알콜과 같은 연료 의 용매특성 혹은 당류와 같은 고체연료와 같은 성질 때문에 고농도의 연료에서는 효과적으로 작동되지 않았던 점을 획기적으로 개선한 결과라는 점에서 주목할 수 있다. 이들이 개발한 glyc- erol/O2 바이오 연료전지는 에탄올 바이오연료전지에 비해서도 출력밀도가 개선되었다고 주장하 고 있다.
출처: Journal of Power Sources Vol.173, pp156 (2007) 남 상 철 ((주)누리셀)
중국 e-bike 시장에서의 납축전지와 리튬이온전지의 대결
중국은 전지에 의해 구동되는 개인 이동수단, 즉 전기자전거와 전기 스쿠터(i.e. e-bike)의 보급 이 1990년대 후반부터 빠른 속도로 이루어지고 있다. 2006년에 발표된 자료에 의하면 중국에서 판매된 연간 e-bike의 수량은 1,700만대로서 e-bike 성장의 일부는 재충전이 가능한 밀폐형 납축 전지(valve-regulated lead-acid, VRLA)의 성능개선이 큰 부분을 차지하고 있다고 말할 수 있을 만큼 VRLA전지가 e-bike 시장에서 차지하는 역할에 대해서는 주지의 사실이다. 그러나 수년 내 에는 기존 VRLA전지에서 보다 가볍고 고 에너지 밀도를 갖는 리튬이온전지로 변화하는 시기를 거쳐 이러한 리튬이온전지가 중국뿐만 아니라 전세계적인 개인 이동수단의 미래시장증대에 큰 영향을 미칠 것이라고 예측되고 있다. VRLA전지의 경우 단위 중량당 에너지는 34 Wh/kg이며
$88/kWh의 가격을 형성함에 반해 리튬이온전지의 경우 단위 중량당 에너지는 106 Wh/kg로 약 3배의 증가효과는 있으나, 평균 $590/kWh의 가격을 형성하고 있기 때문에 획기적인 성능개선이 나 가격절감의 결과 없이는 지금 당장 전지의 교체시기가 도래할 것으로는 예측되지는 않는다.
VRLA전지의 경우에는 cell의 변환성이, 리튬이온전지의 경우에는 여전히 높은 가격과 안전성이 극복해야 할 최우선 과제로 손꼽히고 있으며, 이는 LiFePO4와 같은 신재료에 의해 어느정도 극 복 가능할 것으로 예측되고 있다.
출처: Journal of Power Sources Vol.172, pp938 (2007) 남 상 철 ((주)누리셀)
