수정진동자를 이용한 자기조직화 단분자막

(self-assembly monolayer)의 성장 균질성의 검토

송 성훈, 김 종민, 장 상목, H. Muramatsu*

동아대학교 공과대학 화학공학과

Adv. Tech. Center, Seiko Inst Inc., Japan*

Analysis of homogeneity of Im-SH self-assembly monolayer by QCA

Seung-Hun Song, Jong-Min Kim, Sang-Mok Chang, Muramatsu. Hiroshi*

Dept. of Chem. Eng., Dong-A Univ., Pusan, Korea

Adv. Tech. Center, Seiko Inst Inc., Chiba 271, Japan*

서론

Im-SH(N-[2-(4-imidazolyl)ethyl]11-mercaptoundecanamide)는 이미다졸유도체로서 헤모글로빈과 유사한 구조를 갖으며, 생체내 Fe++ 및 Zn++와 결합하여 산소와 이산화탄소의 전달기능을 하는 물질이다. 본 실험은 Im-SH가 금표면에서 단분자막을 형성한다는 사실을 기초하여 수정진동자 금전극 표면에 Im-SH가 단분자막을 형성하는 과정을 수정진동자의 공진주파수, 공진저항 그리고 Q값을 측정하여 해석하였으며, 이들 결과를 SEM 사진 촬영 결과와 비교 분석하였다.

이론

널리 알려진 수정진동자의 전기적 등가회로에서 [eqn: Q```=`` { 1} over {2R } SQRT { { L} over {C } }] 로 계산되어진다. 여기서 Q값은 공진정도를 나타내는데 공진주파수변화에 따른 Q값의 변화가 일정하면 수정진동자 전체에 균일하게 박막을 형성하는 것으로 해석되며, Q값의 변화가 일정하지 않으면 수정진동자에 불균일하게 박막을 형성하는 것을 의미한다. 이는 수정진동자의 외부변화의 응답이 중앙이 가장 높으며 외부로 갈수록 약해지기 때문이다.

시약 및 장치

Im-SH는 인제 대학교 화학과 이 범종교수 실험실에서 합성한 것을 입수하여 정제없이 사용하였다. 그 외 시약은 분석용 시약을 사용하였다. At-cut 수정진동자는 9 MHz의 공진주파수를 가진 수정판 양면에 크롬을 200 nm 스파터링한 다음, 그 위에 금을 2000 nm 스퍼터링하여 전극을 형성하였다.

실험장치는 항온조(Advante, Model PE-314), 교반기, Impedence analyzer (Yokogawa Hewlett-package, Model 4192A)로 구성되어 있으며, Impedence analyzer로 측정한 공진주파수와 공진저항을 IEEE 488 인터페이스로 연결된 마이크로 컴퓨터 (NEC PC9801)로 처리하였다.

실험방법

Im-SH를 수정진동자 금표면에 자기조직화하면서 수정진동자의 공진주파수, 공진저항, Q값을 동시에 측정하는 장치도를 Fig. 1에 도시하였다.

0.03 g의 Im-SH를 DMF 20 ml에 용해시킨 후 30 ℃에서 300 rpm의 속도로 24시간 교반시킨 용액 속에 Fig. 1과 같이 수정진동자의 한쪽 면만 Im-SH/DMF용액과 접하여 반응하도록 설계한 봉합셀에 장착시킨 수정진동자를 담구어 수정진동자의 공진주파수와 공진저항 그리고 Q값을 측정하였다.

Fig. 1  Schematic diagram of the measuring system.

결과 및 토론

Fig. 2는 자기조직화 과정을 도식한 것이다. 공진저항의 시간이 약 350 □ 인데 이는 수정진동자셀에 장착시 설에 의해 250 □ 정도, 용액에 의해 약 100 □ 정도 증가한다. 시간이 지남에 따라 공진주파수 감소와 함께 공진저항이 감소함을 알 수 있는데 이것은 자기조직화가 진행됨을 보여준다.

Fig. 2(a)의 시간에 따른 공진주파수 변화를 보면 초기에 35분 동안 수정진동자 표면 전체에 단분자막을 형성하고, 그 이후에 서서히 단분자 또는 누적막이 형성되고 있음을 알 수 있다. 35분 동안 공진주파수 변화를 질량변화로 환산하면 약 1000 ng/0.2 cm2로 단분자막의 면적은 5000 ng/cm2에 해당한다. Fig. 2(b)의 시간에 따른 공진저항의 변화를 보면 시간에 따라 공진저항이 선형적으로 증가하다가 공진주파수와 마찬가지로 정상상태에 도달함을 알 수 있다. Fig. 2(c)는 Fig.2(a),(b)의 관계를 유변학적으로 해석하기 위하여 공진저항-공진주파수의 상관 관계로 나타내어 보았다. Fig. 2(c)의 F-R도를 보면 Im-SH가 수정진동자 금전극 표면에 점탄성막으로 형성되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 2  Resonant frequency and resonant resistance changes with time during Im-SH self-assembly onto the surface of AT-cut quartz crystal.

이들 현상을 확인하기 위해 공진주파수 변화에 따른 Q값의 변화와 광학현미경으로 사진을 촬영하여 비교 분석하였다. Im-SH가 수정진동자 표면에 단분자막을 형성할 때 수정진동자 표면 전체에 어느 정도 균일하게 단분자막을 형성하는지 여부를 살펴보기 위해 공진주파수 변화에 따른 Q값의 변화를 Fig. 2(d)에 나타내었다. Fig. 2(d)를 보면 공진주파수 변화가 약 1000 Hz까지는 Q값이 일정하게 변하다가 1000 Hz 이후에 약간의 기울기 변화가 생긴다. 이는 1000 Hz까지는 Im-SH가 수정진동자 전체에 균일하게 단분자막을 형성하다가 그 이후에는 불균일하게 누적되거나 혹은 자기조직화 단분자막의 형성속도의 저하 또는 Im-SH 상호간의 재결합을 의미한다. Fig. 3(a)은 400초간 자기조직화한 것으로 수정진동자 전체에 걸쳐 상당히 균일한 단분자막이 형성되고 있음을 알 수 있다. Fig. 3(b)는 1주일간 자기조직화한 것으로 Im-SH 분자 상호간의 재결합에 의해 한 분자군들이 성장하고 있음을 알 수 있다. 그리고 24시간 자기조직화한 AFM 사진에서도 분자군 전체가 아주 균일하게 성장하고 있음을 알 수 있다.

(a)

(b)

Fig. 3 SEM images(Area 168□m × 192□m) of Im-SH thin films.

(a) self-assembly for 35min, (b) self-assembly for a week

참고문헌

1) 장 상목, 김 영한, 村松 宏 □압전소자를 이용한 범용성 센서 시스템의 이론과     응용□ 화학공업과 기술, 제 14권, 제5호, pp.457, 1996

2) G. Sauerbrey, "Use of a quartz vibrator from weighing thin film on a     microbalance, Z.phyzik, 155, pp.206, 1959.

3) 장 상목, 村松 宏, □수정진동자를 이용한 계측기술□, 생물공학 News, 2(1),      pp.60, 1995.