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KR100591526B1 - Preparation of novel carbon nanotubes-nucleic acids conjugates - Google Patents

Preparation of novel carbon nanotubes-nucleic acids conjugates Download PDF

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KR100591526B1
KR100591526B1 KR1020030011198A KR20030011198A KR100591526B1 KR 100591526 B1 KR100591526 B1 KR 100591526B1 KR 1020030011198 A KR1020030011198 A KR 1020030011198A KR 20030011198 A KR20030011198 A KR 20030011198A KR 100591526 B1 KR100591526 B1 KR 100591526B1
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carbon
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게켈러케이이
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 높은 수용해성을 갖는 탄소 나노튜브-핵산 결합체에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 고체 상태에서 비공유 결합에 의해 탄소 나노튜브와 핵산의 결합체를 형성시킴으로써, 다발 형태를 이루지 않고 균일하게 잘려지며 기능화 및 가용화된 탄소 나노튜브를 고수율로 수득할 수 있고, 분리된 탄소 나노튜브는 바이오 센서의 개발 및 향상된 물성을 갖는 물질재료의 개발에 유용하게 이용된다.The present invention relates to carbon nanotube-nucleic acid conjugates having high water solubility. According to the present invention, by forming a conjugate of carbon nanotubes and nucleic acids by non-covalent bonds in the solid state, a uniformly cut, functionalized and solubilized carbon nanotubes, which do not form a bundle, can be obtained in high yield and separated Carbon nanotubes are useful for the development of biosensors and the development of material materials with improved physical properties.

Description

새로운 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 제조{PREPARATION OF NOVEL CARBON NANOTUBES-NUCLEIC ACIDS CONJUGATES} Preparation of new carbon nanotube-nucleic acid conjugates {PREPARATION OF NOVEL CARBON NANOTUBES-NUCLEIC ACIDS CONJUGATES}             

도 1은 탄소 나노튜브(CNT)-DNA 결합체의 제조과정을 도식화한 것이고, Figure 1 is a schematic of the manufacturing process of the carbon nanotube (CNT) -DNA conjugate,

도 2는 수용해성 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이고, 2 is a scanning electron micrograph (SEM) of a water soluble carbon nanotube-DNA conjugate,

도 3은 수용해성 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 투과 전자 현미경(TEM) 사진이고(막대는 50 nm를 나타냄), 3 is a transmission electron microscopy (TEM) picture of a water soluble carbon nanotube-DNA conjugate (bars represent 50 nm),

도 4는 DNA 및 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 UV-Vis 스펙트럼이고, 4 is a UV-Vis spectrum of DNA and carbon nanotube-DNA conjugates,

도 5는 60일 경과 후 수용해성 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 SEM 사진이고, 5 is a SEM photograph of a water-soluble carbon nanotube-DNA conjugate after 60 days,

도 6은 60일 경과 후 수용해성 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 SEM 사진(도 5의 확대 사진)이다. FIG. 6 is a SEM photograph (an enlarged photo of FIG. 5) of a water soluble carbon nanotube-DNA conjugate after 60 days. FIG.

본 발명은 다발 형태를 이루지 않고 균일하게 잘려지며 기능화 및 가용화된 탄소 나노튜브를 고효율로 수득하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for obtaining highly efficient, carbon nanotubes that are not uniformly cut, uniformly cut and functionalized and solubilized.

탄소 나노튜브는 하나의 탄소 원자가 각각 세 개의 탄소원자에 의해 둘러싸여 결합하고 있는 육각형 원자구조의 시트(sheet)가 말려져 실린더 형태를 이루고 있는 구조를 지칭한다. 일반적으로 탄소 나노튜브는 수 나노미터의 직경을 갖는 단일벽 나노튜브와 단일벽들이 동심원을 이루면서 여러 겹으로 중첩하여 형성되는 수십 나노미터의 직경의 다중벽 나노튜브로 나뉜다. 탄소 나노튜브는 말려진 모양과 튜브형태의 직경에 따라 금속과 같은 전기전도성을 띠기도 하고 반도체로서 기능하기도 한다. Carbon nanotubes refer to a structure in which a sheet of hexagonal atomic structure in which one carbon atom is surrounded by three carbon atoms and bonded to each other is rolled up to form a cylinder. In general, carbon nanotubes are divided into single-walled nanotubes having a diameter of several nanometers and multi-walled nanotubes having a diameter of several tens of nanometers formed by overlapping several layers in concentric circles. Carbon nanotubes may be electrically conductive like metals or function as semiconductors, depending on the shape of the curled shape and the diameter of the tube shape.

1991년 수미오 이이지마(Sumio Iijima, Helical Microtubules of Graphitic Carbon, Nature 354, 1991, pp 56-58)가 아크 방전에 의해 탄소를 증발시킴으로써 다중층 관의 형태를 얻을 수 있음을 최초로 보고한 이래, 탄소 나노튜브는 그 고유한 특성으로 인해 다양한 응용분야에서 주목받아 왔다. 나노 단위의 미세한 크기, 우수한 전기전도성, 높은 기계적 강도, 낮은 밀도, 뛰어난 표면선택성 등의 고유한 특성으로 인해, 탄소 나노튜브는 고해상도 디스플레이, 나노인쇄술, 나노전극, 약물 전달, 센서 및 전장 방출원(field emission source)를 구성하는 새로운 재료 물질로서 높은 응용가능성을 갖는다. 특히, 전자 전달 반응, 에너지 생성 및 저장에 우수한 특성을 나타내어, 디스플레이 소자, 에너지 가스 저장계, 수퍼 캐퍼시터, 박막 배터리, 전자파 차폐제 등의 재료로서 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.Since 1991, Sumio Iijima (Helical Microtubules of Graphitic Carbon, Nature 354 , 1991, pp 56-58) reports for the first time that the shape of a multilayer tube can be obtained by evaporating carbon by arc discharge. Carbon nanotubes have attracted attention in a variety of applications because of their inherent properties. Due to the unique properties of nanoscale fine size, good electrical conductivity, high mechanical strength, low density and excellent surface selectivity, carbon nanotubes can be used for high resolution displays, nanoprinting, nanoelectrodes, drug delivery, sensors and field emission sources. It has a high applicability as a new material material constituting a field emission source. In particular, it is expected to be applied as a material for display elements, energy gas storage systems, supercapacitors, thin film batteries, electromagnetic wave shielding agents and the like by exhibiting excellent characteristics in electron transfer reaction, energy generation and storage.

그러나, 이와 같이 다양한 응용가능성에도 불구하고, 여전히 탄소 나노튜브 의 실용화가 이루어지지 못하고 있다. 반데르발스 상호작용(Van der Waals interaction)으로 인해 형성되는 탄소 나노튜브 다발로부터 탄소 나노튜브를 순수분리·조작하고 균일하게 절단하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 탄소 나노튜브의 고유한 특성을 이용하기 위해서는 비극성을 띤 나노튜브를 화학적으로 활성화하는 기능화 (functionalization)가 필요하기 때문이다.However, despite such various applicability, the practical use of carbon nanotubes is still not achieved. It is not only difficult to purely separate, manipulate and uniformly cut carbon nanotubes from carbon nanotube bundles formed by Van der Waals interaction, but also to make them nonpolar in order to take advantage of the unique properties of carbon nanotubes. This is because functionalization is needed to chemically activate the nanotubes.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 즉, 다발이 없고, 기능화 및 가용화된 탄소 나노튜브를 얻기 위한 다양한 방법이 시도되어 왔다. 다발 형태를 없애기 위한 가장 일반적인 방법은 탄소 나노튜브 다발을 장시간 초음파로 처리하는 것이다. 또한, 탄소 나노튜브의 기능화 및 가용화를 위해, 불활성화된 탄소 나노튜브를 선택된 분자에 공유결합으로 연결하는 방법이 개발되고 있다. 그러나, 일반적으로 사용되는 초음파 처리 및 강산 처리에 의한 기능화는 탄소 나노튜브의 표면에 심각한 손상을 초래하는 것으로 알려져 있으며, 대부분의 경우 수용성 산물이 수득되지 않는다. 최근에는, 글루코사민과의 공유적 결합에 의해 수용성 탄소 나노튜브를 얻는 기능화 방법이 보고되었지만(Pompeo F. et al., Nano letter 2, 2002, 369-373), 용해도가 매우 낮고, pH 및 온도에 매우 의존적인 것으로 나타났다.In order to solve this problem, various methods have been tried to obtain carbon nanotubes that are free of bundles and functionalized and solubilized. The most common way to get rid of the bundle form is to ultrasonically treat the bundle of carbon nanotubes for a long time. In addition, methods for covalently linking inactivated carbon nanotubes to selected molecules have been developed for the functionalization and solubilization of carbon nanotubes. However, functionalization by commonly used sonication and strong acid treatment is known to cause serious damage to the surface of carbon nanotubes, and in most cases no water soluble product is obtained. Recently, functionalization methods for obtaining water soluble carbon nanotubes by covalent bonding with glucosamine have been reported (Pompeo F. et al ., Nano letter 2 , 2002, 369-373), but have very low solubility, It appeared to be very dependent.

한편, 바이오 센서 개발을 위해 백금화된 올리고뉴클레오티드 및 금속 티오닌과 같은 생체 분자들을 탄소 나노튜브 표면에 고정하는 기술이 보고됨으로써 탄소 나노튜브의 새로운 응용 가능성이 제시되었다. 그러나, 이들은 단지 백금화된 올리고뉴클레오티드를 탄소 나노튜브에 고정하였을 뿐, 핵산 분자로 탄소 나노튜브를 비공유적으로 감싸는 방법 및 그를 통해 수용성 증가와 같은 탄소 나노튜브의 특성 변화를 일으킬 수 있다는 점에 대해서는 전혀 예상하지 못하고 있다. Meanwhile, a technique for fixing biomolecules such as platinum oligonucleotides and metal thionines on the surface of carbon nanotubes for the development of biosensors has been reported, suggesting new applications of carbon nanotubes. However, they only immobilized the platinumed oligonucleotides to the carbon nanotubes, and the method of non-covalently enclosing the carbon nanotubes with nucleic acid molecules and thereby causing changes in the properties of the carbon nanotubes such as increased water solubility. I do not expect it at all.

따라서, 탄소 나노튜브의 표면 손상을 최소화하는 동시에, 높은 수용해성을 갖는 기능화된 탄소 나노튜브를 얻기 위한 연구가 절실히 요구되어 왔다. Therefore, there is an urgent need for research to obtain functionalized carbon nanotubes having high water solubility while minimizing surface damage of carbon nanotubes.

본 발명의 목적은 높은 수용해성을 갖고, 균일하게 잘려지며, 다발 형태를 이루지 않는 탄소 나노튜브 함유 물질을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a carbon nanotube containing material which has high water solubility, is cut uniformly and does not form a bundle.

본 발명의 다른 목적은 바이오 센서 제작에 적합하고, 향상된 물질특성을 갖는 재료로서 탄소 나노튜브 함유 물질을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a carbon nanotube-containing material as a material suitable for biosensor fabrication and having improved material properties.

본 발명의 또 다른 목적은 상기에 언급된 우수한 물질 특성을 갖는 탄소 나노튜브의 제조방법 및 분리방법을 제공하는 것이다.
It is a further object of the present invention to provide a process for the preparation and separation of carbon nanotubes having the excellent material properties mentioned above.

상기 목적에 따라 본 발명은 수용성 탄소 나노튜브-핵산 결합체를 제공한다.According to the above object, the present invention provides a water-soluble carbon nanotube-nucleic acid conjugate.

또한, 본 발명은 상기 탄소 나노튜브-핵산 결합체를 제조하는 방법 및 탄소 나노튜브-핵산 결합체를 형성함으로써 탄소 나노튜브를 분리하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of preparing the carbon nanotube-nucleic acid conjugate and a method of separating the carbon nanotube by forming the carbon nanotube-nucleic acid conjugate.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 탄소 나노튜브-핵산 결합체는 비공유적 결합에 의해 핵산이 탄소 나노튜브 표면의 전부 또는 일부를 감싸고 있는 형태를 이루고 있으며, 이에 의해 화학적 기능화가 가능하다. 이와 같은 비공유적 기능화는, 탄소 나노튜브의 sp2 하이브리드 구조를 유지함으로써 다양한 응용에 적합한 전기적 성질을 유지하도록 하는 데 필수적이다. The carbon nanotube-nucleic acid conjugate of the present invention forms a form in which nucleic acids surround all or part of the surface of the carbon nanotubes by non-covalent bonds, thereby enabling chemical functionalization. Such non-covalent functionalization is essential for maintaining the sp 2 hybrid structure of carbon nanotubes to maintain electrical properties suitable for a variety of applications.

상기에서, 핵산은 DNA, RNA, DNA-RNA 하이브리드 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 이중가닥 또는 단일가닥이다. 핵산의 말단 또는 그 일부에 핵산의 나선형 기본 구조에 영향을 미치지 않는 부가물이 결합될 수도 있다.In the above, the nucleic acid may be a DNA, RNA, DNA-RNA hybrid or a mixture thereof, it is double stranded or single stranded. Adducts which do not affect the helical basic structure of the nucleic acid may be linked to the ends or portions thereof.

탄소 나노튜브는 실질적으로 무정형 탄소가 존재하지 않는 단일벽 나노튜브이거나 다중벽 나노튜브일 수 있으며, 단일벽 나노튜브인 것이 특히 바람직하다. The carbon nanotubes may be single-walled nanotubes or multi-walled nanotubes substantially free of amorphous carbon, with particular preference being given to single-walled nanotubes.

탄소 나노튜브에 대한 핵산의 중량비는 1:0.2 내지 1: 20인 것이 바람직하며, 특히, 탄소 나노튜브의 표면을 핵산으로 완전히 감싸기 위해서는 핵산의 양이 탄소 나노튜브의 양 보다 많은 것이 바람직하다. 탄소 나노튜브의 표면을 감싸는 핵산 구역의 두께는 적용되는 핵산의 농도에 의존적이다.The weight ratio of the nucleic acid to the carbon nanotubes is preferably 1: 0.2 to 1:20, and particularly, the amount of the nucleic acid is more than the amount of the carbon nanotubes in order to completely surround the surface of the carbon nanotubes with the nucleic acid. The thickness of the nucleic acid region surrounding the surface of the carbon nanotubes depends on the concentration of the nucleic acid applied.

또한, 본 발명은 탄소 나노튜브와 핵산을 혼합하여 기계적으로 혼합 분쇄하는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 제조방법을 제공한다. 상기 기계적 혼합 분쇄 단계는 본 기술분야에서 일반적으로 사용되는 공지의 방법에 따라 수행될 수 있으며, 예컨대, 볼 밀 장치에 의하여 탄소 나노튜브와 핵산을 동시에 혹은 순차적으로 혼합하여 분쇄하는 방법에 의해 이루어질 수 있다. In another aspect, the present invention provides a method for producing a carbon nanotube-nucleic acid conjugate, comprising the step of mixing and milling carbon nanotubes and nucleic acids. The mechanically mixed grinding step may be performed according to a known method generally used in the art, for example, by a method of mixing and grinding carbon nanotubes and nucleic acids simultaneously or sequentially by a ball mill device. have.

본 발명에 의해 제공되는 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 제조는 고체 상태에서 이루어질 수 있다는 점에 특징이 있다. 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 합성과정 을 도 1에 나타내었다. 상기 공정을 통해 탄소 나노튜브는 기계적으로 균일하게 잘려지며, 동시에 탄소 나노튜브와 핵산간의 비특이적 반응에 의해 핵산이 비공유적으로 탄소 나노튜브를 감쌀 수 있다.The production of carbon nanotube-nucleic acid conjugates provided by the present invention is characterized in that it can be made in the solid state. The synthesis process of the carbon nanotube-nucleic acid conjugate is shown in FIG. 1. Through the above process, the carbon nanotubes are mechanically cut uniformly, and at the same time, the nucleic acids can be non-covalently wrapped around the carbon nanotubes by a nonspecific reaction between the carbon nanotubes and the nucleic acids.

상기에서, 핵산은 이중가닥 또는 단일가닥의 DNA, RNA, DNA-RNA 하이브리드 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 핵산의 나선형 기본 구조에 영향을 미치지 않는 부가물이 핵산의 말단 또는 일부에 결합된 것일 수 있다. 탄소 나노튜브는 실질적으로 무정형 탄소가 존재하지 않는 단일벽 탄소 나노튜브인 것이 바람직하다.In the above, the nucleic acid may be double stranded or single stranded DNA, RNA, DNA-RNA hybrid or a mixture thereof, and an adduct that does not affect the helical basic structure of the nucleic acid may be bound to the terminal or part of the nucleic acid. have. The carbon nanotubes are preferably single-walled carbon nanotubes that are substantially free of amorphous carbon.

탄소 나노튜브에 대한 핵산의 중량비는 1:0.2 내지 1:20인 것이 바람직하며, 특히, 탄소 나노튜브의 표면을 핵산으로 완전히 감싸기 위해서는 핵산의 양이 탄소 나노튜브의 양 보다 많은 것이 바람직하다. 탄소 나노튜브의 표면을 감싸는 핵산 구역의 두께는 적용되는 핵산의 농도에 의존적이다.The weight ratio of the nucleic acid to the carbon nanotubes is preferably 1: 0.2 to 1:20, and in particular, the amount of the nucleic acid is more than the amount of the carbon nanotubes in order to completely surround the surface of the carbon nanotubes with the nucleic acid. The thickness of the nucleic acid region surrounding the surface of the carbon nanotubes depends on the concentration of the nucleic acid applied.

본 발명의 방법에 의해 제조되는 탄소 나노튜브-핵산 결합체는 물에 대한 용해도가 매우 높으며, 탄소 나노튜브가 다발 형태를 이루지 않고, 화학적으로 기능화되어 있다. 또한, 기계적 혼합 분쇄 방법을 사용함으로써 비교적 균일하게 잘려진 탄소 나노튜브를 얻을 수 있다. 상기 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 수용해성은 2달 이상 안정적으로 지속된다.The carbon nanotube-nucleic acid conjugate produced by the method of the present invention has a very high solubility in water, and the carbon nanotubes do not form a bundle and are chemically functionalized. In addition, it is possible to obtain carbon nanotubes that are relatively uniformly cut by using a mechanical mixed grinding method. The water solubility of the carbon nanotube-nucleic acid conjugate lasts more than 2 months stably.

본 발명은 또한, 탄소 나노튜브를 포함하는 조성물에 핵산을 첨가하여 기계적으로 혼합 분쇄하는 단계; 상기 혼합 분쇄된 산물을 물에 용해시키는 단계; 및 탄소 나노튜브-핵산 결합체가 용해되어 있는 수층과 물에 녹지 않은 고형층을 분리하는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브의 순수 분리 방법을 제공한다.The present invention also comprises the steps of mechanically mixing and grinding the addition of nucleic acids to a composition comprising carbon nanotubes; Dissolving the mixed and ground product in water; And separating the aqueous layer in which the carbon nanotube-nucleic acid conjugate is dissolved and the solid layer insoluble in water.

상기에서, 핵산은 단일가닥 또는 이중가닥의 DNA, RNA, DNA-RNA 하이브리드 또는 이들의 혼합물이며, 탄소 나노튜브는 단일벽 나노튜브 또는 다중벽 나노튜브일 수 있으나, 다발을 형성하지 않는 단일벽 나노튜브인 것이 바람직하다.In the above, the nucleic acid is a single- or double-stranded DNA, RNA, DNA-RNA hybrid or a mixture thereof, carbon nanotubes may be single-walled nanotubes or multi-walled nanotubes, but single-walled nanoparticles do not form a bundle It is preferably a tube.

수층과 고형층의 분리은 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 공지의 방법이 적용될 수 있는데, 예를 들어, 원심분리, 침전, 여과 등에 의해 물에 용해된 탄소 나노튜브-핵산 결합체를 물에 녹지 않는 다른 성분들로부터 분리할 수 있다.Separation of the aqueous layer and the solid layer may be a known method commonly used in the art, for example, other carbon nanotube-nucleic acid conjugates dissolved in water by centrifugation, precipitation, filtration, etc. are not dissolved in water. It can be separated from the components.

필요에 따라, 분리된 탄소 나노튜브-핵산 결합체로부터 핵산을 제거하여 탄소 나노튜브를 순수한 상태로 얻을 수도 있다. 이 경우, 탄소 나노뷰트-핵산 결합체에 극성 또는 비극성 용매를 처리하여 탄소 나노튜브만을 분리할 수 있는데, 예를 들어, 염화 메틸렌과 같은 염소화 유기용매가 이러한 목적으로 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 핵산과 탄소 나노튜브 간의 비공유적 결합력을 변화시킬 수 있는 어떠한 용매라도 사용할 수 있다.If necessary, the nucleic acid may be removed from the separated carbon nanotube-nucleic acid conjugate to obtain the carbon nanotube in a pure state. In this case, the carbon nanotube-nucleic acid conjugate may be treated with a polar or nonpolar solvent to separate only the carbon nanotubes. For example, a chlorinated organic solvent such as methylene chloride may be used for this purpose, but is not limited thereto. Any solvent capable of changing the noncovalent binding force between the nucleic acid and the carbon nanotubes can be used.

분리된 탄소 나노튜브-핵산 결합체 또는 그를 포함한 용액이나 현탁액은 탄소 나노튜브의 전기적, 열적, 기계적 특성을 유지한 채, 화학적으로 기능화되어 있고 다발을 형성하지 않으므로, 다양한 분야에서 높은 응용가능성을 갖는다.The separated carbon nanotube-nucleic acid conjugates or solutions or suspensions comprising the same have high applicability in various fields because they are chemically functionalized and do not form bundles while maintaining the electrical, thermal, and mechanical properties of the carbon nanotubes.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1> 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 제조Example 1 Preparation of Carbon Nanotube-DNA Bonds

탄소 나노튜브-DNA 결합체의 제조에 사용될 탄소 나노튜브는 손 등(Sohn J.I. et al., Appl. Phys. Let., 78, 901-903, 2001)의 방법에 따라 제조하였다. 상기 탄소 나노튜브 5 mg을 볼밀(길이: 4 cm, 직경: 1.7 cm) 장치로 분쇄한 후, 25 mg의 DNA(시그마, 카달로그 No. D6898)를 첨가하고 1시간 동안 (20 Hz, 220V) 분쇄하여 탄소 나노튜브-DNA 결합체를 제조하였다. Carbon nanotubes to be used to prepare carbon nanotube-DNA conjugates were prepared according to the method of Sohn JI et al ., Appl. Phys. Let. , 78, 901-903, 2001. 5 mg of the carbon nanotubes were ground with a ball mill (length: 4 cm, diameter: 1.7 cm), and then 25 mg of DNA (Sigma, Catalog No. D6898) was added and ground for 1 hour (20 Hz, 220 V). To prepare a carbon nanotube-DNA conjugate.

상기에서 얻어진 검은 색의 분말 형태의 탄소 나노튜브-DNA 결합체를 주사 전자 현미경(SEM; scanning electron microscope)으로 관찰하였다. 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 SEM 사진은 약 1∼2 μm로 균일하게 잘려진 탄소 나노튜브의 표면을 DNA가 완전히 감싸고 있음을 보여준다(도 2). DNA의 양을 탄소 나노튜브의 양보다 과량으로 적용하였기 때문에, 탄소 나노튜브는 핵산으로 완전히 감싸질 수 있다. 핵산으로 완전히 감싸진 탄소 나노튜브의 직경은 10∼20 μm로 증가하였고, 이는 탄소 나노튜브의 표면이 DNA에 의해 완전히 감싸여져 있음을 나타낸다.The black powdery carbon nanotube-DNA conjugate obtained above was observed with a scanning electron microscope (SEM). SEM photographs of the carbon nanotube-DNA conjugate show that the DNA completely covers the surface of the carbon nanotubes uniformly cut to about 1-2 μm (FIG. 2). Since the amount of DNA was applied in excess of the amount of carbon nanotubes, the carbon nanotubes can be completely wrapped with nucleic acid. The diameter of the carbon nanotubes completely wrapped with nucleic acid increased to 10-20 μm, indicating that the surface of the carbon nanotubes was completely wrapped by DNA.

한편, 투과 전자 현미경(TEM; transmission electron microscope) 사진은 DNA가 코팅됨으로 인해 탄소 나노튜브의 표면이 일정하지 않은 형태를 나타냄을 보여준다(도 3).On the other hand, transmission electron microscope (TEM) pictures show that the surface of the carbon nanotubes exhibits an irregular shape due to the DNA coating (FIG. 3).

<실시예 2> 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 수용해성Example 2 Solubility of Carbon Nanotube-DNA Conjugates

실시예 1에서 수득된 탄소 나노튜브-DNA 결합체 분말을 탈이온수에 첨가하여 수용해성을 확인하였다. DNA가 없는 상태에서 동일한 볼 밀 처리를 거쳐 얻어진 탄소 나노튜브를 대조군으로 하였는데, 대조군은 물에 녹지 않은 반면, 탄소 나노튜브-DNA 결합체는 물에 완전히 녹는 것을 확인하였다(5 mg/ml). The carbon nanotube-DNA conjugate powder obtained in Example 1 was added to deionized water to confirm water solubility. Carbon nanotubes obtained through the same ball mill treatment in the absence of DNA were used as a control. The control group was not dissolved in water, whereas the carbon nanotube-DNA conjugate was completely dissolved in water (5 mg / ml).

<실험예 1> DNA 농도 변화에 따른 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 형성 패턴<Experiment 1> Formation pattern of carbon nanotube-DNA conjugate according to the change of DNA concentration

DNA 농도가 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 형성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 실시예 2에서 얻어진 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 수용액을 희석하였다. 도 4에 각각 농도를 달리한 탄소 나노튜브-DNA 결합체 수용액의 UV 스펙트럼을 나타내었는데, a)는 DNA이고, b), c) 및 d)는 각각 0.07 mg/ml, 0.22 mg/ml 및 0.25 mg/ml 농도의 탄소 나노튜브-DNA 결합체 수용액의 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸다. 상기와 같이 용액을 희석함에 따라 DNA 두께가 감소하여, 탄소 나노튜브를 감싸고 있는 DNA의 두께는 DNA의 농도에 매우 의존적인 것으로 나타났다. UV-Vis 스펙트럼은 적외선 영역에 가까운 903 nm에서 흡광을 나타내었는데, 이는 금속 또는 탄소 나노튜브의 반전도성 밴드에 기인하는 것이다. In order to confirm the influence of the DNA concentration on the formation of the carbon nanotube-DNA conjugate, the aqueous solution of the carbon nanotube-DNA conjugate obtained in Example 2 was diluted. 4 shows UV spectra of aqueous solutions of carbon nanotube-DNA conjugates at different concentrations, where a) is DNA and b), c) and d) are 0.07 mg / ml, 0.22 mg / ml and 0.25 mg, respectively. UV-Vis spectrum of carbon nanotube-DNA conjugate aqueous solution at / ml concentration is shown. As the solution was diluted, the DNA thickness was reduced, and the thickness of the DNA surrounding the carbon nanotubes was highly dependent on the concentration of the DNA. The UV-Vis spectrum showed absorption at 903 nm close to the infrared region, due to the semiconducting bands of the metal or carbon nanotubes.

<실험예 2> 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 안정성Experimental Example 2 Stability of Carbon Nanotube-DNA Conjugates

탄소 나노튜브-DNA 결합체 수용액을 4℃ 냉장고에서 저장하였다. 그 결과 60일이 경과한 후에도 침전은 관찰되지 않았다. 이는, 탄소 나노튜브-DNA 결합체의 수용해성이 2달 이상 지속됨을 보여주는 것이다. 60일이 경과한 후의 SEM 사진(도 5 및 6)은 탄소 나노튜브만으로 형성되는 초기의 다발과는 달리, 탄소 나 노튜브를 감싸고 있는 DNA 분자들 간의 상호 작용 및 반데르발스 상호 작용으로 인해 탄소 나노튜브-DNA 결합체 간의 다발이 독특한 형태로 나타남을 보여준다.The carbon nanotube-DNA conjugate aqueous solution was stored in a 4 ° C. refrigerator. As a result, no precipitation was observed even after 60 days had elapsed. This shows that the solubility of carbon nanotube-DNA conjugates lasts more than two months. After 60 days, SEM images (Figs. 5 and 6) show that carbon nanotubes, due to the interaction between the DNA molecules surrounding the carbon nanotubes and van der Waals interactions, are different from the initial bundles formed only with carbon nanotubes. The bundles between tube-DNA conjugates appear to be in unique forms.

본 발명에 의해 제공되는 탄소 나노튜브-핵산 결합체는 높은 수용해성을 가지며, 균일하게 잘려진, 다발이 없는 형태를 나타낸다. 또한, 비공유적 결합에 기초하기 때문에 탄소 나노튜브의 표면 손상을 최소화하면서 화학적으로 기능화 할 수 있다. 핵산과 혼합 분쇄하는 간단한 기계적 방법에 의해 분리된 탄소 나노튜브는 분리 및 조작의 용이성과 경제성을 가지며, 바이오 센서의 개발 및 향상된 물성을 갖는 물질의 개발을 비롯한 다양한 분야에 적용될 수 있다.The carbon nanotube-nucleic acid conjugates provided by the present invention exhibit high water solubility and are evenly cut and bundle-free. In addition, because it is based on non-covalent bonds, it can be chemically functionalized while minimizing surface damage of carbon nanotubes. Carbon nanotubes separated by a simple mechanical method of mixing and grinding with nucleic acids have ease and economy of separation and manipulation, and can be applied to various fields, including the development of biosensors and the development of materials with improved physical properties.

Claims (12)

핵산이 탄소 나노튜브 표면에 비공유적 결합에 의해 직접 결합되어 탄소 나노튜브 의 전부 또는 일부를 감싸고 있는, 수용성 탄소 나노튜브-핵산 결합체.A water soluble carbon nanotube-nucleic acid conjugate wherein the nucleic acid is bound directly to the carbon nanotube surface by non-covalent bonds to enclose all or part of the carbon nanotube. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 핵산이 DNA, RNA, DNA-RNA 하이브리드 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브-핵산 결합체.Carbon nanotube-nucleic acid conjugate, characterized in that the nucleic acid is DNA, RNA, DNA-RNA hybrid or a mixture thereof. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 핵산의 말단 또는 그 일부에, 핵산의 나선형 기본 구조에 영향을 미치지 않는 부가물이 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브-핵산 결합체.A carbon nanotube-nucleic acid conjugate, characterized in that an adduct is attached to a terminal or part of the nucleic acid that does not affect the helical basic structure of the nucleic acid. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 핵산이 이중가닥 또는 단일가닥인 탄소 나노튜브-핵산 결합체. A carbon nanotube-nucleic acid conjugate wherein the nucleic acid is double stranded or single stranded. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 탄소 나노튜브가 실질적으로 무정형 탄소가 존재하지 않는 단일벽 또는 다중벽 나노튜브인 탄소 나노튜브-핵산 결합체.Carbon nanotube-nucleic acid conjugates wherein the carbon nanotubes are single-walled or multi-walled nanotubes that are substantially free of amorphous carbon. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 탄소 나노튜브에 대한 핵산의 중량비가 1:0.2 내지 1:20 인 것을 특징으로 하는, 탄소 나노튜브-핵산 결합체.A carbon nanotube-nucleic acid conjugate, characterized in that the weight ratio of nucleic acid to carbon nanotube is 1: 0.2 to 1:20. DNA, RNA, DNA-RNA 하이브리드 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 하나 이상의 핵산을 탄소 나노튜브와 혼합하여 기계적으로 혼합 분쇄하는 단계를 포함하는, 제 1 항의 수용성 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 제조방법.A method for producing the water-soluble carbon nanotube-nucleic acid conjugate of claim 1, comprising mixing mechanically pulverizing one or more nucleic acids selected from DNA, RNA, DNA-RNA hybrids or mixtures thereof with carbon nanotubes. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 탄소 나노튜브가 실질적으로 무정형 탄소가 존재하지 않는 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브인, 수용성 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 제조방법.A method of making a water soluble carbon nanotube-nucleic acid conjugate, wherein the carbon nanotubes are single-walled or multi-walled carbon nanotubes that are substantially free of amorphous carbon. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 탄소 나노튜브에 대한 핵산의 중량비가 1:0.2 내지 1:20 인 것을 특징으로 하는, 수용성 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 제조방법.Method for producing a water-soluble carbon nanotube-nucleic acid conjugate, characterized in that the weight ratio of the nucleic acid to the carbon nanotube is 1: 0.2 to 1:20. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 탄소 나노튜브가 다발 형태를 이루지 않는 것을 특징으로 하는, 수용성 탄소 나노튜브-핵산 결합체의 제조방법.Method for producing a water-soluble carbon nanotube-nucleic acid conjugate, characterized in that the carbon nanotubes do not form a bundle. 탄소 나노튜브를 포함하는 조성물에 DNA, RNA, DNA-RNA 하이브리드 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 하나 이상의 핵산을 첨가하여 기계적으로 혼합 분쇄하는 단계; 상기 혼합 분쇄된 산물을 물에 용해시키는 단계; 및 탄소 나노튜브-핵산 결합체가 용해되어 있는 수층과 물에 녹지 않은 고형층을 분리하는 단계를 포함하는, 탄소 나노튜브의 분리 방법.Mechanically mixing and milling by adding one or more nucleic acids selected from DNA, RNA, DNA-RNA hybrids or mixtures thereof to a composition comprising carbon nanotubes; Dissolving the mixed and ground product in water; And separating the water layer in which the carbon nanotube-nucleic acid conjugate is dissolved and the solid layer insoluble in water. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 수층에 포함되어 있는 탄소 나노튜브-핵산 결합체로부터 핵산을 제거하는 단계를 추가적으로 포함하는, 탄소 나노튜브의 분리 방법.A method of separating carbon nanotubes, further comprising the step of removing the nucleic acid from the carbon nanotube-nucleic acid conjugate contained in the aqueous layer.
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