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KR101365754B1 - Preparation of metal decorated hybrid microspheres with controlled surface nanostructures - Google Patents

Preparation of metal decorated hybrid microspheres with controlled surface nanostructures Download PDF

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KR101365754B1
KR101365754B1 KR1020120037001A KR20120037001A KR101365754B1 KR 101365754 B1 KR101365754 B1 KR 101365754B1 KR 1020120037001 A KR1020120037001 A KR 1020120037001A KR 20120037001 A KR20120037001 A KR 20120037001A KR 101365754 B1 KR101365754 B1 KR 101365754B1
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Abstract

본 발명은 금속 나노입자-블록공증합체 하이브리드 미세입자의 제조방법에 관한 것으로서, 1) 둘 이상의 단위 블록을 갖는 블록공중합체의 에멀젼 액적을 제조하는 단계; 2) 상기 에멀젼 액적의 용매를 증발시켜 블록공중합체 콜로이드 입자를 제조하는 단계; 및 3) 상기 단위 블록 중 어느 하나에 대해 선택적으로 친화력을 갖는 금속 전구체를 상기 콜로이드 입자에 첨가하여 상기 금속 전구체가 특정 단위 블록과 상호작용하도록 함으로써 입자의 크기 및 구조를 조절하는 단계를 포함하는 금속 장식 하이브리드 미세입자의 제조 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for producing a metal nanoparticle-block co-polymer hybrid microparticle, comprising the steps of: 1) preparing an emulsion droplet of a block copolymer having two or more unit blocks; 2) evaporating the solvent of the emulsion droplets to produce block copolymer colloidal particles; And 3) adjusting the size and structure of the particles by adding a metal precursor selectively having an affinity for any of the unit blocks to the colloidal particles to allow the metal precursor to interact with a particular unit block. Provided are methods for preparing decorative hybrid microparticles.

Description

조절된 표면 나노 구조를 갖는 금속 장식 하이브리드 미세입자 제조방법{PREPARATION OF METAL DECORATED HYBRID MICROSPHERES WITH CONTROLLED SURFACE NANOSTRUCTURES}Manufacturing method of metal-decorated hybrid microparticles with controlled surface nanostructures {PREPARATION OF METAL DECORATED HYBRID MICROSPHERES WITH CONTROLLED SURFACE NANOSTRUCTURES}

본 발명은 나노 사이즈의 표면 구조로 장식된 하이브리드 미세입자의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing hybrid microparticles decorated with nano-sized surface structures.

금속 나노입자 하이브리드 블록공중합체 미세입자는 높은 활성 표면적 및 독특한 광학특성을 가질 수 있으므로 촉매, 센서 및 광학 용도에 다양하게 적용될 수 있다.Metal nanoparticle hybrid block copolymer microparticles can have a high active surface area and unique optical properties and thus can be applied to a variety of catalysts, sensors and optical applications.

나노 구조 표면을 갖는 미세입자 중에서도 특히, 미세입자 표면에 금속 나노입자를 함유하는 작은 반구가 규칙적으로 배열되어 있는 라즈베리형 입자를 제조하는 방법들이 알려져 있는데, 종래의 방법은 미리 제조한 나노입자를 나노입자와 미세입자 표면상의 유기분자간의 화학적 상호작용을 이용하여 미세입자에 부착하는 것이었다(Agrawal, M.; Rubio-Retama, J.; Zafeiropoulos, N. E.; Gaponik, N.; Gupta, S.; Cimrova, V.; Lesnyak, V.; Lopez-Cabarcos, E.; Tzavalas, S.; Rojas-Reyna, R.; et al. Langmuir, 24, 9820; 및 Ming, W.; Wu, D; van Benthem, R.; de With, G.Nano Lett. 5, 2298). 예를 들어, 미세입자 상의 아미노-관능화 리간드(Guan, N,; Xu, J.; Wang, L.; Sun, D. Colloids Surf., A, 346, 221; 및 Isenbugel, K.l Gehrke, Y.; Ritter, H. Macromol. Rapid Commun., 33, 41)는 철 또는 실리카 나노입자를 부착하는데 사용되었고, 티올-관능화 리간드(Love, J. C.; Estroff, L. A.; Kriebel, J. K.; Nuzzo, R. G.; Whitesides, G. M. Chem Rev, 105, 1103)는 금, 은 또는 구리 나노입자와의 상호작용에 사용되었다. 그러나, 이러한 방법은 특정 유형의 나노입자와 미세입자 상의 유기분자가 요구되므로, 제조할 수 있는 라즈베리 구조 입자의 종류가 제한된다. Among the microparticles having a nanostructured surface, in particular, there are known methods for producing raspberry-type particles in which small hemispheres containing metal nanoparticles are regularly arranged on the surface of the microparticles. It was attached to the microparticles using chemical interactions between the particles and organic molecules on the microparticle surface (Agrawal, M .; Rubio-Retama, J .; Zafeiropoulos, NE; Gaponik, N .; Gupta, S .; Cimrova, V .; Lesnyak, V .; Lopez-Cabarcos, E .; Tzavalas, S .; Rojas-Reyna, R .; et al. Langmuir , 24, 9820; and Ming, W .; Wu, D; van Benthem, R de With, G. Nano Lett. 5, 2298). For example, amino-functionalized ligands on microparticles (Guan, N ,; Xu, J .; Wang, L .; Sun, D. Colloids Surf., A , 346, 221; and Isenbugel, Kl Gehrke, Y. Ritter, H. Macromol. Rapid Commun. , 33, 41) were used to attach iron or silica nanoparticles, and thiol-functionalized ligands (Love, JC; Estroff, LA; Kriebel, JK; Nuzzo, RG; Whitesides). , GM Chem Rev , 105 , 1103) have been used to interact with gold, silver or copper nanoparticles. However, this method requires certain types of nanoparticles and organic molecules on microparticles, thus limiting the type of raspberry structured particles that can be produced.

최근 가교결합가능한 코어 단위를 갖는 블록공중합체 마이셀의 자기조립 구조를 이용하여 라즈베리형 입자를 제조하는 방법이 보고되었다(Cheng, F.; Zhang, K. K.; Zhu, L.; Jiang, M.; Chen, D. Y. Macromolecules , 42, 7108; Huang, R.; Jiang, M.; Chen, D. Y. J Mater Chem , 20, 9988). Recently, a method for producing raspberry particles using a self-assembled structure of a block copolymer micelle having a crosslinkable core unit has been reported (Cheng, F .; Zhang, KK; Zhu, L .; Jiang, M .; Chen , DY Macromolecules , 42 , 7108; Huang, R .; Jiang, M .; Chen, DY J Mater Chem , 20 , 9988).

이상과 같이 몇 가지 방법들이 제시되어 있기는 하지만, 금속 나노입자로 장식된 하이브리드 미세입자를 보다 간단하면서도 효율적으로 제조할 수 있는 방법은 여전히 요구되고 있다.
Although several methods have been proposed as described above, there is still a need for a method for more easily and efficiently manufacturing hybrid microparticles decorated with metal nanoparticles.

Agrawal, M.; Rubio-Retama, J.; Zafeiropoulos, N. E.; Gaponik, N.;Gupta, S.; Cimrova, V.; Lesnyak, V.; Lopez-Cabarcos, E.; Tzavalas, S.; Rojas-Reyna, R.; et al. Langmuir, 24, 9820. Agrawal, M .; Rubio-Retama, J .; Zafeiropoulos, N. E .; Gaponik, N .; Gupta, S .; Cimrova, V .; Lesnyak, V .; Lopez-Cabarcos, E .; Tzavalas, S .; Rojas-Reyna, R .; et al. Langmuir, 24, 9820. Ming, W.; Wu, D; van Benthem, R.; de With, G. Nano Lett. 5, 2298. Ming, W .; Wu, D; van Benthem, R .; de With, G. Nano Lett. 5, 2298. Guan, N,; Xu, J.; Wang, L.; Sun, D. Colloids Surf., A, 346, 221. Guan, N ,; Xu, J .; Wang, L .; Sun, D. Colloids Surf., A, 346, 221. Isenbugel, K.l Gehrke, Y.; Ritter, H. Macromol. Rapid Commun., 33, 41. Isenbugel, K.l Gehrke, Y .; Ritter, H. Macromol. Rapid Commun., 33, 41. Love, J. C.; Estroff, L. A.; Kriebel, J. K.; Nuzzo, R. G.; Whitesides, G. M. Chem Rev, 105, 1103. Love, J. C .; Estroff, L. A .; Kriebel, J. K .; Nuzzo, R. G .; Whitesides, G. M. Chem Rev, 105, 1103. Cheng, F.; Zhang, K. K.; Zhu, L.; Jiang, M.; Chen, D. Y. Macromolecules, 42, 7108; Huang, R.; Jiang, M.; Chen, D. Y. J Mater Chem, 20, 9988. Cheng, F .; Zhang, K. K .; Zhu, L .; Jiang, M .; Chen, D. Y. Macromolecules, 42, 7108; Huang, R .; Jiang, M .; Chen, D. Y. J Mater Chem, 20, 9988.

따라서 본 발명은 보다 간단한 방법으로 조절된 표면을 갖는 금속 장식 하이브리드 미세입자를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
Accordingly, the present invention seeks to provide a method for producing metal-decorated hybrid microparticles having a controlled surface in a simpler way.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 In order to achieve the above object,

1) 둘 이상의 단위 블록을 갖는 블록공중합체의 에멀젼 액적을 제조하는 단계;1) preparing an emulsion droplet of block copolymer having two or more unit blocks;

2) 상기 에멀젼 액적의 용매를 증발시켜 블록공중합체 콜로이드 입자를 제조하는 단계; 및2) evaporating the solvent of the emulsion droplets to produce block copolymer colloidal particles; And

3) 상기 단위 블록 중 어느 하나에 대해 선택적으로 친화력을 갖는 금속 전구체를 상기 콜로이드 입자에 첨가하여 상기 금속 전구체가 특정 단위 블록과 상호작용하도록 함으로써 입자의 크기 및 구조를 조절하는 단계를 포함하는 금속 장식 하이브리드 미세입자의 제조 방법을 제공한다. 3) adjusting the size and structure of the particles by adding a metal precursor selectively having an affinity for any of the unit blocks to the colloidal particles to allow the metal precursor to interact with a particular unit block It provides a method for producing hybrid microparticles.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 에멀젼 액적은 상기 블록공중합체를 유기용매에 용해한 후 계면활성제 수용액을 첨가하여 제조될 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the emulsion droplets may be prepared by dissolving the block copolymer in an organic solvent and then adding an aqueous surfactant solution.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유기 용매는 블록공중합체의 단위블록 중 어느 하나에 대해 선택적으로 친화력을 갖는다. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the organic solvent selectively has affinity for any one of the unit blocks of the block copolymer.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 금속 전구체와 친화력을 갖는 단위 블록과 상기 유기용매와 친화력을 갖는 단위 블록이 서로 달라서 금속 전구체와 특정 단위 블록과의 친화력을 이용하여 입자의 표면 구조를 조절할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, since the unit block having affinity with the metal precursor and the unit block having affinity with the organic solvent are different from each other, the surface structure of the particles can be controlled by using the affinity between the metal precursor and the specific unit block. have.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 미세입자의 표면이 금속 재질의 반구형 돌출물이 규칙적으로 배열된 도트 패턴을 가질 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the surface of the fine particles may have a dot pattern in which the hemispherical protrusions of the metal material are regularly arranged.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 미세입자의 표면이 금속 재질의 반구형 돌출물이 선형 융합된 지문형 패턴을 가질 수 있다. In addition, according to another embodiment of the present invention, the surface of the microparticles may have a fingerprint pattern in which the hemispherical protrusion of the metal material is linearly fused.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 블록공중합체는 폴리(비닐피리딘)을 포함하며 폴리(비닐피리딘)을 코어로 갖는 마이셀을 형성하고, 상기 금속은 폴리(비닐피리딘)과 상호작용할 수 있는 금속일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the block copolymer comprises poly (vinylpyridine) and forms a micelle having poly (vinylpyridine) as a core, and the metal is a metal capable of interacting with poly (vinylpyridine). Can be.

바람직하게는, 상기 금속이 금, 백금 또는 철 산화물일 수 있다. Preferably, the metal may be gold, platinum or iron oxide.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 금속으로 이루어진 나노 패턴이 미세입자 표면에 위치한 폴리(비닐피리딘) 도메인에만 선택적으로 위치할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the nano-pattern made of metal may be selectively located only in the poly (vinylpyridine) domain located on the surface of the microparticles.

또한 본 발명은, 전술한 방법으로 제조되며, 금속으로 이루어진 나노 패턴이 미세입자 표면에 위치한 단위 블록 중 어느 하나의 도메인에만 선택적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 금속 장식 하이브리드 미세입자를 제공한다.
In another aspect, the present invention provides a metal-decorated hybrid microparticles, which are prepared by the above-described method, characterized in that the nano-pattern made of metal is selectively positioned only in one domain of the unit block located on the surface of the microparticles.

본 발명에 따르면, 블록공중합체의 어느 하나의 블록에 대해 선택적으로 친화력을 갖는 전구체가 삽입되도록 함으로써 조절된 표면을 갖는 금속하이브리드 미세입자를 용이하게 제조할 수 있으며, 그 결과 제조된 하이브리드 미세입자는 높은 활성표면적 및 독특한 광학 특성을 갖기 때문에 촉매, 광학센서, 표면강화 라만분광분석, 메타 물질 및 플라스모닉 등을 포함하는 다양한 용도로 활용될 수 있다.
According to the present invention, metal hybrid microparticles having a controlled surface can be easily produced by inserting a precursor having a selective affinity for any one block of the block copolymer, and the resulting hybrid microparticles Because of its high active surface area and unique optical properties, it can be used in a variety of applications including catalysts, optical sensors, surface-enhanced Raman spectroscopy, metamaterials and plasmonics.

도 1은 본 발명에 따른 금속-블록공중합체 하이브리드 미세입자 형성과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 PS-b-P4VP 콜로이드 입자의 광학 이미지(스케일 바 10㎛) 및 SEM 이미지이다(스케일 바 200nm).
도 3은 PS-b-P4VP 콜로이드 입자의 표면 및 단면 TEM 이미지이다(스케일바 100nm).
도 4는 PS-b-P4VP 마이셀의 AFM 이미지이다(스케일바 250nm).
도 5는 금 나노입자로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 TEM 이미지 및 UV-가시광선 흡수 분광분석그래프이다(스케일바 20nm).
도 6은 금 나노입자로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 EDX 스펙트럼이고, 삽입사진은 단면의 TEM 이미지이다(스케일바 80nm).
도 7은 미세입자 직경에 따른 금 나노입자로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 SEM 이미지이다(스케일바 200nm).
도 8은 팽윤 표면의 반구 직경과 인접한 반구 사이의 거리를 미세입자 직경의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 9는 (a) 금 나노입자로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 FLIM 이미지(직경 810nm)와 (b) 형광수명 측정 그래프이다(평균수명 3.3±0.2 ns).
도 10은 다양한 직경의 미세입자를 팽윤도에 따른 표면 구조의 진화과정을 나타낸 개략도이다.
도 11은 P4VP 콜로이드 입자의 TEM 이미지이다(스케일바 50nm).
도 12는 다양한 금속으로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 SEM, TEM 사진 및 EDX 이미지이다(스케일바 100nm).
1 is a schematic view for explaining a metal-block copolymer hybrid microparticle formation process according to the present invention.
2 is an optical image (scale bar 10 μm) and SEM image (scale bar 200 nm) of PS-b-P4VP colloidal particles.
3 is a surface and cross-sectional TEM image of PS-b-P4VP colloidal particles (scale bar 100 nm).
4 is an AFM image of PS-b-P4VP micelle (scale bar 250 nm).
FIG. 5 is a TEM image and UV-visible absorption spectroscopy graph of PS-b-P4VP microparticles decorated with gold nanoparticles (scale bar 20 nm).
Figure 6 is the EDX spectrum of PS-b-P4VP microparticles decorated with gold nanoparticles, the inset is a TEM image of the cross section (scale bar 80nm).
7 is an SEM image of PS-b-P4VP microparticles decorated with gold nanoparticles according to the microparticle diameter (scale bar 200 nm).
8 is a graph showing the distance between the hemisphere diameter of the swelling surface and the adjacent hemisphere as a function of the microparticle diameter.
9 is a (a) FLIM image of PS-b-P4VP microparticles decorated with gold nanoparticles (diameter 810 nm) and (b) fluorescence lifetime measurement graph (average lifetime 3.3 ± 0.2 ns).
10 is a schematic view showing the evolution of the surface structure according to the degree of swelling of the fine particles of various diameters.
11 is a TEM image of P4VP colloidal particles (scale bar 50 nm).
12 is a SEM, TEM photograph and EDX image of PS-b-P4VP microparticles decorated with various metals (scale bar 100 nm).

본 발명은 보다 간단한 방법으로 조절된 표면을 갖는 금속 장식 하이브리드 미세입자를 제조할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing metal-decorated hybrid microparticles having controlled surfaces in a simpler way.

먼저, 블록공중합체 미세입자를 에멀젼 방법으로 제조한다. 이들 미세입자는 금속 전구체를 직접 환원법을 통해 삽입함으로써, 미세입자 표면 근처에만 나노입자가 위치하도록 할 수 있다. 표면 근처의 P4VP 도메인이 금속 전구체로 선택적으로 팽윤되기 때문에 미세입자의 직경에 따라 독특한 도트 패턴 또는 지문형 패턴이 금속 전구체 삽입 과정에서 미세입자 표면에 형성된다. First, the block copolymer microparticles are prepared by an emulsion method. These microparticles can be inserted into the metal precursor by direct reduction, so that the nanoparticles are located only near the surface of the microparticles. Because the P4VP domain near the surface is selectively swollen with the metal precursor, a unique dot pattern or fingerprint pattern is formed on the surface of the microparticle during the metal precursor insertion process, depending on the diameter of the microparticle.

금 장식 미세입자의 최대흡수파장이 약 580nm에서 관찰되었는데, 이는 금 나노입자가 미세입자 표면 근처의 P4VP 도메인 내에 응집되어 있거나 조밀하게 충전되어 있음을 의미한다. 또한 미세입자의 크기가 증가할수록 이들의 형광수명은 작은 미세입자보다 훨씬 길어진다. 또한 금 나노입자 장식 미세입자 뿐만 아니라 산화철 및 백금 나노입자를 포함하는 다양한 하이브리드 미세입자를 제조할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 제조된 하이브리드 미세입자는 높은 활성표면적 및 독특한 광학 특성으로 인해 촉매, 센서 및 광학적 용도에 다양하게 적용될 수 있다. The maximum absorption wavelength of the gold-decorated microparticles was observed at about 580 nm, which means that the gold nanoparticles are aggregated or densely packed in the P4VP domain near the microparticle surface. In addition, as the size of the microparticles increases, their fluorescence lifetime is much longer than that of the small microparticles. In addition, it is possible to produce a variety of hybrid microparticles, including iron nanoparticles and platinum nanoparticles as well as gold nanoparticle decorative microparticles. Therefore, the hybrid microparticles prepared by the present invention can be applied to a variety of catalysts, sensors and optical applications due to the high active surface area and unique optical properties.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예로써 금 장식 하이브리드 미세입자를 설명한다. Hereinafter, a gold decorative hybrid microparticles will be described as a preferred embodiment of the present invention.

금 전구체를 폴리스티렌-b-폴리(4-비닐피리딘) (PS-b-P4VP) 미세입자에 용침(infiltration)시킴으로써 다양한 표면 형태를 가진 금장식 미세입자를 제조할 수 있다. 상기 미세입자는 클로로포름내 PS-b-P4VP 폴리머를 계면활성제 수용액에 에멀젼화한 후 클로로포름을 증발시킴으로써 제조할 수 있다. 산성 조건에서 금 전구체로 미세입자 내의 P4VP 도메인에 선택적으로 팽윤시킨 결과 다양한 표면 나노구조를 가진 금 장식 미세입자가 형성될 수 있다. Gold-decorated microparticles with various surface morphologies can be prepared by infiltration of the gold precursor into polystyrene-b-poly (4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) microparticles. The microparticles can be prepared by emulsifying the PS-b-P4VP polymer in chloroform in an aqueous surfactant solution and then evaporating chloroform. Selective swelling of P4VP domains in the microparticles with gold precursors under acidic conditions can result in the formation of gold decorative microparticles with various surface nanostructures.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 미세입자가 800nm 보다 클 경우에는 지문 형상의 표면 패턴이, 800nm 보다 작을 경우에는 도트 표면 패턴이 형성된다. 또한, 금 나노입자들은 제조되는 미세입자의 표면 근처 P4VP 도메인 내에 위치하게 된다. According to a preferred embodiment of the present invention, when the fine particles are larger than 800 nm, the surface pattern of the fingerprint shape is smaller than 800 nm, and the dot surface pattern is formed. In addition, the gold nanoparticles are located in the P4VP domain near the surface of the microparticles to be produced.

금 나노입자 하이드리드 블록공중합체미세입자를 제조하는 본 발명의 방법은 철산화물 또는 백금 나노입자와 같은 다른 나노입자 시스템에도 적용될 수 있으며, 조절된 표면 구조를 갖는 하이브리드 미세입자 형성에 효율적으로 사용될 수 있다. The method of the present invention for preparing gold nanoparticle hydride block copolymer microparticles can also be applied to other nanoparticle systems, such as iron oxide or platinum nanoparticles, and can be used efficiently to form hybrid microparticles with controlled surface structures. have.

블록공중합체 수용액 내의 에멀젼 액적을 이용하여, 에멀젼 액적 내의 유기 용매를 증발시킴으로써 블록공중합체 콜로이드 입자를 제조할 수 있다. 이 입자들의 나노 구조는 특이하며 블록의 체적 비율, 입자 크기 및 각각의 블록과 액적 계면의 계면 장력을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. Block copolymer colloidal particles can be prepared by evaporating the organic solvent in the emulsion droplets using emulsion droplets in the aqueous block copolymer solution. The nanostructure of these particles is unique and can be controlled by varying the volume fraction of the blocks, the particle size and the interfacial tension at each block and droplet interface.

예를 들어, 어니언형 입자는 대칭 다이블록공중합체를 사용하여 제조할 수 있는 한편, 다른 나노 구조의 입자들은 저분자량 단독중합체를 다양한 비율로 첨가함으로써 간단하게 제조할 수 있다. For example, onion-type particles can be prepared using symmetric diblock copolymers, while other nanostructured particles can be prepared simply by adding low molecular weight homopolymers in various proportions.

또한 블록공중합체 내부의 나노 형태는 액적 표면(즉, 조절 표면)과의 블록 상호작용에 의해 상당한 영향을 받는 것으로 알려져 있고, 전체 콜로이드 입자 형상은 용매가 증발하면서 구조적으로 진화하는 동안 변한다. It is also known that the nanomorphology inside the block copolymer is significantly affected by block interaction with the droplet surface (ie, the regulating surface), and the overall colloidal particle shape changes during structural evolution as the solvent evaporates.

박막 필름 제조에 사용되는 기존의 방법들을 사용하여 기능성 나노입자를 상기 블록공중합체 입자에 주입함으로써 복합적인 내부 나노 상을 갖는 콜로이드 복합 입자를 제조할 수 있다. Colloidal composite particles having complex internal nanophases can be prepared by injecting functional nanoparticles into the block copolymer particles using existing methods used in thin film production.

무기 나노입자를 폴리머 나노구조체에 주입하는 방법은 크게 엑스-사이튜(ex-situ)와 인-사이튜(in-situ) 방법으로 구분된다. 엑스-사이튜(ex-situ) 방법은 미리 형성된 나노입자와 블록공중합체의 상호협력적인 자기조직화를 이용한다. 나노입자를 블록공중합체 블렌드 내에 주입하고 위치를 조절하는 것은 유기분자, 단독중합체, 단독중합체의 혼합물 또는 공중합체와 같은 리간드를 나노입자의 표면에 말단 결합시킴으로써 나노입자의 표면 특성을 조절한다. 또한, 다양한 나노입자들은 적합한 리간드로 코팅되기만 하면 폴리머 매트릭스내에 위치를 조절하여 주입될 수 있다. Injecting inorganic nanoparticles into polymer nanostructures is largely divided into ex-situ and in-situ methods. The ex-situ method utilizes cooperative self-organization of preformed nanoparticles and block copolymers. Injecting and controlling the position of the nanoparticles in the block copolymer blend controls the surface properties of the nanoparticles by end-bonding ligands such as organic molecules, homopolymers, mixtures of homopolymers or copolymers to the surface of the nanoparticles. In addition, various nanoparticles can be injected by controlling their position in the polymer matrix as long as they are coated with a suitable ligand.

블록공중합체 템플레이트 내에서 나노입자의 인-사이튜합성 방법은 금속 전구체를 포함하는 블록공중합체의 예비형성된 마이셀을 이용한다. 이 방법은 블록 중 하나가 금속 전구체에 대해 강한 친화력을 보유하여야 한다. 이러한 블록으로는 질소원자가 금속 전구체와 강하게 상호작용하는 폴리(2-비닐피리딘) (P2VP) 및 폴리(4-비닐피리딘) (P4VP) 등이 있다. 금속-폴리머 복합 입자는 블록공중합체 마이셀 내부의 금속 전구체를 예를 들어 환원제 또는 플라즈마 처리를 이용하여 직접 환원시킴으로써 제조할 수 있다. 그러나, 본 발명과 같이 에멀젼 템플레이팅 공정에서 형성된 서브미크론 블록공중합체 입자 내에서 금속 입자를 인-사이튜 형성하는 방법은 보고된바 없다. In-situ synthesis of nanoparticles in block copolymer templates utilizes preformed micelles of block copolymers comprising metal precursors. This method requires that one of the blocks has a strong affinity for the metal precursor. Such blocks include poly (2-vinylpyridine) (P2VP) and poly (4-vinylpyridine) (P4VP) in which nitrogen atoms interact strongly with metal precursors. The metal-polymer composite particles can be prepared by directly reducing the metal precursor inside the block copolymer micelle using, for example, a reducing agent or a plasma treatment. However, no method of in-situ forming the metal particles in the submicron block copolymer particles formed in the emulsion template process as in the present invention has been reported.

본 발명에서는 조절된 표면 나노구조를 갖는 금속-블록공중합체 하이브리드 미세입자를 보다 간단하면서도 편리하게 제조할 수 있는 방법을 제공한다. 먼저, 폴리스티렌-b-폴리(4-비닐피리딘)(PS-b-P4VP) 폴리머 마이셀의 미세입자 또는 구형 응집체를 에멀젼 캡슐화 및 수축법에 의해 제조한다. 그리고나서, 산성수 내의 금 전구체를 첨가하여 금속 나노입자가 미세입자의 표면 근처에만 형성되도록 한다. 예상치 못하게, P4VP 도메인이 선택적으로 팽윤하여 표면으로 이동함으로써 독특한 도트 또는 지문형 패턴이 금속화 과정에서 생겨난다(도 1 참조). 그 결과 금 나노입자 복합 미세입자를 성공적으로 제조함과 동시에 표면 형태를 조절할 수 있다. The present invention provides a simpler and more convenient method for preparing metal-block copolymer hybrid microparticles having controlled surface nanostructures. First, microparticles or spherical aggregates of polystyrene-b-poly (4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) polymer micelles are prepared by emulsion encapsulation and shrinkage methods. Gold precursors in acidic water are then added so that metal nanoparticles form only near the surface of the microparticles. Unexpectedly, a unique dot or fingerprint pattern occurs during the metallization process as the P4VP domain selectively swells and migrates to the surface (see FIG. 1). As a result, it is possible to successfully prepare gold nanoparticle composite microparticles and to control the surface morphology.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1>
&Lt; Example 1 >

PS-b-P4VP 폴리머를 이용한 미세입자의 제조Preparation of Fine Particles Using PS-b-P4VP Polymer

실험에서 사용한 PS-b-P4VP(Polymer Sources Inc.)의 특성은 다음과 같다. The characteristics of PS-b-P4VP (Polymer Sources Inc.) used in the experiment are as follows.

총분자량(Mn)=262 kg/mol (PS Mn=198 kg/mol, P4VP Mn=64 kg/mol)Total molecular weight (Mn) = 262 kg / mol (PS Mn = 198 kg / mol, P4VP Mn = 64 kg / mol)

다분산도(PDI)=1.14
Polydispersity (PDI) = 1.14

클로로포름 내 PS-b-P4VP 1 중량% 용액을 1 중량%의 계면활성제(Pluronic F108 (PEO-b-PPO-b-PEO, 14,600 g/mol, Sigma Aldrich))를 함유하는 증류수 4.5mL를 첨가하고 초음파분쇄기로 10분간 처리하여 에멀젼화 하였다. 얻어진 수계 에멀젼에 증류수를 첨가하여 희석한 후 유기용매를 감압하 50℃에서 로타리증발기를 이용하여 증발시켰다. 결과물을 95℃에서 24시간 동안 어닐링하여 내부 구조를 형성하였다. 분산물을 탈이온수로 세척한 후 원심분리(13,000rpm, 30분)하는 과정을 반복하여 남아있는 계면활성제를 제거하였다.
A 1% by weight solution of PS-b-P4VP in chloroform was added 4.5 mL of distilled water containing 1% by weight of surfactant (Pluronic F108 (PEO-b-PPO-b-PEO, 14,600 g / mol, Sigma Aldrich)) The mixture was emulsified by treating with an ultrasonic mill for 10 minutes. Distilled water was added and diluted with the obtained aqueous emulsion, and the organic solvent was evaporated using rotary evaporator at 50 degreeC under reduced pressure. The result was annealed at 95 ° C. for 24 hours to form an internal structure. The dispersion was washed with deionized water, followed by centrifugation (13,000 rpm, 30 minutes) to remove the remaining surfactant.

블록공중합체 마이셀 미세입자 내로 금속 나노입자 삽입Insertion of metal nanoparticles into block copolymer micelle microparticles

금 나노입자로 장식된 미세입자를 제조하기 위하여, 금 전구체(HAuCl4·3H2O, Aldrich) 용액을 미세입자 분산물에 P4VP 단위 기준 1:1 몰비로 첨가하였다. 혼합물을 24시간 동안 교반한 후 탈이온수로 세척한 후 원심분리(13,000rpm, 30분)하는 과정을 반복하여 정제하였다. 결과물을 탈이온수에 재분산하여 특성을 평가하였다.
To prepare fine particles decorated with gold nanoparticles, a gold precursor (HAuCl 4 · 3H 2 O, Aldrich) solution was added to the microparticle dispersion in a 1: 1 molar ratio based on P4VP units. After the mixture was stirred for 24 hours, the mixture was washed with deionized water and centrifuged (13,000 rpm, 30 minutes). The result was redispersed in deionized water to evaluate its properties.

특성측정 방법Characteristic measurement method

전계방출주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi S-4800) 및 투과전자현미경(TEM, JEOL 2000FX)를 사용하여 금속 장식 미세입자의 표면 및 내부 구조를 관찰하였다. FE-SEM을 사용하여 미세입자의 표면구조를 가시화하기 위하여 실리콘 웨이퍼 상에 미세입자 현탁액을 드롭-캐스팅한 후 세척하고 금으로 스퍼터링하는 방법으로 시료를 준비하였다. TEM을 이용하여 미세입자의 표면구조를 관찰하기 위하여, 20-30nm 두께의 카본 필름으로 코팅된 TEM 그리드를 미세입자 현탁액에 담근 후 공기 중에서 건조하여 시료를 준비하였다. 준비된 시료를 아이오다이드 증기에 노출시켜 PS-b-P4VP의 P4VP 도메인을 선택적으로 염색하였다. 그러나 금 전구체를 PS-b-P4VP 미세입자에 삽입한 이후에는 금 나노입자와 폴리머 도메인 사이의 강력한 콘트라스트 때문에 염색하지 않고 시료를 분석하였다. 현탁액 내 PS-b-P4VP 마이셀과 금 나노입자의 크기와 분포는 FE-SEM, TEM 및 AFM 이미지로 분석하였다. 미세입자의 내부 구조를 조사하기 위하여 단면 TEM 사진을 이용하였고, 시료는 미세입자 현탁액을 에폭시 필름 상에 드롭 캐스팅한 후 용매를 건조시켜 준비하였다. 에폭시 지지 필름을 60℃ 오븐에서 24시간 경화시킨 후 다이아몬드 나이프를 이용하여 50nm 슬라이스로 잘랐다. Field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi S-4800) and transmission electron microscope (TEM, JEOL 2000FX) were used to observe the surface and internal structure of metal decorative microparticles. Samples were prepared by drop-casting microparticle suspensions on silicon wafers, washing and sputtering with gold in order to visualize the surface structure of the microparticles using FE-SEM. In order to observe the surface structure of the microparticles using the TEM, a sample was prepared by dipping a TEM grid coated with a 20-30 nm thick carbon film in a fine particle suspension and drying in air. Prepared samples were exposed to iodide vapor to selectively stain the P4VP domain of PS-b-P4VP. However, after inserting the gold precursor into the PS-b-P4VP microparticles, the samples were analyzed without staining due to the strong contrast between the gold nanoparticles and the polymer domain. The size and distribution of PS-b-P4VP micelles and gold nanoparticles in suspension were analyzed by FE-SEM, TEM and AFM images. Cross-sectional TEM photographs were used to investigate the internal structure of the microparticles, and samples were prepared by drop casting the microparticle suspension onto an epoxy film and then drying the solvent. The epoxy support film was cured in a 60 ° C. oven for 24 hours and then cut into 50 nm slices using a diamond knife.

금 나노입자로 장식된 미세입자의 광학 특성을 평가하기 위하여 UV-가시광선 흡수 스펙트럼(Cary 50 Conc UV-Vis 분광분석기) 및 형광수명 이미징(FLIM, Hitachi F-7000)을 실시하였다. 형광수명 이미징(FLIM)은 전도형(inverted type) 공초점 주사현미경(Micro Time-200, Picoquant, Germany)(100X objective)을 사용하여 실시하였다. 단일모드 펄스 다이오드 레이저(470nm 출력, 반값전폭 ~96 ps 기기반응함수, 40MHz 반복속도, 평균 출력 1㎼이하)를 여기원으로 사용하였다. UV-visible absorption spectra (Cary 50 Conc UV-Vis spectroscopy) and fluorescence lifetime imaging (FLIM, Hitachi F-7000) were performed to evaluate the optical properties of microparticles decorated with gold nanoparticles. Fluorescence lifetime imaging (FLIM) was performed using an inverted type confocal scanning microscope (Micro Time-200, Picoquant, Germany) (100X objective). A single-mode pulsed diode laser (470 nm output, half width full-to-96 ps instrument response function, 40 MHz repetition rate, average output less than 1 Hz) was used as excitation source.

다이크로닉 미러(490 DCXR, AHF), 롱파스 필터(HQ500lp, AHF), 50㎛ 핀홀 및 SPAD(single-photon avalanche diode)를사용하여, 글라스 커버슬립 상에 스핀코팅된 금나노입자 장식 시료로부터의 방출광(λ> 500nm)을 수집하였다. 데이터 수집은 시간상관 단일광자 계수법(TCS-PC)에 기초하였다. FLIM 이미지로부터 시간분해 형광붕괴곡선을 얻었고, 형광수명은 비선형최소자승 반복곡선(SymPhoTime 소프트웨어 버젼 5.1.3)으로부터 얻었다. From gold nanoparticle decorative samples spin-coated on glass coverslips, using dichroic mirrors (490 DCXR, AHF), long-pass filters (HQ500lp, AHF), 50 μm pinholes and single-photon avalanche diodes (SPAD) The emitted light (λ> 500 nm) of was collected. Data collection was based on time-correlated single photon counting (TCS-PC). Time resolved fluorescence decay curves were obtained from FLIM images, and fluorescence lifetimes were obtained from nonlinear least squares repetition curves (SymPhoTime software version 5.1.3).

하이브리드 금속-블록공중합체 미세입자 내에 금속(금, FexOy, 및 백금 등)이 존재하는 것은 에너지 분산 X-선 분광분석기(EDX, JEOL)로 확인하였다. 시료는 염색을 하지 않은 것만 제외하고는 TEM 시료와 동일한 과정을 거쳐 준비하였다.
The presence of metals (gold, Fe x O y , and platinum, etc.) in the hybrid metal-block copolymer microparticles was confirmed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX, JEOL). Samples were prepared through the same process as the TEM samples except that they were not dyed.

측정 결과Measurement result

블록공중합체 콜로이드 입자에 대하여, PS-b-P4Vp 다이블록공중합체 1중량% 함유하는 클로로포름 용액을 1 중량%의 계면활성제(Pluronic F108)를 함유하는 물을 첨가한 후 고강도 초음파 조사기를 이용하여 에멀젼화 하였다. 그 후 클로로포름을 서서히 증발시켜 블록공중합체 콜로이드 입자를 제조하였다. 도 2는 PS-b-P4VP 콜로이드 입자의 광학 이미지이다. 입자는 물에 잘 분산되었다(도 2(a) 참조). SEM 이미지(도 2(c))로부터 구형 콜로이드 입자가 매끄러운 표면을 가진 것을 알 수 있다. 한편, 상기 콜로이드 입자를 금 전구체(HAuCl4) 수용액으로 처리한 후에는 반구형으로 덮인 거친 표면을 갖는다(도 2(d) 참조). 상기 표면 구조는 크기 및 배열이 규칙적이다. 또한 금 나노입자가 삽입된 콜로이드 입자들도 물에 잘 분산된다(도 2(b) 참조).To the block copolymer colloidal particles, a chloroform solution containing 1% by weight of PS-b-P4Vp diblock copolymer was added to water containing 1% by weight of a surfactant (Pluronic F108), followed by emulsion using a high intensity ultrasonic irradiator. It was made. Chloroform was then slowly evaporated to produce block copolymer colloidal particles. 2 is an optical image of PS-b-P4VP colloidal particles. The particles were well dispersed in water (see Figure 2 (a)). From the SEM image (FIG. 2C), it can be seen that the spherical colloidal particles have a smooth surface. On the other hand, after treating the colloid particles with an aqueous solution of gold precursor (HAuCl 4 ), it has a rough surface covered with hemispherical shape (see FIG. 2 (d)). The surface structure is regular in size and arrangement. In addition, colloidal particles into which gold nanoparticles are inserted are also well dispersed in water (see FIG. 2 (b)).

도 3은 PS-b-P4VP 콜로이드 입자의 표면 및 단면 TEM 이미지이다. 블록공중합체 콜로이드 입자의 표면에서의 형태 변화를 세밀히 관찰하기 위하여 입자의 표면 및 단면 TEM 이미지를 관찰하였다. 단면 촬영을 위하여, 입자들을 에폭시 필름 상에 떨어뜨린 후 건조하였다. 시료를 실온에서 조심스럽게 절단하여 50nm 두께의 필름을 얻었다. 도 3 (a) 및 (c)에서 볼 수 있는 바와 같이, P4VP 코어를 갖는 PS-b-P4VP 폴리머의 구형 마이셀 구조가 관찰되었다. P4VP 코어는 아이오다인 증기로 선택적으로 염색되었기 때문에 콜로이드 입자에서 어둡게 보이는 영역이다. 3 is a surface and cross-sectional TEM image of PS-b-P4VP colloidal particles. The surface and cross-sectional TEM images of the particles were observed to closely observe the morphological changes at the surface of the block copolymer colloidal particles. For cross-sectional imaging, the particles were dropped on an epoxy film and then dried. The sample was carefully cut at room temperature to obtain a 50 nm thick film. As can be seen in Figures 3 (a) and (c), the spherical micelle structure of the PS-b-P4VP polymer with the P4VP core was observed. The P4VP core is a dark-looking area in the colloidal particles because it is selectively dyed with iodine vapor.

높은 분자량(Mn=262 kg/mol, PDI=1.14, f ps=0.76)을 갖는 비대칭 PS-b-P4VP 폴리머는 P4VP보다 PS에 대한 클로로포름의 친화력이 훨씬 크기 때문에 클로로포름 용액 내에서 PS 코로나와 P4VP 코어로 이루어진 구형 마이셀을 형성하였다. PS 체인과 클로로포름 간의 폴리머-용매 상호작용 계수(X)는 0.34로 알려져 있는데, 이는 P4VP 체인과 클로로포름 간의 계수(1.55)에 비해 훨씬 작다. 콜로이드 입자 내 PS-b-P4VP 마이셀의 P4VP 코어 평균 크기는 TEM 이미지로부터 47.5±9.2nm로 추정된다. 상기 값은 AFM 측정으로 얻은 P4VP 코어 평균 크기(43.7±3.1nm)와 상응한다. AFM 측정은 PS-b-P4VP 마이셀의 단층 샘플을 0.5 중량%의 PS-b-P4VP 클로로포름 용액으로 Si 기판 상에 제조하였다. AFM 측정결과(도 4 참조)에 따르면 또한 2개의 다른 P4VP 마이셀 코어 사이의 중심간 거리로부터 얻은 PS-b-P4VP 마이셀의 평균 크기는 59.5±5.8nm 이다. Asymmetric PS-b-P4VP polymers with high molecular weight (Mn = 262 kg / mol, PDI = 1.14, f ps = 0.76) have a much higher affinity for chloroform for PS than P4VP, so PS corona and P4VP cores in chloroform solutions Spherical micelles were formed. The polymer-solvent interaction coefficient ( X ) between PS chain and chloroform is known as 0.34, which is much smaller than the coefficient (1.55) between P4VP chain and chloroform. The average P4VP core size of PS-b-P4VP micelles in the colloidal particles is estimated to be 47.5 ± 9.2 nm from the TEM image. This value corresponds to the P4VP core mean size (43.7 ± 3.1 nm) obtained by AFM measurement. AFM measurements were made of monolayer samples of PS-b-P4VP micelles on Si substrates with 0.5% by weight of PS-b-P4VP chloroform solution. AFM measurements (see FIG. 4) also show that the average size of PS-b-P4VP micelles obtained from the center-to-center distance between two different P4VP micelle cores is 59.5 ± 5.8 nm.

금 전구체를 미세입자에 주입한 후, 미세입자 표면은 매끄러운 표면에서 도트 형상 패턴으로 현저하게 변환되었다. 도 3(b) 및 (d)는 아이오다인 염색없이 관찰된 금 나노입자로 장식된 미세입자의 표면 및 횡단면 TEM 이미지를 보여준다. 도 3(b)에 의하면 미세입자 표면에 금 나노입자를 함유하는 작은 반구가 규칙적으로 배열되어 라즈베리를 닮은 구조를 갖고 있다. 이 구조는 도 2(d)의 SEM 이미지와 상응한다. 금 장식 미세입자의 내부 구조를 조사하기 위하여 미세입자의 횡단면 TEM 이미지를 촬영하였다. 도 3(d)의 TEM 이미지는 금 전구체가 미세입자의 내부 P4VP 도메인이 아닌 표면 근처의 P4VP 도메인에만 삽입되었음을 보여준다. 미세입자 입자 내의 PS 매트릭스에 의해 P4VP 도메인이 고립되어 있기 때문에 금 전구체는 미세입자 내부의 P4VP 도메인에는 도달할 수 없다. 도 3(d)에서 P4VP 도메인은 PS 매트릭스보다 약간 어둡게 나타나는데 PS 폴리머보다 폴리(비닐피리딘)폴리머로부터의 전자 산란이 더 강하기 때문이다. After injecting the gold precursor into the microparticles, the microparticle surface was significantly converted into a dot-shaped pattern on the smooth surface. 3 (b) and (d) show the surface and cross-sectional TEM images of the microparticles decorated with gold nanoparticles observed without iodine staining. According to FIG. 3 (b), small hemispheres containing gold nanoparticles are regularly arranged on the surface of the microparticles to have a structure resembling a raspberry. This structure corresponds to the SEM image of Fig. 2 (d). Cross-sectional TEM images of the microparticles were taken to investigate the internal structure of the gold decorative microparticles. The TEM image of FIG. 3 (d) shows that the gold precursor was inserted only in the P4VP domain near the surface, not in the internal P4VP domain of the microparticles. Since the P4VP domain is isolated by the PS matrix in the microparticle particles, the gold precursor cannot reach the P4VP domain inside the microparticle. In FIG. 3 (d), the P4VP domain appears slightly darker than the PS matrix because electron scattering from the poly (vinylpyridine) polymer is stronger than the PS polymer.

본 발명의 방법은 기존의 방법과 달리 금 나노입자를 산성수와 함께 P4VP 도메인에 선택적으로 삽입함으로써 팽윤(swelling) 및 해팽윤(deswelling)에 기초하여 표면에 도트 형태를 갖는 라즈베리형 입자를 제조할 수 있다. Unlike the conventional method, the method of the present invention provides a raspberry-type particle having a dot shape on the surface based on swelling and deswelling by selectively inserting gold nanoparticles into the P4VP domain together with acidic water. Can be.

도 5는 금 나노입자로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 TEM 이미지 및 UV-가시광선 흡수 분광분석그래프이다. 미세입자의 표면에 위치한 P4VP 도메인의 금 나노입자의 특성을 평가하기 위하여, TEM 및 UV-가시광선 분광분석을 실시하였다(도 5 참조). 금 나노입자의 직경 분포는 단면 TEM 이미지를 이용하였으며, 도 5(a)의 삽입 그림은 금 나노입자의 직경분포를 나타내는데 평균직경이 1.7±0.3 nm임을 알 수 있다. 또한 금 나노입자의 평균직경은 미세입자의 크기에 상관없이 유지되었다. 도 5(b)는 금 나노입자 형성을 추가로 확인하기 위하여 금 전구체 용액으로 처리하기 전(실선)과 후(점선) 미세입자에 대한 UV-가시광선 흡수 스펙트럼을 비교하였다. 금 나노입자를 삽입한 후 얻은 미세입자에 대하여, 최대 흡수피크는 약 580nm에서 관찰되었는데, 이는 금 나노입자가 존재한다는 신호이다. 금 나노입자의 흡수 스펙트럼은 나노입자 직경에 매우 민감하다는 사실이 잘 알려져 있지만, 금 나노입자 장식 미세입자의 피크위치(~580nm)는 금 나노입자(크기 2-5nm)의 전형적인 흡수피크(510-520nm)와 비교해 적색편이되었다. 반면, 금 나노입자가 서로 충분히 가까운 경우에는 금 나노입자의 다이폴 플라즈몬 모드가 결합될 수 있기 때문에 흡수피크가 더 높은 파장으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 2nm 이하의 금 나노입자로 이루어진 금 클러스터의 UV-가시광선 흡수 피크는 개별 금 나노입자의 파장보다 더 높은 위치에서 관찰된다. 그러므로, 적색편이 UV-가시광선 흡수피크는 금 나노입자가 미세입자 표면 근처 P4VP 도메인에 조밀하게 충전되어 있음을 나타낸다(도 5(b) 참조). 게다가, 미세입자의 최외각층에 금 나노입자가 존재하는 것은 에너지 분산 X-선 스펙트럼(EDX) 측정결과에서도 확인되었다(도 6 참조).5 is a TEM image and UV-visible absorption spectroscopy graph of PS-b-P4VP microparticles decorated with gold nanoparticles. In order to evaluate the properties of the gold nanoparticles of the P4VP domain located on the surface of the microparticles, TEM and UV-Vis spectroscopy were performed (see FIG. 5). The diameter distribution of gold nanoparticles was used for the cross-sectional TEM image, and the insertion figure of FIG. In addition, the average diameter of the gold nanoparticles was maintained regardless of the size of the microparticles. FIG. 5 (b) compares the UV-visible absorption spectra for microparticles before (solid line) and after (dashed line) with gold precursor solution to further confirm gold nanoparticle formation. For the microparticles obtained after the gold nanoparticles were inserted, the maximum absorption peak was observed at about 580 nm, which is a signal that gold nanoparticles are present. It is well known that the absorption spectrum of gold nanoparticles is very sensitive to the nanoparticle diameter, but the peak position (~ 580 nm) of gold nanoparticle decorative microparticles is the typical absorption peak of gold nanoparticles (size 2-5 nm). 520 nm) compared to the red shift. On the other hand, when the gold nanoparticles are close enough to each other, the absorption peak may shift to a higher wavelength because the dipole plasmon mode of the gold nanoparticles may be combined. For example, the UV-visible absorption peak of a gold cluster of gold nanoparticles of 2 nm or less is observed at a higher position than the wavelength of the individual gold nanoparticles. Therefore, the redshift UV-visible absorption peak indicates that gold nanoparticles are densely packed in the P4VP domain near the surface of the microparticles (see FIG. 5 (b)). In addition, the presence of gold nanoparticles in the outermost layer of the microparticles was also confirmed in the energy dispersive X-ray spectrum (EDX) measurement results (see FIG. 6).

금 나노입자 첨가로 인한 형태적 전환과정을 미세입자 직경 변화에 따라 관찰하였다. 도 7은 금 나노입자로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자(직경 250 내지 1190nm)의 SEM 이미지이다. 도 7(a)-(d)에서 관찰할 수 있는 바와 같이, 소형 입자 상에서 분명히 구별되고 규칙적인 도트 패턴을 관찰할 수 있다((a) 250 nm, (b) 360 nm, (c) 540 nm, (d) 640 nm, (e) 1020 nm 및 (f) 1190 nm). 미세입자 직경이 800nm 이하이면 반구형 돌출물의 배열이 규칙적, 즉 라즈베리형 구조이다. 그러나, 미세입자 직경이 증가하면 표면 형태가 전이되어, 구별되는 도트형 구조에서 연속적인 지문형 구조로 변하였다. 미세입자 직경이 800nm를 초과하면 반구형 돌출물이 선형 융합되었을 수 있는 지문형 패턴을 나타내었다(도 7(e) 및 (f) 참조).Morphological conversion due to the addition of gold nanoparticles was observed according to the change of microparticle diameter. 7 is an SEM image of PS-b-P4VP microparticles (250-1190 nm in diameter) decorated with gold nanoparticles. As can be seen in FIGS. 7 (a)-(d), distinctly distinct and regular dot patterns can be observed on small particles ((a) 250 nm, (b) 360 nm, (c) 540 nm (d) 640 nm, (e) 1020 nm and (f) 1190 nm). If the microparticle diameter is 800 nm or less, the arrangement of the hemispherical protrusions is regular, that is, a raspberry type structure. However, as the microparticle diameter increases, the surface morphology is transferred, changing from the distinctive dot structure to the continuous fingerprint structure. When the microparticle diameter exceeded 800 nm, the hemispherical protrusions showed a fingerprint pattern in which linear fusions may have been made (see FIGS. 7 (e) and (f)).

금 장식된 미세입자의 표면구조를 보다 세밀히 관찰하기 위하여, SEM 이미지를 촬영하여 팽윤 마이셀의 직경 및 미세입자상의 인접한 표면구조물간의 거리를 미세입자 입경의 함수로 나타내었다(도 8 참조). 도 8은 미세입자 표면 상의 금-나노입자 삽입 P4VP 반구의 크기가 미세입자 직경 증가에 따라 40nm로부터 증가하는 것을 보여준다. 그러나 미세입자의 직경이 800nm가 되었을 때 반구직경이 약 50nm로 포화상태가 되었다. 미세입자 표면 상의 마이셀은 미세입자의 곡률에 따라 다양한 방법으로 합쳐진다. 곡률이 큰 표면을 갖는 작은 미세입자는 표면의 마이셀 수가 작아서 합쳐질 수 있는 가능성이 낮으므로 P4VP 반구 직경이 작아진다. 곡률이 작아질수록 표면에서 더 많은 수의 마이셀이 합쳐지고, 그 결과 P4VP 반구의 직경이 증가하게 된다. 그러나 반구 사이의 거리는 P4VP 반구상의 PS 브러쉬 길이에 의존하기 때문에 상기 거리는 미세입자 직경과 무관하게 약 16nm로 일정함을 알 수 있었다. In order to more closely observe the surface structure of gold-decorated microparticles, SEM images were taken to show the diameter of the swelling micelles and the distance between adjacent surface structures on the microparticles as a function of the microparticle particle diameter (see FIG. 8). 8 shows that the size of the gold-nanoparticle intercalated P4VP hemisphere on the microparticle surface increases from 40 nm with increasing microparticle diameter. However, when the diameter of the fine particles reached 800 nm, the hemisphere diameter became saturated to about 50 nm. The micelles on the surface of the microparticles are combined in various ways depending on the curvature of the microparticles. Small microparticles with a large curvature surface have a small P4VP hemisphere diameter because the number of micelles on the surface is small and therefore unlikely to merge. The smaller the curvature, the more micelles merge at the surface, resulting in an increase in the diameter of the P4VP hemisphere. However, since the distance between the hemispheres depends on the PS brush length on the P4VP hemisphere, the distance was found to be constant at about 16 nm regardless of the microparticle diameter.

금 나노입자 장식 미세입자의 형광 특성은 P4VP 도메인 내 금 나노입자의 구조적 행동 및 미세입자 표면의 형태 전이를 이해하는데 중요하다. 형광 수명은 금 나노입자의 크기, 입자 주변 상호작용 및 형광단 농도에 주로 의존한다. 그러므로 형광수명 이미징은 다양한 미세입자 직경 및 표면 구조를 갖는 금 나노입자 장식 미세입자에 대하여 실시하여 결과를 도 9에 나타내었다. 다양한 미세입자의 크기에 따른 수명값은 표 1에 요약하였다.The fluorescence properties of gold nanoparticle decorative microparticles are important for understanding the structural behavior of the gold nanoparticles in the P4VP domain and the morphological transition of the microparticle surface. Fluorescence lifetimes depend mainly on the size of the gold nanoparticles, the particle periphery interactions and the fluorophore concentration. Therefore, fluorescence lifetime imaging was performed on gold nanoparticle decorative microparticles having various microparticle diameters and surface structures, and the results are shown in FIG. 9. The lifetime values for various microparticle sizes are summarized in Table 1.

Figure 112012028364167-pat00001
Figure 112012028364167-pat00001

미세입자의 직경이 증가할수록 형광수명도 증가하였는데, 이는 미세입자 직경과 무관하게 금 나노입자가 1.7nm를 나타내며, 형광수명의 증가는 개별 금 나노입자의 크기 변화로 인한 것이 아니기 때문이다. 이와 대조적으로, 형광단 농도는 수명에 영향을 미치는 것이 잘 알려져 있는데, 비록 고유수명은 변화하지 않지만, 형광단 농도가 높을수록 벌크 용액의 농도가 높은 영역에서 재흡수가능성이 증가하기 때문에 사소한 재흡수과정을 통해 통상적으로 수명이 증가한다. 따라서, 본 발명자들은 더 많은 수의 금 나노입자가 미세입자 내에서 재흡수 과정에 참여할 수 있기 때문에 미세입자 직경이 증가할수록 형광수명이 증가한다고 본다. 예를 들어, 미세입자 직경이 380nm에서 810nm로 증가하면, 표면의 P4VP 반구는 40nm에서 50nm로 증가하고, 그 결과 P4VP 도메인당 금 나노입자의 수가 증가하게 되어 형광수명이 2.1±0.2에서 3.3±0.2 ns로 증가하였다. 또한, 형광수명은 미세입자 직경이 810nm에서 1380nm로 증가하자 3.7ns로 더욱 증가하였다. 본 발명자들은 이러한 현상이 표면 구조물이 도트 형상으로부터 지문형으로 변화함에 따른 것이고 결국 표면의 P4VP 도메인당 더 많은 수의 금 나노입자를 갖게 된다고 본다.As the diameter of the microparticles increased, the fluorescence lifetime increased, because the gold nanoparticles showed 1.7 nm regardless of the diameter of the microparticles, and the increase in the fluorescence life was not due to the change in the size of the individual gold nanoparticles. In contrast, it is well known that fluorophore concentrations have an effect on lifetime, although intrinsic lifetime does not change, minor resorption occurs because higher fluorophore concentrations increase resorption potential in areas of high bulk solution. Throughout the process, life is usually increased. Therefore, the present inventors believe that the fluorescence lifetime increases as the diameter of the fine particles increases because a larger number of gold nanoparticles can participate in the reabsorption process in the microparticles. For example, as the microparticle diameter increases from 380 nm to 810 nm, the surface P4VP hemispheres increase from 40 nm to 50 nm, resulting in an increase in the number of gold nanoparticles per P4VP domain, resulting in a fluorescence lifetime of 2.1 ± 0.2 to 3.3 ± 0.2. increased to ns. In addition, the fluorescence lifetime was further increased to 3.7 ns as the particle diameter increased from 810 nm to 1380 nm. The inventors believe that this phenomenon is due to the change in surface structure from dot shape to fingerprint, resulting in more gold nanoparticles per P4VP domain on the surface.

본 발명자들은 팽윤 및 해팽윤 과정에서의 형태변화를 연구하였다. 구체의 표면은 에너지를 최소화하기 위해 주름지기 때문에 코어셀 구체 상의 표면 주름에 의해 다양한 패턴이 형성되었다. 입자 내의 필름 스트레스가 증가함에 따라 돌출물들은 스트레칭 에너지를 절감하기 위해 서로 합쳐져서 점점 미로형 패턴으로 진화한다. 본 발명에서 관찰된 형태는 주름진 구와 매우 유사하다. 또한, 본 발명의 결과는 입자 직경과 표면 곡률의 함수로써 다양한 표면 구조물을 갖는 미세입자가 형성되었음을 보여준다. The inventors studied the morphological changes in the swelling and sea swelling process. Since the surface of the spheres is wrinkled to minimize energy, various patterns are formed by the surface wrinkles on the core cell spheres. As the film stress in the particles increases, the protrusions merge together to evolve into a maze pattern to save stretching energy. The shape observed in the present invention is very similar to the wrinkled sphere. The results of the present invention also show that microparticles with various surface structures were formed as a function of particle diameter and surface curvature.

도 10은 다양한 직경의 미세입자를 팽윤도에 따른 표면 구조의 진화과정을 나타낸 개략도이다. 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 금 전구체를 첨가하기 전에는 PS-b-P4VP 구형 마이셀이 미세입자 내에 존재하며, PS 블록은 용매(클로로포름)에 의해 상당히 팽윤되어 있고, P4VP는 대조적으로 붕괴되어 있다. 따라서, 미세입자 내에 구 형태가 유지된다. 미세입자가 산성수로 처리되면 표면 근처의 P4VP 도메인에 팽윤되고 PS 브러쉬의 표면 코팅을 통해 터져 고팽윤 P4VP의 머쉬룸(mushroom)을 형성한다. 만일 표면 곡률이 충분이 높으면 P4VP 머쉬룸은 서로 접촉하지 않고 도트 형상을 갖게 된다. 그러나 표면 곡률이 감소하면 팽윤된 머쉬룸들이 서로 접촉하여 연속적인 반원통형을 형성하게 된다.
10 is a schematic diagram showing the evolution of the surface structure according to the degree of swelling of the fine particles of various diameters. As shown in Fig. 10 (a), before the addition of the gold precursor, PS-b-P4VP spherical micelles are present in the microparticles, the PS blocks are significantly swollen by a solvent (chloroform) and P4VP collapsing in contrast. It is. Thus, the spherical shape is maintained in the microparticles. When the microparticles are treated with acidic water, they swell into the P4VP domain near the surface and burst through the surface coating of the PS brush to form a mushroom of high swell P4VP. If the surface curvature is high enough, the P4VP mushrooms do not contact each other and have a dot shape. However, as the surface curvature decreases, the swollen mushrooms come into contact with each other to form a continuous semicylindrical shape.

<비교예><Comparative Example>

PS-b-P4VP 폴리머 대신 P4VP 폴리머를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 P4VP 콜로이드 입자를 제조하였다. P4VP colloidal particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that P4VP polymer was used instead of PS-b-P4VP polymer.

도 11은 P4VP 콜로이드 입자의 TEM 이미지로, 금 전구체 삽인 전(a)과 후(b)를 각각 나타낸다. PS-b-P4VP 전구체와 달리, P4VP 콜로이드 입자는 금 나노입자 첨가에 따른 형태변화가 나타나지 않았다. 또한 금 나노입자는 P4VP 콜로이드 입자 전체에 균일하게 형성되었다. 따라서 PS-b-P4VP 구형 마이셀의 존재가 조절된 표면 구조를 갖는 금 나노입자 장식 미세입자 제조에 중요한 요소임을 알 수 있다.
FIG. 11 is a TEM image of P4VP colloidal particles, showing before (a) and after (b) the gold precursor insertion. Unlike the PS-b-P4VP precursors, P4VP colloidal particles did not show morphological changes with the addition of gold nanoparticles. In addition, gold nanoparticles were uniformly formed throughout the P4VP colloidal particles. Therefore, it can be seen that the presence of PS-b-P4VP spherical micelles is an important factor for the production of gold nanoparticle decorative microparticles having a controlled surface structure.

<실시예 2 및 실시예 3><Example 2 and Example 3>

P4VP 폴리머는 다양한 금속 전구체와 상호작용할 수 있기 때문에 본 발명의 방법은 다양한 유형의 금속 나노입자를 함유하는 하이브리드 미세입자 제조에 사용될 수 있다. 다른 종류의 금속 나노입자를 사용하여 미세입자를 제조하기 위하여, 염화백금산 육수화물(HPt2Cl6·6H2O) 및 염화철(Ⅲ)(FeCl3)을 금속 전구체로 사용하였다(Aldrich 로부터 구입). 금속 전구체의 종류를 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 백금 나노입자 및 산화철(FexOy) 나노입자 장식 하이브리드 미세입자를 제조하였다.Since P4VP polymers can interact with various metal precursors, the method of the present invention can be used to produce hybrid microparticles containing various types of metal nanoparticles. To prepare microparticles using different kinds of metal nanoparticles, chloroplatinic acid hexahydrate (HPt 2 Cl 6 · 6H 2 O) and iron (III) chloride (FeCl 3 ) were used as metal precursors (purchased from Aldrich). . Except for the kind of metal precursor, platinum nanoparticles and iron oxide (Fe x O y ) nanoparticles were decorated using the same method as in Example 1, hybrid microparticles.

도 12는 철산화물 (a) 및 백금 (b) 나노입자로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 SEM(상단 좌측), TEM(상단 우측) 및 EDX(하단) 이미지이다. 다양한 금속으로 장식된 PS-b-P4VP 미세입자의 SEM, TEM 사진 및 EDX 이미지이다. 미세입자의 형태를 관찰한 결과 금 나노입자 하이브리드 미세입자 시스템과 유사하게, 금속 전구체 FeCl3와 HPt2Cl6·6H2O를 각각 첨가하자 미세입자 표면이 매끄러운 표면에서 도트 패턴 표면으로 극적으로 변화하였다. 미세입자의 P4VP 도메인상에서 산화철과 금 나노입자의 형성은 TEM 이미지로 관찰되었다. 또한 EDX 측정결과는 미세입자 내 산화철과 금 나노입자의 존재를 확인해준다.12 are SEM (top left), TEM (top right) and EDX (bottom) images of PS-b-P4VP microparticles decorated with iron oxide (a) and platinum (b) nanoparticles. SEM, TEM and EDX images of PS-b-P4VP microparticles adorned with various metals. As a result of observing the microparticle morphology, similar to the gold nanoparticle hybrid microparticle system, the addition of the metal precursors FeCl 3 and HPt 2 Cl 6 · 6H 2 O, respectively, dramatically changed the surface of the microparticle from a smooth surface to a dot pattern surface. It was. Formation of iron oxide and gold nanoparticles on the P4VP domain of the microparticles was observed by TEM image. EDX results also confirm the presence of iron oxide and gold nanoparticles in the microparticles.

Claims (9)

폴리스티렌-폴리비닐피리딘 이중 블록공중합체의 에멀전 액적을 제조하는 단계;
상기 에멀전 액적의 용매를 증발시켜 폴리비닐피리딘 코어와 폴리스티렌 코로나로 이루어진 구형 마이셀을 포함하는 콜로이드 입자를 제조하는 단계; 및
상기 콜로이드 입자에 폴리비닐피리딘에 친화력을 갖는 금속 전구체를 첨가하여 상기 콜로이드 입자 표면에 반구형 돌출물이 규칙적으로 배열된 도트 패턴의 금속 장식 또는 표면에 반구형 돌출물이 선형 융합된 지문형 패턴의 금속 장식을 형성시키는 단계;를 포함하는
표면에 금속 장식을 포함하는 금속 장식 하이브리드 미세 입자의 제조 방법
Preparing an emulsion droplet of polystyrene-polyvinylpyridine double block copolymer;
Evaporating the solvent of the emulsion droplets to produce colloidal particles comprising spherical micelles comprising a polyvinylpyridine core and a polystyrene corona; And
A metal precursor having an affinity for polyvinylpyridine is added to the colloidal particles to form a metal decoration of a dot pattern in which hemispherical protrusions are regularly arranged on the surface of the colloidal particle, or a metal decoration of a fingerprint pattern in which the hemispherical protrusions are linearly fused to the surface. Comprising;
Method for producing metal-decorated hybrid fine particles containing metal decoration on the surface
제 1 항에 있어서,
상기 폴리스티렌-폴리비닐피리딘 이중 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리-2-비닐피리딘 이중 블록공중합체 또는 폴리스티렌-폴리-4-비닐피리딘 이중 블록공중합체인 것을 특징으로 하는 금속 장식 하이브리드 미세 입자의 제조 방법
The method of claim 1,
The polystyrene-polyvinylpyridine double block copolymer is a polystyrene-poly-2-vinylpyridine double block copolymer or a polystyrene-poly-4-vinylpyridine double block copolymer.
제 1 항에 있어서,
상기 에멀전 액적은 폴리스티렌-폴리비닐피리딘 이중 블록공중합체를 유기 용매에 용해시킨 후 계면활성제 수용액을 첨가하여 제조되는 것인 금속 장식 하이브리드 미세 입자의 제조 방법
The method of claim 1,
The emulsion droplets are prepared by dissolving the polystyrene-polyvinylpyridine double block copolymer in an organic solvent and then adding an aqueous surfactant solution to prepare the metal-decorated hybrid fine particles.
제 3 항에 있어서,
상기 유기 용매는 폴리스티렌-폴리비닐피리딘 이중 블록공중합체 중 폴리스티렌에 대해 친화력을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 장식 하이브리드 미세 입자의 제조 방법
The method of claim 3, wherein
The organic solvent is a method for producing metal-decorated hybrid fine particles, characterized in that the polystyrene-polyvinylpyridine double block copolymer having affinity for polystyrene.
제 3 항에 있어서,
상기 유기 용매는 클로로포름인 것을 특징으로 하는 금속 장식 하이브리드 미세 입자의 제조 방법
The method of claim 3, wherein
The organic solvent is a method for producing metal-decorated hybrid fine particles, characterized in that chloroform.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 전구체의 금속은 금, 백금, 또는 철 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속 장식 하이브리드 미세 입자의 제조 방법
The method of claim 1,
The metal of the metal precursor is a method for producing metal-decorated hybrid fine particles, characterized in that any one of gold, platinum, or iron.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 금속 장식 하이브리드 미세 입자Metal-decorated hybrid fine particles produced by the method according to any one of claims 1 to 6. 삭제delete 삭제delete
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