생체에서 영감을 받은 나노 기공의 물 자체 확산에서 용매화된 생체 분자 또는 나노 입자의 나노 측정
초록
규조류 절두체의 구조에서 영감을 얻고 수중 나노 오염 물질에 대한 새로운 탐지 전략의 필요성에 대한 동기를 부여받아, 우리는 나노다공성 실리카 정제가 수중 생체 분자 또는 나노 입자의 농도를 측정하는 장치로서의 잠재력을 분석합니다. 이 개념은 물 분자가 나노 기공과 같이 벌크 및 나노 제한 조건에서 나타내는 다양한 확산 거동에 의존합니다. 이 후자의 상황에서 물의 자체 확산 계수는 이전 연구에서 광범위하게 입증된 바와 같이 기공의 기하학적 구조 및 표면 특성 및 기공 내 부유 생체 분자 또는 나노 입자의 농도에 따라 감소합니다. 따라서 주어진 기공-액체 시스템에 대해 생체 분자 또는 나노 입자로 채워진 나노 기공에서 물의 자체 확산성은 농도의 간접적인 측정을 제공합니다. 분자 역학 및 문헌의 이전 결과를 사용하여 실리카 나노포어에서 물의 자체 확산 계수와 그 안에 포함된 단백질 또는 나노 입자의 농도 사이의 상관 관계를 보여줍니다. 마지막으로, 우리는 전체 나노 미터링 프로토콜의 실용적인 가능성을 평가하기 위해 나노 입자가 나노 기공을 채우는 데 필요한 시간을 추정합니다. 결과는 제안된 접근 방식이 물에 있는 일부 종류의 나노 오염 물질 또는 생체 분자의 농도를 평가하기 위한 대체 방법을 나타낼 수 있음을 보여줍니다.
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배경
수질 모니터링 기술의 필요성은 고대부터 시작되었습니다[1]. 고대 로마에서 수원은 사람과 동물의 사체에서 나오는 생물학적 오염물질이나 목욕에서 나오는 폐수와 납과 같은 비생물학적 오염물질[2]에 의해 빈번하게 오염되어 심각한 질병과 정신적 문제를 야기했습니다. 수세기에 걸친 지속적인 연구와 발전으로 오늘날 대부분의 세계 인구가 안전하게 마실 수 있는 수돗물에 접근할 수 있습니다. 그러나 여전히 8억 5천만 명 이상의 사람들이 깨끗한 물에 대한 기본적인 접근이 부족합니다[3].
정확한 품질 모니터링은 종종 낮은 농도에서 물을 오염시킬 수 있는 오염 물질의 특성이 다르기 때문에 어려운 작업입니다. 특히, 제약, 화학 또는 나노물질과 같은 미량 수준의 상당한 수의 신규 오염물질은 환경과 인체 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있지만 기존 수처리 시설에서 일반적으로 모니터링 및 제거되지 않습니다[4]. [5].
지난 수십 년 동안 나노기술의 출현으로 맞춤형 분자 센서를 설계하여 병원체, 유기 및 무기 화학물질과 같은 물의 다양한 오염 물질을 감지할 수 있었습니다[6]. 가장 기본적인 버전에서 이러한 센서는 나노구조 재료, 인식을 위한 구문 분석 요소 및 획득한 정보를 전달하는 능동 메커니즘으로 구성됩니다[7]. 정량적 정보가 수집되지 않은 경우 이러한 시스템은 오히려 나노프로브[8]라고 하며 화학물질을 선택적으로 감지하기 위해 기능화된 물질에 의존합니다.
생체의학 분야에서 저농도의 생체분자 검출은 진단의 정확도를 높이고 환자의 요구에 맞는 의학적 치료법과 약물을 맞춤화하는 데 매우 중요합니다. 저농도 생체 분자의 검출 신호를 증폭하기 위해 다양한 물리적 및 화학적 현상에 의존하는 초고감도 식별 방법이 이러한 목적으로 개발되었습니다[9-11].
이 프레임워크에서 나노다공성 재료는 공극과 채널을 특징으로 하는 독특한 구조로 인해 큰 주목을 받아 촉매작용[12], 흡착 열 저장[13], 분자 체질[14], 선택적 수송(막)[15], 나노모션[16], 약물 전달[17], 생체흡착[18].
자연은 특정 기능을 가진 효율적인 계층적 다공성 구조의 저명한 예를 제공하기 때문에 이러한 응용 프로그램의 개발에 큰 영감을 주었습니다[19, 20]. In silico 최적화와 적절하게 설계된 합성을 통해 필요한 응용 분야에 대한 낮은 안정성 및 가혹한 환경에 대한 거의 저항과 같은 가능한 한계를 극복할 수 있습니다[21, 22].
규조류의 외골격(절두체)에서 영감을 얻어[23], 이 작업에서 우리는 물에 있는 일부 부류의 생체분자 및 나노입자 농도에 대한 나노다공성 측정 정제를 개념화합니다. 핵심 아이디어는 물 분자가 실리카 나노포어와 같이 벌크 및 나노 제한 조건에서 나타내는 다양한 자체 확산 계수에 의존하는 것입니다. 실제로 나노로 제한되면 물 분자는 이동성이 감소하여 확산 공간이 감소합니다. 나노 입자 또는 생체 분자와 같은 분자 용질의 존재는 기공의 크기 및 기하학 외에도 크기 및 특성에 따라 이동성을 더욱 감소시킵니다. 이 거동은 이전에 문헌[24]에 소개된 스케일링 법칙에 의해 정확하게 복구될 수 있으며, 따라서 나노포어 내 물의 자가 확산 계수는 그 안에 포함된 생체 분자 또는 나노 입자의 농도를 간접적으로 정량화할 수 있음을 보여줍니다. 실리카 나노포어에서 다양한 농도의 단백질 및 산화철 나노입자에 대한 분자 역학을 통해 얻은 결과는 제안된 개념이 만족스러운 정확도로 농도에 대한 명확한 통찰력을 제공한다는 것을 보여줍니다.
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가설 제시
바이오에서 영감을 받은 나노 미터링 개념
규조류는 유비쿼터스 수성 환경에 사는 단세포 미생물(진핵 조류)입니다. 그들의 세포는 이산화규소 껍질(절두체)로 둘러싸인 두 개의 반으로 나뉩니다. 이 다공성 매트릭스(외골격)는 살아있는 세포가 외부 환경과 상호 작용할 수 있도록 하여 친수성 표면과 높은 표면 대 부피 비율을 통해 나노 입자와 활성 생체 분자의 부착을 최적화합니다[23]. 다공성 매트릭스의 나노포어와 슬릿은 화학적 특성과 함께 다양한 응용 분야를 위한 여러 나노 기술 장치의 생체 영감 설계에 사용할 수 있습니다[25].
규조류 조류의 구조를 기반으로, 여기에서 우리는 물에서 나노 입자 및 생체 분자의 일부 클래스에 대한 나노 미터링 실리카 정제를 개념화합니다. 그림 1a는 중심 규조류 Thalassiosira pseudonana의 주사 전자 현미경을 보여줍니다. [26]. 밸브는 직경이 몇 나노미터, 특히 이 경우 약 10nm 범위인 채널을 특징으로 하는 다공성 구조로 구성됩니다(삽입의 자세한 보기 참조). 이러한 규칙적인 다공성 구조 중 하나는 공극 크기보다 큰 분자에 대한 자연 체를 나타내지만 더 작은 분자의 침입을 허용하여 나노 미터링 개념에 활용할 수 있는 제한적인 환경을 제공합니다.