Polydiacetylene-Based Chemosensors for Cationic surfactant, HCl gas and ATP

Abstract

폴리디아세틸렌(polydiacetylenes, PDAs)은 공액 고분자 군으로 몇몇 관점에서 매우 흥미로운 물질이다. 특히, 환경적 자극에 의한 PDAs의 뚜렷한 파란색에서 붉은색으로의 색 변화는 PDAs를 기초로 한 다양한 화학센서의 개발로 이어졌다. 그러나, 대부분의 경우 인식 사이트(sites)는 PDAs의 말단에 유도되기 때문에, PDAs의 표면에서 인식 과정은 주요한 자극에 의해 파랑색에서 붉은색으로 색변화가 유발된다. 1장에서는 벤조익 산을 말단기로 가지는 PDA를 양이온 계면활성제를 검출하는데 이용할 수 있는 센서를 연구하였다. 3가지 종류의 벤조익 산을 아미드 및 에스터 결합을 통해 PDA의 말단기로 합성하는 데 성공하였고, 이 PDA들은 전형적인 청색에서 적색으로의 전이 뿐 아니라 보라, 노랑, 주황색으로의 다양한 변화를 보여주었다. 이 결과는 세가지 다른 PDA를 통해서 양이온 계면활성제 종류를 구별할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 추가적으로 실험적 계산과 TEM (전기주사현미경) 이미지를 통해서 이런 특별한 색 변화를 관측할 수 있었다. 2장에서는 디메틸아민기를 말단으로 가지는 PDA 단량체를 합성하였다. 합성한 PDA 단량체를 포함하고 PEO를 메트릭스로 하는 전기방사된 나노화이버를 만들었다. 처음으로 PDA 단량체를 포함하는 전기방사된 나노화이버를 간단한 색 변화(청색->적색)로 염산 가스를 육안으로 검출하는데 이용할 수 있음을 규명했다. 염산 가스 농도는 2ppm에서도 검출 가능하며, 1초안에 색 변화를 확인할 수 있었다. 색 변화에 따른 나노화이버 SEM (주사전자현미경) 이미지를 확인하였다. 또한, 이런 변화는 형광 증가를 통해서도 확인할 수 있다. 3장에서는 디메틸아민을 말단으로 가지는 PDA단량체에 메틸레이션시켜 트리메틸아민을 말단으로 가지는 PDA 단량체를 합성했다. 그 후, 4차 아민을 가지는 PDA 단량체와 1차 아민 PDA를 혼합하여 pH 7.0 수용액에서 만들어진 고분자는 ATP를 넣으면 색 변화와 형광 증가를 보이며 선택적으로 검출할 수 있음을 확인했다. ;In chapter I, Diverse colorimetric changes can be observed for PDA based sensors in which penetration of cationic surfactant into PDAs bearing benzoic acid groups can cause not only the typical blue to red change but also blue to violet, blue to yellow or blue to orange color change. We systematically demonstrated these novel findings can be used effectively to discriminate different cationic surfactants by using three different PDAs. Furthermore, theoretical calculations and transmission electron microscope (TEM) images also confirm these unique colorimetric changes. These results suggest a new direction in which to design colorimetric sensors based on PDA polymers. In chapter II, We synthesized PDA monomers bearing dimethyl amine (PCDA-DMEDA) and incorporated them with Poly(ethylene oxide) (PEO) into electrospun fibers. For the first time, we successfully demonstrated that PDA-based electrospun fibers can be used for the naked-eye detection of HCl gas by simple color change (blue to red). Furthermore, this change can be monitored via fluorescence enhancement. In chapter III, A PDA based sensor, derived from a quaternary ammonium substituted diacetylene monomer, displayed a selective colorimetric change and a large fluorescence enhancement in the presence of ATP at pH 7.0. The ratio between quaternary ammonium monomer and primary amine monomer and control of steric factors were critical points to induce color change. The ATP selective PDA-based chemosensor enabled easy detection of the presence of ATP in 100% aqueous solution by the naked-eye.