Poly-L-Apartic Acid에 의해 Cytochrome c가 흡착된

Hetero-LB films의 광전특성

이 윤구,  최 현구,  최 정우,  이 원홍

서강대학교 화학공학과

Photoelectrical Characteristics of Cytochrome c-Adsorbed

Hetero-LB films using Poly-L-Aspartic Acid

Yun-Goo Lee, Hyun-Goo Choi, Jeong-Woo Choi, Won Hong Lee

Department of Chemical Engineering, Sogang University

서론

생체의 광합성시스템에서 이루어지는 전자전달 메카니즘을 응용하여 인공시스템에서 구현시킨 생물전자소자의 개발은 새로운 개념 및 기술을 제시하고 있다[1,2]. 이러한 생물전자소자는 전자의 전달속도와 에너지효율면에서 유리한 생물분자들을 이용하여 분자단위에서 인공생체막을 구성함으로써 이루어진다. 생물전자소자의 개발에 있어서 분자들을 일정한 배향을 가지도록 배열하는 것과 일정방향으로 전자를 전달하는 전자전달물질을 적절히 구성하는 것은 분자소자의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소로 인식되고 있다.

Cytochrome c는 생체내의 전자전달시스템을 구성하는 단백질로서, 2개의 cystein과 2개의 axial ligand(histidine과 methionine)가 결합되어 있는 heme group의 산화·환원 상태의 변화 및 그에 따른 conformation의 변화에 의해 전자전달 특성이 나타난다[3]. Cytochrome c는 광합성 박테리아의 광합성반응센터에서 전자전달에 참여하는 구성요소로 작용하기도 하므로, 전자전달시스템을 구현시킨 생물전자소자의 구성요소로 이용될 수 있다.

본 연구에서는 전자전달특성을 지닌 유기분자인 ferrocene(전자공여체;D), flavin(전자여기체;S), viologen(전자수용체;A1)으로 구성된 유기박막을 LB기법으로 제작하고, 유기박막의 표면위에 poly-L-aspartic acid를 이용하여 정전기적 인력에 의해 cytochrome c(전자수용체;A2)를 흡착시켜  복합박막을 제작하였다. Buffer solution의 pH에 따른 cytochrome c의 흡착량을 통해 박막제작의 최적조건을 도출하였고, 복합박막으로 구성된 생물전자소자의 전기적 특성을 분석하여 분자광다이오드로서의 응용가능성을 검증하였다.

실험

사용물질

Ferrocene, flavin, viologen은 본 연구실에서 합성한 물질을 사용하였고[4-6], poly-L-aspartic acid와 cytochrome c(horse heart, type VI)는 Sigma Chemical Company(St. Louis, USA)에서 구입하여 사용하였다.

Hetero-LB film 제작과 Cytochrome c의 흡착

D/S/A1 형태의 hetero-LB film은 circular-type Langmuir trough(Model 2022, Nima Tech, UK)을 이용하여 ferrocene(D), flavin(S), viologen(A1)을 ITO glass위에 순차적으로 적층시켜 제작하였다. 양전하를 지니고 있는 hetero-LB film의 표면인 viologen(A1) 층에 carboxly group을 지닌 poly-L-aspartic acid(0.1mM)를 정전기력에 의해 흡착시킨 후, cytochrome c(4□M)를 포함하는 buffer solution에 30분간 넣어서 흡착시킴으로써 Fig. 1.에 나타낸 형태의 복합박막을 제작하였으며, cytochrome c의 최적흡착조건을 도출하기 위해 buffer solution의 pH 변화에 따른 영향을 고찰하였다. Hetero-LB film의 viologen 표면에 흡착된 cytochrome c의 상대적 양을 측정하기 위해 복합박막의  UV/VIS absorption spectrum을 분석하였다(JASCO V-550, JAPAN).

전기적 특성 측정

ITO glass 위에 ferrocene/flavin/viologen/cytochrome c의 형태로 적층된 hetero LB-film의 표면에 상부전극으로 사용되는 Al를 진공증착하여 (VPC-260F, Sinku Kiko Co., Japan) Metal/Insulator/Metal(MIM) 구조의 소자를 제작하였고, 460nm filter를 장착한 Xenon lamp system(Oriel Co., USA)을 이용하여 제작된 소자에 광을 조사함으로써 current-voltage(I-V)특성과  photoswitching현상을 측정하였다(SMU Model 236, Keithley, USA).

Fig. 1. Schematic illustration of the cytochrome c-adsorbed hetero-LB films

결과 및 토론

1. Cytochrome c의 흡착특성

Hetero LB-film의 표면은 viologen의 head group인 amine으로부터 생성되는 양전하를 지니게 되고, cytochrome c의 표면도 pH 10.5 이하에서는 net charge가 양성을 나타내기 때문에 양분자간의 정전기적 반발력에 의해 흡착되기 어렵다. 본연구에서는 음전하를 나타내는 작용기를 양쪽에 지닌 분자로써 carboxly기를 R-group으로 가지는 poly-L-aspartic acid를 bridging molecule로 사용하여 viologen의 표면에 cytochrome c를 흡착시킬 수 있었다. Cytochrome c가 포함된 buffer solution의 pH 변화에 따라 흡착된 cytochrome c의 상대적인 양을 UV-Visible absorption spectra를 통해 Fig 2.에 나타내었다. Buffer solution의 pH가 8.1 일때 흡착이 가장 잘되는 것에 근거하여, cytochrome c의 흡착을 위한 buffer solution의 최적 pH를 8로 결정하였다.

2. 전기적 특성

Hetero LB-film으로 구성된 MIM소자의 I-V(Current-Voltage)특성을 Fig.3 (a)에 나타내었다. 460nm 단파장의 150W Xenon 램프를 광원으로 사용하여 photocurrent를 측정한 결과 diode의 특성인 정류(rectifying)기능을 얻을 수 있었다. 이것은 제작된 소자를 구성하는 기능성 분자사이의 산화-환원 전위차에 의해 전자공여체에

서 전자수용체방향으로 일방향의 photocurrent가 흐르는 것을 나타낸다.

(a)                                 (b)

Fig. 2. UV-Visible absorption spectra with respect to pH of buffer solution.

Fig.3(b)는 bias voltage에 따른 MIM소자의 광전류특성을 나타낸 것이다. 순방향으로 1V의 전압을 가했을 때는 1 nA정도의  photocurrent가 생성되었고, 역방향전압(-1V)을 가했을 때는 photocurrent의 방향이 바뀌었으며 그 크기는 순방향전압에 비해 작게 나타났다. 이 결과로부터 제작된 소자의 전자전달이 방향성을 지니고 있음을 검증할 수 있었다. 광원의 반복적인 조사에 대해 photocurrent의 생성이 안정적으로 재현되었으며, 제작된 소자의 photoswitching 기능을 확인할 수 있었다.

(a)                             (b)

Fig.3 (a) I-V characterisitic of MIM device

(b) Photocurrent-time response of MIM device

감사

본 연구는 1997년도 과학기술처의 미래원천개발사업(광기술 F-15)의 지원에 의해 수행되었습니다.

참고문헌

[1] Isoda, S., FED J., 2, 59-65 (1992).

[2] Choi, J. W., Jung, G. Y., Oh, S. Y., Lee, W. H., and Shin, D. M., Thin Solid Films, 284/285, 876-878 (1996).

[3] Lippard, S. J. and Berg, J. M., Principles of Bioinorganic Chemistry, University Science Books, Mill Valley, pp 231-255 (1994).

[4] Oh, S. Y., Jung, G. Y., Choi, J. W., Lee, S. B., Kim, H. S., and Lee, W. H., J. Ind. Eng. Chem., 2, 1-6 (1996).

[5] Yoneda, F., Sakuma, Y., Ichiba, M., and Shinomura, K., Chem. Pharm. Bull., 20, 1832-1834 (1972).

[6] Tundo, P., Kippengerger, D. J., Politi, M. J., Klahn, P., and Fendler, J. H., J. Am. Chem. Soc., 104, 5352-5358 (1982).