[논문 리뷰] Synthesis of water-soluble melanin

Érika Soares Bronze‐Uhle, Marina Piacenti‐Silva외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 29.

melanin and skin pigmentation인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 수압 4 atm에서 L-도파의 자가산화를 통해 수용성 멜라닌을 합성하는 새로운 방법을 제시한다. 이 과정은 중합 반응 속도를 가속화하고 카보닐 기 함량을 증가시킨다. 결과적으로 형성된 멜라닌은 수용성 향상, 균일성 향상 및 전통적인 합성 멜라닌과는 다른 구조적 특성을 보이며, 유기 생전자기 응용에 활용 가능하다.

ABSTRACT

Melanins are promising materials for organic bioelectronics devices like transistors, sensors and batteries. However, in general, melanin either natural or synthetic has low solubility in most solvents. In this study, the chemical structural changes of melanin synthesized, by the auto oxidation of L-DOPA, are analyzed for a new synthetic procedure using a reactor with oxygen pressure of 4 atm. UV-Vis spectroscopy, FTIR, C-NMR, XPS and TEM are use to characterize the material. Under oxygen pressure, the synthesis of melanin is accelerated and the polymer obtained is found to have higher carbonyl groups compared to conventional synthetic melanin. As a consequence it has higher homogeneity and is soluble in water. To explain these findings a reaction mechanism is proposed based on current melanogenesis models.

연구 동기 및 목표

• 합성 멜라닌의 수용성 및 기타 용매에서의 용해도가 제한되어 있어 생전자기 응용에 악영향을 미치는 문제를 해결하기 위해.
• 용해도 향상 및 구조적 균일성 향상을 위한 확장 가능하고 제어 가능한 멜라닌 합성 경로를 개발하기 위해.
• 합성 중 산소 압력이 멜라닌의 산화 동역학 및 화학 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 고급 스펙트로스코픽 및 현미경 기법을 이용해 얻어진 멜라닌의 구조적 특성과 용해도 향상을 확인하기 위해.
• 알려진 멜라노제네시스 경로와 일치하는 반응 메커니즘을 제안하여 카보닐 기 함량 및 용해도 향상 원인을 설명하기 위해.

제안 방법

• 수압 4 atm 조건에서 밀폐된 반응기에서 L-도파의 자가산화 반응을 수행하여 중합 반응 속도를 가속화하기 위해.
• 형성된 멜라닌의 전자 이동 현상을 평가하고 반응 진행 상황을 모니터링하기 위해 UV-Vis 분광법을 사용하기 위해.
• 기능기 및 탄소 환경 분석을 위해 FTIR 및 C-NMR를 활용하여 특히 카보닐 및 퀴논 구조를 중심으로 분석하기 위해.
• 표면 원소 조성을 정량적으로 분석하기 위해 XPS를 적용하여 산소 기반 기능기의 함량을 측정하기 위해.
• 합성된 멜라닌의 형태 및 입자 크기 분포를 관찰하기 위해 TEM을 사용하기 위해.
• 기존의 멜라노제네시스 모델을 기반으로 반응 메커니즘을 제안하며, 산소 압력이 퀴논 및 카보닐 형성에 미치는 영향을 강조하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 L-도파 산화 과정에서 산소 압력을 증가시키면 형성된 멜라닌의 화학 구조와 용해도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 카보닐 기 형성이 합성 멜라닌의 수용성 향상에 기여하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 통제 가능하고 고압 산소 환경에서의 합성은 기존의 대기압 합성 대비 구조적 균일성 및 가공성 향상이 가능한 멜라닌을 생산할 수 있는가?
• RQ4 고압 조건에서 합성된 멜라닌의 스펙트로스코픽 및 현미경적 특성은 기존의 표준 합성 멜라틴과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 산소 압력이 멜라닌 내 핵심 기능기 형성에 기여하는 메커니즘적 경로는 무엇인가?

주요 결과

• 기존의 대기압 합성 방식에 비해 4 atm 산소 압력 하에서 멜라닌 합성 속도가著로 향상된다.
• FTIR, C-NMR 및 XPS 분석 결과, 형성된 멜라닌은 더 높은 농도의 카보닐 기를 포함하고 있음이 확인되었다.
• 카보닐 기 농도 증가와 함께 수용성 향상이 관찰되어 안정적인 수성 분산액 형성이 가능해졌다.
• TEM 영상 및 스펙트로스코픽 일관성에 기반해 물질의 균일성 향상과 응집 감소가 확인되었다.
• UV-Vis 분광법 결과, 공액 π-전자 시스템의 변화를 나타내는 바와 같이 흡수 경계선이 적색 이동함을 확인하였다.
• 산소 압력이 증가함에 따라 퀴논 중간체 형성이 촉진되어 교차 결합 및 카보닐 기능기 증가로 이어지는 반응 메커니즘이 제안되었다.