Cinchona-based bifunctional catalysts have been extensively employed in the field of organocatalysis due to the incorporation of both hydrogen-bonding acceptors (quinuclidine) and hydrogen-bonding donors (e.g., alcohol, amide, (thio)urea and squaramide) in the molecule, which can simultaneously activate nucleophiles and electrophiles, respectively. Among them, cinchona-derived (thio)urea and squaramide catalysts have shown remarkable application potential by using their bifurcated hydrogen bonding donors in activating electrophilic carbonyls and imines. However, due to their bifunctional nature, they tend to aggregate via inter- and intramolecular acid-base interactions under certain conditions, which can lead to a decrease in the enantioselectivity of the reaction. To overcome this self-aggregation problem of bifunctional organocatalysts, we have successfully developed a series of sulfonamide-based organocatalysts, which do not aggregate under conventional reaction conditions. Herein, we summarize the recent applications of our cinchona-derived sulfonamide organocatalysts in highly enantioselective methanolytic desymmetrization and decarboxylative aldol reactions. Immobilization of sulfonamide-based catalysts onto solid supports allowed for unprecedented practical applications in the synthesis of valuable bioactive synthons with excellent enantioselectivities.
We developed a microfluidic immunoassay platform for the detection of various analytes such as bacterial pathogen by packing antibody-immobilized glass beads in spatially-isolated microchambers on a microfluidic device. Primary amines of antibody were covalently conjugated to carboxyl-terminated glass beads previously treated with aminosilane followed by glutaraldehyde. Through this covalent binding, up to 905 $\mu$g immunoglobulin G (IgG) per gram of glass beads was immobilized. For application, glass beads attaching antibody specific to Escherichia coli O157:H7, a foodborne pathogen, were packed into a microfluidic device and used for the detection of the serotype. This prototype immunoassay device can be used for the simultaneous detection of multiple analytes by sequentially packing different-sized glass beads attaching different antibody in discrete microchambers on a single microfluidic device.
2-Aminoethanethiol (aet) has been used to make self-assembled monolayer (SAMs) on gold electrodes, which are subsequently modified with 3,4-dihydroxy phenylalanine (dpa). Such modified electrodes having various types of Au/aet-dpa were employed in the electrocatalytic oxidation of NADH. The purpose of this study to characterize the responses of such modified electrodes in terms of the immobilization procedure, pH of the solution and applied potential. The reaction of the surface immobilized dpa with NADH was studied using the rotating disk electrode technique and a value of $2.2{\times}10^4M^{-1}s^{-1}$ was obtained for the second-order rate constant in 0.1 M Tris/$NO_3^-$buffer (pH=8.0). The hydration behavior of the films was characterized by quartz crystal microbalance. When used as a NADH sensor, the Au/aet-dpa electrode exhibited good sensitivity and an excellent correlation (r ${\geq}$ 0.99) for NADH concentration which extended to $3.8{\times}10^{-3}$ M.
Scanning probe microscopes (SPMs) such as the scanning tunneling microscope (STM) and the atomic force microscope (AFM) were used for surface modification tools at the nanometer scale. Material surfaces, i. e., titanium, hydrogen-terminated silicon and trimethylsilyl organosilane monolayer on silicon, were locally oxidized with the best lateral spatial resolution of 20nm. The principle behind this proximal probe oxidation method is scanning probe anodization, that is, the SPM tip-sample junction connected through a water column acting as a minute electrochemical cell. An SPM-nanolithogrphy process was demonstrated using the organosilane monolayer as a resist. Area-selective chemical modifications, i. e., etching, electroless plating with gold, monolayer deposition and immobilization of latex nanoparticles; were achieved in nano-scale resolution. The area-selectivity was based on the differences in chemical properties between the SPM-modified and unmodified regions.
산소 투과율이 좋은 silicone tube안쪽에 nutrient 공급을 위한 3개의 isotropic polypropylene hollow fiber 3개를 넣어 제작된 이중 실관 반응기에서 E. coli cell을 immobilization 하여 cell density와 packing characteristics를 조사해 보았다. E. coli cell들은 거의 100% Packing되어 동물조직에서 처럼 층을 이루면서 자랐고 ceil density를 측정해 본 결과 약 550g/$\ell$고농도 세포배양이 가능하였다.
A diaphorase enzyme electrode for the catalytic reduction of NAD+ , the oxidized form of nicotinamide adenine dinucleotide, has been prepared. The enzyme layer grew spontaneously over an aminoethanethiol self assembled monolayer on a go ld plate electrode. The growth was accomplished by simply dipping the electrode covered by the aminoethanethiol monolayer into a solution containing both glutaraldehyde and diaphorase. We suggested that the glutaraldehyde as a cross-linking reagent was attached to the amino groups of the aminoethanethiol monolayer and the diaphorase enzyme molecules were bound to free aldehyde groups of the glutaraldehyde. Further attachments of the enzyme molecules over the bound enzyme molecules continued with the bridging of the glutaraldehyde. In frequency measurements with a quartz crystal microbalance, the frequency decrease was much more than it was for that of the enzyme monolayer formation, and an enzyme layer thicker than a monolayer was formed. The modified electrode was employed to reduce NAD+ , using diffusional methyl viologen as an electron transfer mediator. The NAD+ was electrocatalytically reduced, and the catalytic current was almost equivalent to that with the multilayered electrode of ten enzyme layers.
Gas-Permeable polymeric membranes containing carboxyl groups which are suitable for enzyme immobilization were investigated in order to use them as gas electrode membranes in biosensors. Carboxylated polyurethane (CPU) was synthesized via a reaciton between 2,2-bis(hydroxymethyl)propionic acid as a chain extender and prepolymers prepared from polycarprolactone(Mn=2,000) and 4,4'-diphenylmethane diisocynate. It was difficult to prepared membranes from the pure CPU because of its high elasticity and cohesion. However, transparent free-standing membranes were easily prepared from the blend solution of CPU and carboxylated poly(vinyl chloride)(CPVC) in tetrahydrofuran. Both elasticity and cohesion of the CPU/CPVC membranes were decreased with increasing the content of CPVC. DSC experiment suggests that CPU and CPVC may be well mixed. Permeability coefficients for O₂and CO₂(Po₂and Pco₂)in the membranes increased as the proportion of CPU increased. The addition of dioxtyl phthalate(DOP), a plasticizer, significantly enhanced the Po₂and Pco₂which were 4,4 and 30 barrer, respectively, in the CPU/CPVC(80/20 wt/wt) membranes containing 20% of DOP at 25℃ and 100psi. Thus this type of membranes may have a potential for the use as gas electrode membranes in biosensors.
본 연구의 목적은 효소법을 이용한 바이오디젤의 생산에서의 효소(lipase) 활성화를 최적화함에 있다. 효과적인 방법으로 효소를 고정하기 위해 방사선 그라프트 중합법을 이용한 부직포에 음이온 교환기인 ethanolamine과 diethylamine을 도입시켜 음이온 교환 부직포(이때 얻어진 부직포는 EtA, DEA-EtA 부직포라 함)를 합성하였다. 기존에 사용하던 다공성 중공사막의 경우 시간이 지남에 따라 막힘 현상에 따라 유속이 현저하게 줄어드는 점을 보완하고자 기공(pore size)이 $300{\mu}m$인 부직포를 선택하였다. 이 부직포에 음이온 교환기가 도입된 EtA, DEA-EtA 부직포의 최적효소 흡착 특성과 효소 활성도에 대하여 고찰하였다. 그 결과 효소 흡착량은 EtA, DEA-EtA 부직포가 비슷하였으나(EtA non-woven fabric: 15.69 mg/g, DEA-EtA non-woven fabric: 14.45 mg/g) 기름을 투과시킨 결과 효소 활성화는 DEA-EtA 부직포가 EtA 부직포에 비해 현저히 떨어짐(EtA non-woven fabric: $3.50mol/h{\cdot}kg$, DEA-EtA non-woven fabric: $0.38mol/h{\cdot}kg$)을 알 수 있었다. 이 음이온교환기를 이용해 효율적인 바이오디젤 생산을 위한 온도, 효소고정량, 기름과 알코올과의 관계 등의 최적의 조건을 도출하였다.
토양환경내 오염물질의 고정화 현상은 오염물질의 거동을 결정하는 주요 과정중 하나이다. 특히 생물화학적 반응에 대해 비가역적이며, 이로부터 오염물질의 독성도 동시에 제거되는 산화-공유결합반응에 의한 고정화 반응은 오염물질의 주요한 자연정화 메커니즘중 하나일 뿐만 아니라, 이를 공학적으로 응용함으로써 기존의 분해에 의존해 오던 정화 방법에 비해 보다 효과적으로 오염토양 및 지하수의 복원에 적용될 수 있다. 특히 이러한 산화-공유결합반응을 일으키는 촉매로서의 역할을 하는 망간산화물은 미생물 자체, 혹은 미생물을 포함한 균류, 식물체 등으로부터 추출한 산화-환원 효소를 이용하는 것에 비해 실용적인 측면에서 많은 장점을 가지고 있다. 이에 본고에서는 망간산화물을 이용한 유기오염물질의 정화 기작에 대한 최근의 다양한 연구 결과들을 정리하였다. 특히 망간산화물에 대해 반응성을 가지지 않는 안정한 유기오염물의 처리를 위한 관련 연구로서 반응매개체를 적용한 사례와, PAHs 처리기법, $Fe^0$를 이용한 환원 전처리 등 적절한 전처리 기법과의 조합에 의한 처리방법 등에 대한 연구결과를 소개하였으며, 이로부터 보다 광범위한 적용 가능성을 제시하고자 하였다. 자연계 내에서 일어나는 탄소의 순환과정을 고려할 때 산화-공유결합 반응에 의한 고정화 및 안정화 반응은 특히 분해에 대해 높은 내성을 가지는 방향족 유기오염물질의 제거에 보다 효과적으로 적용될 수 있는 친환경적 기법으로 사용될 수 있을 것이다.
최근 biotechnology 발전과 같이하여 미생물 고정화법이 급속히 진보하였다. 도처에 있는 biological midia로부터 products를 추출하기 위해 미생물 고정화법은 많이 적용되고 있지만 아직 하수처리에 적용은 되고 있지 않다. 그러므로 본 연구에서는 순환 양식 시스템에 고정화기술의 적용 가능성을 타진하였다. fludized bed reactor에서 bead에 고정화된 질화세균군을 사용하기 위해서는 고정화 bead의 내구성이 높아야함으로 각 고정화법에 따른 강도는 $Ba^{++}-alginate$ bead가 1450g의 breaking force로 가장 높은 내구력을 지니고 있음으로 가장 적합한 bead라고 할 수 있었다. 또한 20 mg/L ammonium ion을 제거 하는데 $Ba^{++}-alginate$ bead는 다른 두 bead보다 훨씬 논은 활성을 나타내었으며, 아울러 고정화 질화세균군이 비고정화 질화세균군보다 높은 질화 효율을 보여 주었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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