KR101400006B1 - Highly Emissive Stable Noble Metal Nanocluster-Doped Double-Layered Silica Nanoparticles and Synthetic Methods Thereof - Google Patents

Highly Emissive Stable Noble Metal Nanocluster-Doped Double-Layered Silica Nanoparticles and Synthetic Methods Thereof Download PDF

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Abstract

열합성법을 이용하여 생체적합성 완충액으로 안정화시킴으로써 안정적인 고발광 귀금속 나노클러스터를 성공적으로 합성하였다. 완충액의 양을 조절함으로써 최대 발광파장이 다른 두 개의 귀금속 나노클러스터를 제조하였다. 합성된 귀금속 나노클러스터는 다공성 실리카 매트릭스에 성공적으로 인입되어 형광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자가 제조되었다.
TEOS와 APTS로 형광 귀금속 나노클러스터를 순차 도핑하면 다량의 형광 귀금속 나노클러스터가 내포되고 고발광하며, 극성 용매로 반복 워싱한 후에도 형광 귀금속 나노클러스터가 효과적으로 보호되는 실리카 매트릭스가 생성된다.
Stable high - luminous noble metal nanoclusters were successfully synthesized by stabilization with a biocompatible buffer using thermal synthesis method. Two noble metal nanoclusters with different maximum emission wavelengths were prepared by controlling the amount of buffer solution. The synthesized noble metal nanoclusters were successfully introduced into the porous silica matrix and silica nanoparticles doped with fluorescent noble metal nanoclusters were prepared.
Sequential doping of fluorescent noble metal nanoclusters with TEOS and APTS results in a large matrix of fluorescent noble metal nanoclusters that emit high light and produce a silica matrix in which fluorescent noble metal nanoclusters are effectively protected even after repeated washing with polar solvents.

Description

안정화된 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 및 그 제조방법 {Highly Emissive Stable Noble Metal Nanocluster-Doped Double-Layered Silica Nanoparticles and Synthetic Methods Thereof} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to stabilized high-luminous noble metal nanoclusters doped with double-layered silica nanoparticles,

본 발명은 열합성법을 이용하여 PIPES로 안정화시킴으로써 안정적인 고발광 귀금속 나노클러스터를 제조하고, 이를 다공성 실리카 매트릭스에 도핑하여 제조한 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to silica nanoparticles doped with high-luminous noble metal nanoclusters prepared by preparing stabilized high-luminous noble metal nanoclusters by stabilizing them with PIPES using a thermal synthesis method and doping them with a porous silica matrix.

나노다공성 재료 (K. Ariga et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 85, 132 (2012), S. Cherevko et al., Nanoscale. 4, 568 (2012), Y. Turker et al., Chem. Eur. J. 18, 3695 (2012) ) 및 나노입자 (D. Xu et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 12, 3006 (2012), M. A. Khaleque et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 12, 4384 (2012), E. C. Dreaden et al., Chem. Soc. Rev. 41, 2740 (2012))와 같이 정의된 나노구조에서 금속은 종종 그들의 잠재적 기능을 증대시킨다. 예를 들어, 수십 개의 원자로 이루어진 금 및 은 나노클러스터는 현저하게 강한 발광을 나타내는데, 이는 주로 분자 타입 전이 특성에 기인한다 (J. Zheng et al., Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 409 (2007) and references therein, J. P. Wilcoxon et al., J. Chem. Phys. 108, 9137 (1998)). 형광 나노클러스터는 센싱 (C.-C. Huang et al., Chem. Int. Ed. 46, 6824 (2007), J. Sharma et al., Chem. Commun. 47, 2294 (2011) 및 생물학적 이미지화 (C.-A. J. Lin et al., J. Med. Biol. Eng. 29, 276 (2009), J. Yu et al., Chem. Int. Ed. 48, 318 (2009))에 가능성 있는 형광 표지로 이용될 수 있기 때문에 이 재료의 합성에 관한 관심은 계속 커지고 있다. 형광 나노클러스터 제조를 위한 다양한 합성 방법이 보고되고 있고, 이들 중 대부분은 특이한 주형을 이용하였다. 예를 들어, 폴리머 (J. Zheng et al., J. Am. Chem. Soc. 125, 7780 (2003), Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 111, 12194 (2007), S. T. Selvan et al., J. Phys. Chem. B 103, 7441 (1999)) 및 덴드리머 (J. Zheng and R. M. Dickson, J. Am. Chem. Soc. 124, 13982 (2002))와 같은 합성 주형이 형광 귀금속 나노클러스터의 성장을 제어하기 위해 이용되어 왔다. 형광 귀금속 나노클러스터의 구조와 화학적 기능성의 정밀 제어 목적으로 생물학적 주형 {예컨대 DNA (S. Choi et al., Chem. Soc. Rev. 41, 1867 (2012) and references therein, G. Liu et al., Gold. Bull. 45, 69 (2012), R. Zhou et al., Chem. Eur. J. 15, 4944 (2009)) 및 펩타이드 (P. L. Xavier et al., Nano Rev. 3, 14767 (2012), J. Yu et al., Angew. Chem. Int. Ed. 46, 2028 (2007), J. Xie et al., J. Am. Chem. Soc. 131, 888 (2009))}도 이용되어 왔다. 다양한 분야에서 이 뛰어난 재료의 응용을 용이하게 하기 위해 귀금속 나노클러스터의 발광 강도, 양자 수율 및 튜닝가능성 (tunability)을 향상시키기 위한 노력이 최근 수년간 확대되고 있다. Nanoporous materials (K. Ariga et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 85, 132 (2012), S. Cherevko et al., Nanoscale. 4, 568 (2012), Y. Turker et al., Chem . Eur. J. 18, 3695 ( 2012)) and the nanoparticles (D. Xu et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 12, 3006 (2012),. MA Khaleque et al., J. Nanosci. Nanotechnol 12, Metals often increase their potential function in nanostructures as defined by, for example, 4384 (2012), EC Dreaden et al., Chem. Soc. Rev. 41, 2740 (2012) For example, gold and silver nanoclusters of tens of atoms exhibit significantly strong luminescence, mainly due to the molecular type transfer characteristics (J. Zheng et al., Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 409 2007) and references therein, JP Wilcoxon et al., J. Chem. Phys., 108, 9137 (1998)). Fluorescent nanoclusters can be detected by sensing (C.-C. Huang et al., Chem. Int. Ed. 46, 6824 (2007), J. Sharma et al., Chem. Commun. 47, 2294 (See, for example, C.-J. Lin et al., J. Med. Biol. Eng. 29, 276 (2009), J. Yu et al., Chem. Int. Various synthetic methods for the production of fluorescent nanoclusters have been reported, and many of them have used specific templates, such as polymers (J. Zheng et al., J. Phys . Chem. Soc. 125 , 7780 (2003), Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 111, 12194 (2007), ST Selvan et al., J. Phys. Chem. B 103, 7441 (1999 )) and dendrimers (J. Zheng RM and Dickson, J. Am. Chem. Soc. 124, 13982 (2002), synthesized the mold, such as a) it is to control the growth of fluorescent noble metal nanoclusters Structure and chemical function of fluorescent noble metal nanoclusters Of biological template to precisely control purposes {e.g., DNA (S. Choi et al., Chem. Soc. Rev. 41, 1867 (2012) and references therein, G. Liu et al., Gold. Bull. 45, 69 (2012 J. Xu et al., Nano Rev. 3, 14767 (2012), J. Yu et al., Angew. Chem. Int. Ed. 46, 2028 (2007), J. Xie et al., J. Am . Efforts to improve the emission intensity, quantum yield and tunability of noble metal nanoclusters have been widespread over the years to facilitate application of this superior material in a variety of applications.

최근, Martinez 등은 작은 유기분자를 이용한 금 나노클러스터의 합성 및 광물리학적 특징을 보고하였다 (Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 114, 15879 (2010)). 이 연구에서 금 이온의 환원제로도 작용하며, 금 원자와 복합체를 이루는 HEPES, MES 및 PIPES와 같은 생체적합성 완충액이 형광성 금 나노클러스터 제조에 이용되었다. 합성된 나노클러스터는 대부분의 생체분자와 크기가 유사하며, 작고 생체적합한 합성 화합물을 비롯하여 관심 대상 특정 분자와 나노클러스터의 직접 접합이 이미지화 및 센싱 응용에서 형광 나노클러스터의 이용에 결정적이기 때문에 이용 가능성이 있다.
Recently, Martinez et al. Reported the synthesis and photophysical properties of gold nanoclusters using small organic molecules (Y. Bao et al., J. Phys. Chem., C 114, 15879 (2010)). In this study, biocompatible buffers such as HEPES, MES and PIPES, which also act as reducing agents for gold ions and are complexed with gold atoms, were used in the production of fluorescent gold nanoclusters. The synthesized nanoclusters are similar in size to most biomolecules, and the direct conjugation of nanoclusters of interest, including small, biocompatible synthetic compounds, is crucial to the use of fluorescent nanoclusters in imaging and sensing applications, have.

본 발명은 고형광 귀금속 나노클러스터를 도핑한 안정적인 실리카 나노입자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is an object of the present invention to provide stable silica nanoparticles doped with solid-state light precious metal nanoclusters.

소분자를 이용하여 고형광의 유용한 금 나노클러스터를 제조하기 위한 좀더 효과적인 합성전략 개발 노력의 일환으로, 본 발명자들은 작은 유기분자에 의해 안정화된 다양한 형광 금 나노클러스터를 제조하였다. 특히, 본 발명자들은 다양한 반응조건 하에서 여러 종류의 완충액을 이용한 실험을 수행하여 열합성 전략에서 PIPES를 이용하여 안정화시킴으로써 매우 안정적이고 발광도가 높은 금 나노클러스터를 수득하였다. In an effort to develop a more effective synthesis strategy for producing useful gold nanoclusters of solid-state light using small molecules, the present inventors produced various fluorescent gold nanoclusters stabilized by small organic molecules. In particular, the present inventors conducted experiments using various buffer solutions under various reaction conditions and stabilized them using PIPES in a thermal synthesis strategy, thereby obtaining gold nanocrystals which are very stable and highly luminescent.

특히, PIPES 양을 다양하게 변화시킴으로써 서로 다른 최대발광파장을 나타내는 두 개의 금 나노클러스터를 성공적으로 합성하였다. 합성된 금 나노클러스터는 또한 다공성 실리카 매트릭스에 인입되어 형광 금 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자를 생성하였다.
In particular, two gold nanoclusters with different maximum emission wavelengths were successfully synthesized by varying the amount of PIPES. The synthesized gold nanoclusters were also introduced into the porous silica matrix to produce silica nanoparticles doped with fluorescent gold nanoclusters.

본 발명은 The present invention

a) 귀금속염이 함유된 수용액에 생체적합성 완충액을 가하고 열을 가하면서 교반하여 안정된 귀금속 나노클러스터를 제조하는 단계;a) preparing a stable noble metal nanocluster by adding a biocompatible buffer solution to an aqueous solution containing a noble metal salt and stirring while heating;

b) 비이온성 계면활성제, 비극성 유기용매, 극성용매 및 a) 단계에서 제조된 과량의 귀금속 나노클러스터 용액을 혼합하여 마이크로에멀젼을 제조하는 단계;b) mixing the nonionic surfactant, the nonpolar organic solvent, the polar solvent and the excess noble metal nanocluster solution prepared in step a) to prepare a microemulsion;

c) 제조된 마이크로에멀젼에서, 실리카 전구체와 알칼리 촉매를 가하여 실리카 전구체를 가수분해 및 축합시켜 귀금속 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및c) hydrolyzing and condensing the silica precursor by adding a silica precursor and an alkali catalyst in the prepared microemulsion to prepare silica nanoparticles doped with noble metal nanoclusters; And

d) 귀금속 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자에 a) 단계에서 제조된 과량의 귀금속 나노클러스터 용액과 알칼리 촉매를 가하고, APTS (3-Aminopropyltrienthoxysilane)를 가하여 교반하여 귀금속 나노클러스터를 함유하는 이중층 실리카 나노입자를 제조하는 단계;를 포함하는 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법을 제공한다. d) adding to the silica nanoparticles doped with the noble metal nanoclusters an excessive amount of the noble metal nanocluster solution prepared in a) and an alkali catalyst, adding APTS (3-Aminopropyltrienthoxysilane) and stirring to obtain double-layer silica nanoparticles containing noble metal nanoclusters Emitting noble metal nanocrystal-doped double-layered silica nanoparticles.

생체적합성 완충액이란 pKa 값이 pH 6~8이고, 수용해성이며, 화학적으로 안정하여 생화학과 생물학 연구에서 사용되는 완충액으로서, 통상 "Good의 완충액 (Good's buffers)"이라고 일컫기도 한다. Biocompatibility buffers are also referred to as "Good's buffers", which are pKa values of pH 6-8, are water-soluble, chemically stable and used in biochemical and biological research.

또한, 본 발명은 상기 생체적합성 완충액이 HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-piperazine-1-ethanesulfonic acid), MES (2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid), EPPS (4-(2-Hydroxyethyl)piperazine-1-propane sulfonic acid), MOPS (3-(N-Morpholino)propanesulfonic acid), PIPES (1,5-piperazinediethanesulfonic acid), CHES (2-(Cyclohexylamino)-ethanesulfonic acid), TES (N-[tris(hydroxymethyl)methyl]-2-aminoethanesulfonic acid), BES (N,N-Bis-(2-hydroxyethyl)-2-amino-ethanesulfonic acid), MOBS (4-(N-Morpholino)butanesulfonic acid), MOPSO (3-Morpholino-2-hydroxypropanesulphonic acid), POPSO (Piperazine-1,4-bis(2-hydroxypropanesulfonic acid) dihydrate), TAPS (N-Tris[hydroxymethyl]methyl-3-aminopropanesulfonic acid), HP (1-(2-Hydroxyethyl)piperidine) 및 TAPSO (3-[[1,3-dihydroxy-2-(hydroxymethyl)propan-2-yl]amino]-2-hydroxypropane-1-sulfonic acid) 중 선택된 1종 이상임을 특징으로 하는 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for preparing a biocompatible buffer solution, wherein the biocompatible buffer is selected from the group consisting of HEPES (4- (2-hydroxyethyl) -piperazine-1-ethanesulfonic acid, MES (2- piperazine-1-propane sulfonic acid), MOPS (3- (N-Morpholino) propanesulfonic acid), PIPES (1,5-piperazinediethanesulfonic acid), CHES (2- (Cyclohexylamino) (N-morpholino) butanesulfonic acid), MOPSO (3-hydroxyethyl) -2-aminoethanesulfonic acid), BES (2-hydroxypropanesulfonic acid) dihydrate), TAPS (N-Tris [hydroxymethyl] methyl-3-aminopropanesulfonic acid), HP (1- (2- Hydroxyethyl) piperidine and TAPSO (3 - [[1,3-dihydroxy-2- (hydroxymethyl) propan-2-yl] amino] -2-hydroxypropane-1-sulfonic acid. A method for preparing double-layer silica nanoparticles doped with luminescent noble metal nanoclusters to provide.

또한, 본 발명은 상기 알칼리 촉매가 암모니아 수용액임을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for producing double-layer silica nanoparticles doped with a high luminous noble metal nanocluster, wherein the alkali catalyst is an ammonia aqueous solution.

또한, 본 발명은 상기 비이온성 계면활성제가 폴리옥시에틸렌 글라이콜 도데실 에테르, 글리세린계 지방산 에스테르, 수크로오스계 지방산 에스테르 또는 소르비탄계 지방산 에스테르인 것을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a high-luminous noble metal nanocluster, wherein the nonionic surfactant is polyoxyethylene glycol dodecyl ether, glycerin fatty acid ester, sucrose fatty acid ester or sorbitan fatty acid ester. To provide a method for producing double-layer silica nanoparticles.

또한, 본 발명은 상기 극성용매가 물 또는 산 수용액임을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법을 제공한다.Also, the present invention provides a method for producing double-layer silica nanoparticles doped with a high luminous noble metal nanocluster, wherein the polar solvent is water or an aqueous acid solution.

또한, 본 발명은 상기 실리카 전구체가 테트라에틸오소실리케이트, 테트라메틸오소실리케이트 또는 테트라프로필오소실리케이트인 것을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing double-layer silica nanoparticles doped with a high luminous noble metal nanocluster, wherein the silica precursor is tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate or tetrapropyl orthosilicate.

또한, 본 발명은 상기 귀금속이 금, 은 또는 백금인 것을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing double-layer silica nanoparticles doped with a high-luminous noble metal nanocluster, wherein the noble metal is gold, silver or platinum.

뿐만 아니라, 본 발명은 상기 방법으로 제조되는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자를 제공한다.
In addition, the present invention provides double-layered silica nanoparticles doped with high luminous noble metal nanoclusters, which are produced by the above method.

본 발명에 의하여 제조된 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자는 반복되는 세척에도 안정적으로 강한 형광을 발광하여 바이오센싱 등 다양한 분야에 응용할 수 있다.
The double-layered silica nanoparticles doped with the high-luminous noble metal nanoclusters according to the present invention can stably emit strong fluorescence even after repeated washing, and can be applied to various fields such as biosensing.

도 1 (a)의 (I)은 반응 혼합물에서 처음 생성된 금 집합체의 사진이고, (Ⅱ)는 UV 램프로 비추고 촬영한 용액 사진이고, (Ⅲ)은 90 ℃로 이틀간 교반한 반응 혼합물에 UV 램프를 비추어 촬영한 사진이다. (b)는 2~3일간 20 ℃ (i), 45 ℃ (ⅱ), 60 ℃ (ⅲ) 및 90 ℃ (ⅳ)에서 교반한 HAuCl4 및 PIPES 수용성 반응 혼합물의 발광 스펙트럼이다 (여기파장 = 361 ㎚).
도 2 (a)는 수중에서 PIPES-Au NCs (NC-1)의 여기 스펙트럼(점선, 방출파장 = 439 ㎚) 및 방출 스펙트럼 (실선, 여기파장 = 361 ㎚)이고, (b)는 수중에서 PIPES-Au NCs (NC-2)의 여기 스펙트럼(점선, 방출파장 = 523 ㎚) 및 방출 스펙트럼 (실선, 여기파장 = 404 ㎚)이다. 각 우측 상단은 UV를 조사하여 관찰한 수중 형광 PIPES-Au NCs의 사진이다. (c)는 수중에서 PIPES-Au NCs (NC-1, 실선) 및 PIPES-Au NCs (NC-2, 점선)의 UV-가시광선 스펙트럼이다.
도 3 (a)는 물 속에서 (i) pH 2.5 (쇄선), (ⅱ) pH 11.6 (점선), (ⅲ) pH 13 (실선)일 때 PIPES-Au NCs (NC-1)의 방출 스펙트럼이다. 우측 상단은 420~500 ㎚의 스펙트럼을 확대한 것이다. (b)는 pH 2.5 ~ pH 13으로 용액을 변화시키면서 방출 스펙트럼의 변화를 본 것이다. 용액의 pH는 pH = 2.5 (i)에서 pH =13 (ⅱ), 그리고 pH = 2.5 (ⅲ)로 돌아왔다.
도 4 (a)는 PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 나노입자의 TEM 사진이고, (b)는 에탄올에서 PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 나노입자 (실선) 및 물에서 PIPES-Au NCs (NC-1, 점선)의 여기 스펙트럼 (방출파장 = 437 ㎚, 좌측)과 방출 스펙트럼 (여기파장 = 361 ㎚, 우측)이다. PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 나노입자는 에탄올로 세 번 세척하였다.
도 5 (a)는 세 번 에탄올로 세척한 PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 나노입자 (점선)와 PIPES-Au NCs가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 (실선)의 방출 스펙트럼 (여기파장 = 361 ㎚)이다. (b)는 PIPES-Au NCs가 도핑된 이중층 실리카 나노입자를 에탄올로 반복 워싱한 후 방사 강도의 변화를 본 것이다.
(I) of FIG. 1 (a) is a photograph of a gold aggregate initially formed in the reaction mixture, (II) is a photograph of a solution shone in a UV lamp, (III) This is a picture taken in the light of a lamp. (b) is the emission spectrum of HAuCl 4 and PIPES aqueous reaction mixture stirred at 20 ° C. (i), 45 ° C. (ii), 60 ° C. (iii) and 90 ° C. (iv) for 2 to 3 days Nm).
2 (a) shows the excitation spectrum (dotted line, emission wavelength = 439 nm) and emission spectrum (solid line, excitation wavelength = 361 nm) of PIPES-Au NCs -Au NCs (NC-2) (dashed line, emission wavelength = 523 nm) and emission spectrum (solid line, excitation wavelength = 404 nm). Each right top is a photograph of PIPES-Au NCs underwater fluorescence observed by UV irradiation. (c) is a UV-visible light spectrum of PIPES-Au NCs (NC-1, solid line) and PIPES-Au NCs (NC-2, dotted line) in water.
3 (a) is the emission spectrum of PIPES-Au NCs (NC-1) in water (i) pH 2.5 (dotted line), (ii) pH 11.6 (dotted line) and (iii) pH 13 . The upper right is an enlargement of the spectrum of 420 to 500 nm. (b) shows the change of the emission spectrum while changing the solution from pH 2.5 to pH 13. The pH of the solution returned to pH = 13 (ii) and pH = 2.5 (iii) at pH = 2.5 (i).
FIG. 4 (a) is a TEM photograph of PIPES-Au NCs-doped silica nanoparticles, and FIG. 4 (b) shows PIPES-Au NCs (NC- (Emission wavelength = 437 nm, left side) and emission spectrum (excitation wavelength = 361 nm, right side). PIPES-Au NCs-doped silica nanoparticles were washed three times with ethanol.
5A shows the emission spectrum (excitation wavelength = 361 nm) of double-layer silica nanoparticles (solid line) doped with PIPES-Au NCs-doped silica nanoparticles (dotted line) and PIPES-Au NCs- to be. (b) shows the change in the radial intensity after repeatedly washing the PIPES-Au NCs-doped double-layer silica nanoparticles with ethanol.

아래에서는 구체적인 실시예를 들어 본 발명의 구성을 좀더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래 실시예의 기재범위 내로 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 특히 아래 실시예에서는 귀금속으로서 금을, 생체적합성 완충액으로서 PIPES를 선택하여 예로 들었으나, 본 발명의 기술사상이 이 범위에 한정되지 않으며, 아래 실시예의 기재를 바탕으로 다양한 응용이 가능함은 당업자에게 자명하다.
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments. However, it is apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to the scope of the following embodiments. Particularly, in the following examples, gold is used as a noble metal and PIPES is selected as a biocompatible buffer. However, the technical idea of the present invention is not limited to this range, and various applications are possible based on the description of the following embodiments. Do.

시약reagent

HAuCl4.3H2O (Hydrogen tetrachloroaurate trihydrate, 99.9%, Sigma-Aldrich), PIPES (1,4-piperazinediethanesulfonic acid, C8H18N2O6S2, Sigma-Aldrich), 폴리옥시에틸렌 글라이콜 도데실 에테르 ((C2H4O)23C12H25OH, Brij35, Acros Organics), TEOS (tetraethylorthosilicate, 99%, Sigma-Aldrich), APTS {3-(aminopropyl)triethoxysilane, 98%, Sigma-Aldrich}, NH4OH (ammonium hydroxide (NH4OH, 28-30 wt% ammonia, Sigma-Aldrich), 사이클로헥산 (C6H12, 99%, Sigma-Aldrich), 1-헥사놀 (C6H5OH, 98%, Sigma-Aldrich), HCl, HNO3, 아세톤 및 에탄올은 입수한 대로 사용하였다. 모든 스톡 용액은 각 반응 전 제조하여 사용하였다. HAuCl 4 .3H 2 O (99.9%, Sigma-Aldrich), PIPES (1,4-piperazinediethanesulfonic acid, C 8 H 18 N 2 O 6 S 2 , Sigma-Aldrich), polyoxyethylene glycol dodecyl ether ((C 2 H 4 O) 23 C1 2 H 25 OH, Brij35, Acros Organics), TEOS (tetraethylorthosilicate, 99%, Sigma-Aldrich), APTS {3- (aminopropyl) triethoxysilane, 98%, Sigma- Aldrich}, NH 4 OH (ammonium hydroxide (NH4OH, 28-30 wt% ammonia, Sigma-Aldrich), cyclohexane (C 6 H 12, 99% , Sigma-Aldrich), 1- hexanol (C 6 H 5 OH , 98%, Sigma-Aldrich), HCl, HNO 3 , acetone and ethanol were used as obtained. All stock solutions were prepared before each reaction.

사용 전 모든 유리용기는 왕수로 세척하였고 초순수로 충분히 헹구었다.
Before use, all glass containers were washed with aqua regia and thoroughly rinsed with ultrapure water.

실시예 1: PIPES로 안정화된 금 나노클러스터 (PIPES-Au NCs) 합성Example 1 Synthesis of PIPES-Stabilized Gold Nanoclusters (PIPES-Au NCs)

HAuCl4 수용액 (2.5 ㎖, 2.5×10-5 mol)과 PIPES 수용액 (5 ㎖)을 20 ℃에서 혼합하여 PIPES로 안정화된 금 나노클러스터 (PIPES-Au NCs)를 제조하고, 다른 온도 (20~90 ℃)에서 2~3일간 교반하였다. 처음 10분 내에 비형광 침전이 생성되었고, 교반 후 반응 혼합물에서 형광 PIPES-Au NCs가 생성되었다. 나노클러스터 중 NC-1과 NC-2로 각각 명명되는 시료는 다음과 같이 제조되었다. 2 당량의 PIPES (5×10-5 mol)를 HAuCl4 (2.5×10-5 mol)와 물 속에서 혼합하여 이틀 동안 90 ℃를 유지하며 교반하여 NC-1을 제조하였다. NC-2는 20 당량의 PIPES (5×10-4 mol)를 HAuCl4 (2.5×10-5 mol)와 물 속에서 혼합하여 이틀 동안 90 ℃를 유지하며 교반하여 제조하였다. 반응이 완료된 후 상층액에 형광성 PIPES-Au NCs가 생성되었고, 비형광성 침전은 반응 혼합물에 여전히 존재하였다. 후자는 여과하여 제거하였다.
PIPES-Au NCs were prepared by mixing HAuCl 4 aqueous solution (2.5 mL, 2.5 × 10 -5 mol) and PIPES aqueous solution (5 mL) at 20 ° C., Lt; 0 > C) for 2 to 3 days. A non-fluorescent precipitate was formed within the first 10 minutes and fluorescence PIPES-Au NCs was generated in the reaction mixture after stirring. Samples named NC-1 and NC-2 in the nanoclusters were prepared as follows. Two equivalents of PIPES (5 × 10 -5 mol) were mixed with HAuCl 4 (2.5 × 10 -5 mol) in water and stirred at 90 ° C. for two days to produce NC-1. NC-2 was prepared by mixing 20 equivalents of PIPES (5 × 10 -4 mol) with HAuCl 4 (2.5 × 10 -5 mol) in water and stirring at 90 ° C. for two days. After the reaction was completed, fluorescent PIPES-Au NCs was formed in the supernatant, and the nonpolar precipitate was still present in the reaction mixture. The latter was removed by filtration.

실시예 2: PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 나노입자 및 PIPES-Au NCs가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 합성Example 2 Synthesis of PIPES-Au NCs-Doped Silica Nanoparticles and PIPES-Au NCs-Doped Double-Layered Silica Nanoparticles

PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 (PIPES-Au NCs@SiO2) 나노입자를 제조하기 위해, Brij35 (2.00 g)를 사이클로헥산 (7.7 ㎖) 및 1-헥사놀 (1.6 ㎖)에 가하고 혼합물이 맑은 용액이 될 때까지 약 30분간 초음파처리하여 혼합하였다. PIPES-Au NCs 수용액 (0.75 ㎖)을 가한 후 반응 혼합물을 10분간 초음파 처리하였다. 이어서 TEOS (0.05 ㎖, 0.224 mmol)를 가하여 교반하고, 반응 혼합물은 실온에서 30분간 더 교반하였다. TEOS 가수분해 및 축합을 위해 교반하면서 NH4OH (0.1 ㎖)를 서서히 가하고, 반응 혼합물은 실온에서 12시간 동안 교반하였다. 반응이 완료된 후 역마이크로에멀젼은 아세톤 (20 ㎖)을 가하여 불안정화시켰고, 2,000 rpm으로 10분간 원심분리하였다. To prepare PIPES-Au NCs doped silica (PIPES-Au NCs @ SiO 2 ) nanoparticles, Brij 35 (2.00 g) was added to cyclohexane (7.7 mL) and 1-hexanol (1.6 mL) The mixture was ultrasonicated and mixed for about 30 minutes until it became a solution. PIPES-Au NCs aqueous solution (0.75 mL) was added and the reaction mixture was sonicated for 10 minutes. TEOS (0.05 mL, 0.224 mmol) was then added and stirred, and the reaction mixture was further stirred at room temperature for 30 min. NH 4 OH (0.1 mL) was slowly added with stirring for TEOS hydrolysis and condensation, and the reaction mixture was stirred at room temperature for 12 hours. After the reaction was completed, the reverse microemulsion was destabilized by adding acetone (20 mL) and centrifuged at 2,000 rpm for 10 minutes.

PIPES-Au NCs가 도핑된 이중층 실리카 (PIPES-Au NCs@DL-SiO2) 나노입자를 제조하기 위해 APTS (0.05 ㎖, 0.21 mmol)를 반응배지에 가하고 (미리 합성된 금 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자, PIPES-Au NCs 및 NH4OH가 들어 있는 역마이크로에멀젼에서) 반응 혼합물은 실온에서 12시간 동안 교반하였다. 반응 완료 후 역마이크로에멀젼은 아세톤 (20 ㎖)을 가하여 불안정화시켰고, 2,000 rpm으로 10분간 원심분리하였다. 합성된 실리카 나노입자는 에탄올로 (각 워싱마다 1 ㎖) 1~7회 워싱하고 3분간 13,500 rpm으로 원심분리하였다.
APTS (0.05 ml, 0.21 mmol) was added to the reaction medium to prepare PIPES-Au NCs-doped bi-layer silica (PIPES-Au NCs @ DL-SiO 2 ) nanoparticles (preliminarily synthesized gold nanocluster- Nanoparticles, reverse microemulsion containing PIPES-Au NCs and NH 4 OH), the reaction mixture was stirred at room temperature for 12 hours. After completion of the reaction, the reverse microemulsion was destabilized by adding acetone (20 mL) and centrifuged at 2,000 rpm for 10 minutes. The synthesized silica nanoparticles were washed 1 to 7 times with ethanol (1 ml per wash) and centrifuged at 13,500 rpm for 3 minutes.

실시예 3: 특성 규명Example 3: Characterization

수득한 나노입자는 Hitachi S-4800 SEM 현미경 및 JEOL JEM-2010 Luminography (Fuji FDL-5000) Ultramicrotome (CRX) TEM 현미경으로 촬영하였다. TEM 분석용 시료는 나노입자 혼합물을 8,000rpm으로 3분씩 두 번 원심분리하여 농축하여 제조하였다. 그런 후 입자는 100 ㎕의 초순수에 재현탁하였고 Formvar로 코팅된 Cu 격자 상에 10 ㎕의 용액을 고정시켰다. UV-가시광산 스펙트럼은 UV Spectrophotometer (UV-1800 Shimadzu)로 기록하였다. 여기 및 방출 스펙트럼은 형광 분광계 (LS-55B Perkin Elmer)로 기록하였다.
The obtained nanoparticles were photographed with a Hitachi S-4800 SEM microscope and a JEOL JEM-2010 Luminography (Fuji FDL-5000) Ultramicrotome (CRX) TEM microscope. Samples for TEM analysis were prepared by centrifuging the nanoparticle mixture twice at 3,000 rpm for 3 minutes at 8,000 rpm. The particles were then resuspended in 100 μl of ultrapure water and 10 μl of solution was fixed on a Cu lattice coated with Formvar. The UV-visible mine spectra were recorded with a UV Spectrophotometer (UV-1800 Shimadzu). The excitation and emission spectra were recorded with a fluorescence spectrometer (LS-55B Perkin Elmer).

결과result

본 발명에서 금 나노클러스터는 HAuCl4 (2.5×10-5 mol) 수용액을 물 속에서 PIPES (5 ㎖, 1,4-piperazinediethanesulfonic acid) 수용액과 20℃ 온도에서 혼합하고 다양한 온도 (20~90℃)에서 이틀 동안 교반하여 합성한다. 물 속에서 PIPES와 HAuCl4의 반응 동안 처음 10분간은 비형광성 갈색 침전이 생성되었다 {도 1(a)의 (I)}. 이때 상층액은 무색이고 형광을 띠지도 않았다 {도 1(a)의 (Ⅱ)}. 초기에 생성된 이 침전은 완전하게 특성을 규명할 수 없지만, 환원된 고체 금의 집합체로 구성되어 있는 것으로 보인다. 여기에서 PIPES는 효과적인 환원제로 기능하여 HAuCl4를 수용액 내의 금 고체로 환원시키는 것으로 보인다. 반응 혼합물을 더 교반하면 상층액이 서서히 형광으로 변하였다 {도 1(a)의 (Ⅲ)}. 이 용액의 최대 발광강도는 20 ℃에서 3일 후 관찰되었다. 반응온도를 달리 하면 최대발광을 얻는데 소요되는 반응시간이 변하였다. 특히, 가장 강한 발광은 90 ℃로 이틀간 교반한 반응 혼합물에서 관찰되었다. 도 1 (b)는 다양한 온도에서 반응한 반응 혼합물에서 발광 스펙트럼 (361 ㎚에서 여기함)을 보여준다. 90 ℃에서 교반한 용액의 발광은 20 ℃에서 교반한 용액에 비해 약 10배나 더 강했다. 물 속에서 PIPES도 HAuCl4도 형광을 띠지 않기 때문에, 새로 생성된 형광물질은 분명히 상층액에 존재할 것이다. 작은 분자에 의해 안정화된 종래의 형광 금 나노클러스터의 합성예 {Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 114, 15879 (2010)}를 보면, 본 발명의 열반응에서 생성된 형광물질이 PIPES에 의해 안정화된 금 나노클러스터 (PIPES-Au NCs)인 것으로 유추된다.
In the present invention, gold nanoclusters are prepared by mixing HAuCl 4 (2.5 × 10 -5 mol) aqueous solution with PIPES (5 ml, 1,4-piperazinediethanesulfonic acid) aqueous solution at 20 ° C., With stirring for two days. During the first 10 minutes during the reaction of PIPES and HAuCl 4 in water, a nonpolar brown precipitate was formed (Fig. 1 (a) (I)). At this time, the supernatant was colorless and had no fluorescence (Fig. 1 (a) (II)). This precipitate, which was initially produced, appears to be composed of aggregates of reduced solid gold, although it is not fully characterized. Here, PIPES appears to function as an effective reducing agent to reduce HAuCl 4 to gold solids in aqueous solution. When the reaction mixture was further stirred, the supernatant gradually changed to fluorescence (Fig. 1 (a) (III)). The maximum luminescence intensity of this solution was observed after 3 days at 20 ° C. When the reaction temperature was varied, the reaction time required to obtain the maximum emission varied. In particular, the strongest luminescence was observed in the reaction mixture stirred at 90 ° C for two days. Figure 1 (b) shows the emission spectrum (excited at 361 nm) in the reaction mixture reacted at various temperatures. The luminescence of the solution stirred at 90 캜 was about ten times stronger than that of the solution stirred at 20 캜. Since PIPES and HAuCl 4 do not fluoresce in water, the newly generated phosphor will definitely be present in the supernatant. Synthesis Example of Conventional Fluorescent Gold Nanoclusters Stabilized by Small Molecules {Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 114, 15879 (2010)}, it is deduced that the phosphor produced in the thermal reaction of the present invention is PIPES-stabilized gold nanoclusters (PIPES-Au NCs).

흥미롭게도, 반응에 사용되는 PIPES의 양을 달리 함으로써 다른 발광 프로파일을 갖는 금 나노클러스터가 합성되었다. 2 당량의 PIPES (5 × 10-5 mol)를 사용하면 439 ㎚에서 최대발광하는 푸른 빛을 내는 금 나노클러스터 (본 발명에서 "NC-1"이라 명명함)가 생성되었다 {도 2 (a), 361 ㎚에서 여기함}. 반면, 20 당량의 PIPES (5 × 10-4 mol)를 사용하면 523 ㎚에서 최대발광하는 녹색 빛을 내는 금 나노클러스터 (본 발명에서 "NC-2"라 명명함)가 생성되었다 {도 2 (b), 404 ㎚에서 여기함}. 두 나노클러스터의 양자수율을 잘 알려진 비교물질 (플루오레신 및 퀴닌 설페이트) (J. R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3rd Ed.; Springer (2006))과 비교하여 평가한 결과, NC-1은 10%, NC-2는 3%였다. 이러한 값은 MES- 및 HEPES-로 안정화된 금 나노클러스터 {Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 114, 15879 (2010)}의 양자수율보다 좀 더 높은 값이다. 도 2 (c)는 NC-1 및 NC-2 수용액의 흡광 스펙트럼을 나타낸다. 넓기는 하지만, NC-1 (실선)은 약 360 ㎚ 근처에서 흡광 띠를 나타내는데, 이는 형광 최대여기값과 매우 가깝다 {도 2 (a)}. NC-2는 330과 410 ㎚ 파장 근처에서 흡광 띠를 나타내었다. 문헌에 따르면, 이러한 흡광 스펙트럼 프로파일은 금 나노클러스터 자체에 기인하는 것이 아니라 금속이 중앙에 위치한 (metal-centered) 및/또는 리간드와 금속 (ligand-to-metal) 전하 운반 전이 (charge transfer transitions)에서 기인한 것으로 보인다 {A. Vogler and H. Kunkely, Coord. Chem. Rev. 219-221, 489 (2001), T. Huang and R.W. Murray, J. Phys. Chem. B 105, 12498 (2001)}. PIPES-Au NCs 구조의 정확한 특성 규명은 진행 중이지만, 수십 개의 원자로 구성된 귀금속 나노클러스터가 강한 크기-의존적 발광 (J. Zheng et al., Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 409 (2007) and references therein)을 포함하여 흥미로운 광물리학적 특성을 나타내는 분자-유사 전이를 보인다는 잘 알려진 사실을 바탕으로 하여, 이 두 PIPES-Au NCs (NC-1 및 NC-2)가 서로 다른 구조 그리고 다른 크기일 것이라고 간주되었다. 생성된 두 가지 형광 PIPES-Au NCs는 모두 열역학적으로 그리고 광물리학적으로 안정하였고, Hg 램프 (200 W)를 이용하여 이틀 동안 계속하여 빛을 비춘 후 90 ℃로 일 주일 이상 가열한 후에도 발광 중 변화가 관찰되지 않았다. Interestingly, gold nanoclusters with different emission profiles were synthesized by varying the amount of PIPES used in the reaction. Using 2 equivalents of PIPES (5 x 10 < -5 > mol), a blue nanocluster (called "NC-1" in the present invention) , Excitation at 361 nm}. On the other hand, when 20 equivalents of PIPES (5 x 10 -4 mol) were used, a gold nanocluster (referred to as "NC-2" in the present invention) b) Excitation at 404 nm. The quantitative yield of the two nanoclusters was evaluated in comparison with well known comparative substances (fluorescein and quinine sulfate) (JR Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy , 3rd Ed .; Springer (2006) , And NC-2 was 3%. These values correspond to the gold nanoclusters stabilized with MES- and HEPES- {Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 114, 15879 (2010)}. 2 (c) shows the absorption spectra of aqueous solutions of NC-1 and NC-2. Although broad, NC-1 (solid line) exhibits an extinction band near about 360 nm, which is very close to the fluorescence maximum excitation value (Fig. 2 (a)). NC-2 showed absorber bands near the wavelengths of 330 and 410 nm. According to the literature, this absorption spectral profile is not due to the gold nanoclusters themselves, but rather to the metal-centered and / or ligand-to-metal charge transfer transitions It seems to be attributed to A. Vogler and H. Kunkely, Coord. Chem. Rev. 219-221, 489 (2001), T. Huang and RW Murray, J. Phys. Chem. B 105, 12498 (2001). Although accurate characterization of the PIPES-Au NCs structure is ongoing, noble metal nanoclusters composed of dozens of atoms are strongly dependent on size-dependent emission (J. Zheng et al., Annu. Rev. Phys. Based on the well-known fact that molecular-like transitions exhibit interesting photophysical properties, including the PIPES-Au NCs ( NC-1 and NC-2 ) . Both fluorescent PIPES-Au NCs were stable thermodynamically and photophysically, and were irradiated with Hg lamp (200 W) for two days. After heating for more than one week at 90 ℃, Was not observed.

PIPES-Au NCs 합성 중 처음에는 나노입자 집합체가 형성되고 이후 이들 나노입자 집합체가 PIPES와 반응하여 PIPES-Au NCs를 생성하는 것으로 보인다. 이러한 타입의 금 클러스터 형성은 완전히 새로운 것은 아니며, 특히 나노입자 에칭을 통해 생성되는 금 클러스터가 보고되었고, 이는 작은 유기분자 및 폴리머와 같은 합성 주형에 의해 보호되었다 (J. Zheng et al., J. Am. Chem. Soc. 125, 7780 (2003), Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 114, 15879 (2010), H. Duan and S. Nie, J. Am. Chem. Soc. 129, 2412 (2007)). 본 발명자들은 PIPES에 의한, 미리 제조된 집합체의 에칭이 금 나노클러스터 생성에서 핵심적인 단계인 것으로 믿는다. 또한, 에칭 단계는 우리 실험 결과에 따르면 높은 온도에서 좀더 효과적으로 수행될 것으로 보인다. 금 나노클러스터 제조에는 pH와 같은 다른 반응 조건도 중요하다. HAuCl4와 PIPES가 처음 혼합되어 반응이 시작될 때 용액의 pH는 5 정도였다. 용액의 pH를 변화시키기 위해 NaOH를 가하면 반응 동안 염기성 (pH > 7)이 되어 PIPES-Au NCs 생성을 저해하였다. 흥미롭게도, 미리 합성된 PIPES-Au NCs의 최대발광은 용액 pH가 달라짐에 따라 약간 변화하였다. 도 2 (a)의 NC-1 수용액은 산성이었다 (pH ~2.5). 반응 pH를 11.6까지 변화시키기 위해 NaOH를 가하면 최초 발광에 비해 NC-1 발광 스펙트럼은 약 10 ㎚ 청색 쪽으로 이동하였다 (도 3 (a)). 반응 pH를 13까지 증가시키면, NC-1의 발광 스펙트럼은 더 청색 쪽으로 이동하였다 (최대발광에서 ~10 ㎚). PIPES-Au NCs의 양성자 첨가-의존적 발광은 구조적 정보를 제공해줄 수 있는데, 이는 PIPES-Au NCs의 최대발광이 금 원자와 PIPES로 이루어진 복합체의 -SO3H 치환물에서 주로 유래하는 H+ 이온 농도에 의존적이기 때문이다. 2.5 ~ 13 사이에서 반복되는 용액 pH의 변화는 원래 파장에 대하여 PIPES-Au NCs의 최대발광파장을 이동시키거나 다시 회복시켰다. 그렇지만, 발광 강도는 점차 저하되는데, 이는 염기 조건에서 PIPES-Au NCs가 분해되기 때문인 것으로 보인다 (도 3 (b)).At the beginning of PIPES-Au NCs synthesis, nanoparticle aggregates are formed and then these nanoparticle aggregates appear to react with PIPES to form PIPES-Au NCs. Gold cluster form of this type is not entirely new, especially it was gold cluster is reported to be generated by the nanoparticles etching, which was protected by the synthetic template, such as small organic molecules and polymers (J. Zheng et al., J. Am. Chem. Soc. 125 , 7780 (2003), Y. Bao et al., J. Phys. Chem. C 114, 15879 (2010), H. Duan and S. Nie, J. Am. 129, 2412 (2007)). We believe that the etching of pre-fabricated aggregates by PIPES is a key step in the production of gold nanoclusters. In addition, the etching step is expected to be performed more efficiently at higher temperatures, according to our experimental results. Other reaction conditions, such as pH, are also important for the preparation of gold nanoclusters. When HAuCl 4 and PIPES were mixed for the first time, the pH of the solution was about 5. When NaOH was added to change the pH of the solution, it became basic (pH> 7) during the reaction and inhibited PIPES-Au NCs formation. Interestingly, the maximum emission of the pre-synthesized PIPES-Au NCs slightly changed as the solution pH varied. The NC-1 aqueous solution of Fig. 2 (a) was acidic (pH ~ 2.5). When NaOH was added to change the reaction pH to 11.6, the emission spectrum of NC-1 shifted to about 10 nm blue (Fig. 3 (a)) compared to the initial emission. When the reaction pH was increased to 13, the emission spectrum of NC-1 shifted towards the blue color (~ 10 nm at maximum emission). Proton additive-dependent luminescence of PIPES-Au NCs can provide structural information because the maximum emission of PIPES-Au NCs is due to the H + ion concentration derived mainly from the -SO 3 H substituent of the gold and PIPES complexes Because it is dependent. The change in pH of the solution, which was repeated between 2.5 and 13, shifted or restored the maximum emission wavelength of the PIPES-Au NCs relative to the original wavelength. However, the luminescence intensity gradually decreases because the PIPES-Au NCs are decomposed under basic conditions (Fig. 3 (b)).

형광 금 나노클러스터의 안정성은 외부 환경에 의해 쉽게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 게다가, 금 나노클러스터의 크기가 작기 때문에 금 나노클러스터에 특정 분자를 더 기능화하는 것은 매우 어렵다 (C.-A. J. Lin et al., ACS Nano 3, 395 (2009), M. A. Habeeb Muhammed and T. Pradeep, Small 7 204 (2011)). 이는 금 나노클러스터의 응용 가능성에 결정적인 한계가 될 수 있다. 본 발명의 PIPES로 안정화된 금 나노클러스터가 매우 안정적이기는 하지만, 금 나노클러스터에 분자를 기능화하는 것은 여전히 만만치 않은 시도이다. 이 문제를 해결할 수 있는 유용한 전략은 특정 매트릭스에 제조된 금 나노클러스터를 내포 (encapsulation)시키는 것이다. 특히, 다공성 실리카 (이산화규소)는 아주 매력적인 후보인데, 이는 실리카 나노입자 표면이 다른 분자에 의해 기능화시키기 용이한 것으로 알려져 있기 때문이다 (A. Guerrero-Martnez et al, Adv. Mater. 22, 1182 (2010), L. M. Liz-Marzn et al., in: Handbook of Surfaces and Interfaces of Materials, (Ed: H. S. Nalwa), Academic Press, San Diego, USA 2001). 그렇지만, 형광 금 또는 은 나노클러스터를 실리카 쉘에 내포시킨 예는 거의 없다 (M. A. Habeeb Muhammed and T. Pradeep, Small 7 204 (2011), Z. Zhang et al., Talanta 85, 2695 (2011)). 단분산 구형 형광 금 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자를 합성하기 위해 역마이크로에멀젼 방법을 이용하였는데, 이는 화학염료 도핑을 통해 형광 실리카 나노입자를 합성하는 효과적인 방법으로 알려져 왔다 (S. Santra et al., Adv. Mater. 17, 2165 (2005), S. Santra et al., J. Biomed. Opt. 6, 160 (2001), R. P. Bagwe et al., Langmuir 20, 8336 (2004), J. Pak and H. Yoo, submitted.). 마이크로에멀젼은 Brij35, 보조 계면활성제 (1-헥사놀), 유기용매 (사이클로헥산), 물, 그리고 PIPES-Au NCs (NC-1) 수용액을 혼합하여 제조하였다. TEOS (0.224 mmol)는 NH4OH를 가하여 마이크로에멀젼에서 가수분해하였고, PIPES-Au NCs 존재 하에 축합되었다. 도 4 (a)는 이렇게 합성된 PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 나노입자 (PIPES-Au NCs@SiO2 NPs)의 TEM 이미지를 보여준다. 합성된 실리카 나노입자는 매우 구형이고 크기는 좁게 분포되어 있었다 (평균 입경 = 58 ± 6 ㎚; 100개 이상의 나노입자를 측정하였다). 또한, 합성된 실리카 나노입자는 물에 잘 용해되었고, 형광을 띠었다. 도 4 (b)의 PIPES-Au NCs@SiO2 NPs (실선)는 여기 스펙트럼 및 방출 스펙트럼을 도 2 (a)의 PIPES-Au NCs m(NC-1)의 여기 스펙트럼 및 방출 스펙트럼 (도 4 (b)의 점선)과 비교하여 보여준다. 440 ㎚ 근처의 PIPES-Au NCs@SiO2 NPs 최대발광 피크는 물에서 361 ㎚에서 여기할 때 얻었다. 금 나노클러스터 도핑 없이 역마이크로에멀젼에서 합성한 실리카 나노입자는 도 4 (b)와 동일한 조건에서 발광을 나타내지 않았다. The stability of fluorescent gold nanoclusters is known to be easily affected by the external environment. In addition, since the size of the gold nanoclusters is small, it is very difficult to further functionalize specific molecules in the gold nanoclusters (C.-AJ Lin et al., ACS Nano 3, 395 (2009), MA Habeeb Mohammed and T. Pradeep, Small 7 204 (2011)). This can be a critical limitation on the applicability of gold nanoclusters. Although the PIPES stabilized gold nanoclusters of the present invention are very stable, functionalizing molecules in gold nanoclusters is still a challenging attempt. A useful strategy to solve this problem is to encapsulate the gold nanoclusters fabricated in a particular matrix. Particularly, porous silica (silicon dioxide) is a very attractive candidate because it is known that the surface of silica nanoparticles is easy to functionalize by other molecules (A. Guerrero-Martnez et al . , Adv. Mater. 22, 1182 2010), LM Liz-Marzn et al., In: Handbook of Surfaces and Interfaces of Materials, (Ed: HS Nalwa), Academic Press, San Diego, USA 2001). However, there are few examples of inclusion of fluorescent gold or silver nanoclusters in silica shells (MA Habeeb Muhammed and T. Pradeep, Small 7 204 (2011), Z. Zhang et al., Talanta 85, 2695 (2011)). In order to synthesize silica nanoparticles doped with monodisperse spherical fluorescent gold nanoclusters, reverse microemulsion method was used, which has been known as an effective method for synthesizing fluorescent silica nanoparticles through chemical dye doping (S. Santra et al. , Adv. Mater. 17, 2165 (2005), S. Santra et al., J. Biomed. Opt. 6, 160 (2001), RP Bagwe et al., Langmuir 20, 8336 (2004), J. Pak and H. Yoo, submitted.). The microemulsion was prepared by mixing Brij 35, co-surfactant (1-hexanol), organic solvent (cyclohexane), water, and PIPES-Au NCs (NC-1) aqueous solution. TEOS (0.224 mmol) was hydrolyzed in the microemulsion with NH 4 OH and condensed in the presence of PIPES-Au NCs. FIG. 4 (a) shows TEM images of the thus synthesized PIPES-Au NCs-doped silica nanoparticles (PIPES-Au NCs @ SiO 2 NPs). The synthesized silica nanoparticles were very spherical and narrow in size (average particle diameter = 58 ± 6 nm; more than 100 nanoparticles were measured). In addition, the synthesized silica nanoparticles were well dissolved in water and fluoresced. PIPES-Au NCs @ SiO2 NPs (solid line) in FIG. 4 (b) shows the excitation spectrum and the emission spectrum of PIPES-Au NCs m (NC-1) )). ≪ / RTI > The maximum emission peak of PIPES-Au NCs @ SiO2 NPs near 440 nm was obtained when excited at 361 nm in water. The silica nanoparticles synthesized in reverse microemulsion without gold nano cluster doping did not show luminescence under the same conditions as in Fig. 4 (b).

도 4 (b)와 같이, PIPES-Au NCs@SiO2 NPs의 발광 강도는 PIPES-Au NCs보다 훨씬 낮았다. 이것은 PIPES-Au NCs가 매우 친수성이고 음이온으로 대전된 실리카 매트릭스에 도핑되기 어렵기 때문인 것으로 보인다. 또한, PIPES-Au NCs는 실리카 나노입자의 공극에서 누출되기 쉽기 때문인데, 이것은 실리카 나노입자의 발광 강도를 현저히 저하시킨다. As shown in Fig. 4 (b), the emission intensity of PIPES-Au NCs @ SiO2 NPs was much lower than that of PIPES-Au NCs. This seems to be due to the fact that PIPES-Au NCs are highly hydrophilic and difficult to be doped into anionic charged silica matrix. Also, PIPES-Au NCs tend to leak from the pores of the silica nanoparticles, which significantly reduces the emission intensity of the silica nanoparticles.

그리하여, 본 발명자들은 유기형광물질이 도핑된 고형광 단분산 실리카 나노입자 제조를 위한 새롭고 단순한 합성 전략을 세웠다. 이 방법은 TEOS와 APTS {3-(aminopropyl)triethoxysilane}를 역마이크로에멀젼에서 순차적으로 축합함으로써 이중층을 형성하는 방법에 기초한 것이다. 유기염료의 높은 도핑률과 실리카 매트릭스에 의한 염료의 누출 가능성에 대한 개선된 보호로 인하여, 합성된 이중층 실리카 나노입자는 이중층이 없는 실리카 나노입자에 비해 훨씬 강력한 발광을 나타내었다. 실리카 매트릭스 내로 PIPES-Au NCs의 도핑률을 개선하고 실리카 나노입자의 발광을 증대하기 위하여 본 발명자들은 이중층 실리카 내로 PIPES-Au NCs를 도핑하였다 (PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs). PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs 합성을 위해, TEOS (0.224 mmol)와 APTS (0.021 mmol)를 순차적으로 가수분해하고 역마이크로에멀젼 내에 NH4OH를 가하여 PIPES-Au NCs (NC-1) 존재 하에 축합하였다. 도 5 (a)는 유사한 조건 하에서 에탄올 내의 PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs (실선)과 PIPES-Au NCs@SiO2 NPs (점선)의 발광 스펙트럼을 비교한 것인데, 이 그래프는 PIPES-Au NCs가 도핑된 이중층 실리카 나노입자가 훨씬 높은 발광률을 나타냄을 보여준다. 이는 PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs 즉, 이중층 나노입자의 실리카 매트릭스 내로 PIPES-Au NCs가 도핑될 확률이 더 높기 때문인 것으로 보인다. 도 5 (b)는 PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs가 에탄올로 반복 워싱한 후에도 발광률에 변화가 거의 없음을 보여주는데, 이는 PIPES-Au NCs가 실리카 매트릭스 내에서 잘 보호되고 있음을 말해준다. PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs의 내부-외각 구조가 PIPES-Au NCs 보호에 효과적인 것으로 보인다.Thus, the present inventors have established a novel and simple synthesis strategy for the production of organic light-doped solid-state monodispersed silica nanoparticles. This method is based on the sequential condensation of TEOS and APTS {3- (aminopropyl) triethoxysilane} in an inverse microemulsion to form a bilayer. Due to the high doping ratio of the organic dyes and the improved protection against the possibility of dye leaching by the silica matrix, the synthesized bilayer silica nanoparticles showed much stronger luminescence than the bilayer silica nanoparticles. In order to improve the doping rate of PIPES-Au NCs into the silica matrix and to increase the luminescence of the silica nanoparticles, we doped PIPES-Au NCs into the bilayer silica (PIPES-Au NCs @ DL-SiO 2 NPs). For the synthesis of PIPES-Au NCs @ DL-SiO 2 NPs, TEOS (0.224 mmol) and APTS (0.021 mmol) were sequentially hydrolyzed and NH 4 OH was added in the reverse microemulsion to obtain PIPES-Au NCs ≪ / RTI > Figure 5 (a) compares the emission spectra of PIPES-Au NCs @ DL-SiO 2 NPs (solid lines) and PIPES-Au NCs @ SiO 2 NPs (dotted lines) in ethanol under similar conditions, NCs-doped bilayer silica nanoparticles show much higher luminescence ratios. This seems to be due to the higher probability that PIPES-Au NCs is doped into the silica matrix of PIPES-Au NCs @ DL-SiO 2 NPs, ie, bilayer nanoparticles. Figure 5 (b) shows that the PIPES-Au NCs @ DL-SiO 2 NPs show little change in luminescence after repeated washing with ethanol, suggesting that the PIPES-Au NCs are well protected in the silica matrix . The inner-outer structure of PIPES-Au NCs @ DL-SiO 2 NPs appears to be effective in protecting PIPES-Au NCs.

나노 크기의 형광 실리카 나노입자는 생체의학 및 바이오센싱 기술에 응용하기 위해 가장 폭넓게 연구하고 있는 주제 중 하나이다 (G. Yao et al., Anal. Bioanal. Chem. 385, 518 (2006), R. Tapec et al., J. Nanosci. Nanotechnol. 2, 405 (2002), A. V. Blaaderen and A. Vrij, Langmuir 8, 2921, (1992)). 실리카 나노입자는 높은 다공성으로 인해 생체적합성이 우수하고, 독성이 없으며 물과 잘 혼합되는 것으로 알려져 있고, 이러한 성질이 실리카 나노입자를 좀더 유용해지도록 만든다 (A. Guerrero-Martnez et al, Adv. Mater. 22, 1182 (2010), L. M. Liz-Marzn et al., in: Handbook of Surfaces and Interfaces of Materials, (Ed: H. S. Nalwa), Academic Press, San Diego, USA 2001). 또한, PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs는 표면에 아민기가 있어 다른 분자를 기능화하는데 이용될 수 있을 것으로 예상된다 (R. P. Bagwe et al., Langmuir 22, 4357 (2006), R. Zhang et al., Langmuir 25, 10153 (2009)). 효과적인 발광뿐 아니라 표면의 기능화 가능성으로 인해 본 발명의 방법으로 제조된 PIPES-Au NCs@DL-SiO2 NPs는 실리카 나노입자 표면에서 특정 기의 작용기화 이후 더 많은 응용분야에서 이용될 수 있을 것으로 예상된다.
Nano-sized fluorescent silica nanoparticles are one of the most widely studied topics for applications in biomedical and biosensing technologies (G. Yao et al., Anal. Bioanal. Chem . 385, 518 (2006), R. Tapec et al., J. Nanosci. Nanotechnol ., 2, 405 (2002), AV Blaaderen and A. Vrij, Langmuir 8, 2921, (1992)). Silica nanoparticles are known to be highly biocompatible, non-toxic and well-mixed with water due to their high porosity, and this property makes silica nanoparticles more useful (A. Guerrero-Martnez et al, Adv. Mater . 22, 1182 (2010), LM Liz-Marzn et al, in:. Handbook of Surfaces and Interfaces of Materials, (Ed: HS Nalwa), Academic Press, San Diego, USA 2001). In addition, PIPES-Au NCs @ DL-SiO2 NPs are expected to have amine groups on their surface and may be used to functionalize other molecules (RP Bagwe et al., Langmuir 22, 4357 (2006), R. Zhang et al. , Langmuir 25,10153 (2009)). It is expected that PIPES-Au NCs @ DL-SiO2 NPs prepared by the process of the present invention due to its ability to function as well as effective luminescence can be used in more applications after functionalization of specific groups on the surface of silica nanoparticles .

결론적으로, 본 발명자들은 열합성법에서 PIPES를 이용한 안정화를 통하여 고형광 금 나노클러스터 (PIPES-Au NCs)를 합성하였다. 합성된 PIPES-Au NCs는 산성 조건에서 매우 안정적이었고, pH 의존적으로 발광이 변하였다. 사용되는 PIPES의 양을 달리 하여 최대발광파장이 다른 두 개의 금 나노클러스터가 생성되었다.In conclusion, the present inventors synthesized solid gold nano clusters (PIPES-Au NCs) through stabilization using PIPES in a thermal synthesis method. The synthesized PIPES-Au NCs was very stable under acidic conditions and the luminescence changed in a pH-dependent manner. Two gold nanoclusters with different maximum emission wavelengths were produced by varying the amount of PIPES used.

합성된 금 나노클러스터는 다공성 실리카 매트릭스에 성공적으로 내포되어 형광 PIPES-Au NCs가 도핑된 실리카 나노입자를 생성하였다. TEOS와 APTS로 PIPES-Au NCs를 순차 도핑하면 다량의 PIPES-Au NCs가 내포되고 고발광하며, 극성 용매로 반복 워싱한 후에도 PIPES-Au NCs가 효과적으로 보호되는 실리카 매트릭스가 생성된다.
The synthesized gold nanoclusters were successfully encapsulated in a porous silica matrix to produce silica nanoparticles doped with fluorescent PIPES-Au NCs. Successive doping of PIPES-Au NCs with TEOS and APTS results in a large matrix of PIPES-Au NCs, a high emission, and a silica matrix in which the PIPES-Au NCs are effectively protected even after repeated washings with polar solvents.

Claims (8)

a) 귀금속염이 함유된 수용액에 생체적합성 완충액을 가하고 열을 가하면서 교반하여 안정된 귀금속 나노클러스터를 제조하는 단계;
b) 비이온성 계면활성제, 비극성 유기용매, 극성용매 및 a) 단계에서 제조된 과량의 귀금속 나노클러스터 용액을 혼합하여 마이크로에멀젼을 제조하는 단계;
c) 제조된 마이크로에멀젼에서, 실리카 전구체와 알칼리 촉매를 가하여 실리카 전구체를 가수분해 및 축합시켜 귀금속 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자를 제조하는 단계; 및
d) 귀금속 나노클러스터가 도핑된 실리카 나노입자에 a) 단계에서 제조된 귀금속 나노클러스터 용액과 알칼리 촉매를 가하고, APTS (3-Aminopropyltrienthoxysilane)를 가하여 교반하여 귀금속 나노클러스터를 함유하는 이중층 실리카 나노입자를 제조하는 단계;를 포함하는 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법.
a) preparing a stable noble metal nanocluster by adding a biocompatible buffer solution to an aqueous solution containing a noble metal salt and stirring while heating;
b) mixing the nonionic surfactant, the nonpolar organic solvent, the polar solvent and the excess noble metal nanocluster solution prepared in step a) to prepare a microemulsion;
c) hydrolyzing and condensing the silica precursor by adding a silica precursor and an alkali catalyst in the prepared microemulsion to prepare silica nanoparticles doped with noble metal nanoclusters; And
d) adding a noble metal nanocluster solution prepared in step a) and an alkali catalyst to the nano-clusters doped with noble metal nanoclusters, adding 3-aminopropyltrienthoxysilane (APTS) and stirring to prepare double-layer silica nanoparticles containing noble metal nanoclusters Wherein the high-luminous noble metal nanoclusters are doped with a high-luminous noble metal nanocluster.
제1항에 있어서,
상기 생체적합성 완충액은 HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-piperazine-1-ethanesulfonic acid), MES (2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid), EPPS (4-(2-Hydroxyethyl)piperazine-1-propane sulfonic acid), MOPS (3-(N-Morpholino)propanesulfonic acid), PIPES (1,5-piperazinediethanesulfonic acid), CHES (2-(Cyclohexylamino)-ethanesulfonic acid), TES (N-[tris(hydroxymethyl)methyl]-2-aminoethanesulfonic acid), BES (N,N-Bis-(2-hydroxyethyl)-2-amino-ethanesulfonic acid), MOBS (4-(N-Morpholino)butanesulfonic acid), MOPSO (3-Morpholino-2-hydroxypropanesulphonic acid), POPSO (Piperazine-1,4-bis(2-hydroxypropanesulfonic acid) dihydrate), TAPS (N-Tris[hydroxymethyl]methyl-3-aminopropanesulfonic acid), HP (1-(2-Hydroxyethyl)piperidine) 및 TAPSO (3-[[1,3-dihydroxy-2-(hydroxymethyl)propan-2-yl]amino]-2-hydroxypropane-1-sulfonic acid) 중 선택된 1종 이상임을 특징으로 하는 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법.
The method according to claim 1,
The biocompatible buffer may be one selected from the group consisting of HEPES (4- (2-hydroxyethyl) -piperazine-1-ethanesulfonic acid), MES (2- (N-Morpholino) sulfonic acid), MOPS (3- (N-Morpholino) propanesulfonic acid), PIPES (1,5-piperazinediethanesulfonic acid), CHES (2- (Cyclohexylamino) 2-aminoethanesulfonic acid), BES (N-Bis- (2-hydroxyethyl) -2-amino-ethanesulfonic acid), MOBS (4- (N-Morpholino) butanesulfonic acid), MOPSO (3-Morpholino- hydroxypropanesulphonic acid), POPSO (Piperazine-1,4-bis (2-hydroxypropanesulfonic acid) dihydrate), TAPS (N-Tris [hydroxymethyl] methyl-3-aminopropanesulfonic acid) Wherein the high luminous noble metal nanocluster is at least one selected from the group consisting of TAPSO (3 - [[1,3-dihydroxy-2- (hydroxymethyl) propan-2-yl] amino] -2-hydroxypropane- Lt; RTI ID = 0.0 > nanoparticles < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 알칼리 촉매는 암모니아 수용액임을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the alkali catalyst is an aqueous solution of ammonia, wherein the high-luminous noble metal nanoclusters are doped with ammonia.
제1항에 있어서,
상기 비이온성 계면활성제는 폴리옥시에틸렌 글라이콜 도데실 에테르, 글리세린계 지방산 에스테르, 수크로오스계 지방산 에스테르 또는 소르비탄계 지방산 에스테르인 것을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the nonionic surfactant is a polyoxyethylene glycol dodecyl ether, a glycerin fatty acid ester, a sucrose fatty acid ester, or a sorbitan fatty acid ester. Way.
제1항에 있어서,
상기 극성용매는 물 또는 산 수용액임을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polar solvent is water or an aqueous solution of an acid.
제1항에 있어서,
실리카 전구체는 테트라에틸오소실리케이트, 테트라메틸오소실리케이트 또는 테트라프로필오소실리케이트인 것을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the silica precursor is tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate or tetrapropyl orthosilicate. 2. The method of claim 1, wherein the silica precursor is tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate or tetrapropyl orthosilicate.
제1항에 있어서,
상기 귀금속은 금, 은 또는 백금인 것을 특징으로 하는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the noble metal is gold, silver or platinum. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는, 고발광 귀금속 나노클러스터가 도핑된 이중층 실리카 나노입자.
8. A high-luminous noble metal nanocluster-doped double-layered silica nanoparticle prepared by the method of any one of claims 1 to 7.
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KR20120045711A (en) * 2010-11-01 2012-05-09 충북대학교 산학협력단 Preparation method of copper nanoparticles

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