KR101607575B1 - Carbon dot derivative from sugar alcohols and biological label comprising same - Google Patents

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Abstract

당알콜로부터 유래된 탄소나노점 및 이의 표면에 패시베이션된 아민 화합물을 포함하는 탄소나노점 유도체는 광발광성 및 생체적합성이 우수하며, 당알콜류로부터 간편한 방법에 의해 합성될 수 있으므로, 생의학 분야 등에서 바이오이미징 용도로서 유용하다.Carbon nano-dot derivatives containing carbon nano dots derived from sugar alcohols and amine compounds passivated on the surface thereof are excellent in photoluminescence and biocompatibility and can be synthesized from sugar alcohols by a simple method. Therefore, in the biomedical field, .

Description

당알콜로부터 유래된 탄소나노점 유도체 및 이를 포함하는 생물학적 표지{CARBON DOT DERIVATIVE FROM SUGAR ALCOHOLS AND BIOLOGICAL LABEL COMPRISING SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon nano-dot derivative derived from sugar alcohols and a biological marker comprising the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 당알콜류로부터 유래된 탄소나노점 유도체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 생물학적 표지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 간편한 마이크로파-보조 열분해를 이용하여 바이오매스 유래의 당알콜인 자일리톨로부터 제조된 탄소나노점에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon nano-dot derivative derived from sugar alcohols, a process for producing the same, and a biological label comprising the same. In particular, the present invention relates to carbon nano dots made from xylitol, which is a sugar alcohol derived from biomass using simple microwave-assisted pyrolysis.

지난 20년간 반도체 양자점(QD)은, 높은 광발광 강도, 우수한 광안정성 및 방출파장의 가변성으로 인해, 생물학적표지, 전자소자, 센서 등의 용도로서 주목을 받아왔다(문헌 [X. Michalet et al, Science 2005, 307, 538] 참조). 이러한 장점에도 불구하고, 양자점이 가지는 독성과 양자점에 함유되는 중금속(카드뮴, 납 등)에 의한 환경적인 우려로 인해, 양자점의 생물학적 분야에 대한 적용은 제한되어 왔다(문헌 [R. Hardman, Environ. Health Perspect. 2006, 114, 165] 참조).Semiconductor quantum dots (QDs) over the last two decades have received attention as applications for biological markers, electronic devices, sensors and the like due to their high photoluminescence intensity, good light stability and variable emission wavelengths (X. Michalet et al , Science 2005, 307 , 538). Despite these advantages, application to the biological field of quantum dots has been limited due to toxicity of the Qdots and environmental concerns due to heavy metals (cadmium, lead, etc.) contained in Qdots (R. Hardman, Environ. Health Perspect. 2006, 114 , 165).

탄소 나노입자는, 탄소나노점 또는 탄소점(CD)이라고도 불리며, 생체적합성, 낮은 독성 및 높은 안정성을 가질 뿐만 아니라 양자점에 비견되는 광학적 특성을 나타내어, 최근 양자점을 대체할 물질로 부각되고 있다(문헌 [S. J. Yu et al, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17604] 참조). 특히, 탄소나노점은 우수한 광발광성으로 인해 바이오이미징, 바이오센서, 약물전달, 광촉매, 태양광발전 등의 다양한 분야로의 응용이 확대되고 있다(문헌 [S. J. Zhu et al, Chem. Commun. 2011, 47, 6858] 참조). 탄소나노점을 원하는 치수와 표면 특성을 갖도록 제조하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 일례로 연소법, 레이저 융삭법, 마이크로파-열분해법, 전기화학적 산화법, 실리카 주형 합성법, 천연 탄소원료의 탈산소화법, 탄수화물의 탈수화법 등의 다양한 방법이 이용되고 있다(문헌 [H. P. Liu et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473] 참조). 그러나 이러한 최근의 탄소나노점의 합성법의 발전에도 불구하고, 간편하면서도 저비용의 환경친화적인 방법의 개발은 여전히 요구되고 있다.Carbon nanoparticles, also called carbon nano-dots or carbon dots (CDs), have biocompatibility, low toxicity and high stability as well as optical characteristics comparable to those of quantum dots and have recently become a substitute for quantum dots [SJ Yu et al . , J. Am. Chem. Soc. 2005, 127 , 17604). In particular, because of its excellent photoluminescence properties, carbon nanotubes are being applied to various fields such as bio-imaging, biosensor, drug delivery, photocatalyst, and solar power generation (SJ Zhu et al , Chem. Commun. 2011, 47 , 6858). There have been many studies to fabricate carbon nanotubes having desired dimensions and surface characteristics. For example, there have been many researches on manufacturing carbon nanotubes having a desired dimension and surface characteristics, and examples thereof include combustion method, laser fusing method, microwave-pyrolysis method, electrochemical oxidation method, silica mold synthesis method, Carbohydrate dehydration, etc. (HP Liu et al , Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46 , 6473) Reference). However, despite the recent advances in the synthesis of carbon nanotubes, the development of simple yet low cost, environmentally friendly methods is still required.

탄소나노점은 일반적으로 구형으로서 직경이 10nm 미만이다. 또한, 탄소나노점은 sp2- 및 sp3-혼성 탄소 나노구조의 혼합 상태로서, 컨주게이션(conjugation)된 카본 클러스터의 형태를 가지며, 다른 표면 작용기로 기능화되어 있다. 탄소나노점의 광발광은 양자구속효과(quantum confinement effect) 및 발광표면트랩(emissive surface traps)이 조합되어 나타나는 특성이다(문헌 [S. N. Baker et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6726] 참조). 표면 패시베이션(surface passivation) 작용기는 표면결함지점(surface defective sites)의 갯수를 증가시킴으로써 탄소나노점의 광발광을 향상시키는 것으로 알려져 있다(문헌 [Y. P. Sun et al, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7756] 참조). The carbon nanotubes are generally spherical and have a diameter of less than 10 nm. In addition, the carbon nano-dots are mixed states of sp 2 - and sp 3 - hybrid carbon nanostructures, and have a conjugated carbon cluster form and are functionalized with other surface functional groups. Photoluminescence at the carbon nano-point is a combination of quantum confinement effect and emissive surface traps (SN Baker et al , Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49 , 6726). Surface passivation functionalities are known to enhance the photoluminescence of carbon nanotubes by increasing the number of surface defective sites (YP Sun et al , J. Am. Chem. Soc. 2006 , 128 , 7756).

탄소나노점을 화학적으로 합성하는 데에는 당류(글루코스, 프룩토스, 수크로스 등), 시트르산, 아스코르브산 등의 많은 탄소 전구체들이 사용된다. 그러나 이들과의 유사한 화학적 구조에도 불구하고, 대부분의 당알콜류에서는 발광성의 탄소나노점이 잘 합성되지 않는다. 따라서, 당알콜류로부터 고발광성의 탄소나노점을 합성하기 위한 체계적인 연구가 필요하다.Many carbon precursors such as sugars (glucose, fructose, sucrose, etc.), citric acid, and ascorbic acid are used to chemically synthesize carbon nano dots. However, despite the similar chemical structure, most of the sugar alcohols do not synthesize luminescent carbon nano-dots. Therefore, systematic studies are needed to synthesize highly light-emitting carbon nano dots from sugar alcohols.

X. Michalet et al, Science 2005, 307, 538. X. Michalet et al, Science 2005, 307, 538. R. Hardman, Environ. Health Perspect. 2006, 114, 165. R. Hardman, Environ. Health Perspect. 2006, 114, 165. S. J. Yu et al, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17604. S. J. Yu et al, J. Am. Chem. Soc. 2005,127,17604. S. N. Baker et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6726. S. N. Baker et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6726. Y. P. Sun et al, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7756. Y. P. Sun et al, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7756. S. J. Zhu et al, Chem. Commun. 2011, 47, 6858. S. J. Zhu et al., Chem. Commun. 2011, 47, 6858. H. P. Liu et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473. H. P. Liu et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473.

따라서, 본 발명은 당알콜로부터 유래된, 광발광성 및 생체적합성이 우수한 탄소나노점 유도체, 및 이의 바이오이미징 용도를 제공하고자 한다.Therefore, the present invention aims to provide a carbon nano-dot derivative derived from sugar alcohols excellent in photoluminescence and biocompatibility, and its use for bio-imaging.

또한, 본 발명은 당알콜로부터 간편하고도 효율적인 방법에 의해 상기 탄소나노점을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.The present invention also provides a method for producing the carbon nano-dots from a sugar alcohol by a simple and efficient method.

상기 목적에 따라, 본 발명은 당알콜로부터 유래된 탄소나노점(carbon nanodot), 및 상기 탄소나노점의 표면에 패시베이션(passivation)된 아민 화합물을 포함하는, 탄소나노점 유도체를 제공한다.According to the above object, the present invention provides a carbon nano-dot derivative comprising a carbon nanodot derived from sugar alcohol and an amine compound passivated on the surface of the carbon nano-dot.

또한, 본 발명은 (a) 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물과 혼합시키는 단계; (b) 단계 (a)의 결과물에 아민 화합물을 첨가하고 교반하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 결과물을 탄화(carbonization)시키는 단계를 포함하는, 상기 탄소나노점 유도체의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention relates to a method for producing a sugar alcohol, comprising: (a) mixing a sugar alcohol with an acid compound containing a chlorine component; (b) adding and stirring an amine compound to the product of step (a); And (c) carbonizing the resultant product of step (b).

또한, 본 발명은 상기 탄소나노점 유도체를 포함하는 바이오이미징용 생물학적 표지를 제공한다.The present invention also provides a biological marker for bioimaging comprising the carbon nanoscale derivative.

본 발명에 따르는 탄소나노점 유도체는 광발광성 및 생체적합성이 우수하며, 당알콜류로부터 간편한 방법에 의해 합성될 수 있으므로, 생의학 분야 등에서 바이오이미징 용도로서 유용하다.
The carbon nano-dot derivatives according to the present invention are excellent in photoluminescence and biocompatibility, and can be synthesized from sugar alcohols by a simple method, and thus are useful as biomedical applications in biomedical fields and the like.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기에 사용된 약어들의 의미는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 설명하였다.
도 1 : (a) 자일리톨로부터 탄소나노점을 합성하는 방법의 일례를 도식적으로 나타낸 그림, (b) 자일리톨, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 UV/Vis 흡수 스펙트럼, 삽입이미지는 햇빛 및 UV광(365nm) 하에서의 CDxy(0) 용액(좌) 및 CDxy(1) 용액(우), 및 (c) 여기 파장을 320~410nm 범위에서 10nm 간격으로 변화시킨 조건하의 CDxy(1)의 2차원 광발광 스펙트럼.
도 2 : (a) CDxy(1)의 TEM 이미지 및 입도 분포 히스토그램, (b) CDxy(1)의 고해상도 TEM 이미지, 및 (c) AFM으로 CDxy(1)의 표면 높이를 관찰한 이미지 및 이를 형상화한 그래프.
도 3 : 다양한 HCl 첨가량에 따른 (a) 양자수율 및 (b) CDxy의 제타전위 (이때 양자수율은 퀴닌 설페이트를 참조물질로 하여 360nm의 여기 파장에서 측정됨).
도 4 : (a) 다양한 농도의 CDxy(1)로 처리된 WI-38 및 HeLa 세포에 대한 MTT-기반의 세포 생존률 분석, 및 (b) CDxy(1) 100㎍/mL로 24시간 동안 처리한 HeLa 세포에 대한 명시야(bright-field) 이미지 및 형광 이미지.
도 5: CDxy(0) 및 CDxy(1)의 시간분해 광발광 소멸 곡선(time-resolved photoluminescence decay curves).
도 6: AFM으로 CDxy(0)의 표면 높이를 관찰한 이미지 및 이를 형상화한 그래프.
도 7: (a) 자일리톨, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 FT-IR 스펙트럼, (b) CDxy(0) 및 CDxy(1)의 XPS 스펙트럼(survey scan), 및 (c) CDxy(0) 및 (d) CDxy(1)의 디콘볼루션된 고해상 XPS C 1s 스펙트럼.
도 8: CDxy(1)의 디콘볼루션된 고해상 XPS Cl 2p 스펙트럼.
도 9: EDA의 첨가량에 따른 CDxy의 양자수율(a) 및 제타전위(b) (이때 자일리톨과 HCl의 양은 모두 1.0mmol로 고정되었고, 양자수율은 퀴닌 설페이트를 참조물질로 하여 360nm여기 파장에서 측정되었다).
도 10: 솔비톨, CDsor(0) 및 CDsor(1)의 UV/Vis 흡수 스펙트럼, 삽입이미지는 햇빛 및 UV광(365 nm) 하에서의 CDsor(0) 용액(좌) 및 CDsor(1) 용액(우). (CDsor(0) 및 CDsor(1)의 양자수율은 각각 2.3% 및 5.3%).
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. The meanings of the abbreviations used in the following are described in detail for the purpose of carrying out the invention.
Figure 1: (a) picture showing one example schematically a method of synthesizing carbon nano from xylitol, (b) xylitol, UV / Vis absorption spectrum of CD xy (0) and CD xy (1), the insertion image sunlight and CD xy (0) solution under UV light (365nm) (left) and CD xy (1) solution (R), and (c) under which conditions change the excitation wavelength by 10nm intervals in 320 ~ 410nm range CD xy (1 Dimensional photoluminescence spectrum.
Figure 2: (a) a high resolution TEM image of the TEM image and size distribution histogram of the CD xy (1), (b ) CD xy (1), and (c) AFM with images of observing the height of the surface of the CD xy (1) And graphs of them.
Fig. 3 : (a) quantum yield and (b) zeta potential of CD xy according to various amounts of HCl added, wherein the quantum yield is measured at an excitation wavelength of 360 nm using quinine sulfate as a reference material.
Figure 4: (a) for different concentrations of the CD xy (1) analysis of cell viability based on the MTT- WI-38 and HeLa cells treated with, and (b) CD xy (1) 24 hours 100㎍ / mL Bright-field and fluorescence images of treated HeLa cells.
5 : Time-resolved photoluminescence decay curves of CD xy (0) and CD xy (1).
Fig. 6 : An image obtained by observing the surface height of CD xy (0) with an AFM and a graphical representation thereof.
Figure 7: (a) xylitol, CD xy (0) and the XPS spectrum of a FT-IR spectrum of the CD xy (1), (b ) CD xy (0) and CD xy (1) (survey scan ), and (c ) CD xy (0) and (d ) a deconvolved high resolution XPS C 1s spectrum of CD xy (1).
Figure 8 : Deconvoluted high resolution XPS Cl2p spectrum of CD xy (1).
9 : The quantitative yields of CD xy (a) and zeta potential (b) (the amounts of xylitol and HCl were all fixed to 1.0 mmol and the quantum yield was determined by using quinine sulfate as a reference material at a 360 nm excitation wavelength Lt; / RTI >
10 : UV / Vis absorption spectra of sorbitol, CD sor (0) and CD sor (1), insert image shows CD sor (0) solution (left) and CD sor (1) under sunlight and UV light (365 nm) Solution (right). (Quantum yields of CD sor (0) and CD sor (1) are 2.3% and 5.3%, respectively).

본 명세서에서, 탄소나노점 유도체 내의 특정 원소의 함량에 대해 기재된 단위 "원소%"란, 탄소나노점 유도체 내에 포함된 탄소, 산소, 질소 등의 총 원자의 갯수에 대한 특정 원소만의 원자 갯수를 백분율로 나타낸 것을 의미한다. 또한, 원소 A에 대한 원소 B의 "원소비(B/A)"라 함은, 원소 A의 원자 갯수에 대한 원소 B의 원자 갯수의 비율을 의미한다.
In the present specification, the unit "element%" described for the content of a specific element in a carbon nano-dot derivative means the number of atoms of a specific element relative to the total number of atoms such as carbon, oxygen, and nitrogen contained in the carbon nano- In percentages. The "original consumption (B / A)" of the element B with respect to the element A means the ratio of the number of atoms of the element B to the number of atoms of the element A.

탄소나노점 유도체의 구성 및 특성Composition and properties of carbon nano-point derivatives

본 발명의 탄소나노점 유도체는, 당알콜로부터 유래된 탄소나노점, 및 상기 탄소나노점의 표면에 패시베이션된 아민 화합물을 포함한다.
The carbon nano-point derivatives of the present invention include carbon nano dots derived from sugar alcohols and amine compounds passivated on the surfaces of the carbon nano dots.

상기 탄소 나노점 유도체는 탄소(C) 성분을 주로 함유하며, 예를 들어 40 내지 75 원소%, 보다 구체적으로는 50 내지 65 원소%로 함유할 수 있다.The carbon nano-dot derivative mainly contains a carbon (C) component, and may contain, for example, from 40 to 75% by atom, more specifically from 50 to 65% by atom.

또한, 상기 탄소 나노점 유도체는 탄소 외에도 산소(O) 및 질소(N) 성분을 함유한다. 상기 탄소 나노점 유도체는, 예를 들어 산소(O) 성분을 15 내지 40 원소%, 보다 구체적으로 20 내지 35 원소%로 함유할 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노점 유도체는, 예를 들어 질소(N) 성분을 1 내지 20 원소%, 보다 구체적으로 1 내지 15 원소%로 함유할 수 있다.In addition, the carbon nano-dot derivative contains oxygen (O) and nitrogen (N) components in addition to carbon. The carbon nano-dot derivative may contain, for example, an oxygen (O) component in an amount of 15 to 40 atomic%, more specifically 20 to 35 atomic%. The carbon nano-point derivative may contain, for example, 1 to 20 atom%, more specifically 1 to 15 atom% of nitrogen (N) component.

또한, 상기 탄소 나노점 유도체 내에 함유된 탄소 성분에 대한 산소 성분의 원소비(O/C)가, 예를 들어 0.4 내지 0.6, 보다 구체적으로 0.45 내지 0.55일 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노점 유도체 내에 함유된 탄소 성분에 대한 질소 성분의 원소비(N/C)가, 예를 들어 0.01 내지 0.5, 보다 구체적으로 0.02 내지 0.3일 수 있다.In addition, the element ratio (O / C) of the oxygen component to the carbon component contained in the carbon nano-dot derivative may be, for example, 0.4 to 0.6, more specifically 0.45 to 0.55. The atomic ratio (N / C) of the nitrogen component to the carbon component contained in the carbon nano-dot derivative may be, for example, from 0.01 to 0.5, more specifically from 0.02 to 0.3.

특히, 상기 탄소나노점 유도체는 염소(Cl) 성분을 함유할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노점 유도체는 상기 할로겐 성분, 특히 염소 성분을 5 내지 15 원소%, 보다 구체적으로 7 내지 12 원소%, 보다 더 구체적으로 8 내지 10 원소%로 함유할 수 있다. In particular, the carbon nano-point derivative may contain a chlorine (Cl) component. For example, the carbon nano-dot derivative may contain 5 to 15 atomic%, more specifically 7 to 12 atomic%, and even more specifically 8 to 10 atomic% of the halogen component, especially the chlorine component.

상기 탄소나노점 유도체가 염소(Cl) 성분을 함유할 경우, 상기 탄소나노점 유도체는 탄소(C), 산소(O) 및 질소(N) 성분을 각각 50 내지 55 원소%, 15 내지 30 원소%, 및 5 내지 15 원소%로 함유할 수 있으며, 원소비(O/C) 및 원소비(N/C)가 각각 0.45 내지 0.50, 및 0.20 내지 0.30일 수 있다.
(C), oxygen (O), and nitrogen (N) are contained in an amount of 50 to 55%, 15 to 30%, and 30%, respectively, when the carbon nano-point derivative contains a chlorine (Cl) , And 5 to 15% by atom, and the original consumption (O / C) and the original consumption (N / C) may be 0.45 to 0.50 and 0.20 to 0.30, respectively.

상기 아민 화합물은, 예를 들어 C2-10알킬렌다이아민일 수 있으며, 보다 구체적으로는 에틸렌다이아민일 수 있다.The amine compound may be, for example, a C 2-10 alkylenediamine, more specifically, ethylene diamine.

또한, 상기 당알콜은 바이오매스 유래의 당알콜일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 당알콜은 자일리톨, 솔비톨, 글리세롤, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 이들 중 자일리톨일 수 있다.
The sugar alcohols may be sugar alcohols derived from biomass. More specifically, the sugar alcohols may include xylitol, sorbitol, glycerol, or a mixture thereof, preferably xylitol.

상기 탄소나노점 유도체는 평균 입경이 1 내지 10 nm일 수 있고, 보다 한정하면 2 내지 8 nm일 수 있으며, 보다 더 한정하면 3 내지 6 nm일 수 있다.The carbon nanotubes may have an average particle size of 1 to 10 nm, more preferably 2 to 8 nm, and more preferably 3 to 6 nm.

상기 탄소나노점 유도체는 다양한 색상을 발광할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노점 유도체는 청색, 녹색 및 적색 계열의 형광을 낼 수 있으며, 이들 형광의 여기 파장은 각각 395~415nm, 463~483nm, 및 549~569nm일 수 있다.
The carbon nano-dot derivatives may emit various colors. For example, the carbon nano-dot derivatives may emit blue, green, and red fluorescence, and the excitation wavelengths of the fluorescent light may be 395 to 415 nm, 463 to 483 nm, and 549 to 569 nm, respectively.

또한, 상기 탄소나노점 유도체는 세포독성이 매우 낮을 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노점 유도체는 세포 생존률이 95% 이상인 농도가 0.1mg/mL 이하일 수 있다.In addition, the carbon nanotubes derivatives may have very low cytotoxicity. Specifically, the carbon nanotubes may have a concentration of not less than 0.1 mg / mL with a cell viability of 95% or more.

상기 탄소나노점 유도체는 종래의 반도체 양자점과 비교하여 생체적합성이 뛰어나므로 생의학적 분야에 매우 적합하다. 구체적으로, 탄소나노점 유도체는 우수한 발광성, 수중 안정성, 및 낮은 세포독성을 나타내므로, 생의학적 용도에 높은 잠재성을 갖는다. 특히, 상기 탄소나노점 유도체는 바이오이미징 분야에서 생물학적 표지(biological label)로서 유용하게 사용될 수 있다.
The carbon nanotubes derivatives are more suitable for biomedical fields because they are more biocompatible than conventional semiconductor quantum dots. Specifically, carbon nanotubes derivatives exhibit excellent luminescence, water stability, and low cytotoxicity, and thus have high potential for biomedical applications. In particular, the carbon nanotubes derivatives may be useful as biological labels in the field of bio-imaging.

탄소나노점 유도체의 제조방법Method for producing carbon nano-dot derivatives

상기 탄소나노점 유도체는 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물 및 아민 화합물과 함께 탄화시켜 수득될 수 있다.The carbon nano-point derivative can be obtained by carbonizing the sugar alcohol together with an acid compound and an amine compound containing a chlorine component.

구체적으로, 상기 탄소나노점 유도체는 아래의 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다:Specifically, the carbon nano-point derivative can be prepared by a method comprising the steps of:

(a) 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물과 혼합시키는 단계; (a) mixing a sugar alcohol with an acid compound containing a chlorine component;

(b) 단계 (a)의 결과물에 아민 화합물을 첨가하고 교반하는 단계; 및 (b) adding and stirring an amine compound to the product of step (a); And

(c) 단계 (b)의 결과물을 탄화(carbonization)시키는 단계.
(c) carbonising the result of step (b).

이하, 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, each step will be described in detail.

(a) 당알콜과 산 화합물의 혼합(a) mixing a sugar alcohol with an acid compound

본 단계는 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물과 혼합시켜, 추후 진행될 표면 패시베이션과 탄화 공정에 대비하는 전처리 단계이다. This step is a pretreatment step in which sugar alcohol is mixed with a chlorine-containing acid compound to prepare for future surface passivation and carbonization processes.

본 단계에서 첨가되는 염소 성분이 함유된 산 화합물은 탄소나노점의 광발광 특성 향상에 중요한 역할을 한다. 먼저, 산 화합물에 의해 발생한 H+ 이온은 탄수화물의 탄화반응을 촉진시킨다. 또한, H+ 이온은 탄소나노점 표면에 아민 화합물이 패시베이션되는 것을 활성화시킨다. 아울러, 산 화합물에 의해 발생한 Cl- 이온은 탄소나노점 상에 도핑되어, 탄소나노점의 결함방출지점(defective emissive site)의 갯수를 증가시킨다. 그 결과, 이러한 산 화합물을 첨가하여 합성된 탄소나노점은 보다 우수한 발광 및 높은 양자수율을 나타낼 수 있다.The chlorine-containing acid compounds added in this step play an important role in improving the photoluminescence properties of carbon nanoparticles. First, the H + ion generated by the acid compound promotes the carbonation of the carbohydrate. In addition, the H + ion activates passivation of the amine compound on the surface of the carbon nanotubes. In addition, the Cl - ions generated by the acid compound are doped on the carbon nanoparticles, increasing the number of defective emissive sites of the carbon nanoparticles. As a result, the carbon nano-points synthesized by adding such an acid compound can exhibit better luminescence and higher quantum yield.

상기 산 화합물은 염산일 수 있다.The acid compound may be hydrochloric acid.

상기 산 화합물은, 상기 당알콜 1.0몰에 대하여, 0.1몰 내지 3.0몰로 혼합될 수 있으며, 보다 한정하면 0.5몰 내지 1.5몰로 혼합될 수 있다. 상기 산 화합물의 첨가량이 범위 내일 때, 최종 제조된 탄소나노점 유도체의 광학적 특성 등이 보다 우수할 수 있다.The acid compound may be mixed in an amount of 0.1 mole to 3.0 mole, more preferably 0.5 mole to 1.5 mole, per 1.0 mole of the sugar alcohol. When the amount of the acid compound added is within the range, the optical characteristics and the like of the finally prepared carbon nano-dot derivative may be more excellent.

본 단계의 원료물질인 당알콜의 구체적인 종류는 앞서 예시한 바와 같다.
The specific types of sugar alcohols, which are raw materials of this step, are as exemplified above.

(b) 아민 화합물의 첨가(b) Addition of amine compound

본 단계는 앞서 단계 (a)에서 수득한 결과물에 아민 화합물을 첨가하여, 표면 패시베이션을 준비하는 단계이다.This step is a step of preparing the surface passivation by adding an amine compound to the resultant product obtained in the step (a).

상기 아민 화합물의 구체적인 종류로는 앞서 예시한 바와 같다.Specific examples of the amine compound are as described above.

상기 아민 화합물은 상기 당알콜 1.0몰에 대하여 0.1몰 내지 3.0몰로 첨가될 수 있으며, 보다 한정하면 0.5몰 내지 1.5몰로 첨가될 수 있다. 상기 아민 화합물의 첨가량이 범위 내일 때, 최종 제조된 탄소나노점 유도체의 광학적 특성 등이 보다 우수할 수 있다.The amine compound may be added in an amount of 0.1 mole to 3.0 mole, more preferably 0.5 mole to 1.5 mole, per 1.0 mole of the sugar alcohol. When the addition amount of the amine compound is within the range, the optical characteristics and the like of the finally prepared carbon nano-dot derivative may be more excellent.

상기 아민 화합물의 첨가 후에는 충분히 교반하는 것이 바람직하다.
After the addition of the amine compound, it is preferable to stir sufficiently.

(c) 탄화 공정(c) Carbonization process

본 단계는 앞서 단계 (b)에서 수득한 결과물을 탄화시켜, 탄소나노점 유도체를 수득하는 단계이다.This step is a step of carbonizing the resultant obtained in the above step (b) to obtain a carbon nano-point derivative.

상기 탄화는 열분해 공정에 의해 수행될 수 있다.The carbonization can be performed by a pyrolysis process.

바람직한 일례로서, 상기 탄화는 마이크로파-보조 열분해(microwave-assisted pyrolysis)를 이용할 수 있다. 상기 마이크로파는 그 주파수 및 출력 범위에 크게 제한되지 않으나, 예를 들어 주파수 2~4GHz 범위, 및 출력 600~800W 범위일 수 있다. 또한, 상기 마이크로파의 처리 시간은 크게 제한되지 않으나, 용매가 충분이 증발할 수 있는 시간인 것이 좋으므로, 용매의 양이 증가할수록 마이크로파 처리 시간을 늘리는 것이 좋다. 구체적인 일례로서, 용매가 약 5~15mL 정도인 경우에는, 상기 마이크로파 처리 시간이 2분 내지 5분인 것이 바람직하며, 그 결과 반응이 과하게 수행되는 것을 방지할 수 있고, 탄소나노점 유도체의 수용성 및 형광 특성을 더욱 높일 수 있다.As a preferred example, the carbonization may utilize microwave-assisted pyrolysis. The microwave is not limited to its frequency and power range, but may be in the range of 2 to 4 GHz in frequency and 600 to 800 W in power, for example. In addition, although the processing time of the microwave is not limited, it is preferable that the time for the solvent to be sufficiently evaporated, so that it is preferable to increase the microwave treatment time as the amount of the solvent increases. As a specific example, when the solvent is about 5 to 15 mL, it is preferable that the microwave treatment time is 2 minutes to 5 minutes. As a result, it is possible to prevent the reaction from being excessively performed, and the water- The characteristics can be further increased.

이상의 탄화 공정이 완료되면, 아민 화합물로 표면이 패시베이션된 탄소나노점 유도체가 합성될 수 있다.
When the above carbonization process is completed, a carbon nano-point derivative whose surface is passivated with an amine compound can be synthesized.

도 1의 (a)는 본 발명의 일례에 따른 탄소나노점 유도체의 제조방법을 도식적으로 나타낸 것으로서, 자일리톨을 아민 화합물과 혼합하고, 산 화합물(HCl)을 첨가 또는 미첨가한 뒤, 마이크로파-보조 열분해를 통해 제조하고 있다.
FIG. 1 (a) is a graphical representation of a method for producing a carbon nano-dot derivative according to an embodiment of the present invention, wherein xylitol is mixed with an amine compound and an acid compound (HCl) It is produced through pyrolysis.

이와 같이 본 발명에 따르면, 간편한 마이크로파-열분해법을 이용하여 자일리톨과 같은 당알콜류로부터 광발광성이 조절된 탄소나노점을 합성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 탄소나노점 유도체의 합성 과정에서 산 화합물을 첨가함으로써, 이의 표면 패시베이션 반응이 개선될 수 있다.
Thus, according to the present invention, it is possible to synthesize carbon nanotubes whose photoluminescence is controlled from sugar alcohols such as xylitol by a simple microwave-pyrolysis method. Further, according to the present invention, its surface passivation reaction can be improved by adding an acid compound in the course of synthesizing carbon nanotod derivatives.

구체적인 실시예 및 시험예Specific examples and test examples

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The following examples are illustrative of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.

이하에서, 용어 "CD"는 탄소 나노점(carbon nanodot, carbon dot 또는 C-dot)을 의미한다.Hereinafter, the term "CD" means a carbon nanodot (carbon dot or C-dot).

용어 CDxy(n)은, 자일리톨로부터 합성된 탄소나노점으로서, 여기서 n은 마이크로파-보조 열분해 공정 이전에 첨가된 HCl의 양(mmol)을 나타낸다. The term CD xy (n) is the carbon nano-point synthesized from xylitol, where n represents the amount (in mmol) of HCl added prior to the microwave-assisted pyrolysis process.

용어 CDsor(n)은, 솔비톨로부터 합성된 탄소나노점으로서, 여기서 n은 앞서 설명한 바와 같다.
The term CD sor (n) is a carbon nano-point synthesized from sorbitol, wherein n is as described above.

재료 및 원료: Materials and raw materials :

- 자일리톨 및 1,2-에틸렌다이아민(EDA)은 시그마알드리치(SigmaAldrich)로부터 구입하였다. - Xylitol and 1,2-ethylenediamine (EDA) were purchased from Sigma Aldrich.

- 염산(HCl)은 대정화학(한국)으로부터 구입하였다.
- Hydrochloric acid (HCl) was purchased from Daejung Chemical (Korea).

실시예 1: 당알콜로부터 탄소나노점(CD)의 제조 (HCl 첨가량 변화)Example 1: Preparation of carbon nano-dots (CD) from sugar alcohols (change in HCl addition amount)

자일리톨 152.15mg(1.0mmol)을 증류수 10mL에 희석하고, 여기에 1.0M HCl을 0~3mL(0~3mmol) 범위에서 양을 달리하여 혼합하였다. 수득한 혼합물에 EDA 68㎕(1mmol)을 혼합하여 2분 동안 격렬히 교반하였다. 그 결과 얻은 투명 용액을 시중의 가정용 전자레인지(700W)에 넣고 2분간 가열하였다. 상온으로 식힌 뒤에, 황갈색 고체 결과물을 증류수로 희석하고 주사필터(syringe filter, 0.45㎛)를 이용하여 염과 미반응 잔류물을 제거하였다. 이후, 반응용액을 증류수에 대해 투석막(MWCO: 500~1000)을 통해 하루 동안 투석하였다.
152.15 mg (1.0 mmol) of xylitol was diluted in 10 mL of distilled water, and 1.0 M HCl was mixed in an amount ranging from 0 to 3 mL (0 to 3 mmol). 68 쨉 l (1 mmol) of EDA was mixed with the obtained mixture and vigorously stirred for 2 minutes. The resulting clear solution was placed in a commercial microwave oven (700 W) and heated for 2 minutes. After cooling to room temperature, the tan solid was diluted with distilled water and the salt and unreacted residues were removed using a syringe filter (0.45 μm). Thereafter, the reaction solution was dialyzed against distilled water for one day through a dialysis membrane (MWCO: 500-1000).

실시예 2: 당알콜로부터 탄소나노점(CD)의 제조 (EDA 첨가량 변화)Example 2: Preparation of carbon nano-dots (CD) from sugar alcohols (change in EDA addition amount)

상기 실시예 1과 동일한 절차로 CD를 합성하되, 상기 1M HCl을 1mL(1.0mmol)의 양으로 사용하고, 상기 EDA를 0~204㎕(0~3mmol) 범위에서 양을 변화시켜가며 사용하여 CDxy를 합성하였다.
CD was synthesized by the same procedure as in Example 1 except that 1 M HCl was used in an amount of 1 mL (1.0 mmol), and the EDA was changed to CD (0 to 3 mmol) xy were synthesized.

시험 방법Test Methods

(1) 특성 평가(1) Characteristic evaluation

UV/Vis 분광광도계(UV-2550, Shimadzu)를 사용하여 흡광도를 측정함으로써 농도 제어 및 비교를 수행하였다. 흡광 곡선을 비교하여 농도 간의 유사도를 알아내었고, 이후 샘플들은 비교를 위해 조정되었다. 형광계(Agilent)를 이용하여 형광 데이터를 측정하였다. 투과전자현미경(TEM, JEM-2100, JEOL) 및 원자힘현미경(AFM, Dimension 3100, Veeco)을 이용하여 CD의 크기 및 형상을 관측하였다. XPS(K-alpha, Thermo Fisher), FT-IR(Agilent) 및 제타전위측정계(Malvern)를 사용하여, 패시베이션된 관능기를 확인하였다.Concentration control and comparison were performed by measuring the absorbance using a UV / Vis spectrophotometer (UV-2550, Shimadzu). The absorbance curves were compared to find the similarity between the concentrations, and the samples were then adjusted for comparison. Fluorescence data were measured using a fluorometer (Agilent). The size and shape of the CD were observed using a transmission electron microscope (TEM, JEM-2100, JEOL) and atomic force microscope (AFM, Dimension 3100, Veeco). Passivated functional groups were identified using XPS (K-alpha, Thermo Fisher), FT-IR (Agilent) and zeta potential meters (Malvern).

(2) 광발광 수명 측정(2) Photoluminescence lifetime measurement

시간상관 단일광자 계수법(TCSPC)에 의해 엑시톤(exciton) 수명을 도출하였다. 375nm 파장, 54ps 펄스폭 및 40MHz 반복률을 갖는 컴퓨터 제어 다이오드 레이저를 여기원(excitation source)으로 사용하였다. 집광수단과 단색계(PicoQuant)를 사용하여 광발광 방출을 분광학적으로 산출하였다. MCP-PMT(R3809U-5X series, Hamamatsu)가 구비된 TCSPC 모듈(PicoHarp 300E, PicoQuant)에 의해 초고속 검출을 실시하였다. 광발광 붕괴의 총 기기반응 함수(instrument response function, IRF)는 30ps 미만이었고, 일시적 시간분해능(temporal time resolution)은 10ps 미만이었다. 실제 형광 붕괴와 총 기기반응 함수(IRF)의 디콘볼루션(deconvolution)을 소프트웨어(FlouFit, PicoQuant)로 처리하여, 각각의 지수함수형 붕괴와 연관된 시간 상수를 산출하였다.The exciton lifetime was derived by the time - correlated single photon counting method (TCSPC). A computer controlled diode laser having a 375 nm wavelength, a 54 ps pulse width and a 40 MHz repetition rate was used as an excitation source. The photoluminescence emission was spectroscopically calculated using a condensing means and a PicoQuant. Speed detection by the TCSPC module (PicoHarp 300E, PicoQuant) equipped with MCP-PMT (R3809U-5X series, Hamamatsu). The total instrument response function (IRF) of the photoluminescent decay was less than 30 ps and the temporal time resolution was less than 10 ps. The deconvolution of actual fluorescence decay and total instrument response (IRF) was processed with software (FlouFit, PicoQuant) to calculate the time constant associated with each exponential decay.

(3) 세포 배양(3) Cell culture

인체 상피암(human epithelial carcinoma) 세포로부터 유도된 HeLa 세포주를, 10% 소태아혈청(FPS) 및 1% 페니실린-스트렙토마이신가 함유된 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Medium, Life technologies) 중에서 배양하였다. 인체 2배체세포(human diploid cell)로부터 유도된 WI-38 세포를, 10% 소태아혈청, 25mM 중탄산나트륨 및 1% 페니실린-스트렙토마이신가 함유된 RPMI(Roswell Park Memorial Institute) 1640 배양액(Life Technologies) 중에서 배양하였다.HeLa cell lines derived from human epithelial carcinoma cells were cultured in DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium, Life Technologies) supplemented with 10% fetal bovine serum (FPS) and 1% penicillin-streptomycin. WI-38 cells derived from human diploid cells were cultured in RPMI (Roswell Park Memorial Institute) 1640 culture medium (Life Technologies) containing 10% fetal bovine serum, 25 mM sodium bicarbonate and 1% penicillin-streptomycin Lt; / RTI >

(4) 세포 이미징(4) Cell imaging

공초점레이저 주사형광현미경(LCSM, FV1000 SPD)을 이용하여 세포의 형광 이미지를 얻었다. HeLa 세포를 커버글라스(8 chambered coverglass)에 2 x 104 세포/웰의 농도로 접종하고, 5% CO2 중에서 37℃의 온도로 24시간 동안 배양하였다. 배양액을 제거한 후, 각 웰을 PBS로 세척하였다. 이후 각 웰을 새 배양액 180㎕ 및 10X CD 용액 20㎕로 교체하였다. 24시간 더 배양한 뒤, LCSM을 이용하여 광학 및 형광 이미지를 얻었다.
Fluorescence images of the cells were obtained using confocal laser scanning fluorescence microscopy (LCSM, FV1000 SPD). HeLa cells were inoculated into 8-chambered coverglass at a concentration of 2 x 10 < 4 > cells / well and cultured in 5% CO 2 at 37 ° C for 24 hours. After removing the culture, each well was washed with PBS. Each well was then replaced with 180 [mu] l of fresh culture and 20 [mu] l of 10x CD solution. After further incubation for 24 hours, optical and fluorescence images were obtained using LCSM.

시험 결과Test result

자일리톨, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 UV/Vis 흡수 스펙트럼 결과, 도 1 (b)에서 보듯이, CDxy(0) 및 CDxy(1) 스펙트럼에서 230nm 근방에 나타난 넓은 흡수 피크가 나타났으며, 이는 sp2 탄소 네트워크와 관련된 전형적인 방향족계의 흡수 피크이다. 또한, CDxy(1) 스펙트럼에서 286nm에 나타난 강한 UV/Vis 흡수 피크는, 다른 탄소나노점에서 유사하게 관찰될 수 있으며, C=O 결합의 n-π* 전이에 의한 것이다(문헌 [S. Liu et al, Adv. Mater. 2012, 24, 2037] 참조). CDxy(1)의 경우 360nm에서 여기되어 최대 446nm 방출 파장으로 밝은 청색의 형광을 발현하는 반면, CDxy(0)의 경우 주목할만한 어떠한 광발광도 관찰되지 않았다(도 1 (b)의 삽입이미지 참조). 참조로, 퀴닌 설페이트를 이용한 CDxy(0)의 양자수율(QY)은 0.38%로 측정되었다. 그러나, CDxy(1)의 경우 HCl을 첨가함에 따라 양자수율이 7.0%로 현저히 증가하였다. 이러한 결과는, 시간상관 단일광자 계수법(TCSPC)을 이용하여 측정된 CDxy(0) 및 CDxy(1)의 엑시톤 수명이 각각 1.75ns 및 2.63ns을 나타내는 것에 부합하는 결과이다(도 5표 1 참조). 탄소나노점의 여기-의존적 방출(excitation-dependent emission)에 대해 지금까지 발표된 것에 따르면(문헌 [H. P. Liu et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473] 참조), 도 1 (c)에 나타난 바와 같이, CDxy의 최대 광발광 방출 파장이 여기 파장에 의존하는 경향을 보이고 있다. 다양한 색상의 광발광의 발생은 CDxy의 입도 분포 뿐만 아니라 방출트랩지점(emissive trap site)의 분포에 기인한다. CDxy(0) 및 CDxy(1)의 엑시톤 수명을 하기 표 1에 나타내었다.Xylitol, CD xy (0) and UV / Vis of CD x y (1) absorption spectra, Fig. 1 (b) As seen, CD xy (0) and CD xy (1) broad absorption appeared to 230nm vicinity in the spectrum in Peak, which is a typical aromatic absorption peak associated with the sp 2 carbon network. In addition, the strong UV / Vis absorption peak at 286 nm in the CD xy (1) spectrum can be similarly observed at other carbon nano-points and is due to the n-π * transition of the C = O bond. Liu et al , Adv. Mater . 2012, 24 , 2037). CD xy (1) was excited at 360 nm to emit bright blue fluorescence with a maximum emission wavelength of 446 nm, whereas no noticeable photoluminescence was observed for CD xy (0) ( Fig. 1 Reference). For reference, the quantum yield (QY) of CD xy (0) using quinine sulfate was determined to be 0.38%. However, in the case of CD xy (1), the quantum yield was remarkably increased to 7.0% as HCl was added. This result is a result of conforming to the exciton lifetime of the time-correlated single photon counting method (TCSPC) the CD xy (0) and CD xy (1) measured by an indicating each and 1.75ns 2.63ns (Figure 5 and Table 1 ). According to the published to about dependent emission (excitation-dependent emission) so far (reference [HP Liu et al, Angew Chem Int Ed 2007, 46, 6473....]), 1 (- carbon nano here c) , the maximum photoluminescence emission wavelength of CD xy tends to depend on the excitation wavelength. The generation of photoluminescence in various colors is caused not only by the particle size distribution of CD xy but also by the distribution of emissive trap sites. The exciton lifetimes of CD xy (0) and CD xy (1) are shown in Table 1 below.

CDxy(0)CD xy (0) CDxy(1)CD xy (1) t1 (ns)t1 (ns) 10.36 (0.11)10.36 (0.11) 11.93 (0.09)11.93 (0.09) t2 (ns)t2 (ns) 3.08 (0.18)3.08 (0.18) 3.74 (0.31)3.74 (0.31) t3 (ns)t3 (ns) 0.14 (0.71)0.14 (0.71) 0.67 (0.60)0.67 (0.60) X2 X 2 1.001.00 1.081.08 taverage (ns)t average (ns) 1.751.75 2.632.63

투과전자현미경(TEM) 및 원자힘현미경(AFM)을 이용하여, CDxy의 크기 및 형상을 측정하였다(도 2도 6 참조). TEM 이미지를 보면, CDxy(1) 입자가 구형이고 평균 직경이 4.65±1.21nm임을 알 수 있다. CDxy(1)의 고해상도 TEM 이미지를 보면, 층간 간격이 0.21nm인 결정 구조를 관찰할 수 있으며, 이는 그라파이트의 (100) 격자 간격에 대응한다. 또한 AFM 이미지를 보면, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 형상이 구형이며 이의 평균 높이가 각각 2.53±0.06nm 및 3.38±0.40nm임을 알 수 있다.The size and shape of CD xy were measured using a transmission electron microscope (TEM) and an atomic force microscope (AFM) (see FIGS . 2 and 6 ). TEM images show that the CD xy (1) particles are spherical and have an average diameter of 4.65 ± 1.21 nm. A high-resolution TEM image of CD xy (1) shows a crystal structure with an interlayer spacing of 0.21 nm, which corresponds to the (100) lattice spacing of the graphite. Also, the AFM images show that the shapes of CD xy (0) and CD xy (1) are spherical and their average heights are 2.53 ± 0.06 nm and 3.38 ± 0.40 nm, respectively.

FT-IR 및 고해상도 X선 광전자 스펙트럼(XPS)를 이용하여, CDxy 합성에서의 EDA 및 HCl 첨가의 효과를 보다 구체적으로 알아보았다. FT-IR 분광법을 통해 반응 중에 작용기의 변화를 알 수 있었다(도 7 (a) 참조). 모든 CDxy의 FT-IR 스펙트럼은 2800~3000 cm-1에서의 특징적인 피크(C-H 연신), 3300cm-1 근방의 넓은 피크(O-H 연신), 및 1000~1200cm-1에서의 피크(O-H 굽힘)를 나타내며, 이는 전구체인 자일리톨과 마찬가지로 하이드록실기가 풍부함을 의미한다. 또한, CDxy(0)의 스펙트럼은 1573cm-1 및 1417cm-1에서 새로운 피크가 관찰되는데, 이는 카복실레이트기의 비대칭적 및 대칭적인 연신 진동에 대응한다. CDxy(1)의 스펙트럼에서는, 새로운 피크들, 즉 3154cm-1(N-H 연신), 1598cm-1(N-H 평면운동), 및 1527cm-1 및 1464cm-1(N-H 비대칭 및 대칭 진동)이 관찰되었고, 이들은 CDxy(1)가 EDA로 표면 패시베이션되었음을 분명하게 보여준다. 또한 FT-IR과는 별개로 XPS를 수행하여 구조를 분석하였다(도 7 (b) 참조). 추가로, CDxy(0)는 주로 탄소, 산소 및 소량의 질소를 포함한다. 하기 표 2에 CDxy의 XPS 원소 조성 분석 결과를 정리하였다.Using FT-IR and high-resolution X-ray photoelectron spectra (XPS), the effect of EDA and HCl addition on CD xy synthesis was investigated more concretely. FT-IR spectroscopy revealed changes in functional groups during the reaction (see Fig. 7 (a) ). Peak (OH bending) in all CD xy of the FT-IR spectrum 2800 - characteristic peaks at 3000 cm -1 (CH stretching), broad peak (OH stretching) in the vicinity of 3300cm -1, and 1000 ~ 1200cm -1 , Which means that the hydroxyl group is abundant like the precursor xylitol. In addition, the spectrum of CD xy (0) shows a new peak at 1573 cm -1 and 1417 cm -1 , which corresponds to the asymmetric and symmetrical stretching vibration of the carboxylate group. In the spectrum of CD xy (1), new peaks were observed: 3154 cm -1 (NH stretching), 1598 cm -1 (NH plane motion), and 1527 cm -1 and 1464 cm -1 (NH asymmetry and symmetric vibration) These clearly show that CD xy (1) has been surface passivated to EDA. In addition, the structure was analyzed by performing XPS separately from FT-IR (see Fig. 7 (b) ). In addition, CD xy (0) mainly contains carbon, oxygen and a small amount of nitrogen. The XPS element composition analysis results of CD xy are summarized in Table 2 below.

구분division 각 원소별 함량(원소%)Content of each element (element%) 성분들간의 원소비Circulation of consumption among components CC OO NN ClCl N/CN / C O/CO / C CDxy(0)CD xy (0) 64.6064.60 33.5933.59 1.811.81 -- 0.0280.028 0.520.52 CDxy(1)CD xy (1) 52.5152.51 25.6925.69 12.3812.38 9.429.42 0.240.24 0.490.49

표 2에서 보듯이, CDxy(1)의 질소 함량이 약 12.4%이었으며, 이는 다른 질소-도핑되고 표면 패시베이션된 탄소나노점에 비해 높은 수치이고, CDxy(0)의 경우 단지 1.8%에 불과하였다(문헌 [W. B. Lu et al, Anal. Chem. 2012, 84, 5351] 참조). 따라서, 이러한 결과는 CDxy의 EDA에 의한 표면 패시베이션이, HCl의 첨가로 인해 현저히 향상되었음을 보여준다. 또한, CDxy(1)는 염소를 약 9.4% 함유하였으며, 이는 Cl-도핑된 CDxy(1)이 형성되었음을 의미하며(도 8 표 3 참조), 이러한 Cl-도핑은 결함방출지점(defective emissive site)의 갯수를 증가시켜, 광발광 향상 뿐만 아니라 표면 패시베이션 활성에 중요한 역할을 한다. 하기 표 3에 CDxy(1)의 XPS Cl 조성 분석 결과를 정리하였다.As shown in Table 2 , the nitrogen content of CD xy (1) was about 12.4%, which is higher than other nitrogen-doped and surface passivated carbon nanodots and only 1.8% for CD xy (0) (See WB Lu et al , Anal. Chem . 2012, 84 , 5351). Thus, this result shows that the surface passivation by EDA of CD xy is significantly improved by the addition of HCl. Also, CD xy (1) contained about 9.4% of chlorine, which means that Cl-doped CD xy (1) was formed (see FIG. 8 and Table 3 ), and this Cl-doping is defective emissive sites, which plays an important role not only in photoluminescence improvement but also in surface passivation activity. The results of XPS Cl composition analysis of CD xy (1) are summarized in Table 3 below.

CDxy(1)CD xy (1) 전위(eV)Dislocation (eV) 면적(%)area(%) Cl 2p1/2 Cl 2p 1/2 199.4199.4 34.4334.43 Cl 2p3/2 Cl 2p 3/2 197.7197.7 65.5665.56

상기 표 3에서 보듯이, HCl 첨가에 의해 CDxy의 특성이 향상되었음을 확인하였다. 추가적으로, CDxy(n) (예를 들어 n=0~3)의 합성 중에 첨가한 HCl의 양에 따른 양자수율 및 제타전위의 변화를 관찰하였다. 도 3 (a)는 자일리톨과 EDA(1.0mmol)의 양을 고정시킨 상태에서 HCl 첨가량을 변화시켜가며 측정한 CDxy의 양자수율을 도시한 것이다. HCl의 첨가량을 0에서 1.0mmol로 증가시킴에 따라 양자수율이 7.0%까지 증가하였으나, HCl 첨가량을 1.0~3.0mmol로 더 증가시킬 경우 양자수율의 향상은 더이상 발생하지 않았고, 이는 HCl이 EDA와 반응하여 CDxy의 표면 패시베이션을 활성화시킴을 의미한다. 도 3 (b)에서 보면, CDxy의 제타전위가, CDxy(0)에 해당하는 -24.0±0.55mV로부터 점진적으로 증가하여 CDxy(1)에 해당하는 10.0±1.23mV에 도달하였으며, 이와 같은 표면 변화는 CDxy의 표면이 EDA로부터 유래된 아민기로 패시베이션되었음을 보여준다. 대조 실험에서는 유사한 현상이 관찰되었다(도 9 참조). EDA의 양이 증가할수록 CDxy의 양자수율이 대략 7%까지 증가하였으며, EDA의 양이 1.0mmol를 초과하자 정체기를 나타내었다. 또한, EDA의 양을 0에서 0.1mmol로 증가시키는 동안, CDxy의 제타전위는 -7.10±0.78mV에서 10.0±1.23mV까지 증가하였다.As shown in Table 3, it was confirmed that the characteristics of CD xy were improved by addition of HCl. In addition, the quantum yield and zeta potential changes with the amount of HCl added during the synthesis of CD xy (n) (e.g., n = 0 to 3) were observed. 3 (a) shows the quantum yield of CD xy measured by varying the amount of HCl added while the amount of xylitol and EDA (1.0 mmol) was fixed. The quantum yield increased to 7.0% as the amount of HCl was increased from 0 to 1.0 mmol. However, when the amount of HCl was further increased to 1.0 ~ 3.0 mmol, the quantum yield was not improved any more, To activate the surface passivation of CD xy . In Figure 3 (b), the zeta potential of the CD xy, and gradually increases from -24.0 ± 0.55mV for the CD xy (0) was reached 10.0 ± 1.23mV for the CD xy (1), this The same surface change shows that the surface of CD xy is passivated to an amine group derived from EDA. A similar phenomenon was observed in the control experiment (see FIG. 9 ). As the amount of EDA increased, the quantum yield of CD xy increased to approximately 7%, and when the amount of EDA exceeded 1.0 mmol, it showed a stagnant phase. In addition, while increasing the amount of EDA from 0 to 0.1 mmol, the zeta potential of CD xy increased from -7.10 ± 0.78 mV to 10.0 ± 1.23 mV.

이러한 결과들은, HCl의 첨가가 탄소나노점의 광발광 특성 향상에 여러 중요한 역할을 하고 있음을 말해준다. 먼저, 이미 밝혀진 바와 같이 H+ 이온은 탄수화물의 탄화반응을 촉진시킨다. 또한, H+ 이온은 CDxy 표면에 EDA가 패시베이션되는 것을 활성화시킨다. 아울러, Cl- 이온은 탄소나노점 상에 도핑되어, CDxy의 결함방출지점(defective emissive site)의 갯수를 증가시킨다. 또한, 당알콜류로부터 유래된 탄소나노점의 광발광 특성에 HCl의 첨가가 미치는 영향을 더 알아보기 위하여, 솔비톨(6탄당알콜)과 같은 다른 당알콜류에 대해 시험을 수행하였다. 그 결과, 예상한 바와 같이, HCl을 첨가하여 솔비톨로부터 합성된 탄소나노점(CDsor(1))은 HCl의 첨가 없이 합성된 탄소나노점(CDsor(0))에 비해 보다 밝은 청색 발광 및 높은 양자수율(5.3%)을 나타내었다(도 10 참조).These results indicate that the addition of HCl has several important roles in improving the photoluminescence properties of carbon nanotubes. First, as has already been shown, the H + ion promotes the carbonation of carbohydrates. The H + ions also activate the passivation of the EDA on the CD xy surface. In addition, Cl - ions are doped on the carbon nanodots to increase the number of defective emissive sites of CD xy . Further, in order to further examine the influence of the addition of HCl on the photoluminescence properties of the carbon nano dots derived from sugar alcohols, tests were conducted on other sugar alcohols such as sorbitol (hexabody alcohol). As a result, as expected, the carbon nano dots (CD sor (1)) synthesized from sorbitol with the addition of HCl showed lighter blue luminescence compared to carbon nano dots (CD sor (0) And a high quantum yield (5.3%) (see Fig. 10 ).

CDxy의 간편한 합성과 이의 광발광 특성 및 생체적합성을 고려할 때, CDxy는 살아있는 세포의 이미징에 사용되는 생물학적 표지로서 유용하다. CDxy(1)의 세포독성을, 두 종류의 세포주, 즉 WI-38 및 HeLa 세포에 대하여 세포생존율측정기법(MTT assay)을 이용하여 평가하였다: 도 4 (a)를 보면, 0.1mg/mL의 농도까지는 두 종류의 세포주가 모두 약 100%의 최상의 세포 생존률을 유지하였으며, 1.0mg/mL 농도 이상부터 세포 생존률이 미미하게 감소하기 시작하였다.Considering the simple synthesis of CD xy and its photoluminescence properties and biocompatibility, CD xy is useful as a biological marker for imaging living cells. The cytotoxicity of CD xy (1), was evaluated using a cell viability measurement method (MTT assay) relative to both types of cell lines, i.e., HeLa and WI-38 cells: Referring to FIG. 4 (a), 0.1mg / mL The cell viability of the two cell lines maintained the best cell survival rate of about 100% and the cell survival rate started to decrease slightly from 1.0 mg / mL concentration.

이러한 CDxy(1)의 허용 가능한 농도는, 바이오이미징에서 요구되는 일반적인 농도보다 훨씬 높은 것이다. 앞서의 결과 높은 생체적합성을 유지하였던 0.1mg/mL의 농도로 CDxy(1)을 HeLa 세포에 처리하고 24시간 동안 배양하였다. 도 4 (b)에서 보듯이, CDxy(1)의 세포내 섭취가 명확히 관찰되었으며, 주로 세포질내에서 밝은 형광이 발현되었으며 세포핵에서는 관찰되지 않았다. 이를 통해, CDxy(1)이 세포질 내의 섭취에 의해 쉽게 세포내로 침투할 수 있음을 알 수 있다. 또한, HeLa 세포를 CDxy(1)과 함께 배양한 결과, 다양한 색상의 발광이 관찰되었으며, 예를 들어 405nm, 473nm 및 559nm에서 각각 여기된 청색, 녹색 및 적색이 관찰되었다. 이와 같은 본 발명의 탄소나노점의 특성은 종래의 유기염료 또는 양자점들로부터는 관찰될 수 없는 바이오이미징 특성을 나타낸다. 또한, 공초점레이저 주사형광현미경 분석을 통해, 어떠한 광퇴색(photobleaching) 현상도 관찰되지 않았으므로, 탄소나노점의 광안정이 우수함을 알 수 있다.
The acceptable concentration of such CD xy (1) is much higher than the typical concentration required for bioimaging. As a result, CD xy (1) was treated with HeLa cells at a concentration of 0.1 mg / mL, which maintained high biocompatibility, and cultured for 24 hours. As shown in FIG. 4 (b) , the intracellular uptake of CD xy (1) was clearly observed, bright fluorescence was mainly expressed in the cytoplasm, and not in the nucleus nucleus. Thus, it can be seen that CD xy (1) can easily penetrate into the cells by intracellular ingestion. In addition, when HeLa cells were cultured together with CD xy (1), luminescence of various colors was observed, and blue, green and red excited respectively at 405 nm, 473 nm and 559 nm, for example, were observed. The characteristics of the carbon nanotubes of the present invention exhibit bio-imaging characteristics that can not be observed from conventional organic dyes or quantum dots. Also, since no photobleaching phenomenon was observed through confocal laser scanning fluorescence microscopy analysis, it can be seen that the photon emission of carbon nanotubes is excellent.

이상, 본 발명을 상기 실시예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 이하에 첨부한 청구범위 내에서 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, It is to be understood that the invention may be practiced within the scope of the appended claims.

본 발명은 최근 첨단 생명공학 및 생의학 분야에서 급증하고 있는 탄소나노점 기반의 기술 분야 등에 유용하다.The present invention is useful in the field of carbon nanotube-based technology, which has been rapidly increasing in the fields of advanced biotechnology and biomedical science.

Claims (15)

당알콜로부터 유래되고 염소(Cl) 성분을 함유하는 탄소나노점(carbon nanodot), 및
상기 탄소나노점의 표면에 패시베이션(passivation)된 아민 화합물을 포함하는, 탄소나노점 유도체.
Carbon nanodots derived from sugar alcohols and containing a chlorine (Cl) component, and
And an amine compound passivated on the surface of the carbon nano dots.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 탄소나노점이 상기 염소 성분을 8 내지 10 원소%로 함유하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanotubes contain 8 to 10% by atom of the chlorine component.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소나노점이, 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물 및 아민 화합물과 함께 탄화시켜 수득되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nano dots are obtained by carbonization of sugar alcohols together with an acid compound and an amine compound containing a chlorine component.
제 1 항에 있어서,
상기 탄소나노점 내에 함유된 탄소 성분에 대한 질소 성분의 원소비(N/C)가 0.02 내지 0.3인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
The method according to claim 1,
(N / C) of the nitrogen component with respect to the carbon component contained in the carbon nano-dot is 0.02 to 0.3.
제 1 항에 있어서,
상기 당알콜이 바이오매스 유래의 당알콜인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
The method according to claim 1,
Wherein the sugar alcohols are sugar alcohols derived from biomass.
제 6 항에 있어서,
상기 당알콜이 자일리톨, 솔비톨, 글리세롤, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
The method according to claim 6,
Wherein the sugar alcohols include xylitol, sorbitol, glycerol, or a mixture thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 아민 화합물이 C2-10알킬렌다이아민인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
The method according to claim 1,
Wherein the amine compound is a C 2-10 alkylene diamine.
(a) 당알콜을 염산(HCl)과 혼합시키는 단계;
(b) 단계 (a)의 결과물에 아민 화합물을 첨가하고 교반하는 단계; 및
(c) 단계 (b)의 결과물을 탄화(carbonization)시키는 단계를 포함하는,
제 1 항의 탄소나노점 유도체의 제조방법.
(a) mixing the sugar alcohol with hydrochloric acid (HCl);
(b) adding and stirring an amine compound to the product of step (a); And
(c) carbonising the product of step (b).
A method for producing a carbon nano-point derivative according to claim 1.
삭제delete 제 9 항에 있어서,
단계 (a)에서, 상기 염산이, 상기 당알콜 1.0몰에 대하여, 0.1몰 내지 3.0몰로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein in step (a), the hydrochloric acid is mixed in an amount of 0.1 to 3.0 moles per 1.0 mole of the sugar alcohol.
제 9 항에 있어서,
단계 (b)에서, 상기 아민 화합물이, 상기 당알콜 1.0몰에 대하여, 0.1몰 내지 3.0몰로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein in step (b), the amine compound is added in an amount of 0.1 mole to 3.0 mole based on 1.0 mole of the sugar alcohol.
제 9 항에 있어서,
단계 (c)에서, 상기 탄화가 열분해 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein in step (c), the carbonization is carried out by a pyrolysis process.
제 13 항에 있어서,
상기 열분해 공정이 마이크로파-보조 열분해인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the pyrolysis step is microwave-assisted pyrolysis.
제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 탄소나노점 유도체를 포함하는, 바이오이미징용 생물학적 표지.
9. A biological marker for bioimaging comprising the carbon nanotope derivative of any one of claims 1 to 8.
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