KR101962162B1 - White Colored Emitting Graphene Quantum Dots Composition for FRET Mediated Biosensing And Manufacture Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 FRET 매개 바이오센싱을 위한 백색발광 그래핀 퀀텀닷 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 단일물질만으로 백색광을 발현하며 그래핀 구조를 가져 광학조절성이 우수하며 세포독성이 미미하고 광안정성이 뛰어난 퀀텀닷으로서 열분해방법으로 제조하므로 종래의 제조방법에 비해 제조비용이 저렴하며 제조가 용이한 장점이 있다. 또한 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷 및 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 음전하의 표면전하를 가지고 있으며 20㎚의 평균입경을 가지고 있어 생체안정성이 뛰어나고 세포막 투과성이 뛰어난 장점이 있다. 본 발명의 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 과산화수소 또는 글루타티온에 의해 환원되는 산화망간으로 피복하여 FRET 매개 형광 소광효과를 부여하므로 생체시료에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온을 감지 또는 농도수치를 산출 할 수 있는 효과가 있다. 상기 산화망간은 생체에 존재하는 단백질, 다당류, 아미노산등에 의해 환원되지 않고 과산화수소 또는 글루타티온에 의해서만 환원되는 특이성이 있으므로 생체시료내에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온에 선택적으로 형광을 발현하는 장점이 있다. 본 발명의 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷이 포함된 조성물은 종래의 라벨에 의한 과산화수소 또는 글루타티온의 검출방법에 대비하여 제조가 저렴하며 뛰어난 선택성을 가지고 있어 이를 대체할 수 있는 차세대 과산화수소 또는 글루타티온 검출 조성물로 사용될 것으로 기대된다. The present invention relates to a white-emitting graphene quantum dot composition for FRET-mediated biosensing and a method of making the same.
The white emitting graphene quantum dot of the present invention is a quantum dot having a graphene structure and exhibiting excellent optical controllability, low cytotoxicity, and excellent optical stability, which is produced by a thermal decomposition method. The manufacturing cost is low and the manufacturing is easy. In addition, the white light-emitting graphene dot and the manganese oxide-coated white light-emitting graphene quantum dot of the present invention have a negative charge surface charge and an average particle diameter of 20 nm, which is excellent in biostability and excellent in cell membrane permeability. The white light-emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide of the present invention is coated with manganese oxide reduced by hydrogen peroxide or glutathione and gives a FRET-mediated fluorescence quenching effect, so that hydrogen peroxide or glutathione present in a biological sample is detected or a concentration value is calculated There is an effect that can be done. The manganese oxide has the advantage of being selectively reduced to hydrogen peroxide or glutathione present in the biological sample because the manganese oxide has a specificity of being reduced only by hydrogen peroxide or glutathione without being reduced by protein, polysaccharide, amino acid, or the like present in the living body. The composition containing the white manganese oxide-coated white light emitting graphene quantum dot of the present invention is low cost and has excellent selectivity in comparison with the method of detecting hydrogen peroxide or glutathione by a conventional label. Therefore, the next generation hydrogen peroxide or It is expected to be used as a glutathione detection composition.
Description
본 발명은 FRET 매개 바이오센싱을 위한 백색발광 그래핀 퀀텀닷(White Colored Emitting Graphene Quantum Dots) 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상세하게는 열분해방법(pyrolysis)을 이용하여 제조한 백색발광 그래핀 퀀텀닷에 산화망간(MnO2)을 피복하여 FRET 매개 형광 소광효과를 구현한 후 시료에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온(gutathione)에 의해 상기 피복된 산화망간이 선택적으로 환원되고 그로 인하여 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷의 백색형광효과가 복원되는 정도를 측정하므로 시료에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온을 감지하거나 농도수치를 산출할 수 있는 백색발광 그래핀 퀀텀닷, 이를 포함하는 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a white color emitting emissive graphene quantum dot composition for FRET-mediated biosensing and a method for producing the same. Specifically, a white light emitting graphene quantum dot prepared by pyrolysis is coated with manganese oxide (MnO 2 ) to realize a FRET-mediated fluorescence quenching effect, and then hydrogen peroxide or glutathione present in the sample Since the coated manganese oxide is selectively reduced and the white fluorescent effect of the white light emitting graphene quantum dot is restored, it is possible to detect hydrogen peroxide or glutathione present in the sample, Pin quantum dot, a composition comprising the same, and a method for producing the same.
백색발광물질은 발광소자개발에 있어서 많은 가능성을 가지고 있기 때문에 센서, 광학 디스플레이 및 차세대 조명장치로의 응용 및 개발에 많은 기대가 되는 물질이다. 통상적으로 백색발광물질은 다른 종류의 기본적인 형광물질(빨강, 녹색, 파랑) 또는 보완적인 형광물질(노랑, 터키옥색)을 혼합하여 제조한다. 최근 연구에 따르면, 백색발광물질을 제조하기 위해 유기분자, 희토류 금속, 고분자, 맹독성 퀀텀닷(양자점) 물질 및 유기뼈대(organic framework)를 이용하는 방법이 제시되었다. 그러나 상기 물질들은 독성이 있고 상대적으로 가격이 비쌀 뿐 아니라 각각의 형광물질로부터 발광하는 형광의 세기를 정량적으로 조절하기 어려워 결과적으로 백색발광을 오히려 저해하는 단점이 있다. 넓은 가시광선영역을 커버할 수 있는 단일 인광물질은 백색발광의 재료로서 각광받아 왔다. 나노사이즈이며 차원이 없고 결정 그래핀에 기반한 그래핀 퀀텀닷(Graphene Quantum Dots, GQDs)은 퀀텀닷의 제한, 크기의존 및 밴드 갭 매개에 의한 광학 조절성, 낮은 세포독성 및 향상된 광안정성으로 종래의 퀀텀닷을 뛰어넘는 편의성을 가지고 있어 그 응용이 주목된다. 특히 GQDs의 상기 독특한 특징들은 의학, 바이오센서 및 광전자 기기등 다양한 분야에 응용되기에 적합하다. Since white light emitting materials have many possibilities in the development of light emitting devices, they are highly expected materials for application and development in sensors, optical displays and next generation lighting devices. Typically, white luminescent materials are prepared by mixing different types of basic phosphors (red, green, blue) or complementary fluorescent materials (yellow, turquoise). Recent research has shown that organic molecules, rare earth metals, polymers, highly toxic quantum dot (quantum dot) materials and organic frameworks are used to produce white luminescent materials. However, these materials are toxic and relatively expensive, and it is difficult to quantitatively control the intensity of fluorescence emitted from each fluorescent substance, which results in a disadvantage that it inhibits white light emission rather. A single phosphorescent material capable of covering a wide visible light region has been popular as a material for white light emission. Graphene Quantum Dots (GQDs), based on nano-sized, dimensionless, and crystalline graphene, are based on Quantum Dot's limitations, size-dependent and bandgap-mediated optical controllability, low cytotoxicity, It has convenience to go beyond quantum dot and its application is attention. Particularly, these unique features of GQDs are suitable for application in various fields such as medicine, biosensor and optoelectronic device.
GQDs의 특징들 중 가장 흥미로운 하나는 조절 가능한 광루미네선스(Photoluminescence, PL)이다. 정확한 기작은 알려지지 않았으나 GQDs의 광루미네선스는 컨쥬게이션된 π-전자로 제한된 퀀텀에 의해 향상되는 것으로 이해되고 있으며 상기 퀀텀은 크기, 화학적 기능화, 형상, 이질원자도핑(heteroatom dopping), 모서리 구성(edge configuration) 및 결함에 예민한 것으로 알려져 있다. 여러 선행연구에 의해 조절 가능한 GQDs의 여기 및 방출 특성이 보고되었으나 백색광을 제조하기 위한 GQDs의 응용에 관하여는 거의 알려진 바가 없다. One of the most interesting features of GQDs is adjustable photoluminescence (PL). Although the exact mechanism is unknown, it is understood that the optical luminescence of GQDs is enhanced by the quantum limited to conjugated pi electrons, and the quantum is characterized by size, chemical functionalization, geometry, heteroatom doping, edge configuration and defects. Excitation and emission characteristics of GQDs that can be controlled by several previous studies have been reported, but little is known about the application of GQDs to produce white light.
선행연구에 의하면 백색발광 그래핀 퀀텀닷 (White light emitting GQDs, WGQDs)을 제조하기 위한 방법으로 휴머방법(hummer’s method), 전기화학적 박리, 및 용제유도 자가결합방법 등이 제시되었다. 그 예로서, Sekiya 등은 GQDs를 제조하기 위하여 그래핀 파우더를 사용한 휴머방법을 이용하고 4-propynyloxybenzylamine을 이용한 모서리 기능화를 수행하였으며; Luk 등은 GQD-한천 조성물 및 파란색 LED를 피복하는 방법을 이용하여 백색광을 제조한 바 있으며; Gosh 등은 산화 그래핀으로부터 산성가수분해 방법을 이용하여 백색발광 그래핀 산화물 퀀텀닷(Graphene oxide quantum dots, GOQDs)을 제조하였고; Joseph등은 전기화학적 박리방법을 이용하여 WGQDs을 제조하였다. 그러나 상기 방법들은 화학적 변화를 유도하거나 가혹한 산처리, 또는 유기용제를 사용하기 때문에 고비용이 소모될 뿐 아니라 제조된 WGQDs을 분리하기 위해 많은 공정이 필요한 단점이 있다. Previous studies have shown that hummer's method, electrochemical stripping, and solvent-induced self-bonding are the methods for producing white light emitting GQDs (WGQDs). As an example, Sekiya et al. Performed edge functionalization using 4-propynyloxybenzylamine using a humming method using graphene powder to produce GQDs; Luk et al. Prepared white light using a GQD-agar composition and a method of coating a blue LED; Gosh et al. Prepared white light emitting graphene oxide quantum dots (GOQDs) using an acidic hydrolysis method from oxidized graphene; Joseph et al. Produced WGQDs using an electrochemical stripping method. However, these methods are disadvantageous in that not only high cost is consumed because they induce chemical changes, use severe acid treatment, or organic solvents, but also require a lot of steps to separate the produced WGQDs.
몰리브덴이황화물(MoS2), 황화텅스텐(WS2) 및 이산화망간(MnO2)과 같은 다층전환 금속산화물(Multi-layered transition metatal oxide)은 부피 대비 향상된 표면적 및 에너지 수득 특성을 가지고 있다. 상기 금속산화물은 상기 특성으로 인하여 광촉매, 바이오센서 및 광열 치료분야에 적용이 가능하기 때문에 최근 들어 큰 관심을 받고 있다. 특히 상기 금속산화물은 빠른 전자이동 및 뛰어난 빛 흡수 특성을 가지고 있어 형광소멸자(fluorescence quencher) 및 FRET 매개 화학/바이오센싱 기술(Forster resonance energy transfer mediated chemo/biosensing technology)로서 광범위하게 고려되고 있다.Multi-layered transition metal oxides such as molybdenum disulfide (MoS 2 ), tungsten sulfide (WS 2 ) and manganese dioxide (MnO 2 ) have increased surface area and energy gain characteristics over volume. Due to the above properties, the metal oxide has been attracting great attention because it can be applied to photocatalyst, biosensor and photothermal therapy field. In particular, the metal oxide has been widely considered as a fluorescence quencher and a FRET mediated chemo / biosensing technology due to its rapid electron transfer and excellent light absorption characteristics.
글루타티온(Glutathione, GSH) 및 과산화수소(H2O2)는 질병의 진행을 판단하는 기초 바이오마커로서 고려되고 있다. 자연에 존재하는 항산화제인 글루타티온은 산화환원 항상성의 유지에 중요한 역할을 수행할 뿐 아니라 자유라디칼의 생산을 조절하는 중요한 역할을 수행한다. 생체 시스템에서 글루타티온 수준이 비정상으로 측정되면 알츠하이머, 암 및 HIV를 포함한 다양한 질병이 발병했음을 의심할 수 있다. 과산화수소는 다양한 산업 및 생물학적 응용에 있어서 방부제 및 산화제로 사용되고 있으며 생체시스템의 경우 세포내 과산화수소의 농도상승은 암발생(tumorogenesis)을 판단하는 인자로서 인식될 수 있다. 그 뿐 아니라 방광에 존재하는 과산화수소의 농도는 몸 전체의 산화스트레스를 판단하는 인자로서 사용될 수 있다. 대부분의 바이오센싱 방법은 생물학적 효소, 유기 형광물질, 전기화학적 방법, 및 효소 면역 분석법을 이용하여 글루타티온 및 과산화수소를 정량적으로 분석하는 방법에 관한 것이다. 그러나 상기 방법들은 비용이 비싸며 분석을 위한 복잡한 기기가 필요한 단점이 있기 때문에 상기 바이오마커를 확인하기 위한 라벨 없는 검출방법의 개발이 절실한 실정이다. Glutathione (GSH) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) are considered as fundamental biomarkers to judge disease progression. Glutathione, an antioxidant in nature, plays an important role not only in maintaining redox homeostasis but also in regulating the production of free radicals. If glutathione levels are measured abnormally in a living system, it can be suspected that a variety of diseases have occurred, including Alzheimer's, cancer and HIV. Hydrogen peroxide is used as an antiseptic and oxidizing agent in various industrial and biological applications. In the case of biological systems, the increase in the concentration of hydrogen peroxide in the cell can be recognized as a factor for determining the tumorogenesis. Furthermore, the concentration of hydrogen peroxide present in the bladder can be used as a factor to determine the oxidative stress of the whole body. Most biosensing methods involve the quantitative analysis of glutathione and hydrogen peroxide using biological enzymes, organic fluorescent materials, electrochemical methods, and enzyme immunoassays. However, since the above methods are expensive and require a complicated apparatus for analysis, development of a label-free detection method for identifying the biomarkers is urgently required.
과산화수소 및 글루타티온이 존재하는 환경에서 산화망간(MnO2) 및 망간이온(Mn2 +)의 선택성 및 해리정도를 측정하는 방법은 바이오센싱 방법으로 응용되기에 충분하다. 상기와 같은 바이오센싱 방법의 예로서, Yuan 등은 NIR 흡수 상향변화나노입자(upconversion nanoparticles, UCNP)-산화망간 복합체를 과산화수소 수치의 판단에 사용한바 있으며; Deng 등은 UCNP-산화망간 복합체를 글루타티온 농도의 판단에 사용 한바 있다. 그러나 상기 UCNP는 상대적으로 낮은 퀀텀효율(quantum yield)을 가지고 있으며 NIR 흡수능 때문에 과열되는 경향이 있어 실제 응용되는데 한계가 있는 것으로 판단된다. The method of measuring the selectivity and dissociation degree of manganese oxide (MnO 2 ) and manganese ion (Mn 2 + ) in the presence of hydrogen peroxide and glutathione is sufficient to be applied as a biosensing method. As an example of such a biosensing method, Yuan et al. Have used NIR uptake nanoparticles (UCNP) -manganese oxide complexes for the determination of hydrogen peroxide values; Deng et al. Have used UCNP-manganese oxide complexes to determine glutathione concentrations. However, the UCNP has a relatively low quantum yield and tends to be overheated due to its ability to absorb NIR.
열분해방법을 이용하면 WGQDs를 제조할 수 있다. 그러나 상기 열분해방법은 가해진 열에 의해 전구물질이 깨져 다중 색상 방출 GQDs가 제조되는 단점이 있어 상기 방법으로 제조된 WGQDs 대부분이 일반적인 광전자 공학으로 응용될 뿐 생물학적 배지에서 사용하는것과 같은 생물학에 대한 적용은 거의 알려져 있지 않다. WGQDs can be produced by pyrolysis. However, the pyrolysis method has disadvantages that the precursors are broken by the heat applied to produce multi-color emission GQDs. Therefore, most of the WGQDs prepared by the above method are applied to general optoelectronics, and application to biology such as those used in biological medium is almost It is not known.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. The patent documents and references cited herein are hereby incorporated by reference to the same extent as if each reference was individually and clearly identified by reference.
본 발명자들은 발광소자개발에 있어서 많은 가능성을 가지고 있으나 퀀텀효율이 낮고 세포독성이 있으며 가혹한 산처리와 유기용제의 사용으로 제조비용이 상승할 뿐 아니라 복잡한 정제과정을 필요로 하는 퀀텀닷(quantum dot, 양자점)을 디옥시콜릭산을 이용하여 열분해방법으로 제조하면 그래핀 구조를 가지고 백색광을 발광하는 특성을 가지며 향상된 퀀텀효율을 가지면서도 세포독성이 미미한 장점이 있는 백색발광 그래핀 퀀텀닷을 제조할 수 있으며 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷에 에너지 수득성능이 뛰어나며 FRET 매개 바이오센싱 기술에 응용이 가능한 산화망간(MnO2)을 피복하면 바이오마커인 과산화수소(H2O2) 및 글루타티온(glutathione)을 감지하거나 과산화수소(H2O2) 및 글루타티온(glutathione)의 농도를 산출할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하여 본 발명을 완성하였다. The present inventors have found that there are many possibilities in the development of light emitting devices, but quantum dots having a low quantum efficiency and cytotoxicity, high manufacturing costs due to severe acid treatment and organic solvents, and complex purification processes, Quantum dot) can be fabricated by pyrolysis using deoxycholic acid to produce a white emitting graphene quantum dot, which has a graphene structure and emits white light, has an improved quantum efficiency and is less cytotoxic. (MnO 2 ), which can be applied to FRET-mediated biosensing technology, can detect biomarkers such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and glutathione It is experimentally confirmed that the concentration of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and glutathione can be calculated Thereby completing the present invention.
따라서 본 발명의 목적은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 과산화수소(H2O2) 감지용 또는 수치 측정용 조성물을 제공하는데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a composition for the detection or numerical measurement of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) comprising white colored emitting graphene quantum dots coated with manganese oxide (MnO 2 ) .
본 발명의 다른 목적은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 글루타티온(glutathione) 감지용 또는 수치 측정용 조성물을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a composition for detecting or measuring glutathione comprising a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ).
본 발명의 또 다른 목적은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 과산화수소(H2O2) 감지용 또는 수치 측정용 조성물의 제조방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for detecting hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) or a composition for numerical measurement comprising a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) .
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention will be described in more detail with reference to the following detailed description, claims and drawings.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 과산화수소(H2O2) 감지용 또는 수치 측정용 조성물을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of detecting hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) or measuring a hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) containing white colored emitting graphene quantum dot coated with MnO 2 Lt; / RTI >
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 글루타티온(glutathione) 감지용 또는 수치 측정용 조성물을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a composition for detecting or measuring glutathione, which comprises a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) to provide.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 육각형 패턴의 그래핀 구조를 가지며 평균 -50mV의 제타포텐셜(zeta potential)을 가지고 평균 20㎚의 입경을 가지고 있다.According to one embodiment of the present invention, the white emitting graphene quantum dot of the present invention has a hexagonal pattern graphene structure, and has a mean zeta potential of -50 mV and a mean particle diameter of 20 nm.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 상기 산화망간은 상기 백색 발광 그래핀 퀀텀닷을 피복하여 FRET 매개 소광효과(fluorescence resonance energy transfer mediated quenching effect)를 보이며 과산화수소 또는 글루타티온에 의해 상기 산화망간(MnO2)이 망간이온(Mn2 +)으로 환원되어 상기 백색 발광 그래핀 퀀텀닷의 백색발광이 복원되는 현상을 이용하여 시료내에 존재하는 상기 과산화수소 또는 글루타티온을 감지하거나 농도를 산출할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the manganese oxide of the present invention covers the white emission graphene quantum dot to exhibit a fluorescence resonance energy transfer mediated quenching effect, and the manganese oxide MnO 2 ) is reduced to manganese ion (Mn 2 + ), and the white light emission of the white emitting graphene quantum dot is restored, the hydrogen peroxide or glutathione present in the sample can be detected or the concentration can be calculated.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 과산화수소(H2O2) 또는 글루타티온(glutathione) 감지용 또는 수치 측정용 조성물의 제조방법을 제공한다. In accordance with another aspect of the present invention, the present invention provides a method for preparing a light-emitting layer comprising a hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) solution comprising a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) ) Or a method for detecting or measuring a glutathione.
제 1 단계) 디옥시콜릭산(deoxycholic acid)을 히팅맨틀(heating mantle)에서 350 내지 450℃의 조건으로 5 내지 15분간 가열하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷을 제조하는 단계;Step 1) Deoxycholic acid is heated in a heating mantle at 350 to 450 DEG C for 5 to 15 minutes to prepare a white emitting graphene quantum dot;
제 2 단계) 과망간산칼륨(KMnO4)을 수산화나트륨에 용해하여 산화망간(MnO2)을 제조하는 단계; 및Step 2) dissolving potassium permanganate (KMnO 4 ) in sodium hydroxide to prepare manganese oxide (MnO 2 ); And
제 3 단계) 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷과 상기 산화망간을 각각 5 내지 20 : 1의 중량비로 혼합하여 산화망간(MnO2)이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)를 제조하는 단계.The third step is to mix the white emitting graphene quantum dot and the manganese oxide at a weight ratio of 5 to 20: 1 to prepare a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) .
본 발명은 FRET 매개 바이오센싱을 위한 백색발광 그래핀 퀀텀닷 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a white-emitting graphene quantum dot composition for FRET-mediated biosensing and a method of making the same.
본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 단일물질만으로 백색광을 발현하며 그래핀 구조를 가져 광학조절성이 우수하며 세포독성이 미미하고 광안정성이 뛰어난 퀀텀닷으로서 열분해방법으로 제조하므로 종래의 제조방법에 비해 제조비용이 저렴하며 제조가 용이한 장점이 있다. 또한 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷 및 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 음전하의 표면전하를 가지고 있으며 20㎚의 평균입경을 가지고 있어 생체안정성이 뛰어나고 세포막 투과성이 뛰어난 장점이 있다. 본 발명의 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 과산화수소 또는 글루타티온에 의해 환원되는 산화망간으로 피복하여 FRET 매개 형광 소광효과를 부여하므로 생체시료에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온을 감지 또는 농도수치를 산출 할 수 있는 효과가 있다. 상기 산화망간은 생체에 존재하는 단백질, 다당류, 아미노산등에 의해 환원되지 않고 과산화수소 또는 글루타티온에 의해서만 환원되는 특이성이 있으므로 생체시료내에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온에 선택적으로 형광을 발현하는 장점이 있다. 본 발명의 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷이 포함된 조성물은 종래의 라벨에 의한 과산화수소 또는 글루타티온의 검출방법에 대비하여 제조가 저렴하며 뛰어난 선택성을 가지고 있어 이를 대체할 수 있는 차세대 과산화수소 또는 글루타티온 검출 조성물로 사용될 것으로 기대된다. The white emitting graphene quantum dot of the present invention is a quantum dot having a graphene structure and exhibiting excellent optical controllability, low cytotoxicity, and excellent optical stability, which is produced by a thermal decomposition method. The manufacturing cost is low and the manufacturing is easy. In addition, the white light-emitting graphene dot and the manganese oxide-coated white light-emitting graphene quantum dot of the present invention have a negative charge surface charge and an average particle diameter of 20 nm, which is excellent in biostability and excellent in cell membrane permeability. The white light-emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide of the present invention is coated with manganese oxide reduced by hydrogen peroxide or glutathione and gives a FRET-mediated fluorescence quenching effect, so that hydrogen peroxide or glutathione present in a biological sample is detected or a concentration value is calculated There is an effect that can be done. The manganese oxide has the advantage of being selectively reduced to hydrogen peroxide or glutathione present in the biological sample because the manganese oxide has a specificity of being reduced only by hydrogen peroxide or glutathione without being reduced by protein, polysaccharide, amino acid, or the like present in the living body. The composition containing the white manganese oxide-coated white light emitting graphene quantum dot of the present invention is low cost and has excellent selectivity in comparison with the method of detecting hydrogen peroxide or glutathione by a conventional label. Therefore, the next generation hydrogen peroxide or It is expected to be used as a glutathione detection composition.
도 1의 패널 A)는 상이한 합성온도에 제조한 WGQDs의 형광세기 차이를 보여준다. 패널 B)는 상이한 합성온도에서 제조된 WGQDs 5㎎/㎖에 대하여 UV 램프 365 nm 파장에서 촬영한 사진을 보여준다. 패널 C)는 온도의존성 WGQDs의 형광방출결과를 보여주는 CIE 1931 측색표준관측자를 나타낸다.
도 2의 패널 A)는 WGQDs의 FE-SEM 이미지(스케일 바: 100㎚)를 보여준다. 패널 B)는 구형의 형태(붉은 점선)를 가지는 WGQDs의 FE-SEM 이미지를 보여준다. 패널 C)는 개발된 WGQDs의 AFM이미지를 보여준다. 패널 D)는 AFM 현미경을 이용하여 측정한 WGQDs의 크기프로파일을 보여준다.
도 3의 패널 A)는 WGQDs의 기본 구성물질을 확인한 EDS 스펙트럼을 보여준다. 패널 B)는 WGQDs의 FTIR 스펙트럼을 보여준다.
도 4는 WGQDs(1㎎/㎖)의 제타포텐셜 분석결과를 보여준다.
도 5의 패널 A)는 WGQDs(5㎎/㎖)의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 보여준다. 패널 B)는 WGQDs의 여기와 방출 프로파일을 보여준다. 상기 방출 프로파일은 360㎚에서 WGQDs의 여기에 의하여 기록된 것이다. 패널 C)는 WGQDs의 농도에 따른 광루미네선스 스펙트럼을 보여준다. 패널 D)는 각 330 내지 510㎚의 다른 파장에서 WGQDs(5㎎/㎖)의 여기에 따른 형광방출을 보여준다.
도 6의 패널 A)는 532.01㎚의 파장을 가지는 레이저에 의해 여기된 1357㎝-1 주위의 D 밴드 및 1520㎝-1 주위의 G 밴드를 나타내는 WGQDs의 전형적인 라만 스펙트럼을 보여준다. 패널 B)는 2860㎝-1 주위의 2D 밴드와 2953㎝-1 주위의 D+G 밴드를 보여주며 상기 밴드를 통해 본 발명의 그래핀 퀀텀닷이 성공적으로 합성된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 4시간동안 WGQDs 0.5㎎/㎖를 처리한 KB 세포주의 공초점 레이저 현미경 이미지를 보여준다.
도 8의 패널 A)는 KB 세포주의 WGQDs 처리시간 및 농도에 따른 세포내 흡수결과를 보여준다. 패널 B)는 24시간동안 다른 농도의 WGQDs을 처리한 KB 세포주의 독성학적 프로파일을 보여준다.
도 9의 패널 A)는 WGQDs의 농도에 따른 쥐혈액의 용혈활성을 보여준다. 패널 B)는 적혈구의 용해로 인해 방출된 헤모글로빈을 보여준다. 양성 대조군은 Triton X-100 0.3%를 사용하였고 음성대조군은 PBS를 사용하였다.
도 10의 패널 A)는 WGQD-MnO2 복합체의 FE-SEM 이미지를 보여준다. 내부 그림패널은 WGQD-MnO2 복합체 나노입자를 확대한 그림을 보여준다. 패널 B)는 과망간칼륨 및 WGQD-MnO2 복합체의 흡수 스펙트럼을 보여주며 패널 C) 및 D)는 각각 산화망간의 흡수스펙트럼과 360㎚에서 여기된 WGQDs의 광루미네선스 스펙트럼을 보여준다.
도 11은 TGA 스펙트럼을 보여준다. 패널 A)는 WGQDs의 TGA 스펙트럼을 보여주며 패널 B)는 WGQD-MnO2 복합체 나노입자의 TGA 스펙트럼을 보여준다.
도 12의 패널 A)는 다양한 농도의 과망간산칼륨(mM)이 처리된 WGQDs의 광루미네선스 스펙트럼을 보여준다. 패널 B)는 WGQD-MnO2 복합체 나노입자에 첨가된 과산화수소에 의해 복원된 WGQDs의 형광세기를 보여준다. 패널 C)는 다양한 농도의 과산화수소에 의해 처리된 WGQD-MnO2 복합체 나노입자의 형광세기를 보여준다.
도 13은 WGQD-MnO2 복합체 나노입자에 GSH를 첨가한 후 회복된 WGQD의 형광세기를 보여주며 패널 C)는 WGQD-MnO2 복합체 나노입자에 다양한 농도의 GSH를 첨가한 후 측정한 형광세기를 보여주며 이를 통하여 다양한 간섭물질에 대한 WGQD-MnO2 복합체 나노입자의 선택성을 확인할 수 있다.Panel A of Figure 1) shows the fluorescence intensity differences of WGQDs prepared at different synthesis temperatures. Panel B) shows photographs taken at a UV lamp 365 nm wavelength against 5 mg / ml WGQDs prepared at different synthesis temperatures. Panel C) shows a CIE 1931 colorimetric standard observer showing the fluorescence emission results of temperature dependence WGQDs.
Panel A in Fig. 2) shows an FE-SEM image (scale bar: 100 nm) of WGQDs. Panel B) shows an FE-SEM image of WGQDs with a spherical shape (red dotted line). Panel C) shows the AFM image of the developed WGQDs. Panel D) shows the size profile of WGQDs measured using an AFM microscope.
Panel A of FIG. 3) shows the EDS spectrum confirming the basic constituents of WGQDs. Panel B) shows the FTIR spectrum of WGQDs.
Figure 4 shows the results of zeta potential analysis of WGQDs (1 mg / ml).
Panel A in Figure 5) shows the UV-Vis absorption spectrum of WGQDs (5 mg / ml). Panel B) shows excitation and emission profiles of WGQDs. The emission profile was recorded by excitation of WGQDs at 360 nm. Panel C) shows the optical luminescence spectrum according to the concentration of WGQDs. Panel D) shows fluorescence emission according to excitation of WGQDs (5 mg / ml) at different wavelengths from 330 to 510 nm each.
Panel A of Figure 6), shows a typical Raman spectrum of WGQDs representing the D band and the G band around the periphery of the 1520㎝ -1 -1 1357㎝ excited by a laser having a wavelength of 532.01㎚. Panel B) can show a D + G bands around 2953㎝ and 2D bands around 2860㎝ -1 -1 confirmed that the graphene quantum dots of the present invention through the band has been successfully synthesized.
Figure 7 shows a confocal laser microscope image of KB cell line treated with WGQDs 0.5 mg / ml for 4 hours.
Panel A of FIG. 8) shows the results of intracellular absorption of KB cell line depending on treatment time and concentration of WGQDs. Panel B) shows the toxicological profiles of KB cell lines treated with different concentrations of WGQDs for 24 hours.
Panel A in Figure 9) shows the hemolytic activity of rat blood according to the concentration of WGQDs. Panel B) shows hemoglobin released due to the dissolution of red blood cells. The positive control group was 0.3% Triton X-100 and the negative control group was PBS.
Panel A of FIG. 10) is WGQD-MnO 2 The FE-SEM image of the composite is shown. The inner picture panel is WGQD-MnO 2 Shows enlarged image of composite nanoparticles. Panel B) shows that potassium permanganate and WGQD-MnO 2 The panels C) and D) show the absorption spectra of manganese oxide and the optical luminescence spectra of WGQDs excited at 360 nm, respectively.
Figure 11 shows the TGA spectrum. Panel A) shows the TGA spectrum of WGQDs and panel B) shows WGQD-MnO 2 The TGA spectrum of the composite nanoparticles is shown.
Panel A of FIG. 12 shows the photoluminescence spectra of WGQDs treated with various concentrations of potassium permanganate (mM). Panel B) shows the fluorescence intensities of WGQDs restored by hydrogen peroxide added to the WGQD-MnO 2 complex nanoparticles. Panel C) shows the fluorescence intensities of WGQD-MnO 2 complex nanoparticles treated with various concentrations of hydrogen peroxide.
Figure 13 shows the fluorescence intensity of recovered WGQD after addition of GSH to WGQD-MnO 2 complex nanoparticles. Panel C) shows the fluorescence intensities measured after adding various concentrations of GSH to the WGQD-MnO 2 complex nanoparticles The selectivity of WGQD-MnO 2 composite nanoparticles to various interfering substances can be confirmed through this.
본 발명의 일 양태에 따르면 본 발명은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 과산화수소(H2O2) 감지용 또는 수치 측정용 조성물을 제공한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a composition for sensing or numerically measuring hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) comprising a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) .
본 발명의 다른 양태에 따르면 본 발명은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 글루타티온(glutathione) 감지용 또는 수치 측정용 조성물을 제공한다.According to another aspect of the present invention there is provided a composition for detecting or measuring glutathione comprising a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) .
본 발명의 조성물은 산화망간(MnO2)이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷이 생체조직, 세포, 혈액, 소변, 체액에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온을 감지하거나 과산화수소 또는 글루타티온의 농도수치를 측정하여 산출한다.The composition of the present invention is a white light emitting graphene dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) to detect hydrogen peroxide or glutathione present in living tissue, cells, blood, urine, body fluids, or to measure the concentration of hydrogen peroxide or glutathione do.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 육각형 패턴의 그래핀 구조를 가지며 평균 -50mV의 제타포텐셜(zeta potential)을 가지고 평균 20㎚의 입경을 가진다. 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 육각형 패턴의 그래핀 구조를 가지고 있어 광학조절성이 뛰어나고 세포독성이 낮으며 광안정성이 향상된 장점이 있다. 또한 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 음전하의 표면전하를 가지고 있어서 음전하를 가지는 단백질의 흡착을 예방하여 옵소닌작용(opsonization)을 저해하는 효과가 있다. 상기 옵소닌작용은 생체내에 투입되는 외부입자가 식세포에 의해 용이하게 섭취되어 제거되도록 하기 위하여 상기 외부입자를 수식하는 현상을 의미한다. 따라서 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 상기 옵소닌작용이 저해되므로 생체이용률이 향상된 장점이 있다. 상기 외부 입자의 표면전하가 평균 -50mV보더 커 음전하량이 적으면 생체내에 존재하는 단백질에 의해 수식되어 옵소닌작용 저해효과가 반감될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the white emission graphene quantum dot has a hexagonal pattern graphene structure and has an average zeta potential of -50 mV and an average particle diameter of 20 nm. The white emitting graphene quantum dot has a hexagonal pattern graphene structure, and thus has excellent optical controllability, low cytotoxicity, and improved light stability. In addition, the white light emitting graphene quantum dot has a surface charge of negative charge, thereby preventing adsorption of a protein having a negative charge, thereby inhibiting opsonization. The opsonization refers to a phenomenon in which foreign particles introduced into a living body are easily ingested by phagocytes and removed, thereby modifying the external particles. Therefore, the white light emitting graphene dot of the present invention is advantageous in that bioavailability is improved because the opsonin action is inhibited. When the surface charge of the external particles has an average of -50 mV, the amount of negative charge can be reduced by the protein existing in the living body and the effect of inhibiting the opsonin function can be reduced by half.
종래의 나노입자는 평균 100㎚ 미만의 입경을 가지면 세포막을 자유롭게 통과하는 특성이 있는 것으로 알려졌다. 그러나 표면전하가 음전하를 띄는 나노물질의 경우 세포막의 표면전하가 음전하이므로 세포막과의 반발력으로 인해 더 작은 입경을 가져야 세포막을 통과할 수 있는 특성이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 표면에 음전하를 가지고 있어 세포막에 대한 반발력이 존재함에도 불구하고 평균입경이 20㎚에 불과하여 세포막을 효율적으로 통과하는 장점이 있다. Conventional nanoparticles are known to have the property of passing a cell membrane freely if they have an average particle diameter of less than 100 nm. However, in the case of nanomaterials in which the surface charge is negatively charged, the surface charge of the cell membrane is negatively charged, and therefore, it is required to have a smaller particle size due to the repulsive force with the cell membrane. According to one embodiment of the present invention, the white light-emitting graphene dot quantum dot of the present invention has a negative charge on the surface and has an average particle diameter of only 20 nm in spite of the repulsive force against the cell membrane, have.
본 발명의 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 산화망간이 피복된 후에도 상기 표면전하 및 입경의 변화가 미미하여 피복되지 않은 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷과 동일한 물리적 성질을 가진다.The white light emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide of the present invention has the same physical properties as the uncoated white emitting graphene quantum dot after the manganese oxide is coated even when the surface charge and the particle diameter are not changed.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 345 내지 355㎚에서 여기(excitation)하여 475 내지 485㎚에서 백색광을 방출(emission)하며 5 내지 6%의 광루미네선스(photoluminescence) 퀀텀수율을 보인다.According to one embodiment of the present invention, the white-emitting graphene dot quantum of the present invention excites white light at 475 to 485 nm by excitation at 345 to 355 nm and emits white light at 5 to 6% (photoluminescence) quantum yields.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 디옥시콜릭산(deoxycholic acid)을 전구물질로 하여 사용하며 열분해방법(pyrolysis)을 통해 제조할 수 있다. 상기 열분해방법으로 제조된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 탄소 65 내지 75 중량% 및 산소 25 내지 35중량%로 구성된다. 바람직하게는 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 탄소 68 내지 72 중량% 및 산소 28 내지 32중량%로 구성되며 바람직하게는 탄소 70 중량% 및 산소 30중량%로 구성된다. 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 열분해 방법에 따라 퀀텀닷의 형광 특성이 달라질 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the white emitting graphene quantum dot of the present invention can be produced by using pyrolysis as a precursor of deoxycholic acid. The white emitting graphene quantum dot prepared by the pyrolysis method is composed of 65 to 75% by weight of carbon and 25 to 35% by weight of oxygen. Preferably, the white light emitting graphene quantum dot is comprised of 68-72 wt% carbon and 28-32 wt% oxygen, preferably 70 wt% carbon and 30 wt% oxygen. The white light emitting graphene quantum dot may have different fluorescence properties depending on the thermal decomposition method.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 디옥시콜릭산(deoxycholic acid)을 전구물질로 하여 400℃에서 열처리를 수행하면 480㎚에서 가장 큰 방출을 보여 백색광을 방출하나 상기 디옥시콜릭산(deoxycholic acid)을 전구물질로 하여 200℃에서 열처리를 수행하면 410㎚에서 가장 큰 방출을 보여 파란색의 광을 방출하는 것이 확인된다. 따라서 본 발명의 백색 발광 그래핀 퀀텀닷을 제조하기 위한 열처리는 350 내지 450℃의 조건에서 수행되며 바람직하게는 380 내지 420℃의 조건에서 수행되며 보다 바람직하게는 400℃의 조건에서 수행된다.According to another embodiment of the present invention, when the heat treatment is performed at 400 ° C. using the deoxycholic acid as a precursor, white light is emitted at the maximum emission at 480 nm, but the deoxycholic acid ) Is used as a precursor and heat treatment is performed at 200 ° C, it is confirmed that the blue light is emitted due to the largest emission at 410 nm. Therefore, the heat treatment for preparing the white light-emitting graphene dot of the present invention is performed at 350 to 450 ° C, preferably at 380 to 420 ° C, and more preferably at 400 ° C.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 5 내지 6%의 광루미네선스(photoluminescence) 퀀텀수율을 보인다. According to one embodiment of the present invention, the white emitting graphene quantum dot of the present invention exhibits a photoluminescence quantum yield of 5 to 6%.
종래의 방법에 따르면 백색발광 퀀텀닷은 빨강, 녹색, 파랑색의 퀀텀닷을 혼합하여 제조한다. 그러나 상기 혼합방법을 통해 백색광을 구현하는 것은 색강도의 조절이 어려워 백색광을 구현하기 매우 어렵다. 따라서 단일물질로 백색을 발광하는 물질의 수요가 증가하고 있는 실정이다. 본 발명의 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 백색광을 발현하는 단일물질이며 광루미네선스를 발현하는 퀀텀수율 또한 5 내지 6%이어서 실제 산업상 응용에 적용이 가능한 장점이 있다.According to the conventional method, white emitting quantum dot is produced by mixing red, green and blue quantum dot. However, it is difficult to implement white light through the above-described mixing method because it is difficult to control the color intensity. Therefore, there is a growing demand for materials emitting white light as a single substance. The white light-emitting graphene dot quantum dot of the present invention is a single substance that expresses white light, and the yield of quantum that expresses light luminescence is also 5 to 6%, which is advantageous in practical industrial applications.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 산화망간을 이용하여 피복하므로 FRET 매개 소광효과(fluorescence resonance energy transfer mediated quenching effect)를 구현한다. According to an embodiment of the present invention, the white light-emitting graphene dot of the present invention is coated with manganese oxide, thereby realizing a fluorescence resonance energy transfer mediated quenching effect.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 피복된 산화망간은 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷 100중량%에 대하여 0.5 내지 1.5중량%로 피복된다. 바람직하게는 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷 100중량%에 대하여 0.8 내지 1.2중량%로 피복되며 보다 바람직하게는 1중량%로 피복된다. 상기 산화망간은 다층전환 금속산화물(Multi-layered transition metal oxide)의 하나로 부피대비 향상된 표면적을 가지며 향상된 에너지 수득 특성을 가지는 장점이 있다. 또한 상기 다층전환 금속산화물은 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷을 피복하여 퀀텀닷의 여기 및 방출을 억제하는 FRET 매개 소광효과를 나타낸다. 따라서 상기 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 광루미네선스 특성을 가지지 않는다. 다층전환 금속산화물은 산화망간을 비롯하여 몰리브덴이황화물(MoS2)과 황화텅스텐(WS2)이 있으나 상기 몰리브덴이황화물(MoS2)과 황화텅스텐(WS2)은 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷을 피복하는 데는 부적절하다. According to one embodiment of the present invention, the coated manganese oxide is coated with 0.5 to 1.5 wt% based on 100 wt% of the white light emitting graphene dot coated with manganese oxide. Preferably 0.8 to 1.2 wt%, more preferably 1 wt%, based on 100 wt% of the white light emitting graphene dot coated with manganese oxide. The manganese oxide is one of the multi-layered transition metal oxides, and has an improved surface area to volume and an improved energy recovery characteristic. The multi-layered transition metal oxide also exhibits a FRET-mediated quenching effect that inhibits the excitation and emission of quantum dot by covering the white emitting graphene quantum dot. Therefore, the white light emitting graphene quantum dot coated with the manganese oxide has no photoluminescence property. (MoS 2 ) and tungsten sulfide (WS 2 ), but the molybdenum sulfide (MoS 2 ) and tungsten sulfide (WS 2 ) can be used as the white emitting graphene quantum dot It is inappropriate to cover.
본 발명의 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 생물학적으로 응용되어 시료에 존재하는 과산화수소 및 글루타티온을 감지하거나 이의 농도수치를 산출하는데 이용된다. 상기 산화망간은 과산화수소 또는 글루타티온에 의해 망간이온과 산소로 환원된다(하기 화학식 1 내지 2 참조). 따라서 본 발명의 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷이 시료에 첨가되어 시료에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온과 반응하게 되면 피복된 산화망간이 이온상태로 환원되어 산화망간 피복이 제거되므로 퀀텀닷의 광루미네선스 특성이 회복된다. 이 때 회복되는 광루미네선스의 양을 측정하고 그래프를 통해 분석하게 되면 시료내에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온을 감지하거나 이의 농도수치를 산출할 수 있다. 그러나 다른 다층전환 금속산화물인 몰리브덴이황화물과 황화텅스텐은 과산화수소 또는 글루타티온에 의해 환원되지 않는다. 따라서 상기 백색 발광 그래핀 퀀텀닷이 몰리브덴이황화물 또는 황화텅스텐에 의해 피복되면 시료내에 존재하는 과산화수소 또는 글루타티온에 의해 광루미네선스 특성을 회복되지 않으므로 상기 몰리브덴이황화물 또는 황화텅스텐을 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷의 피복재료로 사용하는 것은 부적절하다.The white manganese-coated white emitting graphene quantum dot of the present invention is biologically applied to detect hydrogen peroxide and glutathione present in a sample or to calculate the concentration value thereof. The manganese oxide is reduced to manganese ions and oxygen by hydrogen peroxide or glutathione (see
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 과산화수소의 존재여부를 감지할 뿐 아니라 0.01 내지 1.5m㏖/L의 과산화수소 농도범위에서 과산화수소의 농도를 수치로 산출할 수 있다. 시료에 존재하는 과산화수소의 농도를 수치로 산출하기 위해서는 과산화수소에 의해 복원되는 광루미네선스(형광)의 양과 시료에 존재하는 과산화수소의 양이 1에 가까운 상관계수를 가지는 선형관계를 이루어야 한다. According to one embodiment of the present invention, the white manganese-coated white emitting graphene quantum dot of the present invention detects not only the presence of hydrogen peroxide but also the concentration of hydrogen peroxide in the range of 0.01 to 1.5 mmol / L hydrogen peroxide . In order to calculate the concentration of hydrogen peroxide present in the sample, the amount of the luminoluminescence (fluorescence) restored by the hydrogen peroxide and the amount of hydrogen peroxide present in the sample must have a linear relationship with a correlation coefficient close to 1.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 0.001 내지 1.5m㏖/L의 과산화수소 농도범위에서 과산화수소의 농도를 수치로 산출할 수 있으며 바람직하게는 0.005 내지 1m㏖/L의 과산화수소 농도범위에서 과산화수소의 농도를 수치로 산출할 수 있다. 보다 바람직하게는 본 발명의 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 0.008 내지 0.5m㏖/L의 과산화수소 농도범위에서 과산화수소의 농도를 수치로 산출할 수 있으며 이때 상관계수는 0.9905이다.According to an embodiment of the present invention, the white manganese oxide-coated white emitting graphene quantum dot can calculate the concentration of hydrogen peroxide in a range of hydrogen peroxide concentration of 0.001 to 1.5 mmol / L, preferably 0.005 The concentration of hydrogen peroxide can be calculated numerically in the hydrogen peroxide concentration range of 1 mmol / L. More preferably, the white manganese oxide-coated white emitting graphene quantum dot of the present invention can calculate the concentration of hydrogen peroxide in the range of the hydrogen peroxide concentration of 0.008 to 0.5 mmol / L, wherein the correlation coefficient is 0.9905.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 글루타티온의 존재여부를 감지할 뿐 아니라 0.005 내지 0.7m㏖/L의 글루타티온 농도범위에서 글루타티온의 농도를 수치로 산출할 수 있다. 바람직하게는 0.0065 내지 0.7m㏖/L의 글루타티온 농도범위에서 글루타티온의 농도를 수치로 산출할 수 있다. 보다 바람직하게는 본 발명의 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 0.007 내지 0.5m㏖/L의 글루타티온 농도범위에서 글루타티온의 농도를 수치로 산출할 수 있으며 이때 상관계수는 0.9977이다.According to one embodiment of the present invention, the white manganese-coated white emitting graphene quantum dot of the present invention not only detects the presence or absence of glutathione, but also detects the concentration of glutathione in a glutathione concentration range of 0.005 to 0.7 mmol / . Preferably, the concentration of glutathione can be calculated numerically in a glutathione concentration range of 0.0065 to 0.7 mmol / L. More preferably, the white light emitting graphene dot coated with manganese oxide of the present invention can calculate the concentration of glutathione in a range of glutathione concentration of 0.007 to 0.5 mmol / L, wherein the correlation coefficient is 0.9977.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 백색 발광 그래핀 퀀텀닷 및 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 미미한 세포독성을 가지며 뛰어난 세포흡수능을 가지고 있다. 또한 본 발명의 백색발광 그래핀 퀀텀닷 및 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 단백질, 다당류 및 아미노산에 의해 산화망간 피복이 환원되지 않는다. 따라서 본 발명의 백색 발광 그래핀 퀀텀닷 및 산화망간이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 조직, 세포, 혈액, 소변, 체액을 시료로 사용함에 있어서 세포 및 조직의 보존성을 향상시키기 위한 BSA 단백질, 다당류 또는 아미노산이 추가적으로 포함된 조성물로서 제조될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the white light-emitting graphene dot and the manganese oxide-coated white light-emitting graphene quantum dot of the present invention have a slight cytotoxicity and excellent cell absorption ability. In addition, the white light-emitting graphene dot and the manganese oxide-coated white light-emitting graphene quantum dot of the present invention are not reduced by the protein, the polysaccharide and the amino acid. Therefore, the white light-emitting graphene dot and the manganese oxide-coated white light-emitting graphene quantum dot of the present invention can be used as a sample for improving the preservation of cells and tissues in tissue, cells, blood, urine, A polysaccharide or an amino acid.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷을 포함하는 과산화수소 또는 글루타티온 감지용 또는 수치 측정용 조성물의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for preparing a composition for sensing or numerically measuring hydrogen peroxide or glutathione, which comprises a white light emitting graphene dot coated with manganese oxide comprising the steps of:
제 1 단계: 디옥시콜릭산(deoxycholic acid)을 히팅맨틀(heating mantle)에서 350 내지 450℃의 조건으로 5 내지 15분간 가열하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷을 제조하는 단계;Step 1: Deoxycholic acid is heated in a heating mantle at 350 to 450 ° C for 5 to 15 minutes to prepare a white emitting graphene quantum dot;
제 2 단계: 과망간산칼륨(KMnO4)을 수산화나트륨에 용해하여 산화망간(MnO2)을 제조하는 단계; 및Step 2: dissolving potassium permanganate (KMnO 4 ) in sodium hydroxide to prepare manganese oxide (MnO 2 ); And
제 3 단계: 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷과 상기 산화망간을 각각 5 내지 20 : 1의 중량비로 혼합하여 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 제조하는 단계.Step 3: The white emitting graphene quantum dot and the manganese oxide are mixed at a weight ratio of 5 to 20: 1, respectively, and a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) ≪ / RTI >
상기 백색 발광 그래핀 퀀텀닷의 제조(제 1 단계)를 구분하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.The fabrication of the white emitting graphene quantum dot (first step) will be described in detail as follows.
1-1 단계) 디옥시콜릭산 0.3-0.7g을 흰색에서 갈색으로 변할 때까지 5-15분간 350-450℃ 히팅맨틀에서 가열하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷을 제조한다. 바람직하게는 상기 디옥시콜릭산은 0.5g 디옥시콜릭산나트륨을 사용하며 370-420℃ 히팅맨틀에서 7-12분간 가열하며 보다 바람직하게는 0.5g 디옥시콜릭산나트륨을 사용하며 400℃ 히팅맨틀에서 10분간 가열한다.Step 1-1) Heat 0.3-0.7 g of deoxycholic acid in a 350-450 ° C heating mantle for 5-15 minutes until the color changes from white to brown to produce white-emitting graphene quantum dot. Preferably, the deoxycholic acid is 0.5 g of sodium dioxycholate, heated at 370-420 占 폚 in a heating mantle for 7-12 minutes, more preferably 0.5 g of sodium dioxycholic acid and heated at 400 占 폚 in a heating mantle Heat for 10 minutes.
1-2 단계) 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷에 증류수 40-60㎖을 첨가하고 25-35분간 초음파 처리를 수행하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷 분산용액을 제조한다. 바람직하게는 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷에 증류수 50㎖을 첨가하고 30분간 초음파 처리를 수행하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷 분산용액을 제조한다.1-2) 40-60 ml of distilled water was added to the white emitting graphene quantum dot, and ultrasonication was performed for 25-35 minutes to prepare a white emitting graphene quantum dot dispersion solution. Preferably, 50 ml of distilled water is added to the white emitting graphene quantum dot, and ultrasonication is performed for 30 minutes to prepare a white emitting graphene quantum dot dispersion solution.
1-3 단계) 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷 분산용액에 대하여 증류수를 이용하여 2일간 투석하여 잔존하는 디옥시콜릭산을 제거한다.1-3) The white light-emitting graphene quantum dot dispersion solution is dialyzed against distilled water for 2 days to remove the remaining deoxycholic acid.
1-4 단계) 상기 투석이 끝난 백색발광 그래핀 퀀텀닷 분산용액을 동결건조하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷 분말을 수득한다.1-4) The dialyzed white luminescent graphene quantum dot dispersion solution is lyophilized to obtain a white luminescent graphene quantum dot powder.
상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷에 산화망간을 피복하는 과정(제 2 단계 및 제 3 단계)을 구분하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.The process of covering the white light emitting graphene quantum dot with manganese oxide (the second step and the third step) will be described in detail as follows.
2-1 단계) 과망간산칼륨(KMnO4)을 1N 수산화나트륨(NaOH)에 용해시켜 1-3㎎/㎖의 산화망간용액을 제조한다. 바람직하게는 상기 과망간산칼륨(KMnO4)을 1N 수산화나트륨(NaOH)에 용해시켜 2㎎/㎖의 산화망간용액을 제조한다.Step 2-1) Potassium permanganate (KMnO 4 ) is dissolved in 1 N sodium hydroxide (NaOH) to prepare a solution of manganese oxide 1-3 mg / ml. Preferably, potassium permanganate (KMnO 4 ) is dissolved in 1 N sodium hydroxide (NaOH) to prepare a 2 mg / ml solution of manganese oxide.
2-2 단계) 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷 분말에 증류수를 첨가하여 4-6㎎/㎖의 백색발광 그래핀 퀀텀닷 용액을 제조한다. 바람직하게는 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷 분말에 증류수를 첨가하여 5㎎/㎖의 백색발광 그래핀 퀀텀닷 용액을 제조한다.Step 2-2) Distilled water was added to the above-mentioned white light-emitting graphene quantum dot powder to prepare a 4-6 mg / ml white light-emitting graphene quantum dot solution. Preferably, the white light emitting graphene quantum dot powder is added with distilled water to prepare a 5 mg / ml white light emitting graphene quantum dot solution.
2-3 단계) 상기 산화망간용액과 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷 용액을 혼합하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷 및 산화망간이 각각 0.5 내지 10㎎ 및 0.05 내지 0.2㎎ 포함된 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 혼합용액을 제조한다. 바람직하게는 과산화수소 감지 및 수치측정용 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 백색발광 그래핀 퀀텀닷 10mg 및 산화망간 0.2mg이 포함된 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 혼합용액을 제조하며 글루타티온 감지 및 수치측정용 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷은 백색발광 그래핀 퀀텀닷 0.5mg 및 산화망간 0.05mg이 포함된 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 혼합용액을 제조한다.Step 2-3) The above manganese oxide solution and the above-mentioned white light emitting graphene quantum dot solution were mixed to prepare white light emitting graphene quantum dots containing 0.5 to 10 mg and 0.05 to 0.2 mg of white light emitting graphene dot and manganese oxide, To prepare a mixed solution of manganese oxide. Preferably, white light emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide for hydrogen peroxide sensing and numerical measurement is prepared by mixing a white emitting graphene quantum dot-manganese oxide mixture containing 10 mg of white light emitting graphene quantum dot and 0.2 mg of manganese oxide White-emitting Graphene-Manganese-Coated Solution for Glutathione Sensing and Numerical Measurement A white-emitting graphene dot-manganese oxide mixed solution containing 0.5 mg of white-emitting graphene quantum dot and 0.05 mg of manganese oxide is prepared.
2-4 단계) 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 혼합용액은 색이 핑크색에서 녹색으로 변화하고 최종적으로 갈색으로 변화할 때까지 5-15분간 상온에서 교반하여 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 복합체를 합성한다.Step 2-4) The white luminescent graphene dot-manganese oxide mixed solution was stirred at room temperature for 5-15 minutes until the color changed from pink to green and finally changed to brown, and white luminescent graphene dot-oxidation Manganese complex.
2-5 단계) 상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 복합체가 합성된 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 혼합용액을 10,000g에서 10분간 원심분리하여 침전물(백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 복합체)을 수득하고 상기 침전물에 대하여 에탄올을 이용하여 2회 이상 세척한다.Step 2-5) The white light-emitting graphene dot-manganese oxide mixed solution of the white light emitting graphene dot-manganese oxide composite synthesized was centrifuged at 10,000 g for 10 minutes to obtain a precipitate (white light emitting graphene quantum dot-manganese oxide Complex) is obtained and the precipitate is washed twice more with ethanol.
2-6 단계) 상기 세척된 백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 복합체를 건조하여 분말형태로 수득한다.2-6) The washed white luminescent graphene dot-manganese oxide complex is dried to obtain a powdery form.
상기 수득한 산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷(백색발광 그래핀 퀀텀닷-산화망간 복합체)는 조직, 세포, 혈액, 소변, 체액을 시료로 사용함에 있어서 세포 및 조직의 보존성을 향상시키기 위한 BSA 단백질, 다당류 또는 아미노산이 추가적으로 포함된 조성물로서 제조될 수 있다. The obtained white manganese oxide-coated white luminescent graphene dot (white luminescent graphene dot-manganese oxide complex) improves the preservation of cells and tissues when using tissues, cells, blood, urine, body fluids as a sample For example, a BSA protein, a polysaccharide or an amino acid.
실시예 Example
실험방법Experimental Method
1) 백색발광 그래핀 퀀텀닷의 합성1) Synthesis of white emitting graphene quantum dot
백색발광 그래핀 퀀텀닷(WGQDs)은 전구물질로서 디옥시콜릭산(Deoxycholic acid, DOCA)을 사용하였으며 열분해방법(pyrolysis)을 통하여 제조하였다. WGQDs 및 온도의존성(Temperature dependent) WGQDs의 합성을 위하여 디옥시콜린산(Deoxycholic acid)은 시그마-알드리치사(MO, USA)에서 구입하였다. 먼저 WGQDs의 합성을 위하여 상기 디옥시콜릭산 500mg을 유리병에 넣고 히팅맨틀(heating mantle)에서 400℃에서 10분간 가열하여 수행하였다. 가열 10분 후 디옥시콜릭산이 흰색에서 갈색의 변하면 증류수 50㎖을 첨가하고 30분 동안 수조에서 30분간 초음파 처리를 수행하였다. 상기 용해된 WGQDs 용액은 2일간 증류수를 이용하여 투석하였으며 6시간 간격으로 증류수를 교체하였다. 투석된 샘플은 냉동건조하여 보관하였다.White emitting Graphene Quantum Dots (WGQDs) were prepared by pyrolysis using dioxycholic acid (DOCA) as a precursor. WGQDs and Temperature Dependent Deoxycholic acid was purchased from Sigma-Aldrich (MO, USA) for the synthesis of WGQDs. For synthesis of WGQDs, 500 mg of the above dioxycholic acid was placed in a glass bottle and heated in a heating mantle at 400 DEG C for 10 minutes. After 10 minutes of heating, if the dioxycholic acid changes from white to brown, 50 ml of distilled water was added and ultrasonication was performed for 30 minutes in a water bath for 30 minutes. The dissolved WGQDs solution was dialyzed with distilled water for 2 days and the distilled water was replaced every 6 hours. The dialyzed samples were stored frozen and dried.
온도 의존성 WGQDs(Temperature dependent WGQDs)는 상기의 방법으로 제조하되 가열온도를 200 내지 300℃로 수행하였다. CIE 1931 측색표준 관측자는 색측정기 소프트웨어를 이용하여 기록하였다.The temperature dependent WGQDs were fabricated by the above method, and the heating temperature was 200 to 300 ° C. CIE 1931 colorimetric standard observers were recorded using colorimetric software.
2) WGQDs-산화망간(MnO2) WGQDs-manganese oxide (MnO 22 ) 복합체 나노입자의 합성) Synthesis of Composite Nanoparticles
WGQDs-산화망간 복합체 나노입자(산화망간이 피복된 백색발광 그래핀 퀀텀닷)는 상기 실시예 1에서 제조한 5㎎/㎖ WGQDs 용액 2㎖에 2㎎/㎖ 산화망간(KMnO4)용액 100㎕을 첨가하여 제조하였다. 상기 산화망간용액은 15㎎/㎖ 과망간산칼륨(KMnO4) 30㎕를 1N 수산화나트륨(NaOH) 5㎖에 용해시켜 제조하였다. 상기 샘플은 상온에서 WGQDs 용액의 색이 어두운 갈색으로 바뀔 때 까지 10분간 교반하였다. 상기 용액의 색은 핑크색에서 녹색으로 변하며 최종적으로 갈색이 된다. 상기 샘플은 추후 분석에 사용하였다. 상기 샘플은 10분간 10,000g에서 원심 분리하였으며 에탄올을 이용하여 2회 세척하고 물을 이용하여 추가세척을 수행하였다.WGQDs-manganese oxide composite nanoparticles (white light emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide) were prepared by adding 100 μl of a 2 mg / ml solution of manganese oxide (KMnO 4 ) to 2 ml of the 5 mg / ml WGQDs solution prepared in Example 1, . The manganese oxide solution was prepared by dissolving 30 μl of 15 mg / ml potassium permanganate (KMnO 4 ) in 5 ml of 1N sodium hydroxide (NaOH). The sample was stirred for 10 minutes at room temperature until the color of the WGQDs solution turned dark brown. The color of the solution changes from pink to green and finally becomes brown. The sample was used for further analysis. The sample was centrifuged at 10,000 g for 10 minutes, washed twice with ethanol, and further washed with water.
3) WGQDs의 물리적 및 화학적 특성 평가3) Physical and chemical characterization of WGQDs
WGQDs 및 WGQDs-산화망간 복합체의 형태는 주사전자현미경(Transmission electron microscope, TEM, JEOL, Japan)을 이용하여 측정하였다. WGQDs의 형태 및 크기는 원자간력현미경(atomic force microscope, AFM, Digital instrument Nanoscope IV, Veeco, Santa Barbara, CA, USA)을 이용하였으며 상온에서 탭팅(tapping)모드를 통하여 측정하였다. WGQDs 및 WGQDs-산화망간 복합체의 형태는 JSM-7610F 전계방출형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FESEM; Jeol, Tokyo, Japan)을 이용하여 측정하였다. 상기 JSM-7610F 전계방출형 주사전자현미경에 설치된 에너지분산형 X선 분광분석기(Energy-dispersive X-ray spectrometer, EDS, 51-XMX1034; Oxford Instruments, Abingdon, UK)를 5KV 전압 조건으로 WGQDs 및 WGQDs-산화망간에 존재하는 탄소, 질소, 및 망간의 상대적인 함량을 분석하였다. 퓨리에 변환 적외선 스펙트럼은 FT-IR spectrometer (Bruker, Billerica, MA, USA)를 이용하여 획득하였다. WGQDs의 UV 흡수는 UV 분광기 (Mecasys Co. Ltd, South Korea)를 이용하여 측정하였다. WGQDs의 형광세기는 광루미네선스 분광기(Photoluminescence spectroscope, Sinco, South Korea)를 이용하여 특정하였다. WGQDs 및 WGQDs-산화망간 복합체의 열안정성은 TA-Q50 열중량분석기(TA, DE)를 이용하였으며 질소분위기하에서 분당 10℃의 가열속도로 800℃까지 가열하여 측정하였다. WGQDs의 라만 스펙트럼은 라만 미니분광기(Jasco, NRS-3200)를 이용하였으며 514.5㎚의 파장을 가지는 레이저를 이용하여 측정하였다. The morphology of WGQDs and WGQDs-manganese oxide complexes was measured using a scanning electron microscope (TEM, JEOL, Japan). The shape and size of the WGQDs were measured using an atomic force microscope (AFM, Digital Instrument Nanoscope IV, Veeco, Santa Barbara, Calif., USA) and tapping mode at room temperature. The morphology of WGQDs and WGQDs-manganese oxide complexes was measured using a JSM-7610F field emission scanning electron microscope (FESEM; Jeol, Tokyo, Japan). An energy-dispersive X-ray spectrometer (EDS, 51-XMX1034; Oxford Instruments, Abingdon, UK) equipped with a JSM-7610F Field Emission Scanning Electron Microscope was charged with WGQDs and WGQDs- The relative contents of carbon, nitrogen, and manganese present in manganese oxide were analyzed. Fourier transform infrared spectra were obtained using an FT-IR spectrometer (Bruker, Billerica, MA, USA). UV absorption of WGQDs was measured using a UV spectrometer (Mecasys Co. Ltd, South Korea). The fluorescence intensity of WGQDs was determined using a photoluminescence spectroscope (Sinco, South Korea). The thermal stability of WGQDs and WGQDs-manganese oxide composites was measured by heating to 800 ° C at a heating rate of 10 ° C per minute in a nitrogen atmosphere using a TA-Q50 thermogravimetric analyzer (TA, DE). The Raman spectrum of the WGQDs was measured using a Raman mini-spectrometer (Jasco, NRS-3200) and a laser having a wavelength of 514.5 nm.
4) In vitro 세포흡수 평가 4) Evaluation of in vitro cell uptake
WGQDs의 세포흡수는 KB 세포주와 공초점 레이져 스캐닝 현미경(Zeiss LSM510, Germany)을 이용하였다. KB 세포주는 한국세포주은행(서울, 한국)에서 제공받았다. 동결건조된 WGQDs를 깨끗한 RPMI 배양액에 용해시켜 WGQDs 용액(100㎍/㎖)을 제조하고 상기 WGQDs 용액을 KB 세포주가 배양되는 세포배양액에 첨가한 후 4시간동안 37℃, 5% CO2 분위기하에서 배양하였다. 4시간의 배양 후 세포를 수득한 후 PBS를 이용하여 2회 세척하고 4% 포름알데히드를 첨가하여 고정하였다. 상기 모든 과정은 빛이 차단된 상태에서 수행하였다. 세포이미지는 long-pass emission 필터(88543 nm)가 장착된 공초점 레이저 스캐닝 현미경을 이용하여 수득하였고 세포내의 GQD를 시각화하였다. 시간 및 농도에 따른 세포흡수를 평가하였다. KB 세포주(1 x 104 세포/웰)를 96웰 플레이트에 접종하고 37℃ 5% CO2분위기하에서 24시간동안 배양하였다. RPMI 배양액에 다양한 농도의 WGQDs를 용해시킨 후 세포배양액을 WGQDs가 용해된 배양액으로 교환하였다. 일정 시간 후 세포에 대하여 PBS를 이용하여 3회 세척하고 세포융해완충용액에서 세포를 융해시킨 후 동결건조하였다. 상기 동결건조된 세포에 대하여 다중모드 스캐너(Ex: 350 nm and Em: 480 nm)를 이용하여 광일루미네선스를 측정하였다.Cellular uptake of WGQDs was performed using a KB cell line and a confocal laser scanning microscope (Zeiss LSM510, Germany). The KB cell line was obtained from the Korean Cell Line Bank (Seoul, Korea). Under freeze-drying by dissolving a WGQDs to clean RPMI culture medium WGQDs solution (100㎍ / ㎖) the manufacture and after the addition of the solution to the cell culture WGQDs that KB cells incubated 37 ℃ for 4 h, 5% CO 2 atmosphere, the culture Respectively. After incubation for 4 hours, cells were obtained, washed twice with PBS and fixed with 4% formaldehyde. All of the above procedures were carried out in the state that the light was blocked. Cell images were obtained using a confocal laser scanning microscope equipped with a long-pass emission filter (88543 nm) and visualized GQD in the cells. Cellular uptake by time and concentration was assessed. KB cell line (1 x 10 4 cells / well) was inoculated in a 96-well plate and cultured at 37 ° C in a 5% CO 2 atmosphere for 24 hours. Various concentrations of WGQDs were dissolved in the RPMI culture medium, and then the cell culture medium was replaced with the WGQDs-containing culture medium. After a certain period of time, the cells were washed 3 times with PBS and the cells were lysed in the cell fusion buffer solution and lyophilized. The lyophilized cells were measured for light illuminance using a multi-mode scanner (Ex: 350 nm and Em: 480 nm).
5) In vitro 세포독성평가5) Evaluation of cytotoxicity in vitro
KB 세포주를 96웰에 1 x 106 세포/웰로 접종한 후 24시간동안 배양하였다. WGQDs를 0, 0.025, 0.05, 0.1, 0.25, 0.5 및 1㎎/㎖의 농도로 96웰에 첨가하였다. 세포배양액을 37℃이며 빛이 차단된 환경에서 24시간동안 더 배양하였다. MTT 액상 용액 50㎕를 배양 20시간에 각각의 웰에 첨가하고 4시간을 더 배양한 후 상층액을 제거하였다. MTT 에세이 키트, 트립신-EDTA, 및 2,7-디클로로플루오레신디아세테이트(2,7-dichlorofluorescein diacetate, DMA)는 시그마-알드리치사(MO, USA)에서 구입하였다. MTT 용해 용액(100㎕)을 각각의 웰에 첨가하고 파이페팅을 수행하여 포르마잔 크리스탈을 용해시켰다. 그 후 570㎚의 파장에서 Varioskan flash (Thermo Scientific, USA)를 이용하여 흡광도를 측정하였다. 상기 흡광도결과는 표준곡선을 이용하여 세포활성도로 변환하여 분석하였다. 세포활성도는 다음의 수식을 통해 산출하였다. 세포활성도(%)=(sample 세포의 흡광도/control 세포의 흡광도) X 100.KB cell line was inoculated at 96x10 < 6 > cells / well and cultured for 24 hours. WGQDs were added to 96 wells at concentrations of 0, 0.025, 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, and 1 mg / ml. The cell culture was further cultured in a light-blocked environment at 37 ° C for 24 hours. 50 占 퐇 of the MTT liquid solution was added to each well for 20 hours in culture, and the supernatant was removed after further incubation for 4 hours. MTT assay kit, trypsin-EDTA, and 2,7-dichlorofluorescein diacetate (DMA) were purchased from Sigma-Aldrich (MO, USA). MTT lysis solution (100 占 퐇) was added to each well and pipetting was performed to dissolve the formazan crystal. The absorbance was then measured using a Varioskan flash (Thermo Scientific, USA) at a wavelength of 570 nm. The absorbance results were converted to cell activity using a standard curve and analyzed. Cell activity was calculated by the following equation. Cell activity (%) = (absorbance of sample cell / absorbance of control cell)
6) In vitro 용혈에세이6) In vitro hemolyzing essay
용혈(Hemolysis) 에세이는 참조문헌 30에 따라 수행하였다. 생후 7주된 암컷 SD쥐로부터 선혈 2㎖을 EDTA가 피복된 튜브를 이용하여 채취하고 4℃ 2500rpm에서 10분간 원심분리하였다. 상층액은 제거한 후 침전물을 PBS를 이용하여 3회 세척하였다. 그 후 침전물은 PBS 1㎖을 이용하여 용해시킨 후 실험에 사용하였다. WGQDs가 존재하는 조건에서 적혈구 용해를 분석하기 위하여 다양한 농도의 WGQDs를 PBS 1㎖에 용해시키고 상기 분리된 적혈구 50㎕를 첨가하였다. Triton X100 0.3%와 PBS를 각각 양성 대조군과 음성대조군으로 하였다. 샘플은 37℃에서 60분간 배양하였으며 배양된 샘플은 4℃ 2500rpm에서 10분간 원심분리하였다. 상층액을 모아 Optical Density 540㎚에서 적혈구의 용혈정도를 측정하였다. The hemolysis essay was performed according to
7) WGQD-산화망간 복합체 나노입자에 의한 과산화수소와 글루타티온의 감지7) Detection of hydrogen peroxide and glutathione by WGQD-manganese oxide composite nanoparticles
WGQD-산화망간 복합체 나노입자의 과산화수소 감지에 대하여 확인하기 위하여 5㎎/㎖ WGQDs 2㎖을 2㎎/㎖ 과망간산칼륨(KMnO4) 100㎕와 혼합하고 상온에서 10분간 인큐베이션 하였다. 그 후 다양한 농도의 과산화수소 용액을 첨가하고 광루미네선스 스펙트럼(Photoluminescence spectrum)을 측정하였다. To confirm the detection of hydrogen peroxide in the WGQD-manganese oxide composite nanoparticles, 2 ml of 5 mg / ml WGQDs was mixed with 100 쨉 l of 2 mg / ml potassium permanganate (KMnO 4 ) and incubated at room temperature for 10 minutes. After that, various solutions of hydrogen peroxide were added and the photoluminescence spectrum was measured.
WGQD-산화망간 복합체 나노입자의 글루타티온(GSH) 감지능력을 확인하기 위하여 0.25㎎/㎖ WGQDs 2㎖에 산화망간 25㎕를 첨가하고 혼합하였다. 상기 샘플을 상온에서 10분간 인큐베이션한 후 다양한 농도의 GSH용액을 첨가하였다. GSH가 첨가된 샘플의 광루미네선스 스펙트럼은 10분 후에 측정되었다. 모든 샘플의 광루미네선스 스펙트럼은 350㎚에서 나노입자를 여기 시킨 후 기록되었다. WGQD-산화망간 나노입자의 GSH 및 과산화수소의 선택성을 판단하기 위해 상이한 종류의 간섭물질을 GSH 및 WGQDs와 유사한 농도로 WGQD-산화망간 용액에 첨가하고 350㎚에서 나노입자를 여기 시킨 후 광루미네선스 스펙트럼을 측정하였다.In order to confirm the ability of the WGQD-manganese oxide composite nanoparticles to detect glutathione (GSH), 25 μl of manganese oxide was added to 2 ml of 0.25 mg / ml WGQDs and mixed. The samples were incubated at room temperature for 10 minutes and various concentrations of GSH solution were added. The optical luminescence spectrum of the sample to which GSH was added was measured after 10 minutes. The optical luminescence spectra of all the samples were recorded after exciting the nanoparticles at 350 nm. To determine the selectivity of GSH and hydrogen peroxide in WGQD-MnO nanoparticles, different types of interferents were added to the WGQD-MnO 4 solution at a concentration similar to GSH and WGQDs, excited nanoparticles at 350 nm, The spectrum was measured.
2. 실험결과2. Experimental results
1) WGQDs의 합성 및 특성평가 결과1) Synthesis and characterization results of WGQDs
WGQDs는 탄소의 공급원으로서 디옥시콜릭산나트륨(sodium deoxycholic acid, DOCA)을 사용하였다. 상기 DOCA는 각각의 온도(200℃, 300℃ 및 400℃)에서 열분해를 수행하였으며 광루미네선스 분광학을 통하여 광루미네선스 특성이 평가하였다. 휴머(hummers) 방법 또는 용액유도 자가결합방법과 같은 종래의 WGQDs 제조방법은 산처리 또는 거친 화학처리를 필요로 한다. 그러나 본 발명의 열분해 방법은 간단하며 높은 수득율을 가지고 있어 효율적이고 한 시간 이하의 시간으로 WGQDs를 제조할 수 있는 장점이 있다.WGQDs used sodium deoxycholic acid (DOCA) as a source of carbon. The DOCA was pyrolyzed at respective temperatures (200 ° C., 300 ° C. and 400 ° C.) and optical luminescence characteristics were evaluated by means of photoluminescence spectroscopy. Conventional methods for preparing WGQDs, such as hummers or solution inducer binding methods, require acid treatment or coarse chemical treatment. However, the pyrolysis method of the present invention is simple and has a high yield, so that WGQDs can be efficiently produced in less than one hour.
보통 열분해 방법은 파란색 GQDs가 제조되는 경우가 있다. 흥미롭게도 상기 제조된 WGQDs의 형광 특성은 온도 의존성이다. 도 1의 패널 A는 각기 다른 온도에서 제조된 GQDs의 광루미네선스 분광분석결과를 보여준다. 상기 결과에 따르면, 200℃에서 제조된 GQDs는 광루미네선스 스펙트럼에서 파란색 이동(blue shift)이 관찰되는 반면 400℃에서 제조된 GQDs는 480㎚에서 가장 큰 방출(emission)을 보인다. 추가적으로 도 1의 패널 B에는 GQDs의 색이 온도 의존적으로 변화한다는 것을 보여준다. DOCA가 200℃에서 열분해되면 제조된 GQDs는 파란색을 나타낸다. 그러나 열분해 온도가 400℃가 되면 제조된 GQDs는 흰색(white-GQDs, WGQDs)을 가지게 된다. 도 1의 패널C의 CIE 1931 측색표준관측자는 WGQDs의 합성온도가 증가함에 따라 GQDs의 CIE 좌표가 파란색에서 흰색으로 변동되는 것을 보여준다. 추가적으로 400℃에서 합성된 WGQDs의 CIE 좌표(0.26, 0.34)는 백색영역에 포함된다. 상기 결과는 하기 WGQDs의 합성에서 확인된다. 400℃에서 합성된 상기 WGQDs는 5.58%의 광루미네선스(photoluminescence) 퀀텀수율을 가진다. 상기 결과는 추후 더 확인된다. Usually, the pyrolysis process may produce blue GQDs. Interestingly, the fluorescence properties of the prepared WGQDs are temperature dependent. Panel A of FIG. 1 shows the results of spectral analysis of GQDs prepared at different temperatures. According to the above results, GQDs produced at 200 ° C exhibit blue shift in the optical luminescence spectrum, whereas GQDs produced at 400 ° C exhibit the largest emission at 480 nm. In addition, Panel B of FIG. 1 shows that the color of the GQDs changes in a temperature-dependent manner. When DOCA is pyrolyzed at 200 ° C, the GQDs produced are blue. However, when the thermal decomposition temperature is 400 ° C, the produced GQDs have white (GQDs, WGQDs). The CIE 1931 colorimetry standard observer of Panel C of Figure 1 shows that the CIE coordinates of GQDs vary from blue to white as the synthesis temperature of WGQDs increases. In addition, the CIE coordinates (0.26, 0.34) of WGQDs synthesized at 400 ° C are included in the white region. The results are confirmed in the synthesis of the following WGQDs. The WGQDs synthesized at 400 < 0 > C have a photoluminescence quantum yield of 5.58%. The above result is further confirmed later.
WGQDs의 물리적 형태에 대하여 FE-SEM, FE-TEM 및 AFM 현미경을 이용하여 분석하였다. 도 2의 패널 A) 및 도 4의 패널 B)의 FE-SEM 및 FE-TEM 이미지는 0.275±0.035㎚의 격자공간을 가지며 평균 입자 크기가 20㎚인 구형형상의 WGQDs를 보여준다. 추가적으로 도 4의 패널 B)에 개시된 고속 퓨리에 변화 패턴에 따르면 WGQDs는 육각형 패턴의 그래핀 구조를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 도 2의 패널 C) 및 패널 D)에 개시된 AFM이미지는 또한 그래핀 산화막 5 내지 6장의 두께와 유사한 2.8㎚를 가진 WGQDs의 구형형상을 보여준다. EDS 스펙트럼의 기본적인 구성들은 WGQDs에 69.63%의 탄소 및 30.37%의 산소가 존재한다는 것을 보여준다(도 3의 패널 A 참조). 더 작은 크기의 나노입자들은 세망내피계(Reticulo endothelial system)를 통과할 수 있어 용이하게 타겟세포에서 기능을 수행할 수 있으므로 생체의학의 용도에 적합하다. 본 발명의 WGQDs은 평균 20nm의 크기를 가지고 있기 때문에 생체의학의 용도에 적합한 것으로 판단된다. FTIR을 이용하여 WGQDs 에 분포되어 있는 기능기(functional group)을 확인하였다(도 3의 패널 C 참조). 3400㎝-1에서 확인되는 강한 피크는 WGQDs에 존재하는 수소기를 나타내며 2863㎝-1 및 2963㎝-1에서 확인되는 피크는 WGQDs의 C-H 스트레칭(C-H stretching)을 나타낸다. 또한 1043㎝-1에서 확인되는 피크는 WGQDs의 C-O 스트레칭(C-O stretching)을 나타내며 1560㎝-1, 1406㎝-1 및 1656㎝-1에서 확인되는 피크는 WGQDs에 존재하는 COO-기의 비대칭 및 대칭 스트레칭을 나타낸다. 본 실험을 통하여 본 발명의 WGQDs는 카르복실기 및 히드록실기가 넓은 범위에 걸쳐 분포되어 있다는 것이 확인되었으며 그에 따라 WGQDs가 음수의 표면제타포텐셜(surface zeta potential)을 가진다는 것이 확인되었다. 추가적으로 WGQDs의 표면전하에 대하여 분석하였다(도 4 참조). 분석결과 평균 -50mV인 WGQDs 제타포텐셜은 생체의학 응용에 더 적합한 것으로 판단되는데 그 이유는 본 발명의 음수의 제타포텐셜을 가지는 WGQDs가 응집을 억제할 수 있기 때문이다. 또한 본 발명의 WGQDs는 생체내에 존재하는 음전하를 가지는 단백질의 흡착을 방지하여 옵소닌작용(opsonization)을 저해하기 때문에 생체내 순환시간을 향상시키는 장점이 있다. 상기 단백질의 흡착 및 옵소닌 작용은 면역체계의 활성화 및 생체시스템의 초기 나노입자 제거기작과 관련된 가장 일반적인 요소이다. 결과적으로 본 발명의 음전하를 가지는 WGQDs는 음전하를 가지는 단백질의 흡착을 방지하므로 WGQDs의 생체이용율을 향상시키는데 기여한다. 도 5의 패널 A)에 개시된 WGQDs의 흡수 스펙트럼에 따르면 WGQDs는 250㎚에서 강한 흡수정도를 보이는 것이 확인된다. 도 5의 패널 B)에 개시된 광루미네선스 여기 및 방출 스펙트럼에 따르면 WGQDs는 350㎚ 및 480㎚에서 각각 가장 큰 여기 및 방출을 보인다. 도 5의 패널 C)에 개시된 농도 의존성 방출 스펙트럼은 WGQDs의 농도가 줄어듦에 따라 형광세기가 줄어드는 것을 보여준다. 본 발명의 GQDs는 종래의 GQDs와 유사한 여기에 따른 방출 프로파일을 보인다. 도 5의 패널 D)에 따르면, 상기 WGQDs는 여기파장이 350㎚에서 500㎚로 증가함에 따라 방출파장이 적색이동(450-600㎚)하는 것이 확인된다. 상기 방출현상에 따른 여기특성은 다양한 생물학 및 생체의학의 응용에 유용하며 파란색 GQDs에 비교하여 더 깊은 조직까지 빛을 침투시킬 수 있다. WGQDs의 물리화학적 특성을 분석하기 위하여 라만 분광학을 이용하였다. 도 6의 패널 A)에 의하면 1357㎝-1 및 1520㎝-1에서 관찰되는 두 개의 피크는 각각 GQDs의 방향적 도메인(domain)의 D밴드 및 G밴드를 의미한다. 추가적으로 도 6의 패널 B)에 의하면, 2860㎝-1에서 확인되는 2D밴드는 WGQDs의 그래핀 퀀텀닷 구조를 보여준다. 흥미롭게도 WGQDs에 있어서 D’밴드는 1600cm-1 주변에서 확인되며 D+G밴드는 2960cm-1 주변에서 확인된다. 선행연구에 따르면, D’밴드 및 D+G밴드는 포논산란기작 때문에 관찰되는 것으로 알려져 있으며 그래핀 구조에서 비정렬된 상태로 확인되는 것이 알려졌다. 상기 결과는 탄소핵(carbon core)에서 다양한 방출위치가 분포하도록 할 뿐 아니라 백색 방출을 하도록 하는 것으로 하는 것으로 판단된다. 그러나 크기 분포 또는 방출 트랩(trap)위치와 같은 다른 기작들 또한 확인되어야 할 필요가 있다. The physical forms of WGQDs were analyzed by FE-SEM, FE-TEM and AFM microscopy. The FE-SEM and FE-TEM images of panel A of FIG. 2 and panel B of FIG. 4 show spherical shaped WGQDs with a grating space of 0.275. + -. 0.035 nm and an average particle size of 20 nm. In addition, according to the fast Fourier transform pattern disclosed in Panel B) of FIG. 4, it has been confirmed that the WGQDs have a hexagonal pattern of graphene structure. The AFM images disclosed in panel C) and panel D) of FIG. 2 also show spherical shapes of WGQDs with 2.8 nm similar to the thickness of graphene oxide films 5 to 6. The basic constructions of the EDS spectrum show that there is 69.63% carbon and 30.37% oxygen in the WGQDs (see panel A of FIG. 3). Smaller size nanoparticles can pass through the Reticulo endothelial system and are thus suitable for biomedical applications because they can function in target cells with ease. Since the WGQDs of the present invention have an average size of 20 nm, it is judged that they are suitable for biomedical use. FTIR was used to identify functional groups distributed in WGQDs (see panel C in FIG. 3). Strong peak is identified in 3400㎝ -1 represents a hydrogen present in WGQDs peak identified in 2863㎝ 2963㎝ -1 and -1 represents the CH stretching (CH stretching) of WGQDs. In addition, the peak seen on 1043㎝ -1 denotes a CO stretch (CO stretching) of WGQDs 1560㎝ -1, the peak seen on 1406㎝ 1656㎝ -1 and -1 is asymmetric and symmetric of COO- groups present in WGQDs Stretching. It was confirmed from the experiment that WGQDs of the present invention are distributed over a wide range of carboxyl groups and hydroxyl groups, and it was confirmed that WGQDs has a negative surface zeta potential. In addition, the surface charge of WGQDs was analyzed (see FIG. 4). As a result, the average WGQDs zeta potential of -50 mV is more suitable for biomedical applications because WGQDs having negative zeta potential of the present invention can inhibit aggregation. In addition, WGQDs of the present invention have an advantage of improving circulation time in vivo because they inhibit opsonization by preventing adsorption of proteins having negative charges existing in vivo. The adsorption and opsonization of the protein is the most common factor associated with the activation of the immune system and the early nanoparticle removal mechanism of the biological system. As a result, the WGQDs having a negative charge of the present invention prevent the adsorption of proteins having a negative charge, thereby contributing to improving the bioavailability of WGQDs. According to the absorption spectrum of WGQDs disclosed in the panel A of Fig. 5, it is confirmed that WGQDs exhibits a strong absorption intensity at 250 nm. According to the optical luminescence excitation and emission spectrum disclosed in Fig. 5, panel B), WGQDs exhibit the largest excitation and emission at 350 nm and 480 nm, respectively. The concentration-dependent emission spectrum disclosed in panel C) of FIG. 5 shows that fluorescence intensity decreases as the concentration of WGQDs decreases. The GQDs of the present invention exhibit an emissive profile according to the present invention similar to conventional GQDs. According to the panel D of FIG. 5, it is confirmed that the emission wavelength of the WGQDs is red shifted (450-600 nm) as the excitation wavelength increases from 350 nm to 500 nm. The excitation characteristics according to the emission phenomenon are useful for various biological and biomedical applications and can penetrate light to deeper tissues compared to blue GQDs. Raman spectroscopy was used to analyze the physico - chemical properties of WGQDs. According to panel A of FIG. 6, the two peaks observed at 1357 cm -1 and 1520 cm -1 respectively indicate D band and G band of the directional domain of GQDs. In addition, according to Panel B) of FIG. 6, the 2D band identified at 2860 cm -1 shows the graphene quantum dot structure of WGQDs. Interestingly, in the WGQDs D 'band is found at around 1600cm -1 D + G band is found at around 2960cm -1. Previous studies have shown that the D 'band and the D + G band are known to be observed due to the phonon spawning period and that they are identified as unaligned in the graphene structure. The above results are considered to allow the various emission positions to be distributed in the carbon core as well as the white emission. However, other mechanisms such as size distribution or trap location need to be identified as well.
2) 2) WGQDs의WGQDs 세포흡수 및 세포독성 평가결과 Cellular uptake and cytotoxicity evaluation results
KB 세포주를 이용하여 WGQDs의 세포흡수를 분석하였다. 도 7에 의하면 WGQDs을 처리한 세포에서 밝은 형광이 확인된다. KB 세포주를 이용하여 시간에 따른 세포의 WGQDs 흡수정도를 확인하였다. 도 8의 패널 A)에 보는 바와 같이 세포의 WGQDs 흡수는 4시간 동안 처리하였을 경우 WGQDs 0.25㎎/㎖의 농도로 처리한 것보다 WGQDs 1㎎/㎖의 농도로 처리한 경우 세포흡수정도가 상승된 것이 확인되었다. 또한 시간에 따른 WGQDs의 세포흡수 실험을 수행한 결과 유사한 프로파일을 보이는 것이 확인되었다. WGQDs의 인큐베이션 시간을 증가시킴에 따라 세포의 WGQDs 흡수양이 증가하는 것이 확인되었다. 생체물질의 세포독성은 생체의학적 응용성을 판단하는 가장 중요한 기준이다. GQDs는 QDs의 높은 독성 때문에 종래의 퀀텀닷에 대한 대체제로서 제안되어야 한다. 본 발명에서는 WGQDs의 독성학적 프로파일을 분석하기 위하여 용혈분석 및 In vitro 세포독성을 분석하였다. KB 세포주에 대한 MTT 에세이 결과에 따르면 본 발명의 WGQDs는 1㎎/㎖의 높은 농도로 처리하여도 미미한 독성 프로파일을 보이는 것으로 확인되었다. 도 9의 패널 A)에는 용혈분석 결과를 보여주며 혈액내의 WGQDs가 미미한 수준의 독성 프로파일을 보이는 것이 확인되었다. 도 9의 패널 B)에 의하면 적혈구의 파괴정도는 PBS를 처리한 혈액과 비슷한 수준인 것이 확인되었다. 또한 WGQDs를 처리한 혈액샘플과 PBS를 처리한 혈액샘플의 OD값을 비교한 결과 유사한 값을 가지는 것으로 보아 WGQDs의 독성이 미미한 것으로 판단된다. Cellular uptake of WGQDs was analyzed using KB cell lines. 7, bright fluorescence is observed in cells treated with WGQDs. KB cells were used to confirm the degree of WGQDs uptake of cells over time. As shown in the panel A of FIG. 8, when the WGQDs were treated at a concentration of 1 mg / ml of WGQDs for 4 hours, the degree of cell uptake was increased compared to the case of WGQDs of 0.25 mg / . In addition, cell sorption experiments of WGQDs over time showed similar profiles. It was confirmed that increasing the incubation time of WGQDs increased the amount of WGQDs absorption of the cells. Cytotoxicity of biomaterials is the most important criterion to judge biomedical applicability. GQDs should be proposed as an alternative to conventional quantum dot because of the high toxicity of QDs. In the present invention, hemolysis analysis and in vitro cytotoxicity were analyzed to analyze the toxicological profile of WGQDs. According to the MTT assay results for the KB cell line, the WGQDs of the present invention were found to show a slight toxicity profile even when treated at a high concentration of 1 mg / ml. The panel A of FIG. 9 shows hemolysis analysis results and it was confirmed that the WGQDs in blood showed a slight toxicity profile. Panel B) of FIG. 9, it was confirmed that the degree of destruction of erythrocytes was similar to that of PBS-treated blood. In addition, the OD values of the blood samples treated with WGQDs and the PBS samples treated with PBS were similar to each other, indicating that the toxicity of WGQDs is insignificant.
3) WGQD-MnO2 복합체의 바이오센싱 응용3) Biosensing application of WGQD-MnO2 complex
본 발명의 WGQDs에 대한 생체의학적 응용을 위하여 WGQDs의 표면을 산화망간(MnO2)으로 피복하였다(도 10의 패널 A 참조). 과망간산칼륨(KMnO4)은 WGQD-MnO2복합체를 합성하기 위한 전구물질로서 사용되었다. 우선적으로 550㎚에서 과망간산칼륨의 피크가 확인되지 않은 것으로 보아 과망간산칼륨이 산화망간으로 변환되었다는 것을 알 수 있다(도 10의 패널 B). 도 10의 패널 A)에 도시된 FE-SEM 이미지는 WGQD-MnO2 복합체의 입자크기가 WGQDs의 입자크기에 대비하여 약간 증가된 사실을 보여준다. 이미지를 확대하여 분석해보면 산화망간의 내부에 WGQDs의 퇴적물 또는 응집체가 위치하고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 WGQD-MnO2 복합체는 WGQDs에 대비하여 붕괴되는 경향이 더 적은 것으로 확인되는데 이는 WGQDs에 대한 산화망간의 피복에 의한 것으로 판단된다. 선행결과에 의하면 산화망간은 FRET 기작에 있어서 형광 소광물질(fluorescence quencher)로서 사용되는 것이 알려져 있다. WGQDs에 대한 산화망간의 피복은 WGQDs의 형광세기에 대한 소광(quenching)으로 이어진다. 도 10의 패널 C)에 의하면 산화망간의 흡수스펙트럼은 WGQDs의 방출스펙트럼과 겹쳐지는 것이 확인되는데 이는 산화망간이 WGQDs에 대하여 FRET 매개 형광 소광효과를 보인다는 것을 의미한다. WGQDs의 형광소광(fluorescence quenching) 효과는 첨가된 과망간산칼륨의 농도에 따라 결정된다. 도 12의 패널 A)에 따르면 소광효율은 과망간산칼륨의 농도에 증가에 따라 향상된다. 상기 과망간산칼륨 3mM을 사용한 경우 WGQDs에 대한 소광효율이 100%에 달한다. 산화망간을 피복한 후 제조된 WGQD-MnO2 복합체에 대하여 EDS 스펙트럼을 얻고 이를 분석한 결과 탄소 61.66%, 산소 29.21% 및 망간 0.98%가 포함된 것이 확인되었다(도 10의 패널 D 및 E 참조). 또한 WGQD-MnO2 복합체에 대하여 열분석(thermal analysis)을 수행한 결과 WGQDs가 390℃에서 분해가 시작된 것에 비하여 WGQD-MnO2 복합체는 400℃보다 높은 온도에서 분해가 시작된 것이 확인되었다(도 11의 패널 A 및 B 참조). WGQD-MnO2 복합체에 대한 EDS 스펙트럼 및 WGQD-MnO2 복합체를 구성하는 기존 구성물질을 보여준다. 본 발명에 따르면, 산화망간이 망간이온(Mn2+)으로 선택적 분해가 되는 것은 과산화수소 및 글루타티온(GSH)의 존재하에서 이루어질 수 있다. WGQDs의 산화망간 매개에 의한 형광소광은 과산화수소를 첨가함으로 되돌릴 수 있다. WGQD-MnO2 복합체에 과산화수소를 첨가하면 산화망간은 망간이온으로 환원되고 이로 인하여 WGQDs의 형광은 복원(형광 ON 상태)된다(도 12의 패널 A) 참조). 과산화수소에 의해 산화망간이 망간이온으로 환원되는 기작은 하기 화학식 1로 설명된다. For biomedical applications of the WGQDs of the present invention, the surface of the WGQDs was covered with manganese oxide (MnO 2 ) (see panel A of FIG. 10). Potassium permanganate (KMnO 4 ) was used as a precursor for synthesizing the WGQD-MnO 2 complex. It can be seen that the potassium permanganate was converted into manganese oxide by the fact that the peak of potassium permanganate was not confirmed at first at 550 nm (panel B in FIG. 10). The FE-SEM image shown in FIG. 10, panel A) shows the WGQD-MnO 2 Shows that the particle size of the composite is slightly increased compared to the particle size of WGQDs. When the image is enlarged and analyzed, it can be seen that sediments or agglomerates of WGQDs are located inside the manganese oxide. In addition, WGQD-MnO 2 The composites were found to be less prone to collapse compared to WGQDs, which is believed to be due to the coating of manganese oxide on WGQDs. Previous results indicate that manganese oxide is used as a fluorescence quencher in the FRET mechanism. Coating of manganese oxide on WGQDs leads to quenching of the fluorescence intensity of WGQDs. 10), it is confirmed that the absorption spectrum of manganese oxide overlaps with the emission spectrum of WGQDs, which means that manganese oxide exhibits a FRET-mediated fluorescence quenching effect on WGQDs. The fluorescence quenching effect of WGQDs is determined by the concentration of added potassium permanganate. According to panel A of FIG. 12, the extinction efficiency is improved with increasing concentration of potassium permanganate. When 3 mM of potassium permanganate was used, the light extinction efficiency to WGQDs reached 100%. WGQD-MnO 2 prepared after coating manganese oxide The EDS spectrum of the complex was obtained and analyzed to confirm that it contained 61.66% carbon, 29.21% oxygen and 0.98% manganese (see panels D and E in FIG. 10). In addition, WGQD-MnO 2 Thermal analysis of the complex revealed that WGQDs were decomposed at 390 ° C compared with WGQD-MnO 2 It was confirmed that the composite started decomposition at a temperature higher than 400 ° C (see panels A and B in FIG. 11). WGQD-MnO 2 The EDS spectrum and WGQD-MnO 2 It shows the existing constituent substances composing the complex. According to the present invention, the selective decomposition of manganese oxide into manganese ions (Mn 2+ ) can be carried out in the presence of hydrogen peroxide and glutathione (GSH). The fluorescence quenching by the manganese oxide mediation of WGQDs can be reversed by the addition of hydrogen peroxide. WGQD-MnO 2 When hydrogen peroxide is added to the complex, the manganese oxide is reduced to manganese ions, whereby the fluorescence of WGQDs is restored (fluorescence ON state) (see panel A of FIG. 12)). The mechanism by which manganese oxide is reduced to manganese ions by hydrogen peroxide is explained by the following formula (1).
도 12의 패널 B)에서 보는 바와 같이 WGQDs 형광의 복원은 과산화수소가 첨가된 후에 나타난다. 점증적인 WGQDs 형광세기의 복원은 첨가한 과산화수소의 농도에 비례하여 나타난다. 또한 0.9905의 상관계수를 보이는 선형관계(linear relation)는 0.5 내지 0.0078m㏖L-1의 범위에서 관찰된다(도 12의 패널 C) 참조). GSH에 의한 산화망간과 망간이온의 선택적 해리에 대하여 실험을 수행하였다. 비단백질 화학적 티올(thiol)로 구분되는 GSH는 산화망간과 선택적 상호관계를 이룰 수 있으며 상기 상호관계에 의하여 산화된 이황화물(oxidized disulfide, GSSG)이 형성될 수 있다. 하기 화학식 2는 산화망간과 GSH의 상호관계를 보여준다. As shown in panel B) of Fig. 12, restoration of WGQDs fluorescence appears after addition of hydrogen peroxide. The recovery of the incremental WGQDs fluorescence intensity is proportional to the concentration of added hydrogen peroxide. Also, a linear relation showing a correlation coefficient of 0.9905 is observed in the range of 0.5 to 0.0078 mmol L -1 (see panel C in FIG. 12). The selective dissociation of manganese and manganese ions by GSH was studied. GSH, which is classified as non-protein chemical thiol, may have selective interrelation with manganese oxide and oxidized disulfide (GSSG) may be formed by the above correlation. The following
따라서, 산화망간이 피복된 WGQDs(WGQD-MnO2 복합체)는 GSH와 선택적으로 상호관계를 이루고 이로 인해 WGQD 형광의 복원을 야기하는 것으로 판단된다. WGQD-MnO2 복합체에 다양한 농도의 GSH를 첨가하고 광루미네선스 스펙트럼을 측정하여 형광세기의 복원효율을 분석하였다. 도 13의 패널 A)에서 보는 바와 같이 GSH의 농도가 증가함에 따라 WGQDs의 형광세기 또한 증가하는 것이 확인되었다. 또한 WGQDs는 0.0313 내지 1m㏖L-1의 범위에서 상관계수 0.9977을 보여 훌륭한 선형관계(linear relation)를 보이는 것이 확인되었다(도 13의 패널 B) 참조). 혈액 또는 소변에 존재하는 어떤 종류의 화학적 또는 생물학적 간섭물질들은 제거하기가 어렵거나 정제된 단일 바이오마커로서 수득하기 위하여 광범위한 정제방법이 동원되는 경우가 있다. 그러나 상기 방법들은 고비용이며 감지효율에 영향을 주는 경우가 있다. 따라서 바이오센서는 선택적이며 예민하게 원하는 바이오마커를 판별하여야 한다. 마지막으로 다양한 화학적 간섭물질 및 생물학적 간섭물질에 의한 WGQD-MnO2 형광 ON/OFF의 선택성을 확인하였다. 도 13의 패널 C)에 따르면, GSH 및 과산화수소의 WGQDs 선택성은 다른 간섭물질에 대비하여 뛰어난 것이 확인되었다. 더하여 BSA와 단백질, 프룩토오스(fructose)와 같은 다당류 및 아미노산에 의해 형광의 세기가 회복되지 않는 것이 확인되었다. 상기 결과들에 따라 WGQD-MnO2 복합체를 GSH 및 과산화수소의 감지에 적용하는 것은 매우 효과적일 것으로 판단된다. Therefore, WGQDs (WGQD-MnO 2 complex) coated with manganese oxide are selectively correlated with GSH, resulting in restoration of WGQD fluorescence. WGQD-MnO 2 Various concentrations of GSH were added to the complexes and the fluorescence intensities of the fluorescence intensity were analyzed by measuring the luminoluminescence spectra. As shown in FIG. 13, panel A), it was confirmed that the fluorescence intensity of WGQDs also increased with increasing concentration of GSH. It was also confirmed that WGQDs shows a linear relation with a correlation coefficient of 0.9977 in the range of 0.0313 to 1 mmolL -1 (see panel B of FIG. 13). Certain types of chemical or biological interferences present in the blood or urine may be difficult to remove or may be mobilized by a wide variety of purification methods to obtain purified single biomarkers. However, these methods are expensive and may affect the detection efficiency. Therefore, the biosensor should discriminate the desired biomarkers selectively and sensitively. Finally, we confirmed the selectivity of WGQD-MnO 2 fluorescence on / off by various chemical interferents and biological interferents. According to panel C) of Figure 13, it was confirmed that the selectivity of WGQDs of GSH and hydrogen peroxide was superior to other interfering substances. In addition, it was confirmed that fluorescence intensity was not restored by BSA, polysaccharide such as protein, fructose and amino acid. According to the above results, it would be very effective to apply the WGQD-MnO 2 complex to the detection of GSH and hydrogen peroxide.
3. 결론3. Conclusion
본 발명에서는 저비용의 장점을 가진 열분해방법을 이용하여 신규한 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dots, WGQDs)을 합성하였다. 상기 합성된 WGQDs는 뛰어난 광루미네선스 특성을 가지면서도 미미한 세포독성을 가지는 것이 확인되었다. 본 발명에서는 WGQDs의 표면에 산화망간(MnO2)을 코팅하여 WGQDs-MnO2 복합체 나노입자를 제조하고 상기 나노입자가 GSH 및 과산화수소 감지용 바이오센서로서 적용이 가능한지 여부에 대하여 확인하였다. 확인결과, 본 발명의 WGQDs-MnO2 복합체 나노입자는 GSH 및 과산화수소에 대하여 각각 0.0313 내지 1mmol/L 및 0.5 내지 0.0078 mmol/L 범위의 감지한계를 가지는 것이 확인되었다. 따라서 본 발명의 WGQDs는 생체의학 또는 바이오센서 플랫폼으로서의 GSH 및 과산화수소를 감지하는 다양한 응용이 가능할 것으로 판단된다. In the present invention, novel white emitting emitting graphene quantum dots (WGQDs) were synthesized by a pyrolysis method having a low cost advantage. It was confirmed that the synthesized WGQDs had excellent cytotoxicity with excellent optical luminescence characteristics. In the present invention, WGQDs-MnO 2 composite nanoparticles were prepared by coating manganese oxide (MnO 2 ) on the surface of WGQDs, and it was confirmed whether the nanoparticles could be applied as a biosensor for detecting GSH and hydrogen peroxide. As a result, it was confirmed that the WGQDs-MnO 2 composite nanoparticles of the present invention had a detection limit of 0.0313 to 1 mmol / L and 0.5 to 0.0078 mmol / L for GSH and hydrogen peroxide, respectively. Therefore, it is considered that the WGQDs of the present invention can be applied to various applications for detecting GSH and hydrogen peroxide as a biomedical or biosensor platform.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. The specific embodiments described herein are representative of preferred embodiments or examples of the present invention, and thus the scope of the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that modifications and other uses of the invention do not depart from the scope of the invention described in the claims.
Claims (9)
상기 백색 발광 그래핀 퀀텀닷은 육각형 패턴의 그래핀 구조를 가지며, 평균 -50 mV의 제타포텐셜(zeta potential)을 가지며, 평균 20㎚의 입경을 가지는 것을 특징으로 하는 과산화수소(H2O2) 감지용 또는 수치 측정용 조성물
A composition for sensing or numerically measuring hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) comprising white colored emitting graphene quantum dots coated with manganese oxide (MnO 2 )
The white light emitting graphene quantum dot has a hexagonal pattern of graphene structure, has an average zeta potential of -50 mV, and has an average particle diameter of 20 nm. The hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) Composition for measurement
4. The method of claim 1, wherein the white emission graphene quantum dot excites at a light wavelength of 345 to 355 nm to emit white light at a light wavelength of 475 to 485 nm and emits white light of 5 to 6% photoluminescence < / RTI > quantum yield.
2. The composition of claim 1, wherein the manganese oxide covers the white emitting graphene quantum dot and exhibits a fluorescence resonance energy transfer mediated quenching effect.
The method according to claim 1, wherein the detection or numerical measurement of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is performed by reducing the manganese oxide (MnO 2 ) to manganese ions (Mn 2+ ) by the hydrogen peroxide, Characterized in that a phenomenon that light emission is restored is used
The method according to claim 1, wherein the numerical measurement of the hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is carried out in a hydrogen peroxide concentration range of 0.001 to 1.5 mmol / L
과망간산칼륨(KMnO4)을 수산화나트륨에 용해하여 산화망간(MnO2)을 제조하는 단계; 및
상기 백색발광 그래핀 퀀텀닷과 상기 산화망간을 각각 5 내지 20 : 1의 중량비로 혼합하여 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화망간(MnO2)이 피복된 백색 발광 그래핀 퀀텀닷(white colored emitting graphene quantum dot)을 포함하는 과산화수소(H2O2) 감지용 또는 수치 측정용 조성물의 제조방법
Heating deoxycholic acid in a heating mantle at 350 to 450 DEG C for 5 to 15 minutes to prepare a white emitting graphene quantum dot;
Dissolving potassium permanganate (KMnO 4 ) in sodium hydroxide to prepare manganese oxide (MnO 2 ); And
Mixing the white emitting graphene quantum dot and the manganese oxide at a weight ratio of 5 to 20: 1 to prepare a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 ) ;
(H 2 O 2 ) sensing or numerical measurement composition comprising a white colored emitting graphene quantum dot coated with manganese oxide (MnO 2 )
9. The method of claim 8 wherein the composition is a biological tissue, cells, blood, urine, BSA, polysaccharides, or additionally contain manganese oxide characterized in that an amino acid to prevent the cell lysis of existing in the body fluid sample (MnO 2) is Process for the preparation of compositions for the detection or numerical measurement of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) comprising coated white emitting emitting graphene quantum dots
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