KR20140082595A - 자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자 및 이의 생성 방법 및 용도 - Google Patents

Abstract

자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자는 고이완성을 나타내며, MRI 콘트라스트 촉진제로서 유용하다. 충분한 양의 자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자 및 한 종 이상의 생리적으로 허용가능한 담체 또는 부형제를 포함하는, MRI 영상화에 의한 사용을 위한 조성물. MRI 콘트라스트 촉진제로서 자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자를 사용하는 방법. 자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자를 생성하는 방법.

Description

자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자 및 이의 생성 방법 및 용도{MAGNETIC GRAPHENE-LIKE NANOPARTICLES OR GRAPHITIC NANO-OR MICROPARTICLES AND METHOD OF PRODUCTION AND USES THEREOF}

관련 출원과의 상호 참조

본 출원은 2011년 5월 6일 출원된 미국 가특허 출원 제61/483,309호의 우선권을 주장하며, 이 기초출원은 본 명세서에 전문이 참조로서 포함된다.

본 발명의 기술분야

본 발명은 자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자 및 이의 생성 방법에 관한 것이다. 본 발명은 MRI 콘트라스트 촉진제로서 자기 그래핀-유사 나노입자 또는 흑연 나노- 또는 마이크로입자를 사용하는 방법에 관한 것이다.

MRI는 다수의 병리 및 질병의 개선된 진단을 위해 비침습적으로 해부학적 사항을 제공하기 위해 주로 사용된다(Sitharaman, B. & Wilson, L. J. Gadofullerenes and Gadonanotubes: A new paradigm for high-performance magnetic resonance imaging contrast agent probes Journal of Biomedical Nanotechnology 3, 342-352 (2007); Pan, D. et al . Revisiting an old friend: manganese-based MRI contrast agents. WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology 3, 162-173 (2010)). MRI의 개발은 감도 및 진단적 신뢰성을 증가시킴으로써 병리적 병변의 검출을 개선시키는 콘트라스트 촉진제(contrast agent: CA)로 불리는 화학적 콘트라스트-향상 생성물의 증가된 사용을 동시에 야기하였다.

두 유형, 즉 T ₁ 및 T ₂ MRI CA가 있으며, 각각 물 양성자의 종 T ₁ 및 횡 T ₂ 이완시간에 영향을 미친다(감소시킨다). 물 양성자의 이완 과정을 가속화시키는 그것의 유효성의 정량적 측정은 이완성(relaxivity); MRI CA의 단위 농도 당 이완 속도(이완 시간과 반비례)의 변화로서 알려져 있다. 널리 사용되는 임상적 T ₁ MRI CA는 주로 금속 이온 킬레이트 복합체로서 합성되며, 여기서 금속 이온은 란탄계열 원소 가돌리늄(Gd^{3 +}), 또는 내부 전이원소 망간(Mn^{2 +})이다. 최근 30년간 행해진 대규모의 실험적 및 이론적 연구는 현재 이완 메커니즘 및 근본적인 구조, 이들 상자성 이온 킬레이트 복합체의 이완성에 영향을 미치는 화학적 및 분자의 동적 특성의 양호한 이해를 제공한다(Aime et al, 1998, Chemical Society Reviews 27: 19-29; Caravan et al, 1999, Chem Rev 99: 2293-2352; and Lauffer, 1987, Chem Rev 87: 901-927). 이론은 이들 MRI 콘트라스트 촉진제의 이완성이 차선적이며, 이완성이 적어도 50 내지 100배까지 더 큰 새로운 콘트라스트 촉진제를 개발할 가능성을 예측하는 것을 시사한다(Merbach et al., 2001, The Chemistry of Contrast Agents in Medical Magnetic Resonance Imaging: John Wiley & Sons. 471; 및 Datta et al, 2009, Accounts Chem Res 42: 938-947).

대부분의 임상적 MRI CA는 상자성 T₁-강조(weighted) CA인데, 이는 가돌리늄-(Gd³⁺) 이온계 T₁ CA와 같이 밝은 양성 콘트라스트를 생성하기 위해 MR 신호를 향상시킨다. 중증의 신질환이 있는 일부 환자에서 또는 간 이식 후 신원성 전신 섬유증(nephrogenic systemic fibrosis: NSF)의 최근의 발견은 Gd^{3 +}-이온계 ECF MRI CA의 임상적 사용에 대한 미국식품의약국(Food and Drug Administration: FDA) 제한을 야기하는 걱정을 만들어 냈다(Girdhar, G. & Bluestein, D. Biological Effects of Dynamic Shear Stress in Cardiovascular Pathologies and Devices. Expert Rev. Medical Devices 5, 167-181 (2008)).

최근에, 원소 망간은 가돌리늄에 대한 가능한 대안으로서 주목받았다. MRI에 대한 상자성 콘트라스트 물질의 예로서 망간은 초기에 보고되었다. 란탄 계열과 달리, Ca^{2 +}와 비슷한 천연 세포 구성요소가 있으며, 이는 종종 효소 및 수용체에 대한 조절 보조인자로서 작용한다. 망간에 대해 보통의 1일 영양 요구량은 3 내지 8μ㏖인 한편, 정상 혈청 수준은 0.001μ㏖/ℓ이다. 망간 독성은 장기간 노출 후 또는 신경학적 증상을 초래하는 고농도에서만 보고되었다(Pan, D. et al . Revisiting an old friend: manganese-based MRI contrast agents. WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology 3, 162-173 (2010)).

과거 10년에 걸쳐, 탄소 나노구조, 예컨대 가도플러렌(gadofullerene)(Gd@C₆₀ Gd@C₈₀ 및 Gd@C₈₂로 표시됨) 및 Gd^{3 +} 금속 이온을 캡슐화하는 가도나노튜브(Gd@US-튜브로서 표시됨, US-튜브 = 초단(ultra-short) SWNT)가 MRI에 대한 T₁ CA로서 제안되었다(Sitharaman, B. & Wilson, L. J. Gadofullerenes and Gadonanotubes: A new paradigm for high-performance magnetic resonance imaging contrast agent probes Journal of Biomedical Nanotechnology 3, 342-352 (2007)). 이들 복합체의 개발에서 합성 전략은 탄소 나노튜브 및 나노다이아몬드와 같은 탄소 나노구조의 외부 탄소 시트에 대해 공유적으로 또는 비공유적으로 작용하는 다수의 Gd^{3 +}-킬레이트 복합체(Richard et al., 2008, Nano Letters 8: 232-236; 및 Manus et al, 2009, Nano Letters 10: 484-489), 또는 탄소 나노구조, 예컨대 플러렌(가도플러렌으로도 알려짐)의 탄소 시트 내에 Gd^{3 +}-이온의 캡슐화(Toth et al, 2005, J Am Chem Soc 127: 799-805; Kato et al, 2003, J Am Chem Soc 125: 4391-4397; 및 Fatouros et al, 2006, Radiology 240: 756-764), 및 단일벽 탄소나노튜브(가도나노튜브로도 알려짐)(Sitharaman et al., 2005, Chem Commun: 3915-3917; 및 Ananta et al., 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821)에 중점을 두었다. 이들 Gd^{3 +}-이온 탄소 나노구조는 낮은 내지 높은(0.01 내지 3T) 자기장에서 가장 높은 이완성을 나타내는 가도나노튜브를 지니는 Gd^{3 +}-킬레이트 복합체과 비교하여 이완성(자기장에 의존함)의 2배 내지 2제곱의 증가를 나타낸다. 그러나, MRI CA로서 Mn^{2 +}-이온 탄소 나노튜브 복합체의 가능성 및 효능은 여전히 조사되지 않았다.

가도나노튜브의 가변-자기장(0.01 내지 3T) 이완성 또는 핵 자기 공명 분산물(nuclear magnetic resonance dispersion: NMRD) 프로파일은 임의의 다른 MRI CA에 대해 얻어진 것과 특징적으로 상이하며, 그것의 이완 메커니즘은 잘 이해되지 않는다. 이해가 부족한 주된 이유는, 매우 고수준의 순도로 제조될 수 있고, 분명하게 특성규명되는 Gd^{3 +} 이온 킬레이트와 달리, 탄노 나노구조-Gd^{3 +} 이온 시스템은 주로 그것의 미립자 특성, 및 MRI 콘트라스트 촉진제로서 그것의 특성에 그것의 화학적, 기하학적 및 자기적 특징을 연결하는 복잡한 관계 때문에 다소 복잡하다. 그럼에도 불구하고, 나노기공 구조 내에서 Gd^{3 +} 이온의 기하학적 가둠(confinement)은 한 가지 이유일 수 있다(Ananta et al, 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821; 및 Bresinska I, 1994, J Phys Chem 98: 12989-12994). 규소(Ananta et al, 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821) 또는 제올라이트(Bresinska I, 1994, J Phys Chem 98: 12989-12994)의 나노기공 구조 내로 Gd^{3 +} 이온의 가둠은, 단지 Gd^{3 +} 이온이 단일벽 탄소나노튜브 내에 갇혀있을 때, Gd^{3 +} 킬레이트 화합물과 비교하여 2 또는 4배만큼 이완성을 증가시키며(Sitharaman et al., 2005, Chem Commun: 3915-3917; 및 Ananta et al., 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821) 다른 Gd^{3 +} 이온계 복합체에 대해 보고된 것과 상당히 상이한 NMRD 프로파일로 이완성의 몇 제곱 또는 그 이상의 증가가(자기장 강도와 관계없이) 있었다. 추가적으로, 지금까지 이완성 및 비통상적 NMRD 프로파일의 높은 증가가 그래핀 시트로부터 형성된 심리스(seamless) 원통인 단일벽 탄소나노튜브에, 또는 다른 그래핀 또는 흑연 구조에 갇힌 상자성 이온에 대해 일반적으로 관찰되는 단일벽 탄소나노튜브에 갇힌 상자성에 대해 독특한지 여부를 조직적으로 조사하는 것을 수행하는 연구는 없었다.

그래핀, 즉, 탄소의 2차원(two-dimensional: 2-D) 나노구조는 다양한 물질 및 의생명과학 적용에 대한 가능성을 보여주는 많은 주목을 불러일으켰다(Novoselov, K. S. et al . Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306, 666 (2004)). 이론 연구는 그래핀에서 다수의 자기 현상을 예측하며(Makarova, 2004, Semiconductors 38: 615-638), 지금까지, 이들 효과 중 몇몇은 실험적으로 탐구되었다(Wang, et al., 2008, Nano Letters 9: 220-224). 최근에, 단순한 과망간산칼륨(KMnO₄)계 산화적 화학 과정이 흑연 및 MWCNT와 같은 출발 물질을 사용하여 산화흑연, 그래핀 나노플라트렛(nanoplatelet), 및 그래핀 나노리본의 대규모 생성에서 사용되었다(Stankovich, et al., 2007, Carbon 45: 1558-1565; and Kosynkin, et al, 2009, Nature 458: 872-876). 이 작업에서, 이들 기술의 변형된 프로토콜을 사용하여 합성된 산화흑연, 그래핀 나노플라트렛, 및 그래핀 나노리본의 생리 화학적 특성을 특성규명하기 위한 실험적 연구가 수행되었다. 본 발명자들은 미량의 Mn^{2 +} 이온이 합성 과정 동안 그래핀 시트 내에 갇혔다는 것(개재됨(intercalated)), 및 일반적으로 이 갇힘이 상장성 킬레이트 화합물에 비해 이완성을 실질적으로 증가시킨다는 것(2제곱까지), 및 이들 물질이 상자성 킬레이트의 프로파일과 상이한 NMRD 프로파일에 의해 다양한 구조적, 화학적 및 자기적 특성을 나타낸다는 것을 증명한다.

최근의 보고는 그래핀 나노플라트렛(graphene nanoplatelet: GNP) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon: GNR)의 감당가능한 대규모 생성이 화학적 기법을 사용함으로써 가능하다는 것을 나타낸다(Stankovich, S. et al . Stable 수성 dispersions of graphitic nanoplatelets via the reduction of exfoliated graphite oxide in the presence of poly (sodium 4-styrenesulfonate). Journal of Materials Chemistry 16, 155-158 (2006); Stankovich, S. et al . Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45, 1558-1565 (2007); Stankovich, S., Piner, R., Nguyen, S. & Ruoff, R. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets. Carbon 44, 3342-3347 (2006); Li, D., Miiller, M., Gilje, S., Kaner, R. & Wallace, G. Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. Nature nanotechnology 3, 101-105 (2008); Kosynkin, D. et al. Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature 458, 872-876 (2009); Higginbotham, A., Kosynkin, D., Sinitskii, A., Sun, Z. & Tour, J. Lower-Defect Graphene Oxide Nanoribbons from Multiwalled Carbon Nanotubes. ACS nano 4, 2059-2069 (2010); Geng, Y., Wang, S. & Kim, J. Preparation of graphite nanoplatelets and graphene sheets. Journal of colloid and interface science 336, 592-598 (2009)).

본 발명은 하나 이상의 자기 금속 및 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조를 포함하는 자기 조성물을 제공한다.

바람직하게는, 본 발명의 자기 조성물은 적어도 약 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100 또는 500 mM^-1s^-1의 이완성 r1을 나타낸다.

바람직하게는, 본 발명의 자기 조성물은 적어도 약 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 500 또는 1000 mM^-1s^-1의 이완성 r2를 나타낸다.

그래핀-유사 나노구조는 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본일 수 있다. 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본은 산화될 수 있다. 바람직하게는, 그래핀-유사 나노구조, 예를 들어, 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본은 약 20㎚ 이하, 15㎚ 이하, 10㎚ 이하, 5㎚ 이하, 3㎚ 이하, 적어도 2개의 원자성 탄소 시트, 적어도 5 원자성 탄소 시트 또는 적어도 10 원자성 탄소 시트의 두께를 가진다.

바람직하게는, 흑연 나노구조 또는 마이크로구조는 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 500㎚ 이하, 250㎚ 이하 또는 100㎚ 이하의 두께를 가진다.

바람직하게는, 탄소 나노플라트렛은 5 내지 100㎚, 10 내지 75㎚, 20 내지 50㎚, 또는 30 내지 40㎚ 범위에서 평균 직경을 가진다. 바람직하게는, 탄소 나노리본은 1 내지 250㎚, 10 내지 200㎚, 50 내지 150㎚ 또는 70 내지 100㎚ 범위에서 평균 폭을 가진다.

그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조는 그래핀-유사 나노구조 또는 마이크로구조에 부착된, 예를 들어, 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노-또는 마이크로구조에 공유적으로 부착된 수용성 모이어티를 추가로 포함할 수 있다.

일 실시형태에서, 자기 금속은 내부전이 금속 Mn을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 실온 상자성 금속 원소이다. 다른 실시형태에서, 자기 금속은 내부전이 금속 Fe, Co 및 Ni를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 실온 강자성 금속 원소이다. 또 다른 실시형태에서, 자기 금속은 란탄계열 Gd, Eu, Pr, Nd 및 Sm을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 희토금속이다. 본 발명에 사용될 수 있는 바람직한 자기 금속은 Mn, Gd 및 Fe를 포함한다.

자기 조성물은 한 종 이상의 자기 금속을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서,자기 조성물은 두 종의 상이한 자기 금속을 포함한다.

자기 금속은 이온으로서 자기 조성물에 존재할 수 있다. 자기 금속은 또한, 산화금속 및 금속 염을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 금속 화합물의 형태로 자기 조성물에 존재할 수 있다. 자기 금속 또는 이들의 화합물은 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 개재될 수있다.

본 발명의 자기 조성물은 1ppb(질량 십억분율(mass parts per billion)) 내지 10⁷ppm(질량 백만분율(mass parts per million)), 10²ppb 내지 10⁶ppm, 1ppm 내지 10⁵ppm, 10 내지 10⁴ppm, 또는 10² 내지 10³ppm 범위의 양으로 자기 금속을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 충분한 양의 본 발명의 자기 조성물 피험체에게 투여하는 단계; 및 자기공명영상 장치를 사용하여 피험체를 영상화하는 단계를 포함하는, 피험체의 자기공명 영상화를 수행하는 방법을 제공한다. 피험체는, 포유류, 예를 들어 인간을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 임의의 동물일 수 있다.

본 발명은 또한 충분한 양의 자기 조성물, 및 한 종 이상의 생리적으로 허용가능한 담체 또는 부형제를 포함하는 MRI 영상화를 위한 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한 자기 금속 및 그래핀-유사 탄소 나노구조를 포함하는 자기 조성물을 생성하는 방법을 제공한다. 해당 방법은 황산 H₂SO₄, 질산(HNO₃), 염화망간(MnCl₂), 질산나트륨 NaNO₃ 및 과망간산칼륨 KMnO₄의 혼합물로 흑연을 산화시키는 단계; 및 앞의 단계에서 얻은 생성물의 현탁액을 초음파처리하는 단계를 포함한다. 해당 방법은 환원제로 자기 조성물을 환원시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 자기 금속 및 그래핀-유사 탄소 나노구조를 포함하는 자기 조성물을 생성하는 방법을 제공한다. 해당 방법은 황산 H₂S0₄, 질산(HNO₃), 염화망간(MnCl₂) 및 과망간산칼륨 KMnO₄로 다중벽 탄소 나노튜브를 처리하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 처리는 진한 H₂SO₄, 질산(HNO₃) 중에서 상기 다중벽 탄소 나노튜브를 현탁시키는 단계; 염화망간(MnCl₂), KMnO₄을 첨가하는 단계; 혼합물을 가열하는 단계 및 앞의 단계에서 얻은 생성물의 현탁액을 초음파 처리하는 단계를 포함하는 방법에 의해 수행된다. 구체적 실시형태에서, 혼합물은 55 내지 70℃로 가열된다.

자기 조성물은 당업계에 공지된 방법을 사용하여 추가로 수용화될(water solubilized) 수 있다, 예를 들어 (1) 플러렌 및 메탈로플러렌의 탄소-탄소 이중 결합에 걸쳐 카복실산 작용기를 첨가하기 위해 사용된 고리첨가 반응과 유사한 합성 프로토콜을 사용하는 것. (2) 덱스트란과 같은 천연 폴리머 또는 폴리에틸렌 글라이콜과 같은 합성 양친매성 폴리머에 의해 공유적으로 또는 비공유적으로 작용화되는 것.

도 1(a) 내지 1(d). (a) ~20㎚ 폭 소수층(few layered) 및 다중층의 환원된 그래핀 나노플라트렛; (b) 환원된 그래핀 나노플라트렛 상에서 탄소 원자의 격자구조를 나타내는 HRTEM 이미지 (c) ~120㎚ 폭 및 ~0.6 내지 2㎛ 길이 그래핀 나노리본 구조를 나타내는 이미지; (d) 그래핀 나노리본 시트의 다중층을 나타내는 고배율 이미지(화살표로 표시함)를 나타내는 망간 개입된 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본에 대한 200㎸에서 TEM 이미지를 도시한 도면.
도 2(a) 내지 2(b). (a) D 및 G 밴드 및 흑연, 산화된 흑연, 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대한 대응되는 피크를 나타내고; (b) MWCNT 및 그래핀 나노리본에 대한 D 및 G를 나타내는 530㎚ 레이저를 사용하는 라만 스펙트럼을 도시한 도면.
도 3(a) 내지 3(e). SQUID 플롯: (a) 흑연, (b) 산화된 흑연, (c) 그래핀 나노플라트렛, (d) 환원된 그래핀 나노플라트렛의 -50,000 내지 50,000Oe의 30K, 150 및 300K에서 플롯, 삽도: 300K에서 -5000 내지 5000Oe 플롯; (e) 40K의 차단 온도를 나타내는 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대한 ZFC 및 FC 자화 곡선에 대해 자화(M) 대 전계 강도(H)를 도시한 도면.
도 4(a) 내지 4(c). SQUID 플롯: -50,000Oe 내지 50,000Oe의 자화(M) 대 전계 강도(H) (a) MWCNT에 대한 3가지 온도에서 M 대 H(10, 150 및 300K); (b) 그래핀 나노리본에 대한 30K, 150K 및 300K에서 M 대 H 플롯, 삽도: 히스테리시스 루프를 나타내는 300K에서 -4000Oe 내지 4000Oe의 M 대 H; (c) 300K 초과의 높은 차단 온도를 나타내는 GNR에 대한 ZFC 및 FC 플롯을 도시한 도면.
도 5. MnCl₂ 및 물과 비교한 GONR의 T₁-강조 MRI 팬텀(phantom)을 도시한 도면.
도 6. 0.25 m㏖/㎏의 투약량으로 수용성 GNP MRI CA의 주사 전 및 주사 후 마우스의 대표적인 MR 이미지를 도시한 도면. 마그네비스트(Magnevist)와 같은 임상적 Gd계 CA에 대해 사용된 용량보다 100배 더 낮은 이런 저용량에서, 순환 나노입자 때문에 맥관구조 전체적으로 우수한 밝은 콘트라스트 향상이 얻어젼다.
도 7. ~1.137㎚의 균일한 두께를 나타내는 규소 기판 상에 분산된 그래핀 나노플라트렛의 AFM 부문 분석.
도 8. 657, 370 및 320㎝^-1에서 스펙트럼 피크를 나타내는 532㎚에서 하우스먼나이트(Hausmanite)(Mn₃O₄), 산화된 흑연 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 라만 스펙트럼의 비교를 도시한 도면.
도 9: (a) 마이크로-흑연, (b) 산화된 흑연 (c) 산화된 그래핀 나노플라트렛 (d) 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대한 -50,000 내지 50,000O의 30K, 150 및 300K에서 자화 (M) 대 전계 강도(H)의 플롯(삽도는 300K에서 -5000 내지 5000Oe 플롯을 도시함), (e) 환원된 그래핀 나노플라트렛의 ZFC 및 FC 자화의 플롯.
도 10: (a) MWCNT, 및 (b) 그래핀 나노리본(삽도는 300K에서 -4000Oe 내지 4000Oe의 M 대 H를 도시함)에 대해 10, 150 및 300K에서 -50,000Oe 내지 50,000Oe의 자화 (M) 대 전계 강도 (H), (c) 그래핀 나노리본의 ZFC 및 FC 플롯.
도 11: 고체 (a) 산화된 마이크로-흑연, (b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, (c) 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 (d) 그래핀 나노리본의 실온 EPR 스펙트럼을 도시한 도면.
도 12: (a) 산화된 마이크로-흑연, (b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, (c) 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 (d) 그래핀 나노리본 수용액의 실온 EPR 스펙트럼을 도시한 도면.
도 13: (a) 산화된 흑연, (b) 그래핀 나노플라트렛, (c) 환원된 그래핀 나노플라트렛, 및 d) 그래핀 나노리본에 대한 SBM 이론으로부터 유도된 실험적 NMRD 프로파일(점선), 및 최량적합(best fit)(실선)을 도시한 도면.
도 14: (a) 산화된 마이크로-흑연의 대표적인 SEM 이미지 및 (b,c) 환원된 그래핀 나노플레이 및 (d,e) 그래핀 나노리본의 TEM 이미지를 도시한 도면. (e)의 화살표는 다중층의 그래핀 나노리본 시트를 나타내고, (f) 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대해 200㎸ 에서 TEM 이미지는 ~20㎚ 폭의 소수층 및 다중층의 환원된 그래핀 나노플라트렛을 나타낸다. (g) ~1.137㎚의 균일한 두께를 나타내는 규소 기판상에 분산된 그래핀 나노플라트렛의 AFM 부문 분석을 도시한 도면.
도 15: (a) 흑연, 산화된 흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛, 및 (b) MWCNT 및 그래핀 나노리본에 대한 D 및 G 밴드 피크를 지니는 라만 스펙트럼을 도시한 도면, (c) 657, 370 및 320㎝^-1에서 스펙트럼 피크를 나타내는 532㎚에서 하우스먼나이트(Mn₃O₄), 산화된 흑연과 환원된 그래핀 나노플라트렛 사이의 라만 스펙트럼의 비교를 도시한 도면.
도 16: 530 eV에서 산소 피크를 나타내는 (a) 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 (b) 산화된 그래핀 나노플라트렛에 대한 EELS 스펙트럼을 도시한 도면.
도 17: (a) 고체 샘플의 측정을 위해 사용한 윌마드(Wilmad) 석영 EPR 관, (b) 수성 샘플에 대해 사용한 석영 EPR 평판관, (c) DPPH 표준(고체) 및 (d) DPPH 표준(수성)의 EPR 스펙트럼을 도시한 도면.
도 18: 모든 SBM 변수가 부동되는 부동에 대해 얻은 곡선을 도시한 도면. a) 산화된 흑연, b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, c) 환원된 그래핀 나노플라트렛, d) 그래핀 나노리본.
도 19: 남아있는 SBM 변수를 부동시킴과 함께 고정된 Q=2에 대해 얻은 곡선을 도시한 도면. a) 산화된 흑연, b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, c) 환원된 그래핀 나노플라트렛, d) 그래핀 나노리본.
도 20: 남아있는 SBM 변수를 부동시킴과 함께 고정된 Q=4에 대해 얻은 곡선을 도시한 도면. a) 산화된 흑연, b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, c) 환원된 그래핀 나노플라트렛, d) 그래핀 나노리본.
도 21. 남아있는 SBM 변수를 부동시킴과 함께 고정된 Q=6에 대해 얻은 곡선을 도시한 도면. a) 산화된 흑연, b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, c) 환원된 그래핀 나노플라트렛, d) 그래핀 나노리본.
도 22: 남아있는 SBM 변수를 부동시킴과 함께 고정된 Q=8에 대해 얻은 곡선을 도시한 도면. a) 산화된 흑연, b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, c) 환원된 그래핀 나노플라트렛, d) 그래핀 나노리본.
도 23: 남아있는 SBM 변수를 부동시킴과 함께 표 8에서 나타내는 값에서 고정된 Q=8 및 고정된 T_m에 대해 얻은 곡선. a) 산화된 흑연, b) 산화된 그래핀 나노플라트렛, c) 환원된 그래핀 나노플라트렛, d) 그래핀 나노리본. d의 그래핀 나노리본에 대한 적합도는 놀랍게도 예상보다 더 나빴다.

본 발명은 하나 이상의 자기 금속 및 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조를 포함하는 자기 조성물을 제공한다. 자기 조성물은 상자성 또는 반자성일 수 있다. 바람직하게는, 자기 조성물은 상자성이다. 자기 조성물은 강자성일 수 있다. 자기 조성물은 또한 초상자성일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 자기 조성물은 적어도 약 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100 또는 500 mM^-1s^-1의 이완성 r1을 나타낸다. 구체적 실시형태에서, 본 발명의 자기 조성물은 약 45 mM^-1s^-1의 이완성 r1을 나타낸다. 다른 구체적 실시형태에서, 본 발명의 자기 조성물은 약 73 mM^-1s^-1의 이완성 r1을 나타낸다.

바람직하게는, 본 발명의 자기 조성물은 적어도 약 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400, 500 또는 1000 mM^-1s^-1의 이완성 r2를 나타낸다. 구체적 실시형태에서, 본 발명의 자기 조성물은 약 15 mM^-1s^-1의 이완성 r2를 나타낸다. 다른 구체적 실시형태에서, 본 발명의 자기 조성물은 약 251 mM^-1s^-1의 이완성 r2를 나타낸다.

그래핀은 2차원(2D) 허니콤 격자에 빽빽하게 채워진 탄소 원자의 편평한 단일층이며, 모든 다른 차원수의 흑연 재로에 대한 기본적 빌딩 블록이고, 0D 플러렌으로 둘러싸일 수 있으며, 1D 나노튜브와 합쳐지거나 또는 3D 흑연에 적층된다(Geim and Novoselov, 2007, "The rise of graphene", Nature Materials 6 (3): 183-191). 본 명세서에 사용되는 바와 같은, 용어 "그래핀-유사 나노구조"(또는 "그래핀-유사 나노입자")는 하나 이상의 원자성 탄소 시트 또는 층을 포함하는 탄소 나노구조를 지칭한다. 본 적용에서, 단순함의 이유로, 용어 "그래핀 나노구조"는 또한 그래핀-유사 나노구조를 지칭하기 위해 사용된다. 따라서, 달리 명확하게 언급되지 않는다면, 용어 "그래핀 나노구조"는 단일 원소 탄소 시트만을 갖는 나노구조로 제한되지 않는다. 그래핀-유사 나노구조는 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본일 수 있다. 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본은 산화될 수 있다.

바람직하게는, 흑연 나노구조 또는 마이크로구조는 5㎛ 이하, 4㎛ 이하, 3㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 500㎚ 이하, 250㎚ 이하 또는 100㎚ 이하의 두께를 가진다.

일 실시형태에서, 흑연 마이크로구조는 1 내지 5㎛, 2 내지 4㎛ 또는 2 내지 3㎛ 범위의 두께를 가진다. 다른 실시형태에서, 흑연 마이크로구조는 1 내지 5㎛, 2 내지 4㎛, 또는 2 내지 3㎛ 범위에서 구조의 가장 긴 길이를 가진다.

바람직하게는, 그래핀-유사 나노구조, 예를 들어, 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본은 약 20㎚ 이하, 15㎚ 이하, 10㎚ 이하, 5㎚ 이하 또는 3㎚ 이하의 두께를 가진다. 그래핀-유사 나노구조, 예를 들어, 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본은 적어도 1개의 원자성 탄소 시트, 적어도 2개의 원자성 탄소 시트, 적어도 5개의 원자성 탄소 시트 또는 적어도 10개의 원자성 탄소 시트를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 그래핀-유사 나노구조, 예를 들어, 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본은 1 내지 12개의 원자성 탄소 시트를 포함한다. 구체적 실시형태에서, 그래핀-유사 나노구조, 예를 들어, 탄소 나노플라트렛 또는 탄소 나노리본은 1 또는 2개의 원자성 탄소 시트를 포함한다.

바람직하게는, 그래핀-유사 나노구조는 5 내지 100㎚, 10 내지 75㎚, 20 내지 50㎚, 또는 30 내지 40㎚ 범위에서 평균 직경을 갖는 탄소 나노플라트렛이다. 구체적 실시형태에서, 탄소 나노플라트렛은 약 20㎚의 평균 직경을 가진다. 다른 구체적 실시형태에서, 탄소 나노플라트렛은 약 50㎚의 평균 직경을 가진다. 또 다른 구체적 실시형태에서, 그래핀-유사 나노플라트렛은 1 내지 5㎚ 범위의 두께 및 약 50㎚의 직경을 가진다.

바람직하게는, 그래핀-유사 나노구조는 1 내지 250㎚, 10 내지 200㎚, 50 내지 150㎚, 또는 70 내지 100㎚ 범위의 평균 폭을 갖는 탄소 나노리본이다. 구체적 실시형태에서, 탄소 나노리본은 약 120㎚의 평균 폭을 가진다. 바람직하게는, 탄소 나노리본은 200 내지 5000㎚, 400 내지 4000㎚, 또는 500 내지 3000㎚ 범위에서 평균 길이를 가진다. 구체적 실시형태에서, 탄소 나노리본은 600 내지 2000㎚ 범위의 평균 길이를 가진다.

그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조는 그래핀-유사 나노구조 또는 마이크로구조에 부착된 수용성 모이어티를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 수용성 모이어티는 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 공유적으로 부착된다. 구체적 실시형태에서, 수용성 모이어티는 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 부착된 말론산 및 세리놀 말로노다이아마이드로 이루어진 군으로부터 선택된다. 수용성 모이어티는 어떤 당업계에 공지된 방법을 사용하여, 예를 들어, 빙겔형(Bingel type) 반응을 사용하여 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 부착될 수 있다(Bingel, C, 1993, Cyclopropanierung von Fullerenen, Chemische Berichte 126 (8): 1957). 다른 구체적 실시형태에서, 수용성 모이어티는 천연 폴리머 덱스트란 또는 합성 폴리머 폴리에틸렌 글라이콜이다. 수용성 모이어티는 당업계에 공지된 임의의 방법을 사용하여, 예를 들어 상승된 온도(60 내지 95℃)에서 1 내지 3시간 동안 초음파처리를 사용하여 공유적으로 또는 비공유적으로 부착될 수 있다.

본 발명의 자기 조성물 내 자기 금속은 외부에 적용되는 자기장의 존재 또는 부재에서 자성을 나타내는 임의의 금속일 수 있다. 일 실시형태에서, 자기 금속은 실온에서 내부전이 금속 Mn을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 상자성 금속 원소이다. 다른 실시형태에서, 자기 금속은 내부전이 금속 Fe, Co 및 Ni를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 실온 강자성 금속 원소이다. 또 다른 실시형태에서, 자기 금속은 란탄계열 Gd, Eu, Pr, Nd 및 Sm을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 희토 금속이다. 본 발명에 사용될 수 있는 바람직한 자기 금속은 Mn, Gd 및 Fe를 포함한다.

자기 조성물은 한 종 이상의 자기 금속을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 자기 조성물은 두 종의 상이한 자기 금속을 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 자기 조성물은 Mn 및 Fe를 포함한다.

자기 금속은 이온으로서 자기 조성물에 존재할 수 있다. 자기 금속은 금속 산화물 및 금속 염을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 금속 화합물의 형태로 자기 조성물에 존재할 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 자기 금속은 금속 산화물의 형태로 자기 조성물에 존재한다.

바람직한 실시형태에서, 자기 금속 또는 이의 화합물은 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 개입된다.

본 발명의 자기 조성물은 1ppb(질량 십억분율) 내지 10⁷ppm(질량 백만분율), 10²ppb 내지 10⁶ppm, 10²ppb 내지 10²ppm, 1ppm 내지 10⁵ppm, 10 내지 10⁴ppm, 또는 10² 내지 10³ppm 범위의 양으로 자기 금속을 포함할 수 있다.

특히 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 자기 조성물은 본 명세서에 기재된 바와 같은 그래핀-유사 나노구조 및 Mn을 포함한다. 일 실시형태에서, Mn은 Mn 산화물로서 존재한다. 다른 실시형태에서, Mn은 2가 및/또는 3가 Mn으로서 존재한다. 또 다른 실시형태에서, Mn 산화물은 하우스먼나이트를 포함한다.

일 실시형태에서, 자기 조성물은 10⁶ 내지 5.5×10⁷ppm, 예를 들어, 약 5 x 10⁶ ppm 범위의 양으로 탄소 나노플라트렛 및 Mn을 포함한다.

다른 실시형태에서, 자기 조성물은 10² 내지 10³ppm, 예를 들어, 5×10²ppm 범위의 양에서 탄소 나노리본 및 Mn을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, Mn은 0.1 내지 2ppm, 0.2 내지 1.5ppm, 또는 0.5 내지 1ppm 범위의 양에 있다.

본 발명은 또한 충분한 양의 본 발명의 자기 조성물 피험체에게 투여하는 단계; 및 자기공명영상 장치를 사용하여 피험체를 영상화하는 단계를 포함하는, 피험체의 자기공명 영상화를 수행하는 방법을 제공한다. 피험체는, 포유류, 예를 들어 인간을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 임의의 동물일 수 있다. 본 발명의 자기 조성물은 단독으로 또는 다른 MRI 콘트라스트 촉진제를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다른 작용제와 조합되어 사용될 수 있다. 자기 조성물은 정맥내, 혈관내 주사 및 경구 투여를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해 피험체에 투여될 수 있다. 당업자는 관심 및/또는 스캔 목적의 신체에서 조직, 기관 또는 다른 영역에 따를 적절한 투여 경로를 선택할 수 있다. 자기 공명 영상화는 당업계에 공지된 어떤 표준 방법 및 장치에 의해 수행될 수 있다. 본 발명의 자기 조성물은 및/또는 다른 MRI CA는 세포밖 유체 또는 초회 통과 MRI CA, 혈액 풀(pool) MRI CA, 기관 특이적 MRI CA 및 분자 영상화 MRI CA를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 임의의 적합한 형태일 수 있다.

본 발명은 충분한 양의 한 종 이상의 자기 조성물을 하나 이상의 용기에 포함하는 MRI 영상화에서 사용을 위한 키트를 제공한다. 충분한 양의 자기 조성물은 MRI 영상에서 영상 콘트라스트의 향상을 야기하기에 충분한 조성물의 양을 지칭한다. 자기 조성물은, 세포밖 유체 또는 초회 통과 MRI CA, 혈액 풀 MRI CA, 기관 특이적 MRI CA 및 분자 영상화 MRI CA를 포함하지만, 이들로 제한되지 않는 영상화제의 임의의 적합한 형태일 수 있다.

자기 조성물의 독성은 예를 들어 LD₅₀(집단의 50%에 대한 치사 용량)을 결정하기 위해 세포 배양물 및/또는 실험 동물에서 표준 과정에 의해 결정될 수 있다. 유효한 용량은 임상적으로 허용되는 표준에 따라 추정될 수 있다. 세포 배양물 분석 및/또는 동물 연구로부터 얻은 데이터는 인간에서 사용을 위한 투약량의 범위를 조제하는데 사용될 수 있다. 이러한 자기 조성물의 투약량은 바람직하게는 독성이 거의 없거나 전혀 없는 MRI 영상을 향상시키는데 효과적인 농도 범위 내이다. 투약량은 사용되는 제형(dosage form) 및 이용되는 투여경로에 의존하여 이 범위 내에서 다를 수 있다. 당업자는 표준 프로토콜에서 자기 조성물 기반의 적합한 투약량을 선택할 수 있다.

본 발명에 따른 사용을 위한 조성물은, 예를 들어 투여 경로, 예를 들어 경구 또는 비경구 투여에 따라서 한 종 이상의 생리적으로 허용가능한 담체 또는 부형제를 사용하는 통상적인 방식으로 조제될 수 있다.

경구 투여를 위해, 자기 조성물은, 예를 들어 약제학적으로 허용가능한 부형제, 예컨대 결합제(예를 들어, 전호화된 옥수수 전분, 폴리비닐피롤리돈 또는 하이드록시프로필 메틸셀룰로스); 충전제(예를 들어, 락토스, 미정질 셀룰로스 또는 인산수소칼슘); 윤활제(예를 들어, 스테아르산마그네슘, 탈크 또는 실리카); 붕해제(예를 들어, 감자 전분 또는 나트륨 전분 글리콜레이트); 또는 습윤제(예를 들어, 라우릴 황산나트륨)와 함께 통상적인 수단에 의해 제조된 정제 또는 캡슐의 형태를 취할 수 있다. 정제는 당업계에 잘 공지된 방법에 의해 코팅될 수 있다. 경구 투여를 위한 액체 제제는, 예를 들어 용액, 시럽 또는 현탁액의 형태를 취할 수 있거나, 또는 그것들은 사용 전 물 또는 다른 적합한 비히클과 구성을 위해 건조 생성물로서 존재할 수 있다. 이러한 액체 제제는 약제학적으로 허용가능한 첨가제, 예컨대 현탁제(예를 들어, 솔비톨 시럽, 셀룰로스 유도체 또는 경화된 식용 지방); 에멀젼화제(예를 들어, 레시틴 또는 아카시아); 비수성 비히클(예를 들어, 아몬드 오일, 유성 에스테르, 에틸 알코올 또는 분획화된 식물성 오일); 및 보존제(예를 들어, 메틸 또는 프로필-p-하이드록시벤조에이트 또는 솔브산)과 함께 통상적인 수단에 의해 제조될 수 있다. 제제는 또한 적절하다면 완충염, 향미제, 착색제 및 감미제를 함유할 수 있다.

조성물은 주사에 의해, 예를 들어 볼루스 주사 또는 연속적 주입에 의해 비경구 투여용으로 조제될 수 있다. 주사용 조제물은 단위 제형으로, 예를 들어 앰플 또는 다회용량 용기에 존재할 수 있다. 조성물은 유성 또는 수성 비히클 내 현탁액, 용액 또는 에멀젼으로서 이러한 형태를 취할 수 있고, 조제 작용제, 예컨대 현탁화제, 안정제 및/또는 분산제를 함유할 수 있다. 대안적으로, 활성 성분은 사용 전 적합한 비히클, 예를 들어 멸군 무 발열원수와 함께 구성을 위한 분말 형태일 수 있다.

적합한 투여 경로는, 예를 들어 경구, 및 근육내, 피하, 골수내 주사뿐만 아니라 척추강내, 직접 뇌실내, 정맥내, 복강내, 비강내, 또는 안내 주사를 포함하는 비경구 전달을 포함할 수 있다.

더 나아가, 예를 들어 영향받는 세포에 특이적인 항체로 코팅된 리포좀에서 표적화된 약물 전달 시스템 내에 약물을 투여할 수 있다. 리포좀은 관심의 세포에 대해 표적화되고, 관심의 세포에 의해 선택적으로 취해질 수 있다.

원한다면, 조성물은 자기 조성물을 함유하는 하나 이상의 단위 제형을 함유할 수 있는 팩 또는 디스펜서 장치에 제공될 수 있다. 팩 또는 디스펜서 장치는 투여를 위한 설명서를 수반할 수 있다. 양립가능한 담체 내에 조제된 본 발명의 자기 조성물을 포함하는 조성물이 또한 제조될 수 있으며, 적절한 용기에 위치되고, 용도에 대해 라벨을 붙인다.

따라서, 본 발명은 피험체의 자기공명 영상화에서 사용을 위한 본 발명의 자기 조성물을 제공한다.

본 발명은 또한 자기 금속 및 그래핀-유사 탄소 나노구조를 포함하는 자기 조성물을 생성하는 방법을 제공한다. 해당 방법은 황산 H₂SO₄, 질산(HNO₃), 염화망간(MnCl₂), 질산나트륨 NaNO₃ 및 과망간산칼륨 KMnO₄의 혼합물로 흑연을 산화시키는 단계; 및 앞의 단계에서 얻은 생성물의 현탁액을 초음파처리하는 단계를 포함한다. 해당 방법은 환원제로 자기 조성물을 환원시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 환원제는 히드라진 수화물이다. 일 실시형태에서, 본 발명의 방법에 사용되는 흑연은, 예를 들어 약 45㎛의 크기를 갖는 마이크로-흑연이다.

본 발명은 또한 자기 금속 및 그래핀-유사 탄소 나노구조를 포함하는 자기 조성물을 생성하는 방법을 제공한다. 해당 방법은 황산 H₂S0₄, 질산(HNO₃), 염화망간(MnCl₂) 및 과망간산칼륨 KMnO₄로 다중벽 탄소 나노튜브를 처리하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 처리는 진한 H₂SO₄ 중에서 상기 다중벽 탄소 나노튜브를 현탁시키는 단계; KMnO₄를 첨가하는 단계; 혼합물을 가열하는 단계에 의해 수행된다. 구체적 실시형태에서, 혼합물은 55 내지 70℃로 가열된다.

자기 조성물은 당업계에 공지된 방법을 사용하여 추가로 수용화될 수 있다. 일 실시형태에서, 자기 조성물은 플러렌 및 메탈로플러렌의 탄소-탄소 이중 결합에 걸쳐 카복실산 작용기를 첨가하기 위해 사용된 고리첨가 반응과 유사한 합성 프로토콜을 사용하여 수용화된다(Sithamaran, B.; Zakharian, T. Y. et al. Molecular Pharmaceutics 2008, 5, 567).

실시예

다음의 실시예는 본 발명의 예시의 방법에 의해 제시되며, 어떤 방식으로 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

실시예 1

재료 및 방법

그래핀 나노플라트렛( GNP ) 합성:

변형된 허머 방법(Hummer Method)에 의해 분석 등급 마이크로-흑연(45㎛, 496596-시그마 알드리치(Sigma Aldrich))로부터 산화 흑연을 제조하였다(Geng, Y., Wang, S. & Kim, J. Preparation of graphite nanoplatelets and graphene sheets. Journal of colloid and interface science 336, 592-598 (2009); Hummers Jr, W. & Offeman, R. Preparation of graphitic oxide. Journal of the American Chemical Society 80, 1339-1339 (1958)). 전형적인 박리 과정에서, 건조시킨 산화된 흑연(200㎎)을 물(200㎖)을 함유하는 둥근 바닥 플라스크 내에서 MnCl₂와 함께 현탁시켰고, 초음파욕 세정기 내에서 1시간 동안 초음파 처리하였다(피셔 사이언티픽(Fischer Scientific), FS60, 230W)(Stankovich, S. et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45, 1558-1565 (2007)). 50㎖의 이 균일한 용액을 원심분리시키고, 펠렛을 밤새 건조시켜 산화된 그래핀 나노플라트렛(GNP)을 얻었다. 남아있는 150㎖를 히드라진 수화물(1.5㎖, 37.1m㏖)로 처리하였고, 수냉식 응축하에 12시간 동안 100℃의 오일 욕에서 가열하였으며, 이는 검정색 침전물을 초래하였다. 생성물을 분리하였고, 물(500㎖) 및 메탄올(500㎖)로 소결 유리 필터 깔때기 매질을 거쳐서 세척하였으며, 연속적 기류에 의해 건조시켜 환원된 그래핀 나노플라트렛을 수득하였다.

그래핀 나노리본( GNR ) 합성:

앞서 기재한 것에 대해 변형한 과정을 사용하여 MWCNT(636843-시그마 알드리치(Sigma Aldrich))로부터 그래핀 나노리본을 제조하였다(Kosynkin, D. et al . Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature 458, 872-876 (2009); Higginbotham, A., Kosynkin, D., Sinitskii, A., Sun, Z. & Tour, J. Lower-Defect Graphene Oxide Nanoribbons from Multiwalled Carbon Nanotubes. ACS nano 4, 2059-2069 (2010)). MWCNT(150㎎, 12.5당량의 탄소)를 30㎖의 진한 H₂S0₄ 중에서 2시간 동안 현탁시켰다. KMnO₄(750㎎, 4.75m㏖), MnCl₂(1 내지 50㎎)를 첨가하였고, 혼합물을 1시간 동안 교반시켰다. 그 다음에 반응물을 완료될 때까지, 오일욕 내 55 내지 70℃에서 추가 1시간 동안 가열하였다. 실온으로 냉각시켰고, 생성물을 산성수, 에탄올 및 에터로 세척하였으며, 후속의 원심분리에 의해 분리시켰다. 원심분리는 단순하고, 쉬우며 빠른 분리로 100% 수율을 초래한다.

샘플 분석:

JEOL JEM2010F(FEG-TEM) 고해상도 분석 투과 전자 현미경을 사용하여 GNP 및 GNR에 대한 고해상도 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM) 영상 분석을 수행하였다. 200㎸ 가속 전압에서 영상화를 수행하였다. 균질한 혼합물을 형성하기 위해 1:1 에탄올:물 중에서 건조 분말을 분산시킴으로써 TEM 샘플을 제조하였다. 그 다음에, 현탁액을 레이스 탄소 필름(EMS, Cat # LC305- Cu)으로 덮은 300 메시 Cu 그리드 상에 침착시켰다. 흑연, 산화된 흑연, 및 모든 그래핀 샘플의 RAMAN 스펙트럼 분석을 530㎚ 다이오드 레이저 여기 파장 및 실온에서 써모 사이언티픽(Thermo Scientific) DXR 라만 공초점 현미경을 사용하여 200 내지 3000㎝^-1에서 수행하였다.

자성 거동의 특성규명:

그래핀 샘플의 자화를 약 10^-8emu의 감도를 지니는 초전도 양자간섭소자(super conducting quantum interference device: SQUID) 자력계를 사용하여 연구하였다. 0 내지 300K에서 -50000Oe 내지 50000Oe 범위의 적용된 자기장 사이에 샘플을 분석하였다. 자기장 냉각 및 영자기장(Zero Field) 냉각 방식에서, 온도의 함수로서 자화를 연구하기 위해 500Oe의 보자력 장(항전계)을 적용하였다.

이완성의 특성규명:

이완성 측정을 위해, 1㎎의 모든 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본 샘플을 2㎖의 생물학적으로 양립가능한 1% 플루로닉(Pluronic) F127 계면활성제 용액 중에 균일하게 분산시켰다. 이들 포화된(현탁액) 용액의 상청액을 그 다음에 이완측정(relaxometry)을 위해 사용하였다. 종 및 횡 이완시간(T ₁, T ₂)을 21.42㎒ 및 0.5T 전계 강도의 양성자 NMR 주파수에서 iSpin-NMR 시스템(스핀코어 테크놀로지(Spincore technology))을 사용하여 측정하였다. T ₁ 및 T ₂를 각각 반전 회복법 및 CPMG 방법을 사용하여 측정하였다. 이완 시간의 반전은 각 이완 속도, R ₁ 및 R ₂를 나타낸다. MRI 콘트라스트 촉진제의 효율의 측정인 이완성(r _{1 ,2})을 그것의 농도의 함수로 표현한다. 이것을 식 r _{1 ,2} = (R _{1 ,2} - R ₀)/[Mn^{2 +}]을 사용하여 계산하였으며; R _{1 ,2} 및 R₀은 각각 샘플의 종 또는 횡 이완 속도 및 1% 플루로닉 F127 계면활성제 용액이며, [Mn^{2 +}]는 이완 측정을 위해 사용되는 용액의 용적 내 망간의 농도이다.

금속 함량 분석

본 발명자들의 샘플에서 망간의 존재를 확인하고 망간의 농도를 결정하기 위하여, 유도 결합 플라즈마 광학 발광 분광법(inductively coupled plasma optical emission spectroscopy:ICPOES)을 두 상업적 분석 시험 연구소에서 개별적으로 수행하였다(애리조나주 투손에 소재한 컬럼비아 애널리티컬 서비스(Columbia Analytical Services) 및 테네시주 녹스빌에 소재한 갈브래스 래버러토리즈 인코포레이티드(Galbraith Laboratories, Inc.)). 모든 샘플 내 칼륨[K] 함량을 추정하였다. ICP 샘플 제조를 위해, 이완 시간 측정을 위해 사용한 플루로닉 용액 내 샘플의 현탁액을 진한 HNO₃로 처리하였고, 조심해서 가열하여 고체 잔사를 얻었다. 그 다음에 그것들을 30% H₂O₂로 처리하였고, 다시 가열하여 탄소질 물질을 제거하였다. 고체 샘플의 경우에, 그것들은 직접 과산화물에 대한 영향을 받았고, 열 처리로 탄소질 함량을 제거하였다. 각 경우에 남아있는 잔사를 2% HNO₃ 중에서 용해하였고, 써모 자렐 애쉬(Thermo Jarrell Ash) ICAP 61 유도 결합 플라즈마 분광기를 사용하여 ICP에 의해 분석하였다.

시험관내 팬텀 MRI

3T 트리오 지멘스(Trio Siemens) MRI 시스템을 사용하여 시험관내 T ₁ 및 T ₂ MRI 팬텀 실험을 나노리본 샘플에 대해 수행하였고, T ₁ 측정을 위하여 500㎳의 반복 시간(repetition time: TR) 및 10㎳의 에코 시간(echo time: TE)에서, 그리고 T ₂ 측정을 위하여 8000㎳의 TR 및 112㎳의 TE에서 2D 스핀-에코 영상을 사용하여 영상을 얻었다.

결과 및 논의

이 실시예는 흑연 및 MWCNT와 같은 출발 물질을 사용하는 단순한 화학적 산화 과정(합성의 세부사항에 대해 방법 및 재료 부문을 참조)이 MRI 콘트라스트 촉진제로서 가능성을 나타내는 자기 망간 개입된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본을 수득한다는 것을 나타낸다.

도 1(a, b)는 각각 환원된 그래핀 나노플라트렛의 대표적인 저배율 및 고배율 TEM 영상을 나타내며, 이는 그것의 구조 및 형태학적 정보를 제공한다. 도 1(a)에서 알 수 있는 바와 같이, 그것들은 ~20㎚의 평균 폭을 지니는 형상으로 둥글게 나타난다. 일부 플라트렛은 다른 것보다 진하게 나타나며, 이는 다중층 그래핀 산화물 시트의 존재에 기인한다. 거의 투명한 더 밝은 것은 단일 또는 이중층 그래핀 산화물 시트이다. 도 1(b)는 개개의 그래핀 시트의 원자 격자 프린지(fringe) 구조를 나타내며, 격자 그리드 선 및 6각형 탄소 원자 고리는 명확하게 눈에 보인다(Lu, G., Mao, S., Park, S., Ruoff, R. & Chen, J. Facile, noncovalent decoration of graphene oxide sheets with nanocrystals. Nano Research 2, 192-200 (2009)). Si 기판 상의 그래핀 산화물 나노플라트렛 분산물의 AFM 부문 분석은 ~1.137㎚의 균일한 두께를 나타내었다(도 7). 순수 그래핀(pristine graphene) 시트는 0.34㎚의 원자 층 두께를 가진다(반 데르 발스). 그래핀 산화물 나노플라트렛 구조에서 카복실 및 하이드록실기와 공유 결합의 존재 및 sp³ 탄소 원자의 이동은 두께 증가를 위한 이유가 되는 것으로 알려져 있다(Stankovich, S. et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45, 1558-1565 (2007)).

도 1(c, d)는 각각 그래핀 나노리본의 대표적인 저배율 및 고배율 TEM 영상을 나타낸다. 도 1(c)에서 알 수 있는 바와 같이, 그래핀 나노리본은 완전히 지퍼가 열린(unzipped) 그래핀 시트 층을 가진다. 도 1(d)의 고해상도 TEM 영상은 나노리본은 MWCNT의 동심원 벽의 성공적인 지퍼 열림에 기인하여 다층이 되는 것(화살표)을 명확하게 보여준다. 그래핀 산화물 나노리본의 원자 구조적 표면 품질은 대부분 균일하고 부드러운 것으로 나타났으며, 결함은 거의 없었다. 출발 물질인 MWCNT는 40 내지 70㎚의 외부 직경 및 500 내지 2000㎚의 길이를 가진다. MWCNT가 원통이기 때문이, 지퍼가 열릴 때, 그것들은 500 내지 2000㎚의 길이 및 125 내지 220㎚인 직경의 pi배 범위의 폭을 가지도록 완전히 개방되어야 한다. TEM 영상의 분석은 그래핀 나노리본의 평균 폭이 70㎚의 MWCNT의 가장 바깥쪽 튜브의 외부 직경을 초과하는 ~120㎚라는 것을 나타내며, 따라서 지퍼 열림 과정을 확인한다. 그러나 이 평균값은 125 내지 220㎚의 완전히 편형한 리본에 대해 필요한 범위보다 약간 더 적으며, 이는 지퍼 열림 과정이 완전히 편형한 리본을 제공하지 않지만, 그러나, 리본이 여전히 튜브의 일부 곡률을 보유하고, 따라서 그것들은 완전히 편평한 시트에 대해 예상된 것보다 더 짧은 폭을 가진다는 사실에 의해 입증될 수 있다. TEM 영상은 지퍼가 열린 MWCNT의 계산 범위 내에 속하는 ~600 내지 2000㎚의 평균 길이를 나타낸다.

도 2(a)는 산화 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 또한 대조군으로서 흑연 및 산화된 흑연의 라만 스펙트럼을 포함하다. 흑연의 스펙트럼은 1581㎝^-1에서 현저하게 뾰족한 피크를 나타내는데, 이는 이중 퇴보 용역 중심 E_2g 방식에 기인하는 G-밴드를 나타낸다(Tuinstra, F. & Koenig, J. Raman spectrum of graphite. The Journal of Chemical Physics 53, 1126 (1970)). 산화된 흑연의 경우에, G 밴드의 퍼짐 및 1595㎝^-1 쪽으로 피크 이동이 있다. 추가로, 영역 경계 포논(zone boundary phonon)은 현저하게 되는 1345㎝^-1에서 D 밴드가 생기게 하는데, 이는 장애 sp² 도메인의 증가 및 산화에 기인하는 결정 크기의 감소를 나타낸다. 흑연의 산화 과정에 기인하여, 흑연에 대해 0.407로부터 산화된 흑연에 대해 1.2의 D 대 G 피크의 강도 비(I_D/I_G)의 증가가 있다(Tuinstra, F. & Koenig, J. Raman spectrum of graphite. The Journal of Chemical Physics 53, 1126 (1970)). 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 스펙트럼은 각각 I_D/I_G 1.3 및 1.44에서 추가 증가를 나타낸다. 도 2(a)는 환원된 그래핀 나노플라트렛의 경우에, D 및 G 밴드의 피크가 흑연값에 더 가깝게(각각 1330cm^-1 및 1590㎝^-1) 이동되는 것을 나타내며, 이는 지시된 정도로 감소 및 저장 동안 산소 작용기의 제거에 기인한다. 그러나, 1.44까지 I_D/I_G의 증가는 이러한 작은 크기의 장애 도메인 수의 증가에 추가적으로 sp² 도메인의 평균 크기 감소에 기인한다(Kosynkin, D. et al. Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature 458, 872-876 (2009)).

추가적으로, 산화된 흑연 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 라만 스펙트럼은 또한 약 657㎝^-1, 370㎝^-1 및 320㎝^-1에서 추가적인 피크를 나타내었다(도 8). 피크를 확인하기 위해서, 러프(RRUFF)(상표명) 프로젝트 수집물을 사용하는 라만 스펙트럼 데이터베이스를 수행하였다. 이는 관찰된 피크가 하우스먼나이트로 알려진 2가 및 3가 망간을 함유하는 산화복합체에 기인한다는 것을 확인하였으며, 도 8을 참조한다. 도 8에서, 샘플의 G 및 D 밴드는 하우스먼나이트의 추가적인 피크와 마찬가지로 나타났으며, 이는 산화망간이 이들 영역에서 탄소질 매트릭스 내로 개재된다는 것을 확인한다. 하우스먼나이트(Mn₃O₄) 나노결정은 공기 중의 고온에서 산화물, 수산화물, 탄산염, 질산염 또는 황산염의 하소(calcination)를 수반하는 다양한 방법에 의해 합성되는 것이 공지되어 있다(Southard, J. & Moore, G. High-temperature Heat Content of Mn3O4, MnSiO3 and Mn3C1. Journal of the American Chemical Society 64, 1769-1770 (1942); Ursu, I. et al. Kinetic evolution during the laser/thermal preparation of Mn3O4 from MnCO3. Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics 19, L825 (1986)). 이들 방법의 대부분은 Mn (II) 화합물의 산화를 수반하는 반면, KMnO₄의 환원은 또한 Mn₃O₄ 형성을 초래하는 것으로 알려져 있다(Weixin, Z., Cheng, W., Xiaoming, Z., Yi, X. & Yitai, Q. Low temperature synthesis of nanocrystalline Mn₃O₄ by a solvothermal method. Solid State Ionics 117, 331-335 (1999); Zhang, W. et al. Controlled synthesis of Mn₃O₄ nanocrystallites and MnOOH nanorods by a solvothermal method. Journal of Crystal Growth 263, 394-399 (2004)). 이 경우에, 정확한 메커니즘은 여전히 불명확하지만, 질산(HNO₃)과 같은 강한 산화제의 존재가 KMnO₄의 환원을 초래한다는 것을 시사한다. 분석을 수행하는 동안 산화된 흑연 및 그래핀 나노플라트렛에 대한 모든 스펙트럼이 하우스먼나이트 피크를 나타내지는 않는 것을 관찰하였다. 하우스먼나이트 피크의 존재는 샘플 및 샘플 스팟 크기의 배향에 민감하였고, 이는 이들 피크가 산화 망간 개입의 영역에서만 보이는 것을 확인하였다.

도 2(b)는 그래핀 나노리본 및 MWCNT의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 나노플라트렛(도 2(a)에서)에 대한 스펙트럼과 유사하게, 나노리본에 대한 스펙트럼은 1600㎝^-1에서 이동된 피크를 지니는 넓은 G 밴드뿐만 아니라 1310㎝^-1에서 현저한 D 밴드를 확인한다. MWCNT의 라만 스펙트럼과 비교하여, 0.045로부터 1.57까지 I_D/I_G값의 증가가 나타났다. 이는 MWCNT의 화학적 산화로부터 유도된 나노리본의 라만 스펙트럼에 대한 더 조기의 보고와 일치되며, 1 초과의 I_D/I_G가 나노리본에 대해 관찰되었다(Kosynkin, D. et al . Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature 458, 872-876 (2009)). 이동된 G 밴드는 MWCNT의 산화적 지퍼 열림에 기인하며, 도 2(a)의 흑연 산화 때문에 보이는 이동과 유사하다. 고강도 및 넓은 D 밴드는 이러한 작은 크기의 장애 도메인 수의 증가에 추가적으로 sp² 도메인의 평균 크기 감소 효과에 기인한다. 나노리본에 의해, 망간을 표시하는 어떤 흔치 않은 라만 피크, 예컨대 나노플라트렛에 대해 보이는 하우스먼나이트 피크를 검출할 수 없었다.

나노플라트렛 및 나노리본에서 망간(Mn^{2 +})의 존재를 확인하기 위해, ICPOES에 의한 원소 분석을 건조 고체 샘플에 대해 수행하였다. 산화된 흑연, 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛은 각각 484000, 540000 및 516000ppm의 망간을 갖는 것으로 보고된 반면 대조군 흑연은 단지 0.1ppm의 망간을 가진다. 이는 이들 샘플 내 망간의 우세한 존재를 확인한다. 그래핀 나노리본의 경우에, 570 ppm을 보고하였다. 실험은 그래핀 나노리본의 라만 스펙트럼에서 임의의 망간 관련 피크를 검출할 수 없었지만, 이 값은 그것의 존재를 확인하였다. 그것이 MWCNT의 KMnO₄ 기반 산화를 통해 도입되었다는 것을 명확히 하기 위해, 출발 물질인 MWCNT과 최종 나노리본 생성물의 함량을 비교하였다. MWCNT에 대해 25ppm으로부터 나노리본에 대해 570ppm까지 망간 함량의 ~25배 증가를 관찰하였다. 이는 이 방법에 사용된 산화적 과정에 기인한다. 도 3은 모든 샘플의 SQUID 자기 특징을 나타낸다. 도 3(a)는 3가지 온도(30K, 150K 및 300K)에 대한 -50,000Oe 내지 50,000Oe의 대조군, 흑연에 대한 자화 (M) 대 자계 강도 (H)의 플롯을 나타낸다. 음의 기울기는 자기 모멘트값이 감소되면 적용된 자기장이 증가된다는 것을 시사하며, 이는 반자성 거동의 특징이다. 도 3(b)는 산화된 흑연에 대한 M 대 H를 나타낸다. 양의 기울기는 전계 강도와 함께 자기 모멘트값의 증가가 샘플의 상자성 거동을 확인한다는 것을 나타낸다. 흑연의 산화 시 상자성에 대한 변화는 변형된 허머 프로토콜 동안 복합체 망간으로서 샘플 내에 개입된 상자성 Mn^{2 +} 이온의 존재에 기인할 수 있다. 흑연으로부터 유래된 환원된 그래핀 나노플라트렛의 초상자성 전이거동을 관찰하였다. 초상자성, 강자성 특성의 나노입자 클러스터(< 30㎚)에서 관찰된 자기 현상은 크기 의존적 현상이며, 자기 모멘트 배열 방향에서 무작위 플립(flip)은 온도의 영향 하에 생긴다. 자화 측정 동안, 주어진 온도에서 샘플에 대해 자기장이 변화되는 경우, 초상자성 물질은 M 대 H 플롯에서 'S' 형상의 곡선으로 추정된다. 이는 자화를 측정하기 위해 취한 시간이 해당 모멘트에서 연속적 플립 동안의 시간보다 훨씬 크기 때문이다. 그 결과, 자기장이 없을 때, 평균 자화는 0으로 측정되며, 곡선은 히스테리시스 루프(hysteresis loop) 대신 'S' 형상으로 추정된다. 도 3(c, d)은 각각 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대한 M 대 H 플롯을 나타낸다. 도 3(d)로부터, 저온(30K)에서 나노플라트렛 샘플이 강자성 히스테리시스 곡선을 나타낸다는 것은 명백하다(Whitney, T., Searson, P., Jiang, J. & Chien, C. Fabrication and Magnetic Properties of Arrays of Metallic Nanowires. Science (New York , NY ) 261, 1316 (1993); Wang, J., Chen, Q., Zeng, C. & Hou, B. Magnetic Field Induced Growth of Single Crystalline Fe3O4 Nanowires. Advanced Materials 16, 137-140 (2004)). 도 3(d)의 삽도로부터, 초상자성 거동이 실온에서 관찰된다는 것은 명백하다. 500Oe 의 균일한 전계 강도 및 0 내지 300K에서 플롯팅한 영자기장 냉각(zero field cooling: ZFC) 및 전계 냉각(field cooling: FC) 곡선을 도 3(e)에 나타낸다. ZFC 곡선의 피크는 40K의 차단 온도(T_B)를 나타내며, 이는 강자성과 초상자성 상태 사이의 전이를 나타낸다.

환원된 그래핀 나노플라트렛의 자성 거동은 앞서 보고한 바와 같은 하우스먼나이트의 거동에 대해 뚜렷한 유사점을 나타낸다(Du, J. et al . Hausmannite Mn₃O₄ nanorods: synthesis, characterization and magnetic properties. Nanotechnology 17, 4923 (2006)). 저온에서 강자성 및 고온에서 상자성이 하우스먼나이트에서 보고되었다. 환원된 그래핀 나노플라트렛과 유사하게, 하우스먼나이트는 40K의 T_B를 나타내며, 두 물질 모두에 대해 상이한 온도에서 M 대 H의 플롯은 유사하다(Du, J. et al. Hausmannite Mn₃O₄ nanorods: synthesis, characterization and magnetic properties. Nanotechnology 17, 4923 (2006)). 이는 나노플라트렛에서 복합체 산화망간의 개입을 확인하며, 본 발명자는 이 거동이 그래핀 나노플라트렛의 나노구조(~20㎚ 폭)에 추가적으로 복합체 산화망간의 존재 때문인 것으로 말할 수 있다. 30K에서 히스테리시스 곡선의 남은 자화는 12.47emu/g이며, 항자기성(coercivity)은 6298.680e이다. 선행 문헌에 따르면, 높은 항자기성은 샘플의 단일 도메인 특성 및 높은 형태 이방성에 기인할 수 있다.

그래핀, 그래핀 산화물 및 나노리본 샘플에서 실온 강자성의 존재에 대한 몇몇 이론적 및 소수의 실험적 보고가 있었다(Matte, H. S. S. R., Subrahmanyam, K. & Rao, C. Novel magnetic properties of graphene: Presence of both ferromagnetic and antiferromagnetic features and other aspects. The Journal of Physical Chemistry C 113, 9982-9985 (2009); Wang, Y. et al . Room-temperature ferromagnetism of graphene. Nano Letters 9, 220-224 (2008)). 산화흑연으로부터 제조되고, 이후에 환원되며 어닐링된 그래핀 샘플에 대해 SQUID 자력계를 사용하는 Wang 등에 의한 최근의 실험 작업은 실온 강자성을 나타내었다(Wang, Y. et al. Room-temperature ferromagnetism of graphene. Nano Letters 9, 220-224 (2008)). 가능한 자성의 유래는 어닐링 공정에 기인하는 결함으로서 존재하는 스핀 단위의 원거리의 결합에 기인한다. 그들은 금속성 불순물의 부재를 확인하였으며, 자성이 처리에 기인하는 그래핀의 고유특징에 기인한다고 본다. 이 경우에, ICPOES 및 라만 분광학을 통해 샘플 내 망간의 존재를 확인한다. 이는 나노플라트렛 및 하우스먼나이트의 자기 데이터의 유사성에 의해 추가로 입증된다. 산화된 흑연 샘플이 하우스먼나이트의 존재를 나타내지만, 이들은 상자성 거동을 나타낸다(Du, J. et al . Hausmannite Mn₃O₄ nanorods: synthesis, characterization and magnetic properties. Nanotechnology 17, 4923 (2006)). 환원된 그래핀 나노플라트렛의 경우에 작용하는 몇몇 다른 인자가 있다는 것을 고려하면, 나노플라트렛의 실온 초상자성은 개재된 산화망간의 존재, 플라트렛의 나노클러스터 크기 및 그래핀에서 sp² 탄소 원자 상의 결함 부위로서 존재하는 스핀 유닛의 원거리 결합의 조합에 기인한다. 추가로, 스핀 유닛의 원거리 정돈된 결합은 개개의 시트 내 분자내 상호작용 또는 그래핀 다수 층의 이웃하는 시트 간의 분자간 상호작용에 기인할 수 있다.

MWCNT로부터 합성된 그래핀 나노리본의 SQUID는 또한 실온에서 흥미로운 자기 특성을 나타낸다. MWCNT에 대한 자화 대 전계 강도 플롯을 도 4(a)에 나타낸다. 응집(coherent) 자기 패턴이 나타나지 않으며, 자기 신호는 모든 3가지 온도에서 극도로 약하다. 그래핀 나노리본에 대한 M 대 H의 플롯은 도 4(b)에서 알 수 있는 바와 같이 초상자성 거동을 나타낸다. 그러나 도 4(b)의 삽도는 300K에서 히스테리시스 곡선의 평행선을 나타내는데, 이는 매우 낮은 잔류 자기를 지니는 강자성 거동을 나타낸다. 도 4(c)는 FC/ZFC 플롯을 나타내며, ZFC 곡선에 대한 최대값은 실온을 초과하는 높은 차단 온도인 T_B를 나타내는 >300K 주변에서 보인다. 이는 자화 상태의 전이가 작용하는 300K에서 얇은 히스테리시스 루프를 설명한다. 300K에서 보이는 포화 자화는 2500Oe에서 0.1emu/g이었다. 샘플은 10K에서 250Oe의 항전계를 나타내었다. 산화철 나노입자뿐만 아니라 마이크로구조는 실온 초상자성을 나타낸다는 것이 보고되었다(Deng, H. et al. Monodisperse Magnetic Single-Crystal Ferrite Microspheres. Angewandte Chemie International Edition 44, 2782-2785, (2005); Zhao, L. et al. Morphology-controlled synthesis of magnetites with nanoporous structures and excellent magnetic properties. Chemistry of Materials 20, 198-204 (2007)). 그러나 산화철 또는 그래핀에서 실온 강자성을 얻는 것은 합성 후 고온 어닐링 공정 또는 반강자성 복합체 내 입자의 함입(embedding)을 필요로 한다(Wang, Y. et al. Room-temperature ferromagnetism of graphene. Nano Letters 9, 220-224 (2008); Sun, S., Murray, C. B., Weller, D., Folks, L. & Moser, A. Monodisperse FePt Nanoparticles and Ferromagnetic FePt Nanocrystal Superlattices. Science 287, 1989-1992 (2000)). 최근에, 자철석 및 마그헤마이트 산화철 나노입자에서 비교적 낮은 온도(185℃)의 합성 공정에 의한 실온 강자성이 보고되었다(Tan, Y., Zhuang, Z., Peng, Q. & Li, Y. Room-temperature soft magnetic iron oxide nanocrystals: Synthesis, characterization, and size-dependent magnetic properties. Chemistry of Materials 20, 5029-5034 (2008)). 이 연구는 크기 의존적 자화 거동을 보고하며, 차단 온도(T_B, 강자성으로부터 초상자성으로 전이의 지표)는 3.2㎚ 입자에 대해 25K로부터 5.4nm 입자 크기에 대해 330K까지 증가를 나타낸다. 본 경우에, 70℃ 온도에서 단순한 화학적 합성 과정에 의해, 실온 강자성이 >300K의 T_B값을 지니는 초상자성으로 전이되는 것을 달성할 수 있다. Fe₂O₃ 충전 MWCNT에서 실온 초상자성에 대한 더 이전의 보고가 보고되었다(Li, J.-h. et al . An easy approach to encapsulating Fe₂O₃ nanoparticles in multiwalled carbon nanotubes. New Carbon Materials 25, 192-198 (2010)).

그래핀 산화물 나노플라트렛 및 나노리본의 이완성:

0.05% 농도에서 1% 플루로닉 F127 계면활성제 용액 중에 분산된 모든 그래핀 샘플에 대해 21.42㎒, 0.5T 및 27℃에서 단일점 이완 측정을 수행하였다. 수중에서 산화된 흑연의 초음파 박리는 산화된 그래핀의 얇은 시트를 함유하는 안정한 콜로이드 현탁액을 초래하였다. 이는 하이드록실 및 카복실 기의 친수성 특성에 기인하여 실현가능하였다. 따라서 산화된 그래핀 시트는 순수 그래핀과 상이하다. 본 명세서에 사용되는 환원 과정은 모든 산소 기를 완전하게 제거하지 않았다. MWCNT의 산화적 지퍼열림은 또한 산화된 그래핀 나노리본에 이들 작용기를 첨가한다는 것이 알려졌다. 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본은 플루로닉과 같은 수성의, 생체양립가능한 용액 중에서 균질하고, 안정한 분산물을 형성할 수 있다. 표 1(a, b)은 각 샘플의 금속 이온(망간)의 농도, 이완 속도 및 이완성에 대한 세부사항을 제공한다. 표 1(a)로부터, 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛과 비교할 때 산화된 흑연이 향상된 r ₁ 및 r ₂ 이완성을 나타냈다는 것은 명백하다. 망간계 MRI 콘트라스트 촉진제인 Mn-DPDP(텔스라스캔(Teslascan)(등록상표)로서 상업적으로 공지됨)의 NMR 이완성 측정은 20㎒에서 수용액 중에서 이완성 값 r ₁ = 1.88 mM^-1s^-1 및 r ₂ = 2.18 mM^-1s^{- 1}을 나타내는 것으로 보고되었다(Schwert, D., Davies, J. & Richardson, N. in Contrast Agents I Vol. 221 Topics in Current Chemistry (ed Werner Krause) 165-199 (Springer Berlin / Heidelberg, 2002)). 텔스라스캔(Teslascan)(등록상표)과 비교하여, 산화된 흑연은 r ₁ 속도의 2배 및 r ₂ 의 경우에 4배를 나타내었다. 그래핀 나노플라트렛은 임상적 대응물 텔스라스캔(Teslascan)(등록상표)과 비교할 때 유사한 이완성 값을 나타내었다. 그러나, 표 1(b)에서 알 수 있는 바와 같이, 그래핀 나노리본은 텔스라스캔(Teslascan) 및 나노플라트렛에 비해 훨씬 높은 이완성 범위를 나타내었다. 작은 샘플 용적에서 미량의 망간 수준을 분석하는 것에서 기기의 검출 제한 때문에, 샘플의 금속 함량을 두 상이한 분석 연구소로부터 분석하였고, 이들은 본 발명자들에게 나노리본 내 망간의 농도범위를 제공하였으며, 따라서 나노리본의 이완성의 상한과 하한을 계산하였다. r ₁ 의 범위는 2.92 내지 9.8mM^-1s^-1이고 r ₂ 는 14.8 내지 50.3mM^-1s^-1이다. 표 1(b)는 또한 나노리본이 가돌리늄(Gd-DTPA) 및 초상자성 산화철(코미비덱스(Comibidex))에 기반한 다른 임상적 콘트라스트 촉진제의 이완성과 비교할 때 유망한 콘트라스트 촉진제 특성을 나타내는 것으로 나타난다(Reichenbach, J. et al. 1H T1 and T2 measurements of the MR imaging contrast agents Gd-DTPA and Gd-DTPA BMA at 1.5 T. European Radiology 7, 264-274 (1997); Corot, C, Robert, P., Id

e, J. M. & Port, M. Recent advances in iron oxide nanocrystal technology for medical imaging. Advanced drug delivery reviews 58, 1471-1504 (2006)).

시험관내 팬텀 MRI :

수성 그래핀 나노리본 샘플, 널리 사용되는 전임상 MRI 콘트라스트 촉진제인 MnCl₂와 대조군으로서 물 사이의 MR 신호 콘트라스트를 비교하기 위해 MRI 팬텀 영상화를 수행하였다. 대표적인 T ₁ 및 T ₂ 강조 팬텀 MRI 영상은 동일한 Mn^{2 +} 농도 및 물에서 MnCl₂(r ₁ =9.2mM^-1s^-1; r ₂ =93mM^-1s^-1)와 비교할 때 나노리본 샘플의 경우에 상당한 콘트라스트 향상을 나타낸다. 물에 대한 나노리본 및 MnCl₂의 평균 신호 강도비를 비교하였고, 표 2(b)에 나타내었으며, T ₁ 뿐만 아니라 T ₂ 의 경우에 나노리본에 대해 더 높은 신호 콘트라스트를 알 수 있었다. 이는 양성자 분자의 이완 속도의 상당한 향상을 초래하는 나노리본의 흥미로운 실온 자기 특성에 기인한다.

(표 1(a))

(표 1(b))

요약하면, 이 실시예는 간단한 화학적 산화 과정에 의해 기능화된 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본의 새로운 분류의 합성을 증명하였다. 실시예에서, 기능화된 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본을 성공적으로 합성하였고, 그래핀 나노플라트렛 내 망간 및 그것의 자화 기여를 확인하였다. 그래핀 나노리본의 경우에, 강자성으로부터 초상자성으로 실온 자화 전이가 있다는 매우 흥미로운 망간 특성을 발견하였다. 실시예는 또한 망간 및 철과 같은 자기 금속 이온의 구조, 키랄성 및 존재가 이들 탄소 물질의 이완 속도를 유의하게 향상시킨다는 것을 나타낸다. 이들 나노플라트렛 및 나노리본은 MRI 영상화를 위한 기능화된 그래핀 기반 콘트라스트 촉진제로서 사용될 수 있다.

실시예 2

신규한 그래핀 나노플라트렛(GNP; 1 내지 5 나노미터(㎚)의 두께 및 ~ 50㎚의 직경을 지니는 적은 적층(1 내지 12층)의 그래핀(흑연의 1원자 두께 시트))(도 1a 및 lb)을 마우스의 MRI 스캔에서 MRI 콘트라스트 촉진제로서 시험하였다. GNP를 단분산시키고, 수 중에 용해시켰으며, 개재시켰고(두 그래핀 시트 사이의 보이드 내 화학적 종의 삽입), 미량의 망간으로 배위시켰다(GNP 내 0.1% w/w(w = 중량)의 망간, 즉, 100 그램의 GNP 당 0.1 그램의 망간). GNP는 Mn-DPDP(텔스라스캔(Teslascan), 임상적 Mn-계 CA, 3T에서 r1 =2.8mM^-1s^-1)보다 거의 16배 높고, Gd-DTPA(마그네비스트, 임상적 Gd계 CA, 3T에서 r1 = 4.2 mM^-1s^-1)보다 ~10배 더 큰 r1= 45 mM^-1s^-1의 이완성을 나타내었다. 3 테슬라(Tesla) 임상 스캐너를 사용하여 T₁ 강조된 소형 동물 MRI를 사용한 스캔(도 6)은 임상적 투약량에서 마그네비스트와 비교하여 ~100배 더 큰 콘트라스트 향상을 나타내었다.

실시예 3

그래핀 나노플라트렛( GNP )

우선, 변형된 허머 방법을 사용하여 산화흑연(GO)을 분석 등급 마이크로 흑연으로부터 제조하고(과망간산칼륨 및 진한 황산으로 처리), 초음파 욕 세정기 내에서 1시간 동안 초음파 처리에 의해 그래핀 나노플라트렛(GNP)으로 전환시켰다(Stankovich, S.; Dikin, D. A. et al. Nature 2006, 442, 282). 다음에, 플러렌 및 메탈로플러렌의 탄소-탄소 이중 결합에 걸쳐 카복실산 작용기를 첨가하기 위해 사용한 고리첨가 반응과 유사한 합성 프로토콜을 사용하여 GNP를 수용화시켰다.(Sithamaran, B.; Zakharian, T. Y. et al. Molecular Pharmaceutics 2008, 5, 567).). GNP는 그것을 덱스트란과 같은 천연 폴리머 및 폴리에틸렌 글라이콜과 같은 합성 폴리머로 공유적으로 또는 비공유적으로 코팅시킴으로써 수용화시킨다.

대조군

마그네비스트를 대조군이 필요한 실험에 사용하는데, 그것이 임상적 MRI 콘트라스트 매질에 대한 기준으로 고려되기 때문이다. 추가적으로, GNP MRI CA의 생리 화학적, 약학적, 약동학적 및 영상화 특성을 옴니스캔(Omniscan)(가도다이아미드(gadodiamide), Gd-DTPA-BMA, GE 헬스케어(GE Healthcare)), 옵티마크(OptiMARK)(가도버세트아마이드(gadoversetamide), Gd-DTPABMEA, 코비디엔(Covidien)), 마그네비스트(가도펜테테이트 다이메글루민(gadopentetate dimeglumine), Gd-DTPA, 바이엘 쉐링 파마(Bayer Schering Pharma)), 멀티핸스(MultiHance)(가도베네이트(gadobenate) 다이메글루민, Gd-BOPTA, 브라코 다이아그노스틱스(Bracco Diagnostics)), 가도비스트(Gadovist)(가도뷰트롤(gadobutrol), Gd-BT-D03A, 바이엘 쉐링 파마(Bayer Schering Pharma)) 및 도타렘(Dotarem)(가도테레이트 메글루민(gadoterate meglumine), Gd-DOTA, 게르베(Guerbet))과 같은 다른 FDA-승인된 임상적 Gd-계 MRI CA의 공개된 값 _5,9와 비교한다.

동물

위스타(Wistar) 래트(매사추세츠주 윌밍턴에 소재한 찰스 리버 랩(Charles River labs))를 사용하는데, 이 동물 모델이 이전의 전임상 MRI CA 연구에서 널리 사용되었기 때문이다(Vogler, H.; et al; European Journal of Radiology 1995, 21, 1).

수용해도 및 생리화학적 특성규명을 위한 GNP MRI CA 를 합성하고 기능화한다

삼투압

이 시험은 혈액의 유체 성분에서 발견되는 모든 화학적 입자의 농도를 측정한다. 삼투압은 조영제에 대한 관용 분석에서 중요한 인자이며, 이에 의해 국소 및 전신 반응은 특히 더 높은 용량에서 그것의 역할을 행한다(Cohan, R. H.; Leder, R. A. et al. J. Invest Radiol 1990, 26, 224; Gennaro, A. R. Remington's Pharmaceutical Sciences, 17 th edn 1985, 1455; Runge, V. M.; Kirsch, J. E.; Burke, V. J. J Magn Reson Imaging 1992, 2, 9). 37℃에서 상이한 서미스터(thermistor) 삼투압계를 사용하여 삼투압을 결정한다. 두 GNP 농도, 0.5㏖/1 용액(0.57 osmol/㎏) 및 1㏖/1 용액(1.39 os㏖/㎏)을 사용한다. 이 값을 다른 Gd계 MRI CA의 전임상 연구를 기반으로 선택하였다.

분배계수

분배계수 분석으로 GNP MRI CA(Leo, A.; Hansch, C; Elkins, D. Chem Rev 1971, 71, 525)의 친수성("물을 좋아함") 또는 소수성("물을 싫어함") 수준의 측정을 제공한다. 분배계수로 신체 내 GNP 분포를 평가한다. GNP가 높은 분배계수를 나타낸다면, 이는 이 CA가 세포의 지질 이중층과 같은 소수성 칸막이로 우선적으로 분포될 지표이며, 낮은 분배계수가 관찰된다면, GNP는 혈액 혈청과 같은 친수성 칸막이 내에서 우선적으로 발견될 것이다. 뷰탄올 및 Tris-HCl 완충제(pH 7.6)를 사용하여 분배계수를 측정한다. 상의 완전한 분리 후, 뷰탄올 및 완충제 중의 GNP 농도를 라만 분광학에 의해 결정한다.

시험관내 이완성

물 및 소 혈장 내 GNP의 이완성 r ₁(3 T 임상적 MR 스캐너, 온도 = 37℃)을 식 r ₁ = (R ₁ - R ₀)/[Mn^{2 +}]을 사용하여 계산하며, 여기서 R ₁ 및 R ₀는 각각 GNP 용액과 맹물 또는 소 혈장의 종 이완 속도(R _{0 ,1} = 1/T _{0 ,1,S-1})이며, [Mn_{2 +}]는 망간 농도이다.

단백질 결합

CA의 효능은 그것이 혈액 혈장 단백질에 결합되는 정도에 의해 영향 받을 수 있다(Vogler, H.; et al; European Journal of Radiology 1995, 21, 1). 따라서, 초미세여과에 의해 1m㏖/ℓ의 농도에서 인간 혈장 중의 단백질 결합을 측정한다.

히스타민 방출

마크로파지의 히스타민 방출은 MRI CA에 대한 다양한 부작용과 관련된 중요한 현상이다(Lorenz, W.; Doenicke, A. et al. The role of histamine in adverse reactions to intraveneous agents In : Thornton , editor . Adverse Reactions of Anaesthetic Drugs , Elsevier Press 1981, 169). 마스트 세포(또한 비만세포 및 래브로사이트(labrocyte)로서 알려짐), 히스타민이 풍부한 과립을 함유하는 몇몇 조직 유형 내 체류 세포(resident cell)를 0 내지 250m㏖/ℓ 농도 범위의 GNP MRI CA(마그네비스트는 대조군으로 사용함)를 함유하는 완충제 중에서 인큐베이션 시킨다. I₅₀, 즉, 히스타민 방출이 히스타민 해방제(liberator) 화합물 48/80에 의해 야기되는 방출의 50%에 근접하는 농도를 계산한다.

래트에서 고성능 MRI CA로서 수용성 GNP의 영향을 평가하기 위한 생체내 MRI 연구

인간의 심장, 뇌 또는 근육에서 병변을 모방하는 병변을 지니는 래트에 대한 MRI 조사를 수행한다. 잘 확립된 프로토콜을 사용하여 래트(수컷, 위스타 래트, 170 내지 180g, 그룹 당 n = 3)의 척수경막하혈증, 뇌종양 또는 근육내 종양의 유발을 달성한다(Vogler, H.; et al; European Journal of Radiology 1995, 21, 1). 영상화 전, 동물을 마취시키고(아이소플루란), 콘트라스트 촉진제의 주사를 위해 카테터를 꼬리 정맥에 고정시킨다. 콘트라스트 촉진제 주사 바로 후, 대략 5㎖의 0.9% 식염수를 주사하여 모든 MRI CA가 주입관으로부터 깨끗하게 되는 것을 보장한다. 3T 임상적 MR 스캐너(펜실베니아주 몰번에 소재한 지멘스 메티칼 시스템(Siemens medical systems))를 사용하고, T ₁ -강조 스핀 에코 영상을 획득한다. 0.1m㏖/㎏의 GNP 또는 마그네비스트(대조군)의 주사 전 및 1분 후 그리고 동일 동물에 최초 용량의 5분 후 주어진 0.2m㏖/㎏의 추가적인 용량 1분 후 수행한다. 콘트라스트 후 영상을 동일면에서 얻고, 동일한 변수로 콘트라스트 전 연구로서 얻는다. 실험 및 대조군에서 신호 대 노이즈 비 및 콘트라스트 대 노이즈 비(CNR)를 관심의 자기장에서 얻고, 통계학적 분석을 수행한다. MR 영상의 해석에서 2명의 숙련된 방사선사가 영상을 검토한다. CA의 효능을 평가하고, 다음의 기준을 사용하여 임상의의 합의가 이루어진다: a) 진단에 대한 추가적인 정보의 제공; b) 진단 신뢰도의 증가; c) 가시적이지 않은 병변의 검출; 및, d) 다른 펄스 시퀀스에 의해 보이는 더 큰 특징의 중요한 정보의 제공. 병변 향상이 명백한 경우, 작용제는 진단에서 a) 도움이 되지 않음; b) 부수적인 도움; c) 보통의 도움; 또는 d) 주된 도움이 되는 것으로 판단한다.

래트에서 생체내 약동학, 생분포 및 독성 연구

제거 및 생분포

장기간 제거 및 생분포를 결정하기 위해, 0.25m㏖/㎏의 GNP MRI CA를 체중이 90 내지 110g인 5마리 수컷 및 5마리 암컷 위스타 래트의 꼬리 정맥에 정맥 내로 주사한다. 그 다음에 동물을 대사 케이지에 넣는다.

소변 및 대변을 매일 수집하고, GNP 및 망간 함량을 측정한다.

동물을 주사 후 제7일에 희생시킨다. 라만 분광학 및 유도-결합형 플라즈마(inductively-coupled plasma: ICP) 분광학에 의한 GNP 함량의 측정을 위해 혈액, 간, 신장, 비장, 뼈 샘플(대퇴골), 뇌 및 남아있는 신체를 수집한다.

약동학

체중이 90 내지 110g인 5마리 위스타 래트에 대해 실험을 수행한다. 실험 전 및 실험 동안, 동물을 개개의 대사 케이지에 수용한다. ¹²⁵I-GNP(¹²⁵I 방사성 반감기 = 59.4일)를 0.25m㏖/㎏의 용량으로 꼬리 정맥 내에 주사한다. 혈액(0.5㎖), 및 혈액을 GNP MRI CA 주사 전 및 주사 후 5, 10, 20 및 30분 및 1, 1.5, 2, 3, 6 및 24시간 및 7일에 경정맥으로부터 회수한다. 0.5, 1, 2, 3, 6 및 24시간에 그리고 7일 동안 매일 소변을 정량적으로 수집한다. 7일 동안 매일 대변을 정량적으로 수집한다. 소변, 대변 및 혈장 샘플의 알리쿼트를 감마 신틸레이션 계측기에 의해 방사측정으로 수집한다. 소변 분획 및 혈장 샘플(주사 후 5 또는 20분 및 2시간)을 HPLC 분석을 사용하여 잠재적인 대사물질에 대해 분석한다.

혈장 내 최종 제거 반감기뿐만 아니라 혈장 및 소변 데이터로부터 클리어런스 및 정상상태 용적 분포의 계산을 위해 약동학적 프로그램인 TOPFIT을 사용하여 모델 의존적 접근을 적용한다(Heinzel, G.; Woloszczak, R. et al. Pharmacokinetic and pharmacodynamic data analysis system New York: Gustav Fischer Verlag Stuttgart, Jena 1993).

급성 독성

GNP MRI CA(2㏖/ℓ)를 수컷 및 암컷 위스타 래트(90 내지 110 g, 수컷 대 암컷 비 1:1)에 정맥내로 주사한다. 용량은 10, 50, 100, 250m㏖/㎏이며, 각 투약 그룹은 8마리 동물을 포함한다. 주사 후 7일의 관찰 기간 동안 동물을 모니터링한다. 프로비트 분석(probit analysis)에 의해 LD₅₀을 계산한다(Neter, J.; Kutner, M. H.; et al. Applied linear statistical models 1996, WCB McGraw).

실시예 4

이 실시예는 산화흑연 또는 그래핀 나노입자를 합성하기 위해 사용한 산화 화학적 과정이 그래핀 시트 사이에 미량의 Mn^{2 +} 이온의 갇힘을 야기하며, 이들 망간 개재 흑연 및 그래핀 구조는 상자성 킬레이트 화합물에 비해 이질적인 구조, 화학적 및 망간 특성 및 높은 이완성(2제곱까지) 및 뚜렷하게 상이한 핵자기공명 분산 프로파일을 나타낸다는 것을 증명한다. 결과는 그래핀 시트 내 상자성 금속 이온의 갇힘(개재)을 나타내며, 흑연 탄소 입자의 크기, 형상 또는 구조는 이완성을 증가시키는 중요한 결정소가 아니고, 따라서 고이완성 MRI 콘트라스트 촉진제로서 상자성 금속 이온 흑연-탄소 복합체에 대한 신규한 일반적 전략으로서 상자성 이온의 나노 갇힘을 확인한다.

재료 및 방법

1. 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본 합성

그래핀 나노플라트레 및 나노리본의 전체 5 배치(batch)를 제조하고, 특성규명하였다. 이완성 결과가 단일 배치의 대표적인 데이터라는 것을 제외하고 모든 결과를 제시하였다. 실시예 1에 기재한 바와 같은 변형된 허머 방법에 의해 산화된 마이크로-흑연을 분석 등급 마이크로-흑연(뉴욕에 소재한 시그마 알드리치(Sigma Aldrich))으로부터 제조하였다. 전형적 박리 과정에서, 건조시킨 산화된 마이크로-흑연(200㎎)을 물(200㎖)을 함유하는 둥근 바닥 플라스크에서 현탁시켰고, 초음파 욕 세정기(피셔 사이언티픽(Fischer Scientific), FS60, 230W) 내에서 1시간 동안 초음파처리하였다. 50㎖의 이 균일한 용액을 원심분리시켰고, 밤새 건조시켜 산화된 그래핀 나노플라트렛을 얻었다. 남은 150㎖를 하이드라진 수화물(1.5㎖, 37.1m㏖)로 처리하였고, 수냉식 응축기 하에 100℃에서 12시간 동안 오일욕 내에서 가열하였으며, 이는 검정색 침전물을 초래하였다. 생성물을 분리시켰고, 물(500㎖) 및 메탄올(500㎖)로 매질 소결 유리 필터 깔때기를 거쳐서 세척하였으며, 연속적 기류에 의해 건조시켜 환원된 그래핀 나노플라트렛을 수득하였다.

그래핀 나노리본을 실시예 1에 기재한 것과 유사한 과정에서 MWCNT(뉴욕에 소재한 시그마 알드리치(Sigma Aldrich))로부터 제조하였다. MWCNT(150㎎, 12.5m당량의 탄소)를 30㎖의 진한 H₂SO₄ 중에서 2시간 동안 현탁시켰다. KMnO₄(750㎎, 4.75m㏖)를 첨가하였고, 혼합물을 1시간 동안 교반시켰다. 그 다음에 반응물을 완료시까지 55 내지 70℃에서 추가 1시간 동안 오일욕 내에서 가열시켰다. 이를 실온으로 냉각시켰고, 생성물을 물, 에탄올 및 에터로 세척하였으며, 후속적으로 원심분리에 의해 분리시켰다.

2. 자화 거동의 특성규명

10^-8emu의 감도를 지니는 초전도 양자간섭소자(SQUID) 자력계를 사용하여 흑연, 그래핀 및 대조군 샘플의 자화를 연구하였다. 샘플을 주의해서 칭량하였고, 젤라틴 캡슐에 장전하였다. 샘플을 0 내지 300K의 -50000Oe 내지 50000Oe의 적용된 자기장 범위에서 분석하였다. 자계 냉각 및 영자기장 냉각 방식으로, 온도의 함수로서 자화를 연구하기 위해 500Oe의 항전계를 적용하였다.

3. EPR 측정

모든 EPR 스펙트럼을 높은 100 ㎑ 자기장 조절 주파수를 지니는 ~9.8GHz 마이크로웨이브 주파수에서 작동하는 브루커 X-밴드 EPR 분광기(Bruker X-band EPR Spectrometer) 상에서 유사한 실험 조건 하에 실온(~296 K)에서 측정하였다. 자기장 및 g-값을 디페닐 피크릴하이드라질(diphenyl picrylhydrazyl: DPPH, g = 2.0036)의 표준 샘플로 캘리브레이션하였다. 빈 석영관의 EPR을 측정하여 EPR 스펙트럼에 대한 EPR 기준을 캘리브레이션하였다. 모든 EPR 스펙트럼을 처음에는 1k 가우스 스위프(Gauss sweep) 폭으로, 다음에는 6k 가우스 스위프 폭으로 2회 측정하였다. 흑연, 그래핀 및 대조군의 고체 샘플을 윌마드 석영(Wilmad Quartz) EPR 관 내로 장전하였다. 석영 EPR 샘플관을 탈이온수로 철저히 세척하였고, 샘플의 장전 전 건조시켰다. 높은 유전상수를 지니는 수성 및 다른 용매용으로 석영 편평관을 사용하여 수성 샘플에 대한 EPR 측정을 행하였다. 액체 샘플에 대한 장전 전, 석영 EPR 편평관을 탈이온수로 철저히 세척하였고, 건조시켰다. 석영 편평관 내로 수성 샘플의 장전을 최대 감도를 위한 관의 편평한 부분 내로 주의해서 행하였다.

4. 양성자 이완성 측정

이완성 측정을 위해, 1㎎의 산화된 마이크로-흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 또는 그래핀 나노리본 샘플을 2㎖의 생물학적으로 양립가능한 1% 플루로닉 F127 계면활성제 용액 중에서 분산시켰고, 30W에서 10분 동안 욕을 초음파처리하였으며, 최종적으로 5000rpm에서 1시간 동안 원심분리시켰다. 원심분리는 미수용성의 거대하고 밀집한 그래핀 나노입자가 바닥에 고정되게 하며, 상청액에서 가용성 그래핀 나노입자를 분리시킨다. 또한 임의의 유리 Mn^{2 +} 이온의 존재에 대해 상청액 용액을 확인하였다. 이는 HCl로 그래핀 나노입자를 우선 응집시키고, 그 다음에 HNO₃ 중의 비스무트산나트륨(NaBiO₃)으로 맑은 용액을 시험함으로써 달성되었다. 이 반응에서, 망간을 +2 산화 상태(Mn⁺²)로부터 독특한 보라색 또는 분홍색을 갖는 +7 산화상태(MnO₄ ^-)로 산화시킨다. 이러한 색 변화가 관찰되지 않았다는 것은 유리 Mn^{2 +} 이온이 상청액 용액에 존재하지 않는다는 것을 나타낸다.

가용성 그래핀 나노입자를 함유하는 상청액 용액을 이완측정을 위해 사용하였다. 미니스펙(Minispe) NMR 분광기(텍사스 우드랜드에 소재한 버커 인스트루먼츠(Bruker Instruments)) 상의 20㎒(0.47T)에서 종 및 횡 이완 시간(T ₁ , T ₂ )을 측정하였다. 단계 희석에 의해 5가지의 알려진 농도에서 각 샘플을 제조하였다. 측정 동안 40℃에서 온도를 유지시켰고, 각 실험 샘플 및 대조군(1% 플루로닉 127 용액)의 T ₁ 및 T ₂ 이완 시간을 각각 반전 회복법 및 CPMG를 사용하여 측정하였다. 이완 시간의 역수는 각각 이완 시간, R ₁ 및 R ₂ 를 나타낸다. 이완 속도(y-축) 대 농도(x-축)의 플롯을 만들었고, 선형 곡선에 적합화시켰다. 이 선형 적합의 기울기는 이완성의 값을 제공하였다. NMRD 측정 동안 단일점 이완성(r ₁ )을 얻었다. 이완성 값(r ₁ )을 식 r ₁ = (R ₁ - R ₀ )/[Mn^{2 +}]을 사용하여 계산하였며; R _{1 ,2} 및 R ₀ 는 각각 샘플 및 1% 플루로닉 F127 계면활성제 용액의 종 또는 횡 이완 속도이고, [Mn^{2 +}]는 이완 측정을 위해 사용한 용액의 용적 내 망간 농도이다. 양성자 라머 주파수 범위 0.01 내지 40㎒에 대응되는 자기장에서 1/T ₁ NMR 분산(NMRD) 프로파일을 빠른 자기장 순환성(fast field cycling) 이완측정기(스핀마스터(SPINMASTER) FFC2000, 이탈리아 파비아에 소재한 스텔라 인코포레이티드(Stelar Inc))를 사용하여 얻었다. 고전계 초전도성 쌍극자(High Field Superconducting Dipole: HTS) 전자석을 사용하여 양성자 라머 주파수의 25 내지 80㎒ 범위의 이완 데이터를 획득하였다. 온도를 27℃로 고정시켰고, 구리-콘스탄탄 써모커플을 구비한 스텔라 VTC-91 기류 히터에 의해 제어하였으며; 0.5℃의 절대정확성을 지니는 델타 OHM 디지털 써모미터로 프로브 헤드 내 온도 캘리브레이션을 행하였다.

결과 및 논의

도 9는 산화된 흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 SQUID 자화 특징을 나타낸다. 이들 입자의 제조를 위한 출발 물질로서 사용한 분석 등급 마이크로 흑연은 이들 실험의 대조군이었다. 도 9a는 3가지 온도(30K, 150K 및 300K)에 대해 -50,000 Oe 내지 50,000 Oe의 분석 등급 마이크로-흑연(대조군)에 대한 자화(M) 대 자계 강도(H)의 플롯을 나타낸다. 음의 기울기는 자기 모멘트값이 감소되면 적용된 자기장이 증가된다는 것을 나타내며, 이는 반자성 거동의 특징이다. 도 9b 및 도 9c는 각각 산화된 흑연 및 산화된 그래핀 나노플라트렛에 대한 M 대 H 플롯을 나타낸다. 플롯은 전계 강도 따른 자기 모멘트값의 선형 증가를 나타내며, 이는 산화된 흑연과 산화된 그래핀 나노플라트렛 둘 다에 대한 상자성 거동을 나타낸다. 흑연의 산화 시 상자성의 변화는 샘플 내 존재하는 상자성 Mn^{2 +} 이온의 존재에 기인할 수 있다. 도 9d는 환원된 그래핀 나노플라트렛의 M 대 H 플롯을 나타낸다. 플롯은 저온(30K)에서 강자성 히스테리시스 곡선을 나타내며, 이는 실온(300K)에서 초상자성 거동(삽도 도 9d)을 나타낸다. 실온 초상자성이 나노입자 클러스터(< 30nm)에서 널리 보고되었고(Whitney et al, 1993, Science 261:1316; 및 Wang et al, 2004, Advanced Materials 16: 137-140), 이는 크기 의존적 현상이되, 나노입자의 열 에너지는 자기 스핀 방향에세 플립을 허용하기에 충분하고, 스핀-스핀 교환 결합 에너지를 극복하기에는 불충분하다. 그 결과, 자기장이 없을 때, 측정된 순자화는 0이고, M 대 H 곡선은 히스테리시스 루프 대신 'S' 형상으로 추정된다. 500 Oe의 균일한 전계 강도 및 10K 내지 300K에서 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대한 영자기장 냉각(ZFC) 및 전계 냉각(FC)을 도 9e에 나타낸다. ZFC 곡선의 피크는 40K의 차단 온도(T_B)를 나타내는데, 이는 강자성과 초상자성 상태의 전이를 나타낸다. 30K에서 히스테리시스 곡선의 남은 자화는 12.47emu/g이며, 항자기성은 6298.680e이고, 단일 도메인 특성 및 샘플의 고형상 이방성에 기인할 수 있다(Du et al, 2006, Nanotechnology 17: 4923). 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대한 결과는 하우스먼나이트의 결과와 뚜렷한 유사점을 나타낸다(Du et al., 2006, Nanotechnology 17: 4923). 탄소 나노물질, 예컨대 플러렌, 탄소 나노튜브, 탄소 나노 폼(foam), 그래핀, 나노다이아몬드 및 흑연에서 실온 자성을 보고하였다(Makarova, 2004, Semiconductors 38: 615-638, Wang, et al, 2008, Nano Letters 9: 220-224, 및 Esquinazi et al, 2002, Physical Review B 66: 024429). 이들 물질의 자기적 특징은 금속 불순물의 존재 또는 흑연 격자구조 내 결함의 존재에 기인하는 스핀-유리-유사 상자성 또는 강자성 거동을 포함한다. 산화된 흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 경우에, 산화 또는 박리 과정 동안 흑연 격자구조에서 만들어진 결합은 관찰된 자화 거동에 기인할 수 있다. 그러나, 이론적 및 실험적 연구는 흑연 구조 내 결함이 대략 10^-3 내지 10^-6 emu/g의 포화 자기 모멘트값으로 매우 약한 자화 거동을 유발한다는 것을 나타낸다(Zhou et al, 2010, Thin Solid Films 519: 1989-1992). 따라서, 상기 보고한 관찰된 자화 거동은 주로 망간의 존재에 기인하여야 한다.

도 10은 MWCNT(대조군) 및 그래핀 나노리본의 SQUID 자기적 특징을 나타낸다. 도 10a는 3가지 온도(10K, 150K 및 300K)에 대해 -50,000 Oe 내지 50,000 Oe의 MWCNT에 대한 자화(M) 대 자계 강도(H)의 플롯을 나타낸다. 플롯은 응집 자기 패턴을 나타내지 않으며, 자기 신호는 모두 3가지 온도에서 극도로 약한데, 이는 MWCNT 내 철 촉매의 존재에도 불구하고 반자성 거동을 나타낸다.

도 10b는 3가지 온도(10K, 150K 및 300K)에 대해 -50,000 Oe 내지 50,000 Oe의 그래핀 나노리본에 대한 M 대 H의 플롯을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, M 대 H 곡선은 히스테리시스 루프 대신 'S' 형상으로 추정되며, 곡선에 더 밀접한 분석(도 10b의 삽도)은 매우 낮은 잔류자기를 지니는 강자성 거동을 나타낸다. SQUID 분석은 30K, 150 K 및 300K에서 강자성을 나타낸다. 더 밀접한 분석은 실온에서 관심의 자기 특성을 나타낸다. 영자기장 냉각(ZFC)뿐만 아니라 전계 냉각(FC) 조건에서 자화의 온도 의존도를 자계 강도 500 Oe(온도 범위 10 내지 300K)의 도 10c에 플롯팅한다. 모든 그래핀 나노리본은 저온에서 강자성 거동을 나타내며, ZFC 및 FC 분지의 분지점을 나타내는 것은 그래프로부터 명확하다. FC 및 ZFC 곡선이 분지되는 온도(또한 비가역적 온도로서 지칭됨)뿐만 아니라 차단 온도(T_B)는 300K이다. 도 10c는 FC/ZFC 플롯을 나타내며, ZFC 곡선 상의 최대값은 실온을 초과하는 >300K값에서 나타난다. ZFC 자화 곡선은 분지 온도 미만에서 넓은 최대값을 나타낸다. 분지되는 FC 및 ZFC 곡선은 열역학적 비가역성을 나타내며, 강자성과 반강자성 사이의 강한 경쟁적 상호작용과 같은 효과, 및 저온 스핀-유리-유사 상태 또는 혼합된 상의 발생에 기인하는 나노규모의 상 분리에서 유래될 수 있었다(Zhou et al, 2010, Thin Solid Films 519: 1989-1992; Bie et al, 2010, Solid State Sciences 12: 1364-1367; Raley et al., 2006, Journal of alloys and compounds 423: 184-187). 300K에서 보이는 포화 자화는 2500 Oe에서 0.1emu/g이다. 샘플은 10K에서 250 Oe의 항전계를 나타낸다. 자기 결과는 그래핀 나노리본이 실온에서 약한 강자성을 나타낸다는 것을 나타낸다. 그래핀 나노리본의 원소분석은 망간과 별개로, 미량의 철(0.005중량% 또는 그램 당 50㎍ Fe)이 또한 이들 샘플에 존재한다는 것을 나타내었다. 그래핀 나노리본의 제조에 사용된 MWCNT는 그것이 그래핀 나노리본에서 발견되는 양보다 20배 초과로 촉매로서 철 나노입자(0.1중량%)를 함유함에도 불구하고 어떤 자화 거동도 나타내지 않는다(Sigma-Aldrich I Certificate of Analysis-MWCNT). 더 나아가, 흑연의 그램 당 1 내지 500㎍ Fe의 Fe 농도(1ppm)를 지니는 Fe 또는 Fe₃O₄ 클러스터의 존재는 자화에 대해 2.2×10^-5 내지 4×10^-3 emu/g에 기여하는 것으로 보고되었다(Esquinazi et al., 2002, Physical Review B 66: 024429). 함께 취한 상기 정보는 미량의 철이 그래핀 나노리본의 관찰된 자화거동에 유의하게 기여하지 않았다는 것을 시사한다. 몇몇 최근의 연구는 금속 산화물 나노구조 내 산소 빈자리의 점 결함이 약한 강자성을 야기할 수 있다는 것을 나타내며(Schoenhalz et al, 2009, Applied Physics Letters 94: 162503; and Kundaliya et al, 2004, Nature materials 3: 709-714), 그래핀 나노리본과 그것의 상호작용에 기인하여 산화망간의 유사한 결함은 관찰된 자화 거동을 초래할 수 있었다. 그러나, 이 가설을 확인하기 위해 더 많은 연구가 필요하다.

도 11a 내지 11d는 각각 산화된 마이크로-흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본의 EPR 스펙트럼을 나타낸다(석영 EPR 관 및 DPPH 표준의 빈 EPR 스펙트럼을 도 17에 나타낸다). g값, 즉 각 EPR 스펙트럼의 절반의 높이(ΔH_{1 /2}, 가우스) 및 전자 이완 시간(T _2e )의 EPR 선 폭을 표 3a에 열거한다. 모든 샘플은 그것의 각각의 g값에서 넓은 피크(ΔH_{1 /2})를 나타낸다. 그러나, 그래핀 나노리본은 유사한 ΔH_{1 /2}값을 갖는 산화된 마이크로흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛보다 2.6배 큰 ΔH_{1 /2}값을 나타낸다. 큰 선폭은 짧은 전자 이완시간(T _2e )을 나타내며, 계산된 T _2e 값은 산화된 마이크로흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 및 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대해 0.19 내지 21 나노초였다. 그래핀 나노리본은 0.072 나노초의 T _2e 값을 가지며; 이는 다른 화합물보다 적어도 2.9배 저 짧다. 그래핀 나노리본의 EPR 스펙트럼은 또한 중앙에서 좁은 피크를 나타내는데, 이는 가능하게는 보고된 바와 같은 나노리본 구조 내 결함 중심에 기인하는 자유 라디칼 종의 존재를 표시한다(Rao et al, 2011, New J Phys 13: 113004). 자유 라디칼 종은 2.007의 g 및 1.2 가우스의 선 폭을 가지며, 따라서 88.2 나노초의 매우 긴 전자 이완 시간(T _2e )을 가진다. 모든 화합물에서 큰 선폭 확장은 상당한 망간 대 망간 쌍극자 상호작용을 나타낸다. 샘플 내 망간 양의 감소는 선폭확장을 감소시키며, EPR 스펙트럼에서 6-라인 망간 초미세 구조를 결정하고, 전자 이완 시간을 감소시켜야한다.

도 12a 내지 d는 각각 산화된 마이크로흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본의 수용액의 EPR 스펙트럼을 나타낸다(석영 EPR 관의 빈 EPR 스펙트럼 및 DPPH의 EPR 스펙트럼은 도 17에 나타낸다). 각각의 EPR 스펙트럼의 g값, 절반 높이의 EPR 선폭(ΔH_{1 /2}, 가우스), 초미세 결합상수, 및 전자 이완시간(T _2e )을 표 3b에 열거한다. 모두 4가지 샘플은 스핀 I=5/2을 지니는 Mn-55 핵에 결합된 전자의 6-라인 EPR 특징을 나타낸다. 그래핀 나노리본의 EPR 스펙트럼은 또한 g~2.007인 중심에서 좁은 EPR 라인 및 자유 라디칼의 존재에 기인하는 1.2 가우스의 선폭을 나타낸다. 관찰된 g값은 자유 전자 스핀값에 매우 가까우며, 이는 모두 4가지의 샘플에 존재하는 망간 이온의 바닥 상태에서 스핀-궤도 결합이 없다는 것을 시사한다. 이들 샘플에서 대략 95가우스의 망간 초미세 결합(A_Mn)은 망간의 아쿠아 이온, 즉 Mn(H₂O)₆에 매우 가깝다. 거대 초미세 결합은 모두 4가지 샘플의 망간 종에서 8면체 배위를 나타낸다. 4가지 수성 샘플은 또한 긴 전자 이완시간(T _2e )을 나타내는 29.2 내지 31.5 가우스의 유사한 선폭(ΔH_{1 /2})값을 나타낸다. 계산된 T _2e 값은 2.08 내지 2.25㎱였다. 그래핀 나노리본에 존재하는 자유 라디칼 종은 10배 더 긴 55 ㎱의 전자 이완시간(T _2e )을 가진다. EPR 스펙트럼은 Mn(II) 이온만을 나타낸다는 것을 주의하여야 한다. 스펙트럼은 Mn(III) 이온의 존재 또는 망간의 다른 산화 상태를 나타내지 않았지만, 적어도 환원된 그래핀 나노플라트렛의 라만 스펙트럼은 Mn(III) 이온의 존재를 나타낸다. 이 미검출이 가능한 이유는 모든 EPR 측정이 실온에서 행해졌기 때문일 수 있다. Mn(III) 이온 또는 망간의 다른 산화 상태는 매우 짧은 전자 이완시간을 가지며, EPR 스펙트럼을 얻는데 매우 낮은 샘플 온도(~77K)를 필요로 한다. 따라서, 모두 4가지 샘플에 대해 낮은 온도 측정을 또한 수행한다. 그러나, EPR 스펙트럼(결과 미제시)은 Mn (II) 기여에 의해 지배되지 않았고, 망간의 다른 산화 상태의 존재는 확인할 수 없었는데, 이는 4가지 샘플에 존재하는 대부분의 망간 이온이 Mn(II) 상태로 존재하기 때문이다.

이완성(r _{1 ,2} )은 MRI 콘트라스트 촉진제 효능의 중요한 측정이다. 표 4는 40℃에서 산화된 마이크로-흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본에 대해 0.47T에서 이완성 값을 나타낸다. 또한 비교적 목적을 위해 임상적으로 승인된 Gd^{3 +}-계 및 Mn^{2 +} 계 킬레이트 복합체의 이완성 값의 범위를 포함시킨다(Rohrer et al, 2005, Investigative Radiology 40: 715-724). 표는 모두 4가지 화합물이 상자성 킬레이트 복합체에 비해 유의하게 더 높은 r ₁ 및 r ₂ 이완성을 나타낸다는 것을 명확하게 나타낸다. 0.47T에서, 흑연 및 그래핀 샘플에 대한 r ₁ 및 r ₂ 값은 ~8 내지 10배이며, 상자성 킬레이트 복합체보다 19 내지 60배 초과이다. 흑연 및 그래핀 샘플 중에서, 0.47T에서 그래핀 나노리본 및 산화된 흑연은 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛보다 더 높은(-20%) r ₁ 값을 나타내었다. 그러나, r ₂ :r ₁ 비에 대한 경향은 환원된 그래핀 나노플라트렛 > 그래핀 나노리본 > 산화된 마이크로-흑연 > 산화된 그래핀 나노플라트렛이었다. 이 경향은 예상된 라인을 따르는데, 자기 결과가 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본이 40℃에서 초상자성이라는 것을 나타내기 때문이다. 초상자성 물질은 주로 횡 T ₂ 이완에 영향을 미치며, 따라서 r ₂ /r ₁ 비를 증가시킨다는 것이 잘 공지되어 있다. 그러나, r ₂ /r ₁ 비는 10 이상의 비를 갖는 철-계 T ₂ 콘트라스트 촉진제보다 더 낮다. T ₁ 콘트라스트 촉진제는 약 1 내지 2의 r ₂ /r ₁ 비를 가진다(Laurent et al., 2008, Chemical Reviews 108: 2064-2110). 따라서, 망간 개재된 흑연 및 그래핀 입자는, 더 높은 전계에서(3T 이상) 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본이 T ₂ * 효과를 일으킬 수 있지만, T ₁ 콘트라스트 촉진제로서 더 적합할 수 있다.

산화된 흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본의 수용액의 0.01 내지 80㎒ 사이의 NMRD 프로파일을 도 13a 내지 d에 제시한다. 이는 이러한 거대 자기장 범위(0.01 내지 80)에 걸쳐 이들 화합물에 대한 종 r ₁ 이완성의 첫 번째 보고이다. 산화된 마이크로-흑연 및 환원된 그래핀 나노플라트렛은 유사한 NMRD 프로파일을 나타내지만, 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본은 이들 두 샘플보다 별개의 상이한 프로파일을 나타낸다. 중간 내지 높은 자기장(< 10㎒)에서, 산화된 마이크로-흑연은 자기장에서 감소됨에 따라 더 적은 증가(50 내지 66 mM^-1s^-1)를 나타내고, 더 낮은 자기장 쪽으로 감소됨에 따라 더 크게 증가된다(70 내지 222 mM^-1s^-1). 산화된 그래핀 나노플라트렛은 30㎒에서 55 mM^-1s^-1의 최대값을 지니는 중간 내지 높은 자기장에서 종 형상의(bell shaped) 분포를 나타내고, 10㎒ 미만으로 자기장이 감소함에 따라 86 mM^-1s^-1까지 점진적으로 증가된다. 환원된 그래핀 나노플라트렛은 80 내지 10㎒에서 자기장이 감소됨에 따라 조금 증가되고(44 내지 59 mM^-1s^-1), 이완성은 0.01㎒에서 258mM^-1s^-1의 최대값으로 더 낮은 자기장에서 증가된다. 그래핀 나노리본은 10㎒까지 자기장의 감소와 함께 선형 증가(65 내지 100mM^-1s^-1)를 나타내고, 그 다음에 0.01㎒에서 724 mM^-1s^-1의 값에 도달되는 10㎒ 미만의 연속적인 급격한 증가를 나타낸다.

이들 화합물의 NMRD 프로파일은 다른 망간-계 소분자 또는 거대분자 복합체의 프로파일과 상이하다(Lauffer, 1987, Chem Rev 87: 901-927; 및 Sur et al, 1995, J Phys Chem 99: 4900-4905). 예를 들어, 소분자 Mn^{2 +} 복합체, 예컨대 Mn-DTPA(DTPA = 다이에틸렌 트라이아민 펜타-아세트산)는 10㎒ 초과의 전계에서 ~1.9 mM^-1s^-1의 일정한 값을 나타내며, 10㎒ 미만의 전계에서 미미한 증가를 나타낸다. 거대분자 복합체 Mn^{2 +}-DTPA-BSA(BSA = 소 혈청 알부민)는 20㎒에서 26 mM^-1s^-1의 피크값으로 10 내지 80㎒의 자기장에서 종 형상의 이완성 분포를 나타낸다(Lauffer, 1987, Chem Rev 87: 901-927). 10㎒ 미만의 자기장에서, 이완성은 ~14 mM^-1s^-1에서 일정하다. Gd³⁺ 이온의 소분자 및 거대분자 복합체에 대해 유사한 프로파일이 보고되었다(Lauffer, 1987, Chem Rev 87: 901-927). 프로파일은 또한 Mn²⁺- 또는 Gd³⁺ 거대분자 복합체와 유사한 프로파일을 나타내는 Gd³⁺@C₆₀(가도플러렌)의 프로파일과 상이하다(Toth et al, 2005, J Am Chem Soc 127: 799-805). 그러나, Gd^{3 +}@초단-단일벽 탄소튜브(가도나노튜브)의 프로파일(Ananta et al, 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821)은 Mn²⁺ 개재 흑연 및 그래핀 화합물에 의해 관찰된 것과 유사한 특징을 가지며, 즉, 이완성은 자기장이 감소됨에 따라 증가되고, 10㎒ 미만의 자기장에서 더 크게 증가된다. 더 낮은 자기장(<10㎒)에서 가도나노튜브의 프로파일은 그래핀 나노리본의 프로파일과 가장 유사하다.

식(이하 참조)의 솔로몬-블룀베르간-모르간(Solomon-Bloembergan-Morgan: SBM) 설정은 콘트라스트 촉진제와 물 양성자 상호작용, 콘트라스트 촉진제의 자기 특성 및 0.1Tesla 초과의 자기장에서 물 양성자의 이완 속도에 영향을 미치는 콘트라스트 촉진제의 분자 동력학과 간은 인자에 대해 최상의 이론적 설명을 제공하는 것으로 고려된다(Merbach et al., 2001, The Chemistry of Contrast Agents in Medical Magnetic Resonance Imaging: John Wiley & Sons. p. 471). MRI CA에 의해 영향 받을 수 있는 3가지 유형의 물 분자가 있다는 것이 널리 받아들여진다: (a) CA의 상자성 금속 중심에 대해 직접적으로 배위된 물 분자는 구체내부의 물 분자로서 알려져 있음; (b) 콘트라스트 촉진제의 자기 금속 중심에 배위되지 않았지만 CA의 다른 분자에 화학적으로 결합된 물 분자는 제2 구체 물 분자로 불림; 및 (c) MRI CA에 결합되지 않았지만 그것에 가깝게 분산된 더 원거리의 물 분자는 외부-구체 물 분자로 칭해짐. 실험적 핵자기 이완 분산(nuclear magnetic relaxation dispersion: NMRD) 프로파일은 양성자 이완성에 영향을 미치는 이들 인자를 결정하기 위해 SBM 식을 사용하여 전형적으로 적합화된다(Aime et al., 1998, Chemical Society Reviews 27: 19-29; Caravan et al, 1999, Chem Rev 99: 2293-2352; Lauffer, 1987, Chem Rev 87: 901-927; 및 Merbach et al., 2001, The Chemistry of Contrast Agents in Medical Magnetic Resonance Imaging: John Wiley & Sons. p. 471). 최근의 보고는 가도나노튜브에 대해, 양성자/물 교환 속도 및 회전 상관 시간과 같은 구체내부 물 양성자와 가도나노튜브의 상호작용을 지배하는 인자가 대부분의 관찰된 r ₁ 이완성을 초래한다는 것을 시사한다(Ananta et al., 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821). 따라서, 구체내부 상호작용을 설명하는 SBM 식에 주로 초점을 둔다. 도 13a 내지 d는 산화된 흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본 각각의 NMRD 프로파일을 나타낸다. 또한 다양한 구체내부 변수에 대해 대응되는 가장 적합한, 생리적으로 합리적인 값(다른 Gd(III) 및 Mn(II)-계 화합물에 대해 보고된 값의 범위 내에서)이 포함된다. (본 발명자들의 적당한 접근법의 논의를 이하에 제시한다). 표 5는 계산된 변수, 그것의 정의 및 값을 열거한다(표 8은 고정된 변수, 그것의 정의 및 값을 열거한다). 일반적으로, SBM 식은 높은 전계(> 10㎒)에서 또는 낮은 전계에서(< 0.5㎒) 허용가능한 적합도를 제공한다. 전반적인 적합도는 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본에 대해서보다 산화된 마이크로-흑연, 및 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대해 더 정확하였다. 이는 SBM 식이 본 명세서의 합성된 모든 화합물에 대해 전체적으로 만족스러운 모델일 필요는 없다는 것을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 곡선 적합 알고리즘에 의해 돌아오는 변수를, 그것들이 다른 곳에 보고된 것과 긴밀히 연결된다면 이하에 논의한다.

변수 Δ²은 상자성 금속 전자의 영자기장 분열 에너지를 나타낸다. 지만(Zeeman) 분열을 생성하기 위해 보통 사용되는 적용된 전계가 없을 때 조차도, 무작위 움직임 및 복합체의 뒤틀림 때문에 여전히 분열이 일어날 수 있다. 이들 상호작용에 의해 만들어진 전계는 가까운 양성자에서 이완을 유발하는 에너지는 생성한다. 이 분열에 대한 상관 시간을 τ _ν 로 칭한다. 이들 두 변수는 상자성 중심의 유효성을 결정하는데 중요하다. Δ²는 일반적으로 10¹⁸ 내지 10²⁰s^-2의 범위에 있다. 적합도로부터 발견한 값은 허용되는 범위 내에서 양호하다. τ _ν 의 값은 일반적으로 1 내지 100 피코초가 되는 것으로 허용된다(Lauffer, 1987, Chem Rev 87: 901-927). 본 발명자들이 발견한 값은 이 범위 내에 있다. τ _R 의 경우에, 회전 상관 시간, 즉 10㎰ 내지 2㎱ 범위의 값이 보고된 한편(Aime et al., 2002, Journal of Biological Inorganic Chemistry 7: 58-67; Lauffer, 1987, Chem Rev 87: 901-927; 및 Toth et al, 2005, J Am Chem Soc 127: 799-805), 가도나노튜브에 대해 나노초 내지 마이크로초 범위로 떨어진 값이 또한 보고되었다(Ananta et al., 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821). 마이크로-흑연 및 그래핀 샘플에 대해 얻은 결과는 나노초 시간 규모이다. 변수 q는 구체내부 내에서 빨리 교환되는 물 분자의 수를 나타내며, 그것의 값은 모든 샘플에 대해 8이었다. 이들 값은 다양한 상자성 복합체에 대해 얻은 q에 대한 값의 범위 밖으로 떨어지는데, 이는 1 내지 6이다. 그러나, 20만큼 높은 q값이 가도플러렌에 대해 보고되었다(Toth et al, 2005, J Am Chem Soc 127: 799-805). 그래핀 내의 망간 개재에 대한 이론적 연구는 1 내지 3개의 배위 결합을 지니는 그래핀 시트에 대한 망간의 바위를 시사한다(Mao et al., 2008, Nanotechnology 19: 205708). 대부분의 개재된 그래핀은 높은 스핀 상태의 Mn^{2 +}인 것을 추정하면, 배위수는 4 내지 8일 수 있고, 따라서 물 분자에 대한 가능한 배위 자리는 1 내지 7일 것이고, NMRD 적합도로부터 얻은 값은 이 값에 가깝다. 추가적으로, EPR 결과는 또한 이 값이 합리적이라는 것을 나타낸다. 변수 τ _M , 즉, 물 체류 수명은 이완성에 대해 이중의 효과를 가진다. 한편으로, 물 분자가 구체내부에 더 길게 체류할수록, 상자성 중심이 그것의 스핀에 영향을 미치는 시간은 길어진다. 그러나 그것의 체류 시간이 너무 길면, 이는 배위로부터 상자성 금속 중심까지 다른 물 분자의 능력을 차단하고, 전체 이완성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 최적의 이완성은 가능한 극단 사이의 어딘가에 있다. 문헌은 넓은 범위의 τ _M 값을 나타낸다. 소분자 복합체는 일반적으로 11 내지 100㎰인 한편, 거대분자, 예컨대 상자성 리포좀(Hak et al., 2009, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 72: 397-404), 가도플러렌(Toth et al, 2005, J Am Chem Soc 127: 799-805), 가도나노튜브(Ananta et al, 2010, Nature nanotechnology 5: 815-821)는 100 내지 500㎱의 값을 가진다. 값은 몇 나노초 내지 수백 나노초 사이의 적합도 범위로부터 발견된다. 이 데이터를 확증하기 위해, 14T에서 ¹⁷O의 측정을 수행하였고, 물 교환 상관 시간(τ _M )을 쉬프트 및 코닉 이론(Swift and Connick theory)에 따른 데이터를 분석함으로써 평가하였다(이하 참조)(Swift et al, 1962, J Chem Phys 37: 307). τ _M 값은 27℃에서 모든 샘플에 대해 수백 ㎱가 되는 것으로 평가하였다. 이 값은 NMRD 적합 산화된 마이크로-흑연 및 산화된 그래핀 나노플라트렛으로부터 얻은 τ _M 값을 잘 확인하며, 그들은 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본값보다 100배 더 크다. 이 두 샘플에 대해 수백 나노초에서 τ _M 값을 고정시킴으로써 얻은 NMRD 적합도는 양호한 피트 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 경우에 다른 변수에 대해 합리적인 값을 제공하며, 그러나 불량한 적합도가 그래핀 나노리본에 대해 얻어졌다(도 23 참조). 분리 거리, 물 양성자와 상자성 금속 이온(이 경우에는 Mn^{2 +}) 사이의 r _MnH 는 SBM 식에서 제6의 동력을 일으켰다. 따라서, 이는 이완성에 매우 큰 영향을 가지며, 거리가 짧을 수록 영향은 커진다. 이 작업에서, 본 발명자들은 변수가 2.9 옹스트롬의 대부분의 흔히 보고되는 값에서 고정된 채로 유지되기보다는 약간 변화된된다는 것을 발견하였다(Troughton et al, 2004, Inorg Chem 43: 6313-6323). 본 발명자들이 얻은 적합한 값은 공칭값에 매우 가까운 어떤 경우였지만, 이 값에 대해 SBM 식의 극한의 감도 때문에, 이는 적합도를 개선시켰다.

다수의 접근이 개발되었으며, 이완 메커니즘에 영향을 미치는 상기 인자들은 새로운 고효율 Mn^{2 +}-계 또는 Gd^{3 +}-계 T₁ MRI CA를 설계하도록 변경된다(표 6). 이들 접근은 다음의 변수 중 하나 이상을 변경시키는데 초점을 두었다: (1) 구체 내부 물 분자 수(q)의 증가; (2) 구체내부 물 체류 수명(τ _M )의 감소 및 콘트라스트 촉진제(CA)의 회전 상관 시간(τ _R )의 증가; (3) 킬레이트를 설계할 때 결합 각도 및 배향의 변경에 의한 rMnH의 감소(Caravan et al., 2009, Contrast Media Mol Imaging 4: 89-100). Mn^{2 +} 계 거대분자 콘트라스트 촉진제의 경우에, 20㎒에서, 55 mM^-1s^-1만큼 높은 r ₁ 값을, 4 내지 10 mM^-1s^-1의 r ₁ 값을 나타내는 다양한 소분자 폴리카복실산 리간드를 지니는 임의의 킬레이트 또는 킬레이트화가 없는 Mn²⁺ 이온과 비교하여 보고하였다. 이들 연구에서 조작된 두 변수는 τ _M 의 및/또는 τ _R 이다. 이 작업의 결과는 그래핀 시트 사이에 상자성 금속을 국한시킴으로써 r ₁ 이완성을 향상시키는 신규한 일반적인 접근을 도입하며, 따라서 특징적 변수 q, τ _M 및 τ _R 이 변형되게 한다. 결과는 흑연 탄소 입자의 크기, 형상 또는 구조가 아닌 그래핀 시트 내의 상자성 금속 이온의 갇힘(개재)이 이완성을 증가시키는 중요한 결정소이라는 것을 나타내며, 따라서 고이완성 MRI CA로서 금속 이온 흑연-탄소 복합체를 개발하기 위한 신규한 일반적 전략으로서 상자성 이온의 나노 갇힘을 확인한다.

생화학적 특징 및 흑연 및 그래핀 나노구조의 유망한 이완성 결과를 MRI CA로서 그것의 안전성 및 효율을 평가하는 시험관내 및 생체내 연구에 대해 이들 실시예의 열린 방안으로 보고하였다. 최근의 보고에 따르면, 미국에서 2천 7백 5십만명의 임상적 MRI 과정 중 대략 43%가 CA를 사용하며, MRI CA 시장은 2012년에 18억 7천만 달러까지 성장하는 것으로 계획된다((2011) Imaging Agents. Global Industry Analysts, Inc: http://www.strategyr.com/Imaging_Agents_Market_Report.asp). 대부분의 임상적 MRI CA는 밝은 양성 콘트라스트를 만들기 위해 MR 신호를 향상시키는 가돌리늄-(Gd^{3 +}) 이온계 T₁ 상자성 CA이다. 중증의 신질환 또는 이후의 간 이식이 있는 일부 환자에서 신원성 전신 섬유증(NSF)의 최근의 발견은 Gd³⁺-이온계 MRI CA의 임상적 사용에 대한 미국식품의약국(Food and Drug Administration: FDA) 제한을 야기하는 문제를 만들었다(US FDA Information on gadolinium- containing contrast agents 2008, http://wwwfdagov/cder/drug/infopage/gcca/). MRI에 대한 상자성 콘트라스트 재료의 예로서 초기에 보고된 망간은 가돌리늄에 대한 가능한 대안으로서 다시 주목받았다(Pan et al., 2010, Revisiting an old friend: manganese based MRI contrast agents. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology). 란탄계열과 달리, 이는 Ca²⁺와 유사한 천연 세포 구성요소 이며, 종종 효소 및 수용체에 대한 조절 보조인자로서 작용한다. 망간에 대한 정상의 매일의 영양 필요량은 0.1 내지 0.4 밀리그램인 반면, 정상의 혈청 수준은 1나노몰이다. 장기간 노출 후 또는 신경학적 증상을 초래하는 고농도에서 망간 독성이 단지 보고되었다(Pan et al., 2010, Revisiting an old friend: manganese based MRI contrast agents. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology). 따라서, 이 작업에서 보고된 마이크로- 및 나노-입자의 추가 개발은 고효율 MRI CA로서 새로운 분류의 Mn²⁺-탄소 나노구소의 개발을 야기할 수 있었다.

(표 3a)

(표 3b)

구조적, 화학적 및 원소적 분석

1. 구조적 특성규명 및 라만 분석

산화된 마이크로-샘플에 대해 그것의 크기 및 구조를 특성규명하기 위해 주사전자현미경 분석(Scanning electron microscopy: SEM, JSM 5300, JEOL)을 80㎸에서 수행하였다. 고해상도 분석 투과전자현미경(JEOL JEM2010F (FEG-TEM))을 사용하여 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본 샘플에 대해 고해상도 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM) 영상 분석을 수행하였다. 200㎸ 가속 전압에서 영상화를 수행하였다. 1:1의 에탄올:물로 건조분말을 분산시킴으로써 TEM 샘플을 제조하여 균질한 혼합물을 형성한다. 그 다음에 현탁액을 레이스 탄소 필름으로 덮인 300 메시 Cu 그리드 상에 침착시켰다. 수차(Cs)보정된 TEM 특성규명을 위해, 대물렌즈에 대한 구면수차 교정자를 구비한 80㎸에서 작동되는 티탄(Titan) 큐브 300 내지 60㎸에서 실험을 수행하였다. 영상을 보통 0.4초동안 기록하였다. 스펙트럼을 보정하기 위해 사용한 이 경우의 전자 에너지 손실 스펙트럼(Electronic Energy Loss Spectra: EELS) 검출기는 트리디엠(Tridiem)이었다. 흑연, 산화된 흑연 및 모든 그래핀 샘플의 라만 스펙트럼 분석을 530㎚ 다이오드 레이저 여기 파장 및 실온에서 써모 사이언티픽 DXR 라만(Thermo Scientific DXR Raman) 공초점 현미경을 사용하여 200 내지 3000㎝^-1에서 수행하였다.

도 14a는 산화된 마이크로-흑연 입자의 주사전자현미경 영상을 나타낸다. 영상은 산화된 마이크로흑연 입자가 균열 구조로서 존재하며, 2.5㎛의 평균입자로 3 내지 4㎛의 크기(가장 긴 길이의 균열 구조)를 가진다는 것을 나타낸다. 도 14b 및 14c는 각각 환원된 그래핀 나노플라트렛의 대표적인 저배율 및 고배율 TEM 영상을 나타내는데, 이는 이들의 구조적 및 형태학적 정보를 제공한다. 그래핀 나노입자의 구조적 특성은 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본의 대규모 생산에 대한 최근의 보고와 유사하다(Stankovich et al., 2006, Journal of Materials Chemistry 16: 155-158; Stankovich et al, 2007, Carbon 45: 1558-1565; Stankovich et al, 2006, Carbon 44: 3342-3347; Li et al, 2008, Nature nanotechnology 3: 101-105; Kosynkin et al, 2009, Nature 458: 872-876; Higginbotham et al, 2010, ACS nano 4: 2059-2069; Geng et al, 2009, Journal of colloid and interface science 336: 592-598). 도 14b에서 알 수 있는 바와 같이, 환원된 그래핀 나노플라트렛은 ~20㎚의 평균 폭을 지니는 형상으로 원형이다. 일부 플라트렛은 다른 것보다 더 어둡게 나타났으며, 이는 다중층 그래핀 시트의 존재에 기인한다. 가장 투명한 더 밝은 것은 단일 또는 이중층의 그래핀 시트이다. 도 14c는 개개의 그래핀 시트의 원자 격자 프린지(fringe) 구조를 나타내며; 격자 그리드 선 및 6각형 탄소 원자 고리는 명확하게 가시적이다(Lu et al., 2009, Nano Research 2: 192-200). Si 기판 상의 환원된 그래핀 나노플라트렛 분산물의 AFM 부문 분석은 ~1.137㎚의 균일한 두께를 나타내었다(도 14g). 순수 그래핀 시트는 0.34㎚의 원자층 두께(반데르발스)를 가진다. 카복실 및 하이드록실기에 의한 공유결합의 존재 및 그래핀 나노플라트렛 구조에서 sp³ 탄소 원자의 이동이 두께 증가에 대한 이유가 되는 것으로 보고되었다(Stankovich et al., 2007, Carbon 45: 1558-1565). 산화된 그래핀 산화물 나노입자는 유사한 크기 및 구조를 나타낸다(도 14f).

도 14d 및 e는 각각 그래핀 나노리본의 저배율 및 고배율 TEM 영상을 나타낸다. 도 14d에서 알 수 있는 바와 같이, 그래핀 나노리본은 그래핀 시트의 완전히 지퍼가 열린 층을 가진다. 도 14e의 고배율 TEM 영상은 MWCNT의 동심벽의 성공적인 지퍼열림에 기인하여 나노리본이 다층화된 것(화살표)을 명확하게 나타낸다. 그래핀 산화물 나노리본 구조는 대부분 균일함 및 매끈함을 나타내며, 결함은 거의 없다. 출발 물질인 MWCNT는 40 내지 70㎚의 외부 직경 및 500 내지 2000㎚의 길이를 가진다. MWCNT는 원통형이기 때문에, 지퍼열림 시, 그것들은 ~125 내지 220㎚의 폭(π×직경) 및 500 내지 2000㎚의 길이를 갖도록 완전히 열려야 한다. TEM 영상의 분석은 그래핀 나노리본의 폭이 MWCNT의 최외각 튜브의 외부 직경 70㎚보다 더 큰 ~120㎚라는 것을 나타내며, 이는 지퍼열림 과정을 확인한다. 그러나, 이 폭은 완전히 편평한 리본에 대해 필요한 범위보다 약간 더 낮은데(125 내지 220㎚), 이는 지퍼열림 시 그래핀 나노리본이 완전히 편평한 시트일 필요는 없지만, MWCNT의 일부 곡률을 보유한다는 것을 시사한다. TEM 영상은 또한 그래핀 나노리본이 MWCNT와 유사한 ~600 내지 2000㎚의 길이를 가진다는 것을 나타낸다.

도 15a는 산화된 마이크로-흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 또한 대조군으로서 순수 마이크로-흑연의 라만 스펙트럼이 포함된다. 순수 마이크로-흑연의 스펙트럼은 1581㎝^-1에서 현저하게 뾰족한 피크를 나타내는데, 이는 이중퇴화(doubly degenerate) 영역 중심 E_2g 방식에 기인하는 G-밴드를 표시한다(Tuinstra et al, 1970, Raman spectrum of graphite. The Journal of Chemical Physics 53: 1126). 산화된 흑연의 경우에, G 밴드의 퍼짐 및 1595㎝^-1로 피크 이동이 있다. 추가로, 영역 경계 포논은 1345㎝^-1에서 D 밴드가 생기게 하는데, 이는 이상 sp² 도메인의 증가 및 산화에 기인하는 결정 크기의 감소를 나타낸다. 흑연의 산화에 기인하여, D 대 G 피크의 강도 비(I_D/I_G)는 흑연에 대해 0.407로부터 산화된 흑연에 대해 1.2로 증가된다(Tuinstra et al., 1970, Raman spectrum of graphite. The Journal of Chemical Physics 53: 1126). 산화된 그래핀 나노플라트렛 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 스펙트럼은 각각 1.3 및 1.44로 I_D/I_G의 추가 증가를 나타낸다. 환원된 그래핀 나노플라트렛의 경우에, D 및 G 밴드의 피크는 흑연의 값에 더 가깝게 이동되며(각각 1330㎝^-1 및 1590㎝^-1), 이는 환원 동안 산소의 제거 및 sp² 탄소 원자의 회복을 시사한다. 그러나, I_D/I_G 비는, 이러한 작은 크기의 이상 도메인 수의 증가에 추가적으로 sp² 도메인의 평균 크기의 감소 때문에, 가능하게는 산화된 그래핀 나노플라트렛에 비해 더 높다(Stankovich et al, 2007, Carbon 45: 1558-1565).

도 15b는 그래핀 나노리본 및 MWCNT의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 그래핀 나노리본에 대한 스펙트럼은 넓은 G 밴드를 가지며, 이는 MWCNT에 비해 1600㎝^-1에서 적색 이동되고, 1310㎝^-1에서 현저한 D 밴드를 가진다. 이전의 보고와 유사하게 MWCNT에 대해 0.045로부터 그래핀 나노리본에 대해 1.57로 I_D/I_G값의 증가가 있다(Kosynkin et al, 2009, Nature 458: 872-876). 그래핀 나노리본에 대한 G 밴드의 적색-이동은 MWCNT의 산화적 지퍼열림에 기인하며, 이는 흑연의 산화에 기인하는 산화된 그래핀 나노플라트렛에 대한 스펙트럼의 이동과 유사하다(도 15a).

환원된 그래핀 나노플라트렛의 라만 스펙트럼은 657㎝^-1, 370㎝^-1 및 320㎝^-1 주위에서 추가적인 피크를 나타낸다(도 15c). 피크를 확인하기 위해, 라만 스펙트럼 데이터베이스 검색(러프(RRUFF)(상표명) 프로젝트 수집을 사용, http://rruff.info/R040090)으로 피크는 하우스먼나이트(Mn₃O₄)에 기인하는 것으로 생각되며; 복합체 산화물은 2가 및 3가 망간을 함유한다. 하우스먼나이트는 망간의 가장 안정한 산화물이며, 임의의 다른 망간의 산화물, 수산화물, 탄산염, 질산염 또는 황산염이 하소될 때 형성된다(Southard et al., 1942, Journal of the American Chemical Society 64: 1769-1770; Ursu et al, 1986, Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics 19: L825; 및 Bie et al, 2010, Solid State Sciences 12: 1364-1367). 본 발명자들의 경우에, 환원된 그래핀 나노플라트렛의 합성 동안 고온(~100℃) 가열은 하우스먼나이트 형성을 유발할 수 있다. 하우스먼나이트 피크의 검출은 샘플의 배향 및 매우 소량으로 그것의 존재를 나타내는 샘플 스팟 크기에 민감하였다. 샘플의 EPR 스펙트럼(도 11 및 12)은 또한 임의의 Mn (III) 이온을 검출하지 않았고, 추가로 하우스먼나이트가 2가의 망간 산화물에 비해 상대적으로 소량으로 존재할 수 있다는 것을 입증한다.

환원된 그래핀 나노플라트렛과 달리, 산화된 마이크로-흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛 또는 나노리본 샘플의 라만 스펙트럼에서 하우스먼나이트 피크는 검출되지 않았다. 산화 및 환원된 그래핀 나노플라트렛의 전자 에너지 손실 분광분석(Electron energy loss spectroscopy: EELS)은 망간 및 산소를 검출하였다(도 16). 그러나, 그래핀 나노리본(중심에서 또는 가장자리에서)의 EELS 분광분석은 어떤 망간도 나타내지 않았다. 추가적으로, 모든 샘플(산화된 마이크로흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본)의 미량 원소 분석(표 7a 내지 b)으로 망간의 존재를 검출하였다. 따라서, EELS 및 원소 분석 측정과 함께 취한 라마나 분광학 결과는 산화된 마이크로-흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본의 경우에, 황산 망간 또는 산화망간의 형태로 2가의 망간이 그래핀 층 사이에 개재될 수 있다는 것을 나타내는데, 이는 과망간산칼륨과 황산의 반응이 2가의 망간 형성을 야기하기 때문이다. 추가적으로, 미량의 하우스먼나이트는 환원된 그래핀 나노플라트렛에 대한 그래핀 층 사이에 개재될 수 있다(Sorokina et al., 2005, Russian Journal of General Chemistry 75: 162-168).

2. 원소 분석

두 마이크로분석의 분석 시험 연구소(아리노자주 투싼에 소재한 컬럼비아 아날리티컬 서비스(Columbia Analytical Services) 및 테네시주 콕스빌에 소재한 갈브래스 래버러토리즈 인코포레이티드(Galbraith Laboratories, Inc.))에서 망간 및 칼륨의 농도를 확인하고, 결정하기 위해 유도결합플라즈마 광학분광광도계(Inductively-coupled plasma optical emission spectroscopy: ICP-OES)에 의해 고체 및 액체 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본 샘플을 분석하였다. 추가적으로, 그래핀 나노리본 샘플에 대해 철 함량 분석을 수행하였는데, 철은 MWCNT(출발 물질)의 제조에서 촉매로서 사용되기 때문이다. ICP 분석을 위해, 고체 및 액체 그래핀 나노플라트렛 및 나노리본 샘플(공지된 중량 또는 농도)을 진한 HNO₃로 처리하였고, 조심스럽게 가열해서 고체 잔사를 얻었다. 그것들을 다음에 30% H₂O₂로 처리하였고, 다시 가열하여 임의의 탄소질 물질을 제거하였다. 남아있는 고체 잔사를 2% HNO₃ 중에 용해시키고, ICP에 의해 분석하였다.

표 7a 및 7b는 각각 산화된 마이크로-흑연, 산화된 그래핀 나노플라트렛, 환원된 그래핀 나노플라트렛 및 그래핀 나노리본의 고체 및 수성 샘플의 미량 원소 분석을 제공한다. 고체 샘플에 대해(표 7a), 과망간산칼륨이 이들 나노입자의 제조에 사용되기 때문에, 이들 샘플 내 칼륨 및 망간의 농도를 분석하였다. 추가적으로, 그래핀 나노리본에 대한 철 원소 분석을 또한 수행하였는데, 철은 그래핀 나노리본 제조에서 사용되는 출발 물질인, MWCNT의 제조에서 촉매로서 사용되기 때문이다. 모든 고체 샘플은 0.22 내지 0.52중량%의 칼륨을 나타내었다. 그래핀 나노리본은 3.84 내지 5.11중량%의 망간을 나타낸 다른 고체 샘플에 비해 적어도 4배 더 적은 양의 망간(0.93중량%)을 나타내었다. 수성 샘플에 대해(표 7b), 망간의 농도를 모든 샘플에 대해 분석하였는데, 그것들이 이들 샘플의 이완성 계산에 필요하기 때문이다. 그래핀 나노리본 용액에 대해, 철 원소 분석을 또한 수행하였는데, 이것이 계산한 이완성 값에 기여할 수 있기 때문이다. 모든 수성 샘플 내 망간 농도는 0.27 내지 1.48ppm에서 가변적이었다. 이 넓은 범위의 농도값은 1% 플루로닉 F127 용액에서 안정한 현탁액을 형성하는 상이한 샘플의 가변적 경향에 기인하기 때문이다(양성자 이완성 측정에 대한 방법 부분 참조). 그래핀 나노리본의 수용액에서 철은 검출되지 않았다. 철의 이런 미검출은 다음의 이유에 기인할 수 있다. 이완성에 대해 사용되는 그래핀 나노리본의 농도는 10㎍/㎖이다. 300㎕ 용적 용액을 이완성 실험 및 미량원소 분석을 위해 사용하였다. 따라서, 그래핀 나노리본의 총량은 3㎍이다. Fe 농도가 3㎍의 0.005%가 되는 것을 고려한다면, Fe의 양은 0.15ng이 되며, 이는 ICP 시스템의 검출한계 미만이다(검출한계 ~ 1ng).

3. 이완성의 솔로몬-블룀베르간-모르간 이론

다음은 SBM 식의 세트이다(Toth et al., 2001, The Chemistry of Contrast Agents in In: Merbach A, Toth E, editors. The Chemistry of Contrast Agents in Medical Magnetic Resonance Imaging: Wiley).

상기 식에서 Mn의 몰분율인 P _m 은 식 13에 정의한다.

순양성자 이완 시간인 T _1m 및 T _2m 은 다음에 의해 주어진다:

C _dd 는 쌍극자-쌍극자 상호작용을 지배하는 물리상수: τ_c1을 함유한다

상자성 중심의 이완 유효성은:

이다.

앞에서와 같이, 쌍극자-쌍극자 상호작용을 통해 상자성 중심으로부터 H 양성자까지의 전달 효율은 하기와 같이 주어지는 상관시간 τ_c1 및 τ_c2에 의해 매개된다:

스칼라(scalar) 상호작용에 대해 적절한 상관 시간은 하기와 같이 주어지는 τ _e 이다:

최종적으로, 본 발명자들은 하기를 가진다

및

ω ₁ 및 ω _S 는 각각 상자성 금속 전자 스핀의 라머 주파수 및 물 양성자의 핵 스핀이다.

P _M 은 Mn⁺² 및 물(H₂O)의 전체 몰수에 대한 망간(Mn⁺²)의 몰 분율이다. 본 명세서에 사용된 Mn⁺²의 농도는 1mM이었다.

상기 식에서 남은 물리상수는 이하의 표 8에 제공한다.

상자성 복합체가 이완성을 개선시키는 메커지즘은 양성자 스핀에 사자기 이온의 저자 스핀의 결합을 통해서이다. 이 결합은 2가지의 주요 방법에 의해 일어난다: 스칼라(결합을 통해) 및 쌍극자-쌍극자(dipole-dipole: DD)(공간을 통해) 상호작용. DD 상호작용이 일반적으로 더 강하지만, 물 분자 내 H 원자의 배향에 대한 상자성 이온의 스핀 시스템의 배향에 의존한다. 분자는 서로에 대해 계속적으로 텀블링되기 때문에, 서로에 대한 라디안만큼 분자가 회전하는 시간의 대략의 측정인 회전 응집 시간 τ _R 은 DD 상호작용에 대한 중요한 인자이다. τ _R 이 더 길어지면, 상자성 중심의 영향은 더 효과적이 된다. 그러나, 스칼라 결합에 대해, 생리적 배향은 무관한데, 영향은 화합물의 결합을 통해 발휘되기 때문이다. 이런 이유로, τ _R 은 T ₁ 및 T ₂에 대한 DD 상호작용을 각각 지배하는 상기 식 8 및 9에 존재하지만, 스칼라 상호작용을 지배하는 식 10에는 없다. 상호작용의 전체 길이는 DD와 스칼라 기여의 합이며, 이는 식 3에 반영되고, 여기서 첫번째 용어는 DD 기여를 나타내고, 두번재 용어는 스칼라 분포를 나타낸다.

구체내부 기여 모델링에서 중요한 인자는 임의의 주어진 시간에 상자성 중심에 결합될 수 있는 물 분자의 수를 확인하는 것이다. 식 1은 이완성이 이 수화 수, q에 직접 비례한다는 것을 말해준다. 식 1로부터 명백한 다른 요점은 콘트라스트 촉진제의 농도를 제외한 것이며, 이완성 r ₁ 및 r ₂ 는 각각 결합된 구체 내부의 물 분자의 전체 이완 시간 T _1m 및 T _2m 에 의해, 그리고 물 분자가 다른 물 분자에 의해 탈착 및 대체되기 전 상자성 중심에 결합된 채로 남아있는 시간 길이인 체류 수명 τ_m에 의해 결정된다. 차례로, 인자 T _1m 및 T _2m 은 상자성 중심의 전자 이완시간인 인자 T _1e 및 T _2e 에 의존한다. 이들은 종 및 횡의 경우에 대해 각각 식 6 및 7에 정의되며, 특히 적용된 전계에 의존한다. 상자성 중심의 전자로부터 양성자까지 이완성 전달의 유효성은 DD의 경우에 식 8 및 9에 의해 지배되며, 스칼라의 경우에 식 10에 의해 지배된다. 상자성 작용제의 강도를 제외하고, 식 8 및 9는 콘트라스트 촉진제의 전자에 의해 발생되는 RF 전계의 양성자에 대한 전달의 유효성이 또한 전반적인 이완성에서 중요한 인자라는 것을 말해준다. 이 전달은 텀블링 시간 τ _R 및 체류 수명 τ _m 에 의해 매개된다. 이들이 더 길어지면, 전달이 더 효과적으로 된다.

SBM 식은 최소제곱법 알고리즘을 사용하는 실험 데이터에 적합하였다(Mathematica(등록상표)의 FindFit). 곡선-적합 알고리즘은 생리적으로 실혈될 수 없거나 또는 의미없는 용액을 생성하는데 악명이 높기 때문에, 가능한 용액을 제한하기 위한 제약을 사용하였다. 또한 데이터는 더 양호한 적합도를 생성한 레벤버그-마쿼트(Levenberg-Marquardt) 알고리즘에 적합하였지만, 되돌아온 변수는 음의 값과 같이 종종 무의미하였고/하였거나 허용된 값과 10의 몇 제곱만큼 달랐다. 레벤버그-마쿼트 알고리즘은 사정조정된 제약에 의해 사용될 수 없었기 때문에, 제약을 사용하게 하고, 결과를 빠르게 되돌리는 FindFit 함수의 선택사항을 최소화를 사용하였다. 또한 NMRD 데이터의 적합화 동안, 알고리즘에 의해 되돌려지는 변수는 국소 최소값으로만 나타낼 수 있으며, 대역 최소값으로는 나타낼 수 없다는 것을 주목하여야 한다. 더 양호한 용액이 존재할 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 이들은 위치시키고, 확인하는 것이 매우 어렵다. 추가로, 하나의 변수에 대한 약간의 조절은 다른 변수에서 크게 변동되는 변화를 야기할 수 있다.

본 명세서에 보고된 4가지 물질의 각각에 대한 NMRD 데이터를 최적으로 분석하기 위해 다수의 곡선 적합화 실험을 수행하였다. 부동시키고, 곡선-적합 알고리즘에 의해 계산된 변수의 숫자와, 고정되고 다른 수단에 의해 결정된 것으로 추정되는 숫자 사이의 교환이 있다. 일부 변수의 독립적 확증은 일번적으로 해당 변수에 대해 더 정확한 값을 생성하지만, 적합도의 견고함에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 반대로, 모든 변수를 발견하기 위한 알고리즘을 허용하는 것은 종종 우수한 적합도를 야기하지만, 때때로 음성의 시간값을 포함하는 생리적으로 의미없는 결과를 야기한다. 이런 일을 제한하기 위해, 본 발명자들은 일반적으로 알고리즘의 실행 동안 생리적으로 합리적인 범위 내에 놓인 원하는 변수를 제약하였다.

일부 SBM 변수를 확증하기 위해, 본 발명자들은 EPR 및 ¹⁷O-횡 이완 속도 측정에 의해 q 및 τ _M 에 대한 값을 독립적으로 결정하였다. 얻은 q값은 모든 샘플에 대해 8이었고, τ _M 의 값은 산화된 흑연 = 200㎱, 산화된 그래핀 나노플라트렛 = 500㎱, 환원된 그래핀 나노플라트렛 = 350㎱ 및 그래핀 나노리본 = 400㎱였다.

EPR 측정에 의해 확인되는 q = 8로 최량적합을 얻었다. 그러나, 본 발명자들은 Mn(II) 이온이 그래핀 시트 또는 산소 원자에 배위되는 가능성을 고려하였고, 또한 q = 2, 4 및 6에 대한 적합도를 얻었을 뿐만 아니라 q값을 부동시켰다.

다음의 적합화 전략을 사용하였다.

1. 모든 SBM 변수를 부동시킴(도 18).

2. Q를 2에 고정함, 남아있는 SBM 변수를 부동시킴(도 19).

3. Q를 4에 고정함, 남아있는 SBM 변수를 부동시킴(도 20).

4. Q를 6에 고정함, 남아있는 SBM 변수를 부동시킴(도 21).

5. Q를 8에 고정함, 남아있는 SBM 변수를 부동시킴(도 22).

6. Q를 8에 고정함, Tm을 고정함, 남아있는 SBM 변수를 부동시킴(도 23).

4. ¹⁷ O-횡 이완 속도 측정

¹⁷O 측정을 위해 브룩커 아반스(Bruker Avance) 500 분광계를 사용하였다.

실험 설정은 하기와 같다: 샘플 스피닝 없음, 스펙트럼 폭 10㎑, 90°펄스, 포착시간(acquisition time) 25㎳, 및 256 스캔. 실험 샘플을 함유하는 5㎜관에 공축으로 삽입된 모세관 내에 함유된 CD₃CN을 사용하여 전계-주파수 잠금을 수행하였다. 실험 용액에 ¹⁷O가 풍부한 물(10% H₂ ¹⁷O)을 첨가함으로써 ¹⁷O 동위원소를 풍부화시켜(3%까지) 검출 감도를 개선시켰다. 물 ¹⁷O 신호의 절반의 높이에서 선폭을 측정하였고, 이 값을 사용하여 ¹⁷O-횡 이완속도 측정을 계산하였다(R ₂ = π×절반 높이의 선폭). 물 교환 상관 시간(τ _M )을 스위프트 및 코닉 이론을 사용하여 ¹⁷O-물 중에서 분산시킨 4가지의 샘플에 대한 횡 이완 속도의 온도 의존도(15 내지 80℃)의 분석으로부터 추정하였다(Swift et al, 1962, J Chem Phys 37: 307). 27℃에서, 4가지 샘플에 대한 τ _M 값은 다음과 같았다. 산화된 흑연 = 200㎱, 산화된 그래핀 나노플라트렛 = 500㎱, 환원된 그래핀 나노플라트렛 = 350㎱ 및 그래핀 나노리본 = 400㎱.

(표 7a)

(표 7b)

본 명세서에 인용된 모든 참고문헌은 각각의 개별 간행물 또는 특허 또는 특허출원이 모든 목적을 위하여 그것의 전문이 참조로서 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 표시되는 것과 같이 동일한 정도로 모든 목적을 위해 그건의 전문이 참조로서 포함된다.

당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 다수의 변형 및 변화는 본 발명의 정신과 범주로부터 벗어나는 일 없이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기재된 구체적 실시형태는 단지 예로서 제공되며, 본 발명은 첨부되는 특허청구범위에 의해서만 이러한 특허청구범위에 자격을 준 동등물의 전체 범위와 마찬가지로 제한된다.

Claims (46)

1. 자기 금속 및 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조를 포함하는 자기 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 흑연 나노- 또는 마이크로구조는 5㎛ 이하의 두께를 갖는 것인 자기 조성물.
3. 제1항에 있어서, 약 10 mM^-1s^-1 이상의 이완성 r1을 갖는 것인 자기 조성물.
4. 제3항에 있어서, 약 20 mM^-1s^-1 이상의 이완성 r1을 갖는 것인 자기 조성물.
5. 제3항에 있어서, 약 45 mM^-1s^-1 이상의 이완성 r1을 갖는 것인 자기 조성물.
6. 제2항에 있어서, 상기 흑연 나노- 또는 마이크로구조는 1 내지 5㎛의 두께를 갖는 것인 자기 조성물.
7. 제1항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 약 20㎚ 이하의 두께를 갖는 것인 자기 조성물.
8. 제7항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 1 내지 12개의 탄소 원자층을 포함하는 것인 자기 조성물.
9. 제8항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 1개의 탄소 원자층을 포함하는 것인 자기 조성물.
10. 제8항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 2개의 탄소 원자층을 포함하는 것인 자기 조성물.
11. 제7항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 탄소 나노플라트렛(carbon nanoplatelet) 및 탄소 나노리본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 자기 조성물.
12. 제11항에 있어서, 상기 그래핀-유사 탄소 나노구조는 5 내지 100㎚ 범위의 평균 직경을 갖는 탄소 나노플라트렛인 것인 자기 조성물.
13. 제12항에 있어서, 상기 탄소 나노플라트렛은 약 20㎚의 평균 직경을 갖는 탄소 나노플라트렛인 것인 자기 조성물.
14. 제12항에 있어서, 상기 탄소 나노플라트렛은 약 50㎚의 평균 직경을 갖는 탄소 나노플라트렛인 것인 자기 조성물.
15. 제7항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 1 내지 250㎚ 범위의 평균 폭 및 200 내지 50000㎚ 범위의 평균 길이를 갖는 탄소 나노리본인 것인 자기 조성물.
16. 제15항에 있어서, 상기 탄소 나노리본은 약 120㎚의 평균 폭 및 600 내지 2000㎚ 범위의 평균 길이를 갖는 탄소 나노리본인 것인 자기 조성물.
17. 제7항에 있어서, 상기 탄소 나노플라트렛은 산화된 나노플라트렛인 것인 자기 조성물.
18. 제1항에 있어서, 상기 자기 금속은 Mn, Gd 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 자기 조성물.
19. 제18항에 있어서, 상기 자기 금속은 Mn인 것인 자기 조성물.
20. 제19항에 있어서, 상기 Mn은 Mn 산화물로 존재하는 것인 자기 조성물.
21. 제20항에 있어서, 상기 Mn 산화물은 2가 및/또는 3가 Mn을 포함하는 것인 자기 조성물.
22. 제21항에 있어서, 상기 Mn 산화물은 하우스먼나이트(hausmanite)를 포함하는 것인 자기 조성물.
23. 제19항에 있어서, 1ppb 내지 10⁶ppm 범위의 양으로 Mn을 포함하는 것인 자기 조성물.
24. 제23항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 탄소 나노플라트렛이고, 상기 자기 조성물은 10⁶ 내지 10⁷ppm 범위의 양으로 Mn을 포함하는 것인 자기 조성물.
25. 제24항에 있어서, 상기 자기 조성물은 5×10⁶ppm 범위의 양으로 Mn을 포함하는 것인 자기 조성물.
26. 제23항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 탄소 나노리본이고, 상기 자기 조성물은 10² 내지 10³ppm 범위의 양으로 Mn을 포함하는 것인 자기 조성물.
27. 제26항에 있어서, 상기 자기 조성물은 5×10²ppm 범위의 양으로 Mn을 포함하는 것인 자기 조성물.
28. 제18항에 있어서, 상기 자기 금속은 Gd인 것인 자기 조성물.
29. 제18항에 있어서, 상기 자기 금속은 Fe인 것인 자기 조성물.
30. 제1항에 있어서, Mn과 Fe를 둘 다 포함하는 것인 자기 조성물.
31. 제30항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조는 탄소 나노리본인 것인 자기 조성물.
32. 제1항에 있어서, 상기 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 부착된 수용성 모이어티를 더 포함하는 것인 자기 조성물.
33. 제32항에 있어서, 상기 수용성 모이어티는 상기 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 공유적으로 부착된 것인 자기 조성물.
34. 제32항에 있어서, 상기 수용성 모이어티는 상기 그래핀-유사 나노구조 또는 흑연 나노- 또는 마이크로구조에 부착된 말론산 및 세리놀 말로노다이아마이드로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 자기 조성물.
35. (i) 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항의 충분한 양의 자기 조성물; 및 (ii) 한 종 이상의 생리적으로 허용가능한 담체 또는 부형제를 포함하는 자기 공명 영상화에 의한 사용을 위한 조성물.
36. 피험체의 자기 공명 영상화를 수행하는 방법으로서,
    (a) 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항의 자기 조성물의 충분한 양을 상기 피험체에 투여하는 단계; 및
    (b) 자기 공명 영상 장치를 사용하여 상기 피험체를 영상화하는 단계를 포함하는, 피험체의 자기 공명 영상화를 수행하는 방법.
37. 제36항에 있어서, 상기 피험체는 포유류인 것인, 피험체의 자기 공명 영상화를 수행하는 방법.
38. 제37항에 있어서, 상기 포유류는 인간인 것인, 피험체의 자기 공명 영상화를 수행하는 방법.
39. 피험체의 자기 공명 영상화를 위한 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항의 자기 조성물의 용도.
40. 자기 금속 및 그래핀-유사 탄소 나노구조를 포함하는 자기 조성물의 생성 방법으로서,
    (a) 황산 H₂SO₄, 질산나트륨 NaNO₃, MnCl₂ 및 과망간산칼륨 KMnO₄의 혼합물로 흑연을 처리하는 단계; 및
    (b) 단계 (a)에서 얻은 생성물의 현탁액을 초음파처리함으로써 상기 자기 조성물을 생성하는 단계를 포함하는, 자기 조성물의 생성 방법.
41. 제40항에 있어서,
    (c) 상기 자기 조성물을 환원제로 처리하는 단계를 더 포함하는, 자기 조성물의 생성 방법.
42. 제41항에 있어서, 상기 환원제는 하이드라진 수화물인 것인, 자기 조성물의 생성 방법.
43. 자기 금속 및 그래핀-유사 탄소 나노구조를 포함하는 자기 조성물의 생성 방법으로서,
    (a) 황산 H₂S0₄, MnCl₂ 및 과망간산칼륨 KMnO₄로 다중벽 탄소 나노튜브를 처리하는 단계를 포함하는, 자기 조성물의 생성 방법.
44. 제43항에 있어서, 상기 단계 (a)는
    (a1) H₂S0₄ 중에서 상기 다중벽 탄소 나노튜브를 현탁시키는 단계;
    (a2) KMnO₄ 및 MnCl₂를 첨가하는 단계; 및
    (a3) 단계 (a2)에서 얻은 혼합물을 가열하는 단계를 포함하는 방법에 의해 수행되는 것인, 자기 조성물의 생성 방법.
45. 제44항에 있어서, 단계 (a3)에서 상기 혼합물은 55 내지 70℃로 가열되는 것인, 자기 조성물의 생성 방법.
46. 제40항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 조성물을 수용화(water solubilizing)하는 단계를 더 포함하는인, 자기 조성물의 생성 방법.

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