KR20150120664A - 당알콜로부터 유래된 탄소나노점 유도체 및 이를 포함하는 생물학적 표지 - Google Patents

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Abstract

당알콜로부터 유래된 탄소나노점 및 이의 표면에 패시베이션된 아민 화합물을 포함하는 탄소나노점 유도체는 광발광성 및 생체적합성이 우수하며, 당알콜류로부터 간편한 방법에 의해 합성될 수 있으므로, 생의학 분야 등에서 바이오이미징 용도로서 유용하다.

Description

당알콜로부터 유래된 탄소나노점 유도체 및 이를 포함하는 생물학적 표지{CARBON DOT DERIVATIVE FROM SUGAR ALCOHOLS AND BIOLOGICAL LABEL COMPRISING SAME}
본 발명은 당알콜류로부터 유래된 탄소나노점 유도체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 생물학적 표지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 간편한 마이크로파-보조 열분해를 이용하여 바이오매스 유래의 당알콜인 자일리톨로부터 제조된 탄소나노점에 관한 것이다.
지난 20년간 반도체 양자점(QD)은, 높은 광발광 강도, 우수한 광안정성 및 방출파장의 가변성으로 인해, 생물학적표지, 전자소자, 센서 등의 용도로서 주목을 받아왔다(문헌 [X. Michalet et al, Science 2005, 307, 538] 참조). 이러한 장점에도 불구하고, 양자점이 가지는 독성과 양자점에 함유되는 중금속(카드뮴, 납 등)에 의한 환경적인 우려로 인해, 양자점의 생물학적 분야에 대한 적용은 제한되어 왔다(문헌 [R. Hardman, Environ. Health Perspect. 2006, 114, 165] 참조).
탄소 나노입자는, 탄소나노점 또는 탄소점(CD)이라고도 불리며, 생체적합성, 낮은 독성 및 높은 안정성을 가질 뿐만 아니라 양자점에 비견되는 광학적 특성을 나타내어, 최근 양자점을 대체할 물질로 부각되고 있다(문헌 [S. J. Yu et al, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17604] 참조). 특히, 탄소나노점은 우수한 광발광성으로 인해 바이오이미징, 바이오센서, 약물전달, 광촉매, 태양광발전 등의 다양한 분야로의 응용이 확대되고 있다(문헌 [S. J. Zhu et al, Chem. Commun. 2011, 47, 6858] 참조). 탄소나노점을 원하는 치수와 표면 특성을 갖도록 제조하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 일례로 연소법, 레이저 융삭법, 마이크로파-열분해법, 전기화학적 산화법, 실리카 주형 합성법, 천연 탄소원료의 탈산소화법, 탄수화물의 탈수화법 등의 다양한 방법이 이용되고 있다(문헌 [H. P. Liu et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473] 참조). 그러나 이러한 최근의 탄소나노점의 합성법의 발전에도 불구하고, 간편하면서도 저비용의 환경친화적인 방법의 개발은 여전히 요구되고 있다.
탄소나노점은 일반적으로 구형으로서 직경이 10nm 미만이다. 또한, 탄소나노점은 sp2- 및 sp3-혼성 탄소 나노구조의 혼합 상태로서, 컨주게이션(conjugation)된 카본 클러스터의 형태를 가지며, 다른 표면 작용기로 기능화되어 있다. 탄소나노점의 광발광은 양자구속효과(quantum confinement effect) 및 발광표면트랩(emissive surface traps)이 조합되어 나타나는 특성이다(문헌 [S. N. Baker et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6726] 참조). 표면 패시베이션(surface passivation) 작용기는 표면결함지점(surface defective sites)의 갯수를 증가시킴으로써 탄소나노점의 광발광을 향상시키는 것으로 알려져 있다(문헌 [Y. P. Sun et al, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7756] 참조).
탄소나노점을 화학적으로 합성하는 데에는 당류(글루코스, 프룩토스, 수크로스 등), 시트르산, 아스코르브산 등의 많은 탄소 전구체들이 사용된다. 그러나 이들과의 유사한 화학적 구조에도 불구하고, 대부분의 당알콜류에서는 발광성의 탄소나노점이 잘 합성되지 않는다. 따라서, 당알콜류로부터 고발광성의 탄소나노점을 합성하기 위한 체계적인 연구가 필요하다.
X. Michalet et al, Science 2005, 307, 538. R. Hardman, Environ. Health Perspect. 2006, 114, 165. S. J. Yu et al, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17604. S. N. Baker et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6726. Y. P. Sun et al, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7756. S. J. Zhu et al, Chem. Commun. 2011, 47, 6858. H. P. Liu et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473.
따라서, 본 발명은 당알콜로부터 유래된, 광발광성 및 생체적합성이 우수한 탄소나노점 유도체, 및 이의 바이오이미징 용도를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 당알콜로부터 간편하고도 효율적인 방법에 의해 상기 탄소나노점을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 당알콜로부터 유래된 탄소나노점(carbon nanodot), 및 상기 탄소나노점의 표면에 패시베이션(passivation)된 아민 화합물을 포함하는, 탄소나노점 유도체를 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물과 혼합시키는 단계; (b) 단계 (a)의 결과물에 아민 화합물을 첨가하고 교반하는 단계; 및 (c) 단계 (b)의 결과물을 탄화(carbonization)시키는 단계를 포함하는, 상기 탄소나노점 유도체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노점 유도체를 포함하는 바이오이미징용 생물학적 표지를 제공한다.
본 발명에 따르는 탄소나노점 유도체는 광발광성 및 생체적합성이 우수하며, 당알콜류로부터 간편한 방법에 의해 합성될 수 있으므로, 생의학 분야 등에서 바이오이미징 용도로서 유용하다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기에 사용된 약어들의 의미는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 설명하였다.
도 1 : (a) 자일리톨로부터 탄소나노점을 합성하는 방법의 일례를 도식적으로 나타낸 그림, (b) 자일리톨, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 UV/Vis 흡수 스펙트럼, 삽입이미지는 햇빛 및 UV광(365nm) 하에서의 CDxy(0) 용액(좌) 및 CDxy(1) 용액(우), 및 (c) 여기 파장을 320~410nm 범위에서 10nm 간격으로 변화시킨 조건하의 CDxy(1)의 2차원 광발광 스펙트럼.
도 2 : (a) CDxy(1)의 TEM 이미지 및 입도 분포 히스토그램, (b) CDxy(1)의 고해상도 TEM 이미지, 및 (c) AFM으로 CDxy(1)의 표면 높이를 관찰한 이미지 및 이를 형상화한 그래프.
도 3 : 다양한 HCl 첨가량에 따른 (a) 양자수율 및 (b) CDxy의 제타전위 (이때 양자수율은 퀴닌 설페이트를 참조물질로 하여 360nm의 여기 파장에서 측정됨).
도 4 : (a) 다양한 농도의 CDxy(1)로 처리된 WI-38 및 HeLa 세포에 대한 MTT-기반의 세포 생존률 분석, 및 (b) CDxy(1) 100㎍/mL로 24시간 동안 처리한 HeLa 세포에 대한 명시야(bright-field) 이미지 및 형광 이미지.
도 5: CDxy(0) 및 CDxy(1)의 시간분해 광발광 소멸 곡선(time-resolved photoluminescence decay curves).
도 6: AFM으로 CDxy(0)의 표면 높이를 관찰한 이미지 및 이를 형상화한 그래프.
도 7: (a) 자일리톨, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 FT-IR 스펙트럼, (b) CDxy(0) 및 CDxy(1)의 XPS 스펙트럼(survey scan), 및 (c) CDxy(0) 및 (d) CDxy(1)의 디콘볼루션된 고해상 XPS C 1s 스펙트럼.
도 8: CDxy(1)의 디콘볼루션된 고해상 XPS Cl 2p 스펙트럼.
도 9: EDA의 첨가량에 따른 CDxy의 양자수율(a) 및 제타전위(b) (이때 자일리톨과 HCl의 양은 모두 1.0mmol로 고정되었고, 양자수율은 퀴닌 설페이트를 참조물질로 하여 360nm여기 파장에서 측정되었다).
도 10: 솔비톨, CDsor(0) 및 CDsor(1)의 UV/Vis 흡수 스펙트럼, 삽입이미지는 햇빛 및 UV광(365 nm) 하에서의 CDsor(0) 용액(좌) 및 CDsor(1) 용액(우). (CDsor(0) 및 CDsor(1)의 양자수율은 각각 2.3% 및 5.3%).
본 명세서에서, 탄소나노점 유도체 내의 특정 원소의 함량에 대해 기재된 단위 "원소%"란, 탄소나노점 유도체 내에 포함된 탄소, 산소, 질소 등의 총 원자의 갯수에 대한 특정 원소만의 원자 갯수를 백분율로 나타낸 것을 의미한다. 또한, 원소 A에 대한 원소 B의 "원소비(B/A)"라 함은, 원소 A의 원자 갯수에 대한 원소 B의 원자 갯수의 비율을 의미한다.
탄소나노점 유도체의 구성 및 특성
본 발명의 탄소나노점 유도체는, 당알콜로부터 유래된 탄소나노점, 및 상기 탄소나노점의 표면에 패시베이션된 아민 화합물을 포함한다.
상기 탄소 나노점 유도체는 탄소(C) 성분을 주로 함유하며, 예를 들어 40 내지 75 원소%, 보다 구체적으로는 50 내지 65 원소%로 함유할 수 있다.
또한, 상기 탄소 나노점 유도체는 탄소 외에도 산소(O) 및 질소(N) 성분을 함유한다. 상기 탄소 나노점 유도체는, 예를 들어 산소(O) 성분을 15 내지 40 원소%, 보다 구체적으로 20 내지 35 원소%로 함유할 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노점 유도체는, 예를 들어 질소(N) 성분을 1 내지 20 원소%, 보다 구체적으로 1 내지 15 원소%로 함유할 수 있다.
또한, 상기 탄소 나노점 유도체 내에 함유된 탄소 성분에 대한 산소 성분의 원소비(O/C)가, 예를 들어 0.4 내지 0.6, 보다 구체적으로 0.45 내지 0.55일 수 있다. 또한, 상기 탄소 나노점 유도체 내에 함유된 탄소 성분에 대한 질소 성분의 원소비(N/C)가, 예를 들어 0.01 내지 0.5, 보다 구체적으로 0.02 내지 0.3일 수 있다.
특히, 상기 탄소나노점 유도체는 염소(Cl) 성분을 함유할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노점 유도체는 상기 할로겐 성분, 특히 염소 성분을 5 내지 15 원소%, 보다 구체적으로 7 내지 12 원소%, 보다 더 구체적으로 8 내지 10 원소%로 함유할 수 있다.
상기 탄소나노점 유도체가 염소(Cl) 성분을 함유할 경우, 상기 탄소나노점 유도체는 탄소(C), 산소(O) 및 질소(N) 성분을 각각 50 내지 55 원소%, 15 내지 30 원소%, 및 5 내지 15 원소%로 함유할 수 있으며, 원소비(O/C) 및 원소비(N/C)가 각각 0.45 내지 0.50, 및 0.20 내지 0.30일 수 있다.
상기 아민 화합물은, 예를 들어 C2-10알킬렌다이아민일 수 있으며, 보다 구체적으로는 에틸렌다이아민일 수 있다.
또한, 상기 당알콜은 바이오매스 유래의 당알콜일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 당알콜은 자일리톨, 솔비톨, 글리세롤, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 이들 중 자일리톨일 수 있다.
상기 탄소나노점 유도체는 평균 입경이 1 내지 10 nm일 수 있고, 보다 한정하면 2 내지 8 nm일 수 있으며, 보다 더 한정하면 3 내지 6 nm일 수 있다.
상기 탄소나노점 유도체는 다양한 색상을 발광할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 나노점 유도체는 청색, 녹색 및 적색 계열의 형광을 낼 수 있으며, 이들 형광의 여기 파장은 각각 395~415nm, 463~483nm, 및 549~569nm일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노점 유도체는 세포독성이 매우 낮을 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노점 유도체는 세포 생존률이 95% 이상인 농도가 0.1mg/mL 이하일 수 있다.
상기 탄소나노점 유도체는 종래의 반도체 양자점과 비교하여 생체적합성이 뛰어나므로 생의학적 분야에 매우 적합하다. 구체적으로, 탄소나노점 유도체는 우수한 발광성, 수중 안정성, 및 낮은 세포독성을 나타내므로, 생의학적 용도에 높은 잠재성을 갖는다. 특히, 상기 탄소나노점 유도체는 바이오이미징 분야에서 생물학적 표지(biological label)로서 유용하게 사용될 수 있다.
탄소나노점 유도체의 제조방법
상기 탄소나노점 유도체는 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물 및 아민 화합물과 함께 탄화시켜 수득될 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소나노점 유도체는 아래의 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다:
(a) 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물과 혼합시키는 단계;
(b) 단계 (a)의 결과물에 아민 화합물을 첨가하고 교반하는 단계; 및
(c) 단계 (b)의 결과물을 탄화(carbonization)시키는 단계.
이하, 각 단계별로 상세히 설명한다.
(a) 당알콜과 산 화합물의 혼합
본 단계는 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물과 혼합시켜, 추후 진행될 표면 패시베이션과 탄화 공정에 대비하는 전처리 단계이다.
본 단계에서 첨가되는 염소 성분이 함유된 산 화합물은 탄소나노점의 광발광 특성 향상에 중요한 역할을 한다. 먼저, 산 화합물에 의해 발생한 H+ 이온은 탄수화물의 탄화반응을 촉진시킨다. 또한, H+ 이온은 탄소나노점 표면에 아민 화합물이 패시베이션되는 것을 활성화시킨다. 아울러, 산 화합물에 의해 발생한 Cl- 이온은 탄소나노점 상에 도핑되어, 탄소나노점의 결함방출지점(defective emissive site)의 갯수를 증가시킨다. 그 결과, 이러한 산 화합물을 첨가하여 합성된 탄소나노점은 보다 우수한 발광 및 높은 양자수율을 나타낼 수 있다.
상기 산 화합물은 염산, 브롬산, 아세트산, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 산 화합물은, 상기 당알콜 1.0몰에 대하여, 0.1몰 내지 3.0몰로 혼합될 수 있으며, 보다 한정하면 0.5몰 내지 1.5몰로 혼합될 수 있다. 상기 산 화합물의 첨가량이 범위 내일 때, 최종 제조된 탄소나노점 유도체의 광학적 특성 등이 보다 우수할 수 있다.
본 단계의 원료물질인 당알콜의 구체적인 종류는 앞서 예시한 바와 같다.
(b) 아민 화합물의 첨가
본 단계는 앞서 단계 (a)에서 수득한 결과물에 아민 화합물을 첨가하여, 표면 패시베이션을 준비하는 단계이다.
상기 아민 화합물의 구체적인 종류로는 앞서 예시한 바와 같다.
상기 아민 화합물은 상기 당알콜 1.0몰에 대하여 0.1몰 내지 3.0몰로 첨가될 수 있으며, 보다 한정하면 0.5몰 내지 1.5몰로 첨가될 수 있다. 상기 아민 화합물의 첨가량이 범위 내일 때, 최종 제조된 탄소나노점 유도체의 광학적 특성 등이 보다 우수할 수 있다.
상기 아민 화합물의 첨가 후에는 충분히 교반하는 것이 바람직하다.
(c) 탄화 공정
본 단계는 앞서 단계 (b)에서 수득한 결과물을 탄화시켜, 탄소나노점 유도체를 수득하는 단계이다.
상기 탄화는 열분해 공정에 의해 수행될 수 있다.
바람직한 일례로서, 상기 탄화는 마이크로파-보조 열분해(microwave-assisted pyrolysis)를 이용할 수 있다. 상기 마이크로파는 그 주파수 및 출력 범위에 크게 제한되지 않으나, 예를 들어 주파수 2~4GHz 범위, 및 출력 600~800W 범위일 수 있다. 또한, 상기 마이크로파의 처리 시간은 크게 제한되지 않으나, 용매가 충분이 증발할 수 있는 시간인 것이 좋으므로, 용매의 양이 증가할수록 마이크로파 처리 시간을 늘리는 것이 좋다. 구체적인 일례로서, 용매가 약 5~15mL 정도인 경우에는, 상기 마이크로파 처리 시간이 2분 내지 5분인 것이 바람직하며, 그 결과 반응이 과하게 수행되는 것을 방지할 수 있고, 탄소나노점 유도체의 수용성 및 형광 특성을 더욱 높일 수 있다.
이상의 탄화 공정이 완료되면, 아민 화합물로 표면이 패시베이션된 탄소나노점 유도체가 합성될 수 있다.
도 1의 (a)는 본 발명의 일례에 따른 탄소나노점 유도체의 제조방법을 도식적으로 나타낸 것으로서, 자일리톨을 아민 화합물과 혼합하고, 산 화합물(HCl)을 첨가 또는 미첨가한 뒤, 마이크로파-보조 열분해를 통해 제조하고 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 간편한 마이크로파-열분해법을 이용하여 자일리톨과 같은 당알콜류로부터 광발광성이 조절된 탄소나노점을 합성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 탄소나노점 유도체의 합성 과정에서 산 화합물을 첨가함으로써, 이의 표면 패시베이션 반응이 개선될 수 있다.
구체적인 실시예 및 시험예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하에서, 용어 "CD"는 탄소 나노점(carbon nanodot, carbon dot 또는 C-dot)을 의미한다.
용어 CDxy(n)은, 자일리톨로부터 합성된 탄소나노점으로서, 여기서 n은 마이크로파-보조 열분해 공정 이전에 첨가된 HCl의 양(mmol)을 나타낸다.
용어 CDsor(n)은, 솔비톨로부터 합성된 탄소나노점으로서, 여기서 n은 앞서 설명한 바와 같다.
재료 및 원료:
- 자일리톨 및 1,2-에틸렌다이아민(EDA)은 시그마알드리치(SigmaAldrich)로부터 구입하였다.
- 염산(HCl)은 대정화학(한국)으로부터 구입하였다.
실시예 1: 당알콜로부터 탄소나노점(CD)의 제조 (HCl 첨가량 변화)
자일리톨 152.15mg(1.0mmol)을 증류수 10mL에 희석하고, 여기에 1.0M HCl을 0~3mL(0~3mmol) 범위에서 양을 달리하여 혼합하였다. 수득한 혼합물에 EDA 68㎕(1mmol)을 혼합하여 2분 동안 격렬히 교반하였다. 그 결과 얻은 투명 용액을 시중의 가정용 전자레인지(700W)에 넣고 2분간 가열하였다. 상온으로 식힌 뒤에, 황갈색 고체 결과물을 증류수로 희석하고 주사필터(syringe filter, 0.45㎛)를 이용하여 염과 미반응 잔류물을 제거하였다. 이후, 반응용액을 증류수에 대해 투석막(MWCO: 500~1000)을 통해 하루 동안 투석하였다.
실시예 2: 당알콜로부터 탄소나노점(CD)의 제조 (EDA 첨가량 변화)
상기 실시예 1과 동일한 절차로 CD를 합성하되, 상기 1M HCl을 1mL(1.0mmol)의 양으로 사용하고, 상기 EDA를 0~204㎕(0~3mmol) 범위에서 양을 변화시켜가며 사용하여 CDxy를 합성하였다.
시험 방법
(1) 특성 평가
UV/Vis 분광광도계(UV-2550, Shimadzu)를 사용하여 흡광도를 측정함으로써 농도 제어 및 비교를 수행하였다. 흡광 곡선을 비교하여 농도 간의 유사도를 알아내었고, 이후 샘플들은 비교를 위해 조정되었다. 형광계(Agilent)를 이용하여 형광 데이터를 측정하였다. 투과전자현미경(TEM, JEM-2100, JEOL) 및 원자힘현미경(AFM, Dimension 3100, Veeco)을 이용하여 CD의 크기 및 형상을 관측하였다. XPS(K-alpha, Thermo Fisher), FT-IR(Agilent) 및 제타전위측정계(Malvern)를 사용하여, 패시베이션된 관능기를 확인하였다.
(2) 광발광 수명 측정
시간상관 단일광자 계수법(TCSPC)에 의해 엑시톤(exciton) 수명을 도출하였다. 375nm 파장, 54ps 펄스폭 및 40MHz 반복률을 갖는 컴퓨터 제어 다이오드 레이저를 여기원(excitation source)으로 사용하였다. 집광수단과 단색계(PicoQuant)를 사용하여 광발광 방출을 분광학적으로 산출하였다. MCP-PMT(R3809U-5X series, Hamamatsu)가 구비된 TCSPC 모듈(PicoHarp 300E, PicoQuant)에 의해 초고속 검출을 실시하였다. 광발광 붕괴의 총 기기반응 함수(instrument response function, IRF)는 30ps 미만이었고, 일시적 시간분해능(temporal time resolution)은 10ps 미만이었다. 실제 형광 붕괴와 총 기기반응 함수(IRF)의 디콘볼루션(deconvolution)을 소프트웨어(FlouFit, PicoQuant)로 처리하여, 각각의 지수함수형 붕괴와 연관된 시간 상수를 산출하였다.
(3) 세포 배양
인체 상피암(human epithelial carcinoma) 세포로부터 유도된 HeLa 세포주를, 10% 소태아혈청(FPS) 및 1% 페니실린-스트렙토마이신가 함유된 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Medium, Life technologies) 중에서 배양하였다. 인체 2배체세포(human diploid cell)로부터 유도된 WI-38 세포를, 10% 소태아혈청, 25mM 중탄산나트륨 및 1% 페니실린-스트렙토마이신가 함유된 RPMI(Roswell Park Memorial Institute) 1640 배양액(Life Technologies) 중에서 배양하였다.
(4) 세포 이미징
공초점레이저 주사형광현미경(LCSM, FV1000 SPD)을 이용하여 세포의 형광 이미지를 얻었다. HeLa 세포를 커버글라스(8 chambered coverglass)에 2 x 104 세포/웰의 농도로 접종하고, 5% CO2 중에서 37℃의 온도로 24시간 동안 배양하였다. 배양액을 제거한 후, 각 웰을 PBS로 세척하였다. 이후 각 웰을 새 배양액 180㎕ 및 10X CD 용액 20㎕로 교체하였다. 24시간 더 배양한 뒤, LCSM을 이용하여 광학 및 형광 이미지를 얻었다.
시험 결과
자일리톨, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 UV/Vis 흡수 스펙트럼 결과, 도 1 (b)에서 보듯이, CDxy(0) 및 CDxy(1) 스펙트럼에서 230nm 근방에 나타난 넓은 흡수 피크가 나타났으며, 이는 sp2 탄소 네트워크와 관련된 전형적인 방향족계의 흡수 피크이다. 또한, CDxy(1) 스펙트럼에서 286nm에 나타난 강한 UV/Vis 흡수 피크는, 다른 탄소나노점에서 유사하게 관찰될 수 있으며, C=O 결합의 n-π* 전이에 의한 것이다(문헌 [S. Liu et al, Adv. Mater. 2012, 24, 2037] 참조). CDxy(1)의 경우 360nm에서 여기되어 최대 446nm 방출 파장으로 밝은 청색의 형광을 발현하는 반면, CDxy(0)의 경우 주목할만한 어떠한 광발광도 관찰되지 않았다(도 1 (b)의 삽입이미지 참조). 참조로, 퀴닌 설페이트를 이용한 CDxy(0)의 양자수율(QY)은 0.38%로 측정되었다. 그러나, CDxy(1)의 경우 HCl을 첨가함에 따라 양자수율이 7.0%로 현저히 증가하였다. 이러한 결과는, 시간상관 단일광자 계수법(TCSPC)을 이용하여 측정된 CDxy(0) 및 CDxy(1)의 엑시톤 수명이 각각 1.75ns 및 2.63ns을 나타내는 것에 부합하는 결과이다(도 5 및 표 1 참조). 탄소나노점의 여기-의존적 방출(excitation-dependent emission)에 대해 지금까지 발표된 것에 따르면(문헌 [H. P. Liu et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6473] 참조), 도 1 (c)에 나타난 바와 같이, CDxy의 최대 광발광 방출 파장이 여기 파장에 의존하는 경향을 보이고 있다. 다양한 색상의 광발광의 발생은 CDxy의 입도 분포 뿐만 아니라 방출트랩지점(emissive trap site)의 분포에 기인한다. CDxy(0) 및 CDxy(1)의 엑시톤 수명을 하기 표 1에 나타내었다.
CDxy(0) CDxy(1)
t1 (ns) 10.36 (0.11) 11.93 (0.09)
t2 (ns) 3.08 (0.18) 3.74 (0.31)
t3 (ns) 0.14 (0.71) 0.67 (0.60)
X2 1.00 1.08
taverage (ns) 1.75 2.63
투과전자현미경(TEM) 및 원자힘현미경(AFM)을 이용하여, CDxy의 크기 및 형상을 측정하였다(도 2 및 도 6 참조). TEM 이미지를 보면, CDxy(1) 입자가 구형이고 평균 직경이 4.65±1.21nm임을 알 수 있다. CDxy(1)의 고해상도 TEM 이미지를 보면, 층간 간격이 0.21nm인 결정 구조를 관찰할 수 있으며, 이는 그라파이트의 (100) 격자 간격에 대응한다. 또한 AFM 이미지를 보면, CDxy(0) 및 CDxy(1)의 형상이 구형이며 이의 평균 높이가 각각 2.53±0.06nm 및 3.38±0.40nm임을 알 수 있다.
FT-IR 및 고해상도 X선 광전자 스펙트럼(XPS)를 이용하여, CDxy 합성에서의 EDA 및 HCl 첨가의 효과를 보다 구체적으로 알아보았다. FT-IR 분광법을 통해 반응 중에 작용기의 변화를 알 수 있었다(도 7 (a) 참조). 모든 CDxy의 FT-IR 스펙트럼은 2800~3000 cm-1에서의 특징적인 피크(C-H 연신), 3300cm-1 근방의 넓은 피크(O-H 연신), 및 1000~1200cm-1에서의 피크(O-H 굽힘)를 나타내며, 이는 전구체인 자일리톨과 마찬가지로 하이드록실기가 풍부함을 의미한다. 또한, CDxy(0)의 스펙트럼은 1573cm-1 및 1417cm-1에서 새로운 피크가 관찰되는데, 이는 카복실레이트기의 비대칭적 및 대칭적인 연신 진동에 대응한다. CDxy(1)의 스펙트럼에서는, 새로운 피크들, 즉 3154cm-1(N-H 연신), 1598cm-1(N-H 평면운동), 및 1527cm-1 및 1464cm-1(N-H 비대칭 및 대칭 진동)이 관찰되었고, 이들은 CDxy(1)가 EDA로 표면 패시베이션되었음을 분명하게 보여준다. 또한 FT-IR과는 별개로 XPS를 수행하여 구조를 분석하였다(도 7 (b) 참조). 추가로, CDxy(0)는 주로 탄소, 산소 및 소량의 질소를 포함한다. 하기 표 2에 CDxy의 XPS 원소 조성 분석 결과를 정리하였다.
구분 각 원소별 함량(원소%) 성분들간의 원소비
C O N Cl N/C O/C
CDxy(0) 64.60 33.59 1.81 - 0.028 0.52
CDxy(1) 52.51 25.69 12.38 9.42 0.24 0.49
표 2에서 보듯이, CDxy(1)의 질소 함량이 약 12.4%이었으며, 이는 다른 질소-도핑되고 표면 패시베이션된 탄소나노점에 비해 높은 수치이고, CDxy(0)의 경우 단지 1.8%에 불과하였다(문헌 [W. B. Lu et al, Anal. Chem. 2012, 84, 5351] 참조). 따라서, 이러한 결과는 CDxy의 EDA에 의한 표면 패시베이션이, HCl의 첨가로 인해 현저히 향상되었음을 보여준다. 또한, CDxy(1)는 염소를 약 9.4% 함유하였으며, 이는 Cl-도핑된 CDxy(1)이 형성되었음을 의미하며(도 8 및 표 3 참조), 이러한 Cl-도핑은 결함방출지점(defective emissive site)의 갯수를 증가시켜, 광발광 향상 뿐만 아니라 표면 패시베이션 활성에 중요한 역할을 한다. 하기 표 3에 CDxy(1)의 XPS Cl 조성 분석 결과를 정리하였다.
CDxy(1) 전위(eV) 면적(%)
Cl 2p1/2 199.4 34.43
Cl 2p3/2 197.7 65.56
상기 표 3에서 보듯이, HCl 첨가에 의해 CDxy의 특성이 향상되었음을 확인하였다. 추가적으로, CDxy(n) (예를 들어 n=0~3)의 합성 중에 첨가한 HCl의 양에 따른 양자수율 및 제타전위의 변화를 관찰하였다. 도 3 (a)는 자일리톨과 EDA(1.0mmol)의 양을 고정시킨 상태에서 HCl 첨가량을 변화시켜가며 측정한 CDxy의 양자수율을 도시한 것이다. HCl의 첨가량을 0에서 1.0mmol로 증가시킴에 따라 양자수율이 7.0%까지 증가하였으나, HCl 첨가량을 1.0~3.0mmol로 더 증가시킬 경우 양자수율의 향상은 더이상 발생하지 않았고, 이는 HCl이 EDA와 반응하여 CDxy의 표면 패시베이션을 활성화시킴을 의미한다. 도 3 (b)에서 보면, CDxy의 제타전위가, CDxy(0)에 해당하는 -24.0±0.55mV로부터 점진적으로 증가하여 CDxy(1)에 해당하는 10.0±1.23mV에 도달하였으며, 이와 같은 표면 변화는 CDxy의 표면이 EDA로부터 유래된 아민기로 패시베이션되었음을 보여준다. 대조 실험에서는 유사한 현상이 관찰되었다(도 9 참조). EDA의 양이 증가할수록 CDxy의 양자수율이 대략 7%까지 증가하였으며, EDA의 양이 1.0mmol를 초과하자 정체기를 나타내었다. 또한, EDA의 양을 0에서 0.1mmol로 증가시키는 동안, CDxy의 제타전위는 -7.10±0.78mV에서 10.0±1.23mV까지 증가하였다.
이러한 결과들은, HCl의 첨가가 탄소나노점의 광발광 특성 향상에 여러 중요한 역할을 하고 있음을 말해준다. 먼저, 이미 밝혀진 바와 같이 H+ 이온은 탄수화물의 탄화반응을 촉진시킨다. 또한, H+ 이온은 CDxy 표면에 EDA가 패시베이션되는 것을 활성화시킨다. 아울러, Cl- 이온은 탄소나노점 상에 도핑되어, CDxy의 결함방출지점(defective emissive site)의 갯수를 증가시킨다. 또한, 당알콜류로부터 유래된 탄소나노점의 광발광 특성에 HCl의 첨가가 미치는 영향을 더 알아보기 위하여, 솔비톨(6탄당알콜)과 같은 다른 당알콜류에 대해 시험을 수행하였다. 그 결과, 예상한 바와 같이, HCl을 첨가하여 솔비톨로부터 합성된 탄소나노점(CDsor(1))은 HCl의 첨가 없이 합성된 탄소나노점(CDsor(0))에 비해 보다 밝은 청색 발광 및 높은 양자수율(5.3%)을 나타내었다(도 10 참조).
CDxy의 간편한 합성과 이의 광발광 특성 및 생체적합성을 고려할 때, CDxy는 살아있는 세포의 이미징에 사용되는 생물학적 표지로서 유용하다. CDxy(1)의 세포독성을, 두 종류의 세포주, 즉 WI-38 및 HeLa 세포에 대하여 세포생존율측정기법(MTT assay)을 이용하여 평가하였다: 도 4 (a)를 보면, 0.1mg/mL의 농도까지는 두 종류의 세포주가 모두 약 100%의 최상의 세포 생존률을 유지하였으며, 1.0mg/mL 농도 이상부터 세포 생존률이 미미하게 감소하기 시작하였다.
이러한 CDxy(1)의 허용 가능한 농도는, 바이오이미징에서 요구되는 일반적인 농도보다 훨씬 높은 것이다. 앞서의 결과 높은 생체적합성을 유지하였던 0.1mg/mL의 농도로 CDxy(1)을 HeLa 세포에 처리하고 24시간 동안 배양하였다. 도 4 (b)에서 보듯이, CDxy(1)의 세포내 섭취가 명확히 관찰되었으며, 주로 세포질내에서 밝은 형광이 발현되었으며 세포핵에서는 관찰되지 않았다. 이를 통해, CDxy(1)이 세포질 내의 섭취에 의해 쉽게 세포내로 침투할 수 있음을 알 수 있다. 또한, HeLa 세포를 CDxy(1)과 함께 배양한 결과, 다양한 색상의 발광이 관찰되었으며, 예를 들어 405nm, 473nm 및 559nm에서 각각 여기된 청색, 녹색 및 적색이 관찰되었다. 이와 같은 본 발명의 탄소나노점의 특성은 종래의 유기염료 또는 양자점들로부터는 관찰될 수 없는 바이오이미징 특성을 나타낸다. 또한, 공초점레이저 주사형광현미경 분석을 통해, 어떠한 광퇴색(photobleaching) 현상도 관찰되지 않았으므로, 탄소나노점의 광안정이 우수함을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 상기 실시예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 이하에 첨부한 청구범위 내에서 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.
본 발명은 최근 첨단 생명공학 및 생의학 분야에서 급증하고 있는 탄소나노점 기반의 기술 분야 등에 유용하다.

Claims (15)

  1. 당알콜로부터 유래된 탄소나노점(carbon nanodot), 및
    상기 탄소나노점의 표면에 패시베이션(passivation)된 아민 화합물을 포함하는, 탄소나노점 유도체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노점이 염소(Cl) 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소나노점이 염소 성분을 8 내지 10 원소%로 함유하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노점이, 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물 및 아민 화합물과 함께 탄화시켜 수득되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노점 내에 함유된 탄소 성분에 대한 질소 성분의 원소비(N/C)가 0.02 내지 0.3인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 당알콜이 바이오매스 유래의 당알콜인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 당알콜이 자일리톨, 솔비톨, 글리세롤, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 아민 화합물이 C2-10알킬렌다이아민인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체.
  9. (a) 당알콜을 염소 성분이 함유된 산 화합물과 혼합시키는 단계;
    (b) 단계 (a)의 결과물에 아민 화합물을 첨가하고 교반하는 단계; 및
    (c) 단계 (b)의 결과물을 탄화(carbonization)시키는 단계를 포함하는,
    제 1 항의 탄소나노점 유도체의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    단계 (a)에서, 상기 산 화합물이 염산, 브롬산, 아세트산, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    단계 (a)에서, 상기 산 화합물이, 상기 당알콜 1.0몰에 대하여, 0.1몰 내지 3.0몰로 혼합되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    단계 (b)에서, 상기 아민 화합물이, 상기 당알콜 1.0몰에 대하여, 0.1몰 내지 3.0몰로 첨가되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    단계 (c)에서, 상기 탄화가 열분해 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 열분해 공정이 마이크로파-보조 열분해인 것을 특징으로 하는, 탄소나노점 유도체의 제조방법.
  15. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 탄소나노점 유도체를 포함하는, 바이오이미징용 생물학적 표지.
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