[論文レビュー] Fluorescent Carbon Nanoparticle: Synthesis, Characterization and Bio-imaging Application

Saptarshi Ray, Arindam Saha+2 more|ArXiv.org|Sep 25, 2009

Graphene and Nanomaterials Applications参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、炭素ススを硝酸酸化することで、水溶性で蛍光を示す炭素ナノ粒子（2–6 nm）を単純かつスケーラブルに合成する手法を提示する。量子収率は約3%に達し、UV光下で強い緑色蛍光を示す。これらのナノ粒子は、内在する光学的特性と生体適合性のおかげで、標識や機能化を施さずに細胞イメージングが可能である。

ABSTRACT

Fluorescent carbon nanoparticle (CNP) having 2-6 nm in size with quantum yield of about ~3% were synthesized via nitric acid oxidation of carbon soot and this approach can be used for milligram scale synthesis of these water soluble particles. These CNPs are nano-crystalline with predominantly graphitic structure and shows green fluorescence under UV exposure. While nitric acid oxidation induces nitrogen and oxygen incorporation into soot particle that afforded water solubility and light emitting property; the isolation of small particles from a mixture of different size particles improved the fluorescence quantum yield. These CNP shows encouraging cell imaging application. They enter into cell without any further functionalization and fluorescence property of these particles can be used for fluorescence based cell imaging application.

研究の動機と目的

• 高水溶性を有する蛍光炭素ナノ粒子（CNP）を低コストかつスケーラブルに生産するための手法の開発。
• 硝酸酸化が炭素スス由来ナノ粒子に蛍光性と水溶性を誘導するメカニズムの解明。
• バイオイメージング用途に適したCNPの構造的・光学的特性の特徴化。
• 表面機能化を施さずに、生きた細胞の蛍光イメージングに有用な非毒性プローブとしてのCNPの可能性の評価。

提案手法

• 高温下で炭素ススを制御的に硝酸酸化することでCNPを合成。
• 蛍光性を向上させるために、合成されたナノ粒子混合物から粒子サイズを分離し、6 nm未満の粒子を分離。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）およびX線回折（XRD）を用いて結晶性およびグラフェート構造の確認。
• UV励起下で標準基準物質を用いてフォノン励起量子収率を測定。
• 蛍光顕微鏡を用いたin vitroでの細胞内取り込み実験により、生体適合性およびイメージング能力の評価。
• XPSを用いた表面化学の分析により、酸化によって導入された窒素および酸素の含有状況を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 炭素ススの硝酸酸化は、バイオイメージングに適した蛍光性・水溶性ナノ粒子を生成可能か？
• RQ2 粒子サイズ分布が炭素ナノ粒子の蛍光量子収率にどのように影響するか？
• RQ3 酸化工程で導入された窒素および酸素官能基は、蛍光性および水溶性にどの程度寄与するか？
• RQ4 これらのCNPは、表面修飾なしに細胞に取り込まれ、効果的な蛍光イメージングが可能か？
• RQ5 生理的条件下での合成CNPの量子収率および光安定性はどの程度か？

主な発見

• 2–6 nmのサイズを有する蛍光炭素ナノ粒子が、炭素ススの硝酸酸化によりミリグラムスケールで効率的に合成された。
• 合成されたCNPは、約3%のフォノン励起量子収率を示し、中程度ではあるが実用的な蛍光効率を有していた。
• XRDおよびTEMによる確認により、CNPは主にグラフェート的結晶構造を示しており、表面に窒素および酸素含有官能基が修飾されていることが確認された。
• サイズ分離されたCNPは、量子収率が向上しており、粒子サイズが小さいほど発光効率が向上することを示している。
• 表面修飾なしにCNPは細胞内への効果的な取り込みを示し、生きた細胞の蛍光イメージングへの直接応用が可能であった。
• CNPの内在的蛍光により、UV照射下で細胞構造の明確な可視化が可能であり、生体適合性プローブとしての潜在能力が示された。