[논문 리뷰] Fluorescent Carbon Nanoparticle: Synthesis, Characterization and Bio-imaging Application

Saptarshi Ray, Arindam Saha외 2명|ArXiv.org|2009. 09. 25.

Graphene and Nanomaterials Applications참고 문헌 1인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 질산 산화를 통해 탄소 스모크를 이용해 수용성 형광 탄소 나노입자(2–6 nm)를 단순하고 확장 가능한 방법으로 합성하는 방법을 제시한다. 이 과정에서 약 3%의 양자 수율을 달성하였으며, 이 나노입자는 자외선 조명 하에서 강한 초록색 형광을 나타내고, 표면 기능화 없이도 생체 적합성과 고유한 광학 성질 덕분에 라벨 프리, 기능화 프리 세포 영상이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 높은 수용성과 함께 저비용이고 확장 가능한 형광 탄소 나노입자(CNP)를 생산하는 방법을 개발하기 위해.
• 질산 산화가 탄소 스모크 유래 나노입자에서 형광성과 수용성을 유도하는 역할를 이해하기 위해.
• 생의학 영상 응용을 위한 CNPs의 구조적 및 광학적 성질을 특성화하기 위해.
• 표면 기능화 없이도 기능적이고 비독성인 프로브로서 살아있는 세포의 형광 영상 촬영에 활용 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 고온에서 질산 산화를 통한 탄소 스모크에서 CNPs를 합성하기 위해.
• 더 높은 형광성을 확보하기 위해 더 작은 입자(<6 nm)를 분리하기 위해 입자 크기 분리 기법을 사용하기 위해.
• 결정성과 그래피트 성 구조를 확인하기 위해 투과전자현미경(TEM)과 X선 회절(XRD)을 사용하기 위해.
• 표준 기준 물질을 사용하여 자외선 조명 하에서 형광 양자 수율을 측정하기 위해.
• 세포 생존성과 영상 능력을 평가하기 위해 형광 현미경을 활용한 in vitro 세포 흡수 연구를 수행하기 위해.
• 산화 과정에서 도입된 질소 및 산소 기능기의 존재를 확인하기 위해 X선 광전자 스펙트로스코피(XPS)를 통해 표면 화학 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소 스모크의 질산 산화 과정가 형광성과 수용성을 갖춘 나노입자를 생산하여 생의학 영상에 적합한가?
• RQ2 입자 크기 분포가 탄소 나노입자의 형광 양자 수율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 산화 과정에서 도입된 질소 및 산소 기능기가 형광성과 수용성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 이러한 CNPs는 표면 기능화 없이도 세포 내부에 흡수되어 효과적인 형광 영상 촬영이 가능한가?
• RQ5 생리적 조건 하에서 합성된 CNPs의 양자 수율과 광안정성은 어떠한가?

주요 결과

• 질산 산화를 통해 탄소 스모크에서 2–6 nm 크기의 형광성 수용성 나노입자를 밀리그램 단위로 성공적으로 합성하였다.
• 합성된 CNPs는 약 3%의 형광 양자 수율을 나타내어 중간 정도이지만 실용적인 형광 효율성을 보였다.
• XRD와 TEM를 통해 주로 그래피트 성 결정 구조를 확인하였으며, 표면에 질소 및 산소 함유 기능기가 존재함을 확인하였다.
• 크기 분획화된 CNPs는 향상된 형광 양자 수율을 나타내어 더 작은 입자 크기가 발광 효율을 높인다는 것을 시사하였다.
• 표면 수정 없이도 효과적인 세포 흡수를 보였으며, 이는 살아있는 세포의 형광 영상 촬영에 직접 활용 가능함을 의미한다.
• CNPs의 고유한 형광성 덕분에 자외선 조명 하에서 세포 구조를 명확히 시각화할 수 있었으며, 이는 생체 적합성 프로브로서의 잠재력을 보여주었다.