레몬즙 유래 고휘도 형광 탄소 양자점: 수열 합성 및 광학 특성 분석

초록

탄소 자원인 레몬즙을 이용해 단순 수열 반응으로 수용성 형광 탄소 양자점(CQDs)을 합성했습니다. 제조된 CQDs는 평균 크기 3.1 nm로 균일한 형태와 우수한 결정성을 가지며, 자외선 또는 청색광 조사 시 밝은 청록색 발광을 보입니다. 형광이 CQDs 표면과 가장자리의 산소 함유 관능기에서 주로 기인함을 확인했습니다. 또한 제조된 CQDs가 식물 세포 이미징에 적용 가능함을 입증했습니다. 본 연구는 새로운 탄소 나노구조체의 제조, 분석, 응용과 관련됩니다.

배경

탄소 양자점(CQD)은 일반적으로 공간 크기 20 nm 미만의 탄소 기반 나노물질로, 2004년 Xu 등에 의해 발견됐습니다. 2006년 Sun 등이 흑연 분말 레이저 에이블레이션으로 형광 탄소 나노입자를 제조한 이후 '탄소 양자점'으로 명명됐습니다. 형광 CQDs는 광촉매, 광전자 소자, 생물의학, 박막 디스플레이, 건강 조명 등 실용 분야에 큰 잠재력을 가집니다. 기존 반도체 양자점과 비교해 저비용 제조법으로 얻을 수 있고, 우수한 생체적합성, 정밀한 생물 표적화, 저독성, 강한 양자 크기 효과 등 매력적 특징을 지닙니다. 최근 우수한 구조적·광학적 특성으로 형광 CQDs가 엄청난 주목을 받으며 생체 이미징, 생체 표지, 양자점 LED(QLED), 환경 보호 등 분야에서 기존 반도체 양자점 대체 소재로 제안되고 있습니다.

현재 CQDs 합성에는 수열법, 마이크로파법 등 다양한 기술이 있으며, 포도당, 구연산, 아스코르빈산 등 다양한 탄소 전구체가 사용돼 왔습니다. 그러나 생체적합성 형광 CQDs를 대량 생산 규모로 효율적으로 제조하는 기술은 여전히 필요하며 실용화의 과제가 되고 있습니다. 식품이나 부산물로부터 CQDs를 직접 합성하는 것이 유망한 전략으로 주목받고 있습니다. 펄프 없는 레몬즙 에탄올 용액을 가열해 평균 직경 4 nm, 수중 양자 수율(QY) 28%의 적색 발광 카본 도트(R-CDs)를 합성한 연구가 있으며, 강한 환원제 NaBH₄를 첨가해 발광 강도를 높였으나 NaBH₄는 독성이 있습니다. 최근 독성 물질 첨가 없이 두부 폐수로부터 청색 및 녹색 발광 CQDs를 제조한 바 있습니다. 식품/부산물 유래 CQDs는 천연 탄소 자원에 알려진 독성이 거의 없어 생물학적 응용에 안전하다고 여겨집니다. 마늘을 친환경 탄소원으로 이용해 CQDs를 합성한 연구에서 질소 함량과 C-N, C=N 형성이 광발광(PL) 양자 수율 향상의 열쇠임이 밝혀졌으며, 넓은 pH 범위와 고농도 NaCl에서 우수한 안정성을 보여 가혹 조건에서도 적용 가능함이 입증됐습니다.

본 연구의 주 동기는 비교적 저온에서 단시간 수열 처리로 레몬즙으로부터 저비용 CQDs를 제조하는 간단하고 효율적인 실험법을 개발하는 것입니다. 레몬즙은 쉽고 저렴하게 구할 수 있어 CQD 기반 시료 및 소자 제작에 좋은 탄소원입니다. 선행 연구[21]와 비교해 본 연구에서 얻은 무독성 CQDs가 생물학적 이미징과 세포 표지에 더 적합합니다. 본 연구에서는 레몬즙 유래 CQDs의 기초 물성 및 광학적 특성을 분석하고 식물 세포 이미징에 적용했습니다.

방법

전구체 물질

탄소 전구체로 신선한 레몬즙을 사용했습니다. 주성분과 비율은 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 측정으로 확인했으며 표 1에 나타냈습니다. 시료 제조용 신선한 레몬(탄소원)과 세포 이미징용 신선한 양파는 지역 마트에서 구입했습니다. 에탄올은 분석급으로 분산제로 사용했으며, 탈이온수(18.25 MΩ·cm)를 실험에 사용했습니다.

CQDs 합성

레몬즙으로부터 단순 수열 처리로 CQDs를 합성했습니다. 일반적인 시료 제조 과정은 그림 1에 나타냈습니다. 펄프 없는 레몬즙 80 mL에 에탄올 60 mL를 혼합했습니다. 혼합물을 폴리테트라플루오로에틸렌 라이닝 스테인리스 오토클레이브에 옮기고 약 120°C에서 3시간 일정 온도로 가열했습니다. 반응 후 자연 냉각해 실온으로 내린 후 암갈색 생성물을 얻었습니다. 암갈색 용액을 다량의 디클로로메탄으로 2~3회 세척해 미반응 유기 성분을 제거했습니다. 탈이온수를 갈색 용액 부피의 1/3까지 가한 후 10,000 rpm으로 15분 원심분리해 큰 입자를 분리했습니다. 이렇게 레몬즙의 탄화로 CQD 시료를 얻었습니다. 레몬즙에는 포도당, 과당, 자당, 아스코르빈산, 구연산 등 탄수화물과 유기산이 탄소 전구체로 포함돼 있습니다. 본 연구의 수월한 수열 반응은 기존 방법[24]보다 낮은 온도(120°C)와 짧은 시간(3시간)이 소요됩니다.

특성 분석

레몬즙 유래 CQDs의 형태와 미세구조는 투과전자현미경(JEM 2100, 일본, 300 kV)으로 분석했습니다. 결정상은 X선 회절(Rigaku TTR-III, 일본, Cu-Kα 방사선 λ=0.15418 nm)로 조사했습니다. UV-Vis 흡수 스펙트럼은 UV-Vis 분광광도계(Specord200)로 측정했습니다. 광유도 발광은 형광 분광광도계(IHR320, HORIBA Jobin Yvon, 미국)로 330~490 nm 범위의 다양한 여기 파장에서 측정했습니다. XPS 스펙트럼은 PHI5000 Versa Probe II 광전자 분광기(Al Kα, 1486.6 eV)로 기록했습니다.

결과 및 고찰

CQDs의 TEM 이미지는 그림 2에 나타냈습니다. 저배율 TEM 이미지에서 CQDs가 균일하게 분산됨을 확인했습니다. CQDs는 구형으로 2.0~4.5 nm의 좁은 크기 분포를 보이며 평균 크기는 3.1 nm입니다(그림 2b, c). 그림 2d는 0.215 nm의 격자 간격을 보여주며 이는 흑연 탄소의 [100] 면에 대응하고, 해당 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴은 높은 결정 구조를 보여 선행 보고[25]와 일치합니다. 선행 연구[19, 21, 22, 23]와 비교해 본 연구의 CQDs는 우수한 품질뿐 아니라 더 균일한 형태를 보입니다(그림 2 참조). 따라서 수월한 수열 처리 공정으로 균일한 구형 형태와 우수한 결정성을 가진 CQDs를 제조할 수 있습니다. CQDs 생산 수율(PY)은 PY = (m/M) × 100%로 계산하며, m은 CQDs 질량, M은 신선한 레몬즙 질량입니다. 본 연구에서 제조된 CQDs 생산 수율은 약 0.1%로, 측정 결과 100 g 액체(구연산 6.30% 함유)에서 약 0.1 g CQDs를 얻었습니다(표 1 참조).

CQDs의 전형적인 XRD와 XPS 프로파일은 그림 3에 나타냈습니다. 2θ~21.73° 근처에 넓은 (002) 피크가 있으며, 층간 간격은 0.409 nm로 계산돼 흑연 구조에 대응합니다(그림 3a). 이는 다른 방법으로 제조된 CQDs의 보고값[15, 26]과 유사합니다. 층간 거리 변화는 수열 반응 과정에서 CQDs 표면과 가장자리에 -OH, -COOH 등 산소 함유기가 도입돼 발생했을 수 있습니다. XPS와 FTIR로 CQDs 조성을 분석했습니다. 그림 3b, c에서 XPS 스펙트럼은 284.5 eV의 우세한 흑연 C1s 피크와 531.4 eV의 O1s 피크를 보입니다. C1s XPS 고해상도 스캔에서 284.7, 286.5, 288.9 eV의 전형적 피크는 각각 C=C/C-C, C-O, C=O/COOH에 기인하며, CQDs가 수산기, 카르보닐, 카복실기로 관능화됐음을 명확히 보여줍니다. 이는 표면 개질 및 기능화에 유리하고 수용성에도 기여합니다. 그림 3d는 CQDs의 FTIR 스펙트럼입니다. 3450 cm⁻¹(O-H 신축), 2927, 1407 cm⁻¹(C-H 신축), 1726 cm⁻¹(C=O 신축), 1639 cm⁻¹(C=C 신축), 1227 cm⁻¹(C-OH 신축), 1080 cm⁻¹(C-O 신축) 피크로 CQDs 내 다양한 산소 관능기 존재가 확인됐습니다. FTIR 분석은 위 XPS 결과와 일치합니다. 가장 중요한 점은 1290 cm⁻¹에서 C-O-C(에폭시) 피크가 완전히 사라졌다는 것입니다. 이는 에폭시기가 파열되고 하부의 C-C 결합이 형성된 후, 포도당, 과당, 아스코르빈산, 구연산 등 소분자 전구체에서 sp² 도메인이 추가 탈수 또는 탄화돼 최종적으로 CQDs를 형성하는 메커니즘을 시사합니다. 따라서 주변 산소기의 결합 절단이 CQDs 형성에 기여합니다[15, 27].

수열법으로 탄소 전구체로부터 CQDs가 형성되는 가능한 메커니즘이 제안되고 검증돼 왔습니다[28]. 이들 발표 결과를 바탕으로 레몬즙으로부터 CQDs 합성 메커니즘을 이해할 수 있습니다. 펄프 없는 레몬즙을 가열 탈수해 CQDs를 주로 구성하는 C=C/C-C 기본 골격을 형성하고, 나머지 분자들이 핵 표면에 도달해 새로운 C=C/C-C 결합을 생성하며 지속적으로 성장합니다. 가열 시간 연장에 따라 CQDs 형태가 점차 형성됩니다. 동시에 수열 처리 과정에서 CQDs 표면과 가장자리에 수산기(-OH), 카복실기(-COOH), 카르보닐기(-C=O) 등 다량의 산소 함유 관능기가 포함될 수 있으며, 이들 기의 H와 O 원자 일부가 수열 환경에서 탈수되며 제거될 수 있습니다.

CQDs의 광학적 특성을 분석하기 위해 UV-Vis 흡수와 광발광(PL) 스펙트럼을 측정했습니다. 그림 4a에서 CQDs의 광흡수 피크는 자외선 영역에서 283 nm에 최대 흡수를 보이며, 이는 C=O 밴드의 n-π* 전이에 기인합니다[29]. 그림 4b의 PL 스펙트럼에서 CQDs의 발광 파장은 여기 파장 410 nm에서 482 nm에 피크를 이룹니다. 여기 파장을 330에서 490 nm로 증가시키면 발광 파장이 430에서 530 nm로 적색 편이하며, 이는 광자 재흡수 발생을 의미합니다. 결과적으로 CQDs는 여기 파장 의존적 PL 특성을 보입니다[30]. 녹색 형광 CQDs도 여기 파장 변화에 따라 이동하는 넓은 PL 피크를 보이며, 이는 양자 구속 효과와 가장자리 결함과 관련됩니다. 표준 PL 측정법[22]에 따라 퀴닌 황산염을 기준으로 여기 파장 410 nm에서 CQDs의 형광 양자 수율은 16.7%로, 선행 보고[24]의 레몬즙 유래 CQDs QY(8.95%)보다 현저히 우수합니다. CQDs QY는 표면 개질이나 패시베이션 후 크게 향상될 수 있습니다[30]. 합성 과정 중 에탄올 첨가가 더 많은 관능기를 도입해 CQDs QY를 높일 수 있습니다. 그러나 본 연구 CQDs의 QY는 구연산(CA)과 에탄올아민(EA)을 모델 분자로 사용해 합성한 CQDs(QY 50%)보다 현저히 낮습니다. 180°C 열분해로 강한 PL과 높은 QY를 가진 분자 전구체가 생성되는데, 이는 합성 중 질소 도핑 때문입니다[30].

무독성, 환경 친화적인 CQDs는 반도체 양자점 대체재로 체내외 생물학적 시스템에 적용 가능합니다. 합성된 CQDs를 양파 표피 세포 광학 이미징에 적용했습니다(그림 5). 형광 현미경으로 양파 내표피 세포의 세포벽과 핵이 선명하게, 입체감 있게 관찰됐습니다. 결과는 CQDs의 염색 및 이미징이 우수하며 생물체에 악영향이 없고 세포 형태학적 손상도 관찰되지 않아 저세포독성을 추가로 입증합니다. 공초점 이미지(그림 5)는 레몬즙 유래 CQDs가 형광 지시약으로 식물 세포 이미징에 사용 가능함을 보여주며, CQDs 생물학적 이미징의 잠재적 응용을 시사합니다.

결론

본 연구에서 레몬즙을 탄소원으로 하는 수용성 형광 탄소 양자점을 수월한 수열 반응으로 합성했습니다. 이 CQDs는 우수한 물성과 광학적 특성을 가지며 자외선이나 청색광 조사 시 밝은 청록색 형광을 발합니다. CQDs가 식물 세포 이미징에 사용 가능함을 입증했습니다. 이러한 중요하고 유의미한 발견이 CQDs에 대한 심층 이해와 새로운 탄소 기반 나노구조체의 더 많은 실용적 응용 탐색에 도움이 되길 바랍니다.

약어

CQDs

탄소 양자점

FFT

고속 푸리에 변환

HPLC

고성능 액체 크로마토그래피

PL

광발광

QLED

양자점 LED

QY

양자 수율

R-CDs

적색 발광 카본 도트

TEM

투과전자현미경

UV-Vis

자외선-가시광선

XPS

X선 광전자 분광법

XRD

X선 회절