황산 보조 합성된 밝은 적색 탄소화 고분자 점을 이용한 이광자 바이오 이미징

초록

황산(H₂SO₄)의 촉매적 영향 하에 p-페닐렌디아민(p-PD) 수용액으로부터 적색 발광 탄소화 고분자 점(CPD)을 제조했습니다. 그 결과 SA-CPD(평균 직경 ≈5nm)는 테스트된 산 중 가장 밝은 광발광을 보이며, 물에서 양자 수율(QY) 21.4%, 전체 수율 16.5%를 달성했습니다. 300-580nm 여기에서 일관되게 600nm 방출을 보이며, 여기 파장에 독립적입니다. 밀도범함수 계산은 프로톤화된 전구체의 횡방향 성장이 에너지적으로 유리하여 나노스케일 CPD 형성을 유도함을 나타냅니다. 850nm 펨토초 레이저 여기에서 602nm 방출하는 이광자 광발광을 HeLa 세포 이미징에 시연하여 SA-CPD의 생물의학적 응용 잠재력을 강조했습니다.

배경

탄소 점(CD)은 우수한 수용성, 광학적 안정성, 낮은 독성, 비용 효율적인 합성으로 광범위한 관심을 끌고 있습니다. 전기화학 센서, 바이오 이미징, 촉매, 발광 소자, 광전자공학 분야에서 탐구되고 있습니다. 유기 단량체, 고분자, 천연물로부터의 상향식 경로는 대규모 생산에 선호됩니다. -OH, -COOH, -C=O, -NH₂ 같은 관능기는 고온에서 탈수와 탄화로 형광 나노입자를 생성합니다.

적색 발광 CD는 깊은 조직 투과와 최소 배경 간섭으로 바이오 이미징에 특히 가치가 있습니다. 그러나 대부분의 CD는 여기 의존적 발광을 보여 단일하고 안정한 적색 광원 드뭅니다. 페닐렌디아민 이성질체(o-, m-, p-)는 각각 청색, 녹색, 적색 CD 생성에 사용되어 왔습니다. 최근 p-PD 기반 점이 여기 독립적 발광으로 인해 탄소화 고분자 점(CPD)으로 확인되었습니다.

여기서는 적색 발광 CPD의 용이하고 고수율인 황산 보조 수열 합성을 제시하고 HeLa 세포에서 이광자 이미징 능력을 시연합니다.

방법

산 보조 p-PD 시스템으로부터 적색 CPD 합성

프로톤 공급원으로 H₂SO₄, HCl, HClO₄를 조사하여 각각 SA-CPD, HC-CPD, PA-CPD로 명명. 반응 변수(산-p-PD 비율, 전구체 농도, 온도, 시간) 체계적 최적화. 수열 처리(200°C, 2시간) 후, 헥세인(미반응 p-PD 제거)과 에탄올(산 제거)으로 정제, 14,000rpm 원심분리, 0.22µm 멤브레인 여과, 선택적 회전 증발로 건조 분말 획득.

특성 분석 및 측정

고분해능 TEM(JEM-2100, 200kV)으로 형태와 격자 무늬 평가. FT-IR 스펙트럼은 Prestige-21 분광기(KRS-5 윈도우)로 기록. 형광과 UV-Vis 스펙트럼은 F-2500 분광광도계와 Lambda 950 분광기로 각각 획득. 이광자 방출은 펨토초 레이저와 결합된 파이버 분광기(QE65000, Ocean Optics)로 측정. 양자 수율은 Rhodamine B(에탄올에서 QY=56%)를 참고로 보충자료 1의 절차에 따라 계산.

계산 방법

밀도범함수 이론(DFT) 계산은 Gaussian 09(B3LYP/6-311++G(d), PCM 물 모델)로 수행하여 종방향과 횡방향 성장 경로의 에너지학 평가.

세포 배양 및 처리

HeLa 세포(4×10⁴ cells/ml)를 DMEM(Gibco)에 파종, 37°C, 5% CO₂에서 24시간 배양. SA-CPD(40µg/ml) 12시간 첨가 후 PBS 세척. 850nm 펨토초 레이저(30mW) 사용 공초점 현미경으로 이미징.

결과 및 고찰

적색 CPD 제조 최적화

모든 산 시스템에서 180°C 이상(2시간)에서 적색 CPD 생성. 더 높은 온도(240°C, 4-12시간)는 입자 크기 증가와 형광 감소를 초래. 최적 조건: 200°C, 2시간, H₂SO₄는 산-p-PD 비율 1, HCl과 HClO₄는 3. p-PD 농도 범위(0.02-0.20mol/L)는 관용적. 이 조건에서 SA-CPD는 QY 21.4%, 수율 16.5%로 HC-CPD와 PA-CPD를 능가했습니다.

TEM 특성 분석 및 FT-IR 분석

HR-TEM은 단분산 구형 CPD(평균 직경 ≈5nm)와 그래핀 (100) 면에 해당하는 0.21nm 격자 간격 확인. FT-IR 스펙트럼은 SA-CPD에서 더 높은 표면 산화도를 보여줌: 뚜렷한 -OH와 -COOH 특징, 감소된 -NH₂ 신호로 더 산화되고 친수적인 표면 제안.

CD 형성 메커니즘 제안

DFT 계산은 횡방향 성장(-1,406kJ/mol)이 종방향 성장(-616kJ/mol)보다 현저히 유리함을 보여주며, 평면 중간체가 자가 조립하여 구형 CPD를 형성함을 시사합니다.

광학적 특성

SA-CPD는 290nm(π→π*)에서 강한 UV 흡수, 430nm와 510nm에서 추가 밴드(페나진-아민 전이). 여기 스펙트럼은 580nm 근처에서 피크, 600nm 방출과 일치하며, 220-580nm에서 여기 독립적 형광 유지로 CPD 특성 확인.

세포 이미징

850nm 이광자 여기에서 분말화 전 602nm, 분말화 후 529nm 방출(강도 증가). SA-CPD로 배양한 HeLa 세포의 공초점 이미지는 세포질 국소화를 보이며, 청색 편이 방출로 인한 녹색 채널 형광이 더 강함.

결론

단순하고 확장 가능하며 황산 보조 수열법으로 밝은 적색 CPD(≈5nm, QY=21.4%, 수율=16.5%) 생산을 입증했습니다. CPD는 300-580nm 여기에서 600nm 방출, 850nm 이광자 여기에서 602nm 방출. 여기 독립적 고휘도 형광과 효율적 세포 섭취로 깊은 조직 이미징 및 기타 생체 응용의 유망한 후보입니다.

약어

CD:

탄소 점

CPD:

탄소화 고분자 점

HC-CPD:

HCl 보조로 p-PD로부터 합성된 CPD

PA-CPD:

HClO₄ 보조로 p-PD로부터 합성된 CPD

SA-CPD:

H₂SO₄ 보조로 p-PD로부터 합성된 CPD

QY:

양자 수율

p-PD:

p-페닐렌디아민