[논문]금속이온에 의한 CdSe 나노결정의 형광 소광 및 회복 특성

방지원; 김봄이; 구은회; 김성지

doi:10.5012/jkcs.2016.60.2.131

금속이온에 의한 CdSe 나노결정의 형광 소광 및 회복 특성
Photoluminescence Quenching and Recovery of the CdSe Nanocrystals by Metal Ions 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.60 no.2, 2016년, pp.131 - 136

방지원 (한국세라믹기술원 기초소재융합본부) , 김봄이 (포항공과대학교 화학과) , 구은회 (한국세라믹기술원 기초소재융합본부) , 김성지 (포항공과대학교 화학과)

초록
AI-Helper

CdSe 기반 나노결정의 구리이온에 의한 형광 소광 특성 및 아연이온에 의한 형광 회복 특성을 관찰하였다. 구리이온이 첨가되었을 경우, CdSe 양자점에서는 매우 빠르고 급격한 형광 소광 특성을 보이는 반면에 CdSe 나노라드의 경우에서는 형광이 서서히 소광되는 특성을 보인다. 구리이온으로 형광을 소광시킨 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점에 아연이온이 첨가되면 소광된 양자점의 형광이 회복된다. 용액 내 1 μM의 아연농도에서 양자점의 형광이 50% 증가됨을 확인하였으며, 아연 농도가 증가함에 따라 양자점의 형광세기가 증가되며 이는 Langmuir binding isotherm 모델로 해석할 수 있다. 이러한 연구를 바탕으로 CdSe 기반의 나노결정을 이용한 형광 화학 센서를 구현할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Copper ion induced photoluminescence (PL) quenching dynamics and recovery of the PL by zinc ions were investigated for CdSe based nanocrystals. When copper ions were added, CdSe quantum dots showed fast and dramatically PL quenching whereas PL of CdSe nanorod gradually decreased. In the presence of zinc ions, the PL of CdSe/CdS (core/shell) nanocrystals that have quenched by copper ions was efficiently recovered. It showed that the PL intensity of nanocrystals increased by 50% in a solution containing 1 μM zinc ions. The PL intensity was increasing with increasing zinc ions, and could be described by Langmuir binding isotherm model. We showcase that the CdSe based nanocrystals can be used as fluorescence turn-on sensor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

18−20 본 연구에서는 Cu2+ 금속이온을 CdSe 나노결정의 표면에 도입시켜 표면 결함을 유도하여 나노결정의 형광을 소광시키며, 이때 나노결정의 결정면(crystal facet)에 따른 소광특성을 비교 분석한다. 또한 형광이 소광된 나노결정에 Zn2+ 이온을 도입하여 나노결정의 형광이 회복되는 turn-on센서를 구현하고자 한다. 이를 통해 추후 생물학적 시스템에서 Zn2+ 이온의 기작을 규명할 수 있는 형광 프로브로의 활용방안을 고찰하고자 한다.
또한 형광이 소광된 나노결정에 Zn2+ 이온을 도입하여 나노결정의 형광이 회복되는 turn-on센서를 구현하고자 한다. 이를 통해 추후 생물학적 시스템에서 Zn2+ 이온의 기작을 규명할 수 있는 형광 프로브로의 활용방안을 고찰하고자 한다.

제안 방법

Cu2+ 이온에 의한 CdSe 양자점과 CdSe 나노라드의 발광특성의 변화를 비교하기 위해 CuCl2를 methanol에 녹인 후 toluene에 분산된 CdSe 나노결정 용액에 혼합하여(methanol: toluene=1:4, vol/vol) Cu2+ 이온 첨가 후 시간에 따른 CdSe 나노결정의 발광특성을 관찰하였다(Fig. 2).
이는 나노결정의 결정면에 따라 Cu2+의 흡착 성질이 달라지는 것에 기인하는 것으로 생각된다. Cu2+ 이온에 의해 CdSe 양자점의 형광이 효과적으로 소광되는 특성을 바탕으로 Cu2+ 처리한 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 이용하여 Zn2+ 감지 turn on 센서를 구현하였다. 용액 내에 Zn2+ 이온이 형광이 소광된 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점의 표면에 흡착하게 되면 표면 결함을 보호함으로써 양자점의 형광세기가 증대된다.
pH 7.4의 완충용액에 분산된 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점에 Cu2+ 이온을 도입하여 양자점의 형광을 소광시킨 뒤, Zn2+ 이온을 첨가하여 양자점의 형광이 회복되는 turn-on 센서를 구현하였다. 유기용매에 분산된 양자점을 수용액에 분산시키기 위한, 양자점의 표면개질 과정에서의 안정성을 확보하고자 CdSe 양자점에 CdS 보호층을 적층한 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 이용하였다.
2). 양자점과 나노결정의 크기 및 모양이 다르므로 이를 보정하기 위해, CdSe 양자점과 나노라드 입자의 표면적을 계산하여 CdSe 나노결정의 단위표면적(nm2) 당 0.55개의 Cu2+ 이온을 첨가하였다.
4의 완충용액에 분산된 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점에 Cu2+ 이온을 도입하여 양자점의 형광을 소광시킨 뒤, Zn2+ 이온을 첨가하여 양자점의 형광이 회복되는 turn-on 센서를 구현하였다. 유기용매에 분산된 양자점을 수용액에 분산시키기 위한, 양자점의 표면개질 과정에서의 안정성을 확보하고자 CdSe 양자점에 CdS 보호층을 적층한 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 이용하였다. MPA 리간드로 표면개질한 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 pH 7.

이론/모형

CdSe/CdS 핵/껍질 양자점은 successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR)21 방법을 바탕으로 합성하였다. Cadmiumoleate complex와 sulfur를 각각 ODE에 0.

성능/효과

Cu 이온에 의해 형광이 소광된 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점 용액에 Zn2+ 이온을 첨가하면 양자점의 형광이 회복되는 것을 관찰하였다. 1 μM 의 Zn 이온을 첨가하였을 때 초기 형광세기에 비해 약 1.5배 밝아진 형광을 나타내며, Zn2+ 이온의 농도가 증가할수록 양자점의 형광 세기도 증가하는 것을 확인하였다. 염기성 용액에서는 Zn2+ 이온이 OH−와 결합하여 Zn(OH)2 침전물을 생성하지만, 본 실험에서 사용한 pH 7.
Cu 이온에 의해 형광이 소광된 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점 용액에 Zn2+ 이온을 첨가하면 양자점의 형광이 회복되는 것을 관찰하였다. 1 μM 의 Zn 이온을 첨가하였을 때 초기 형광세기에 비해 약 1.
용액 내에 Zn2+ 이온이 형광이 소광된 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점의 표면에 흡착하게 되면 표면 결함을 보호함으로써 양자점의 형광세기가 증대된다. Cu2+ 처리한 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 이용하여 pH 7.4의 완충용액에서 수백 nM 농도 수준의 Zn2+ 이온을 감지할 수 있음을 확인하였다.
Cu2+으로 형광을 소광시킨 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점에 1 μM 농도의 Zn2+ 이온이 첨가되어도 형광세기가 153% 증가하며, 이를 통해 수백 nM 수준의 Zn2+ 이온농도도 감지가 가능할 것으로 예상된다. 실제 Fig.
CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점의 경우, CdS 껍질층에 의해 CdSe의 전하가 양자점 표면에 trapping 되는 확률을 감소시킨다. 따라서 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점은 CdSe양자점에 비해 Cu 이온에 의한 소광효율이 다소 떨어지지만, 과량의(양자점 대비 200당량) Cu 이온을 용액상에 도입하였을때 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점의 띠끝 형광을 효과적으로 소광시키는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 Cu2+이온에 의한 CdSe 나노결정의 형광 소광 특성을 분석하여, 나노결정의 모양에 따라 형광 감쇄 특성이 달라짐을 확인하였다. 이는 나노결정의 결정면에 따라 Cu2+의 흡착 성질이 달라지는 것에 기인하는 것으로 생각된다.
Cu2+ 이온에 의해 CdSe 양자점의 형광이 효과적으로 소광되는 특성을 바탕으로 Cu2+ 처리한 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 이용하여 Zn2+ 감지 turn on 센서를 구현하였다. 용액 내에 Zn2+ 이온이 형광이 소광된 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점의 표면에 흡착하게 되면 표면 결함을 보호함으로써 양자점의 형광세기가 증대된다. Cu2+ 처리한 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 이용하여 pH 7.
18−20 하지만 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점을 Cu 이온으로 전처리 하지 않은 샘플의 경우에는, Zn2+ 이온을 200 μM 농도까지 첨가하여도 CdSe의 띠끝 발광 세기의 변화가 관찰되지 않았다. 이는 Cu 이온으로 전처리 하지 않은 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점 샘플에서는 양자점의 표면 결함 밀도가 낮아서 양자점에서 광여기된 전하들이 표면 결함에 포획되지 않고 발광 재결합(radiative recombination) 효율이 높을 것이고, 따라서 Zn2+ 이온이 양자점 표면에 흡착되더라도 CdSe 엑시톤의 발광 세기에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 추정된다. 그러나 Cu 이온이 흡착되어 CdSe/CdS(핵/껍질) 양자점의 표면 결함이 활성화 되어 형광이 소광된 양자점 샘플에 Zn2+ 이온을 첨가하게 되면, 양자점 표면에 Cu이온이 결합된 부분을 Zn2+ 이온으로 대체되면서(cation exchange)27 Cu이온으로 유도된 표면 결함을 일부분 보호하면서 양자점의 발광 재결합 확률이 증대된다.

후속연구

이러한 나노결정을 이용한 이온감지 형광화학 센서 연구의 결과를 토대로 향후 생물학적인 시스템에서 여러 이온들의 기작을 규명하는 연구에 널리 이용될 수 있을 것으로 기대한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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