[논문]융합 바이오 이미징을 위한 염료 도핑 된 실리카 나노입자의 형광 특성에 관한 연구

김기출

doi:10.22156/cs4smb.2018.8.5.045

융합 바이오 이미징을 위한 염료 도핑 된 실리카 나노입자의 형광 특성에 관한 연구
A Study on the Fluorescence Characteristics of Dye-doped Silica Nanoparticles for Integrated Bio Imaging 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.8 no.5, 2018년, pp.45 - 50

초록
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형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 DNA 마이크로 에레이와 같은 바이오 라벨링 및 바이오 이미징에 활용되고 있으며, 높은 생체 적합성과 낮은 독성 및 높은 친수성의 특성을 가지고 있어 많은 주목을 받고 있는 기능성 나노소재이다. 본 논문에서는 형광 유기염료를 에탄올과 탈이온수에 각각 용해시킨 후 형광염료를 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시키는 방법과 화학적으로 도핑 시키는 방법으로 실리카 나노입자를 합성한 후 365 nm 파장의 자외선을 조사하여 형광특성을 분석하였다. 연구결과 형광 염료를 물리적으로 흡착시킨 실리카 나노입자보다 화학적으로 형광 염료를 도핑 시킨 실리카 나노입자의 형광특성이 우수하였으며, 도핑 된 형광 염료의 양이 많을수록 형광특성이 우수하였다. 형광 염료를 용해시키는 용매의 경우, 에탄올이 탈이온수와 비교하여 탁월한 형광 특성을 나타내었다. 또한 순수한 형광 염료와 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자의 광안정성을 조사한 결과, 형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자의 광안정성이 보다 우수한 것으로 나타났다. 이러한 연구결과를 바탕으로 형광염료가 최적으로 도핑 된 실리카 나노입자를 바이오 이미징 에이전트로 사용한다면 높은 광안정성과 형광특성으로 인하여 인체 내부의 생체 모니터링에 유용하게 활용될 것으로 전망된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The functional nanomaterials of fluorescent dye-doped silica nanoparticles(NPs) are applied to bio applications such as bio-labeling of DNA micro-array, and bio-imaging. Organic dye-doped fluorescent silica NPs exhibit excellent bio-compatibility, non-toxic, and highly hydrophilic properties. In this study, organic fluorescent dyes were dissolved in ethanol, and deionized(DI) water. Organic fluorescent dyes were physically adsorbed to silica NPs and chemically doped to silica NPs. The fluorescence characteristics(FLC) was investigated by UV lamp irradiation of 365 nm wavelength. As results, the FLC of dye-doped silica NPs exhibits better than dye-adsorbed silica NPs and the FLC was improved with the increase of concentration of doped-dyes. The fluorescent organic dyes were well dissolved in ethanol than DI water. The photostability of dye-doped silica NPs was superior than pure fluorescent organic dye. The FLC of optimized dye-doped silica NPs would be applied to agent of non-invasive fluorescence bio-imaging in live cell and in vivo.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 2. Schematic illustration of bonding mechanism for (a) chemically dye-doped silica NPs, and (b) physically dye-adsorbed silica NPs.
그림 Fig. 1. Schematic diagram of synthesis method for (a) chemically dye-doped silica nanoparticles (NPs), and (b) physically dye-adsorbed silica NPs.
그림 Fig. 3. Schematic diagram of fluorescence characterization for fluorescent silica NPs by ultra-violet light irradiation which has 365 nm wavelength.
표 Table 1. Synthesis condition of silica nanoparticles.
그림 Fig. 4. FE-SEM images of as synthesized (a) dyefree silica NPs with average diameter (AvD) of 120 nm, (b) physically dye-adsorbed silica NPs with AvD of 190 nm, and (c) chemically dye-doped silica NPs with AvD of 800 nm. (d) statistical analysis result of particle size distribution for (a), (b), and (c), respectively.
그림 Fig. 5. Comparison of fluorescence characteristics for (a) dye-free silica NPs, (b) physically dye-adsorbed silica NPs, and (c) chemically dye-doped silica NPs.
그림 Fig. 6. Comparison of fluorescence characteristics on (a) dye dissolved with ethanol, and (b) dye dissolved with deionized water for different dye concentration.
그림 Fig. 7. Comparison of photostability after UV irradiation time of (a) 3 minutes and (b) 3 hours.

AI 본문요약
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문제 정의

광학적 해부학 영상을 획득하는데 보편적으로 사용되는 형광염료는 광퇴색(photo-bleaching) 현상이 발생하여 인체 내에서 장시간 사용하는데 어려움이 있는 것으로 알려져 있다[2]. 따라서 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자의 광안정성을 평가하기 위하여 Fig. 7과 같이 순수한 형광염료와 유기 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자의 상대적인 광안정성을 조사하였다. 순수한 형광 염료의 시료는 가장 우수한 형광 특성을 나타내는 2.
본 연구에서는 유기 형광염료를 에탄올 및 탈이온수에 용해시킨 후 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시킨 실리카 나노입자와, 화학적으로 형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자를 합성하여 형광특성을 평가하는 연구를 진행하였다. 특히 첨가되는 형광 염료의 양에 따른 실리카 나노입자의 형광 특성을 평가하였다.

제안 방법

Fig. 3에 나타낸 것과 같이 365 nm 파장의 UV 램프가 구비된 암실 내부에서 스핀 코팅된 시료의 형광특성을 조사하였다. 그 결과를 Fig.
광학적으로 해부학적 영상을 얻는데 주로 사용되는 형광 이미징의 파장은 가시광선 영역인 500 nm ∼ 610nm이다[3]. 따라서 본 연구에서는 Fig. 1과 Fig. 2에 나타낸 것처럼, 585 nm 파장(밝은 주황색)에서 최대 형광 특성을 나타내는 Ru(phen)₃²⁺ 유기 형광염료를 에탄올과 탈이온수에 용해시킨 후 화학적으로 실리카 나노입자에 도핑시키거나 물리적으로 흡착시키는 방법으로 실리카 나노입자를 합성하였다. 실리카 나노입자는 Sol-Gel 공정을 사용하는 Stöber 방법을 이용하여 합성하였으며 [11-13], 실험에 사용된 시약은 Ethanol(99.
본 논문에서는 광학적 해부학 영상을 획득하는데 사용되는 기능성 나노소재인 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자를 Stöber 법으로 합성하였다.
본 연구에서는 [Ru(phen)₃]Cl₂ 형광염료를 녹이는 용매를 Ethanol과 탈이온수로 달리하여 용매에 따른 형광 염료의 형광특성을 분석하였고, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig.
7과 같이 순수한 형광염료와 유기 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자의 상대적인 광안정성을 조사하였다. 순수한 형광 염료의 시료는 가장 우수한 형광 특성을 나타내는 2.0 mg/ml의 농도로 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자 시료와 동일한 조건의 순수한 형광염료 용액을 Ethanol에 녹여서 준비하고, 세척된 슬라이드 유리 위에 2wt% 농도로 스핀 코팅한 후, 시료의 광안정성을 비교하였다. 광안정성은 11시간동안 연속으로 UV를 조사하면서 분석하였는데, 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자 시료는 Fig.
일정한 크기를 갖는 실리카 나노입자를 합성하는데 보편적으로 사용되는 Stöber법으로 실리카 나노입자를 합성하였다[7,9]. 염료가 없는 순수한 실리카 나노입자, 물리적으로 형광 염료가 흡착된 실리카 나노입자 및 형광 염료가 화학적으로 도핑된 실리카 나노입자를 각각 합성하였으며, 합성된 실리카 나노입자의 형태와 크기를 주사전자현미경 분석으로 조사하였고, 그 결과를 Fig. 4 에 나타내었다. 분석결과, 거의 균일한 크기의 구형 나노 입자가 합성된 것을 확인할 수 있다.
위와 같은 과정으로 합성된 실리카 나노입자의 형광 특성을 분석하기 위하여 합성된 실리카 나노입자 파우더를 2 wt%의 농도로 Ethanol에 분산시킨 다음 1 cm × 1 cm 크기의 세척된 슬라이드 유리 기판 위에 1000 rpm 으로 스핀 코팅 후, 시료를 공기 중에서 건조시킨 다음, Fig. 3과 같이 365 nm 파장의 UV 램프가 조사되는 암실에서 발광특성을 조사하였다.
위와 같은 과정으로 합성된 실리카 나노입자의 형광 특성을 분석하기 위하여 합성된 실리카 나노입자 파우더를 2 wt%의 농도로 Ethanol에 분산시킨 다음 1 cm × 1 cm 크기의 세척된 슬라이드 유리 기판 위에 1000 rpm으로 스핀 코팅 후, 시료를 공기 중에서 건조 시킨 다음, Fig. 3과 같이 365 nm 파장의 UV 램프가 조사되는 암실에서 발광특성을 조사하였다.
본 논문에서는 광학적 해부학 영상을 획득하는데 사용되는 기능성 나노소재인 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자를 Stöber 법으로 합성하였다. 유기 형광염료를 물리적으로 실리카 나노입자 표면에 흡착시킨 실리카 나노입자, 화학적으로 형광염료를 도핑시킨 실리카 나노 입자를 합성하였고, 365nm 파장의 UV Lamp가 조사되는 암실에서 형광특성을 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
본 연구에서는 유기 형광염료를 에탄올 및 탈이온수에 용해시킨 후 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시킨 실리카 나노입자와, 화학적으로 형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자를 합성하여 형광특성을 평가하는 연구를 진행하였다. 특히 첨가되는 형광 염료의 양에 따른 실리카 나노입자의 형광 특성을 평가하였다.
형광염료를 에탄올 및 탈이온수에 녹이는 실험을 우선 진행하였으며, Table 1에 나타낸 것처럼, 용매 23.9 ml에 [Ru(phen)3]Cl2 파우더를 11.95 mg ∼ 47.8 mg을 첨가 하여 0.5 mg/ml, 1.0 mg/ml, 1.5 mg/ml, 2.0 mg/ml의 농도로 용해된 형광염료 용액을 준비하였다.

대상 데이터

실리카 나노입자는 Sol-Gel 공정을 사용하는 Stöber 방법을 이용하여 합성하였으며 [11-13], 실험에 사용된 시약은 Ethanol(99.5%, Samchun), TEOS(95%, Samchun), Ammonium Hydrate (28% NH3 in H2O, 99.99%, Sigma-Aldrich), Dichlorotris(1,10-phenanathroline) ruthenium (II) dydrate ([Ru(pen)3]Cl2 , 98%, Sigma-Aldrich), 탈이온수(Deionized water, >18.2 MΩ·cm)이다.
실험에 사용되는 모든 비이커와 슬라이드 유리 기판은 아세톤, 에탄올 및 탈이온수로 5분씩 초음파 세척 후 다시 탈이온수로 린스한 후에 고순도 질소 gun으로 건조시켜서 사용하였다.

이론/모형

일정한 크기를 갖는 실리카 나노입자를 합성하는데 보편적으로 사용되는 Stöber법으로 실리카 나노입자를 합성하였다[7,9].

성능/효과

1. 물리적으로 형광염료를 실리카 나노입자 표면에 흡착시킨 실리카 나노입자보다 유기 형광염료를 화학적으로 도핑 시킨 실리카 나노입자의 형광 특성이 우수한 것으로 나타났다.
2. 화학적으로 도핑시킨 형광 염료의 농도가 증가할수록 실리카 나노입자의 형광 특성이 우수하였다.
3. 실리카 나노입자에 화학적으로 형광 염료를 도핑 시킨 경우에는 오랜 시간의 UV 조사에서도 우수한 형광 특성을 나타내었지만, 순수한 형광 염료는 3 시간 정도의 UV 조사에서 형광특성이 다소 열화되었다.
0 mg/ml의 농도로 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자 시료와 동일한 조건의 순수한 형광염료 용액을 Ethanol에 녹여서 준비하고, 세척된 슬라이드 유리 위에 2wt% 농도로 스핀 코팅한 후, 시료의 광안정성을 비교하였다. 광안정성은 11시간동안 연속으로 UV를 조사하면서 분석하였는데, 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자 시료는 Fig. 7 (b)처럼 3시간 후에도 형광특성이 거의 변하지 않았지만, 순수한 형광 염료는 3시간이 지난 후에는 형광 특성이 다소 열화되는 것을 관찰할 수 있었다.
3에 나타낸 것과 같이 365 nm 파장의 UV 램프가 구비된 암실 내부에서 스핀 코팅된 시료의 형광특성을 조사하였다. 그 결과를 Fig. 5에 나타내었는데, 형광 염료가 전혀 없는 순수한 실리카 나노입자는 전혀 형광 특성이 나타나지 않았으며, 형광 염료가 물리적으로 흡착된 실리카 나노입자는 형광 특성이 다소 약하게 관찰되었다. 하지만 화학적으로 도핑된 실리카 나노입자는 약간 어두운 노란색 톤의 상당히 밝은 형광 특성을 나타내었다.
4 에 나타내었다. 분석결과, 거의 균일한 크기의 구형 나노 입자가 합성된 것을 확인할 수 있다. 순수한 실리카 나노 입자는 평균 지름 120 nm, 형광 염료가 흡착된 실리카 나노입자는 평균 지름 190 nm의 구형 나노입자로 크기가 약간 증가하였다.
6 (b)처럼 탈이온수에 [Ru(phen)₃]Cl₂ 형광염료를 녹인 후 실리카 나노입자에 도핑시킨 경우에는 형광 특성이 매우 좋지 않았다. 이 결과로부터[Ru(phen)₃]Cl₂ 형광염료를 Ethanol에 녹일 경우, 효과적으로 실리카 나노입자에 도핑되는 것을 알 수 있으며, 탈이온수에 녹일 경우에는 형광염료의 농도가 클 경우에만 미미하게 도핑되는 것을 알 수 있다. 특히 Fig.

후속연구

형광 염료를 화학적으로 도핑시킨 실리카 나노입자는 광안정성이 우수하며, 형광 특성도 우수하여 형광 염료의 도핑량을 최적화시키면 해상도가 높은 해부학 영상을 얻을 수 있을 것으로 기대되며, 이러한 형광염료가 도핑된 실리카 나노입자는 생체 내의 실시간 바이오 이미징 응용에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자의 장점은?	형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 DNA 마이크로 에레이와 같은 바이오 라벨링 및 바이오 이미징에 활용되고 있으며, 높은 생체 적합성과 낮은 독성 및 높은 친수성의 특성을 가지고 있어 많은 주목을 받고 있는 기능성 나노소재이다. 본 논문에서는 형광 유기염료를 에탄올과 탈이온수에 각각 용해시킨 후 형광염료를 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시키는 방법과 화학적으로 도핑 시키는 방법으로 실리카 나노입자를 합성한 후 365 nm 파장의 자외선을 조사하여 형광특성을 분석하였다.
	형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 어디에 활용되는가?	형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 DNA 마이크로 에레이와 같은 바이오 라벨링 및 바이오 이미징에 활용되고 있으며, 높은 생체 적합성과 낮은 독성 및 높은 친수성의 특성을 가지고 있어 많은 주목을 받고 있는 기능성 나노소재이다. 본 논문에서는 형광 유기염료를 에탄올과 탈이온수에 각각 용해시킨 후 형광염료를 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시키는 방법과 화학적으로 도핑 시키는 방법으로 실리카 나노입자를 합성한 후 365 nm 파장의 자외선을 조사하여 형광특성을 분석하였다.
	형광 유기염료를 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시키는 방법과 화학적으로 도핑하였을 때의 형광특성을 분석하면?	본 논문에서는 형광 유기염료를 에탄올과 탈이온수에 각각 용해시킨 후 형광염료를 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시키는 방법과 화학적으로 도핑 시키는 방법으로 실리카 나노입자를 합성한 후 365 nm 파장의 자외선을 조사하여 형광특성을 분석하였다. 연구결과 형광 염료를 물리적으로 흡착시킨 실리카 나노입자보다 화학적으로 형광 염료를 도핑 시킨 실리카 나노입자의 형광특성이 우수하였으며, 도핑 된 형광 염료의 양이 많을수록 형광특성이 우수하였다. 형광 염료를 용해시키는 용매의 경우, 에탄올이 탈이온수와 비교하여 탁월한 형광 특성을 나타내었다.

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저자의 다른 논문 :

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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