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논문 상세정보

실리카 나노 입자의 크기에 따른 청색 형광 특성 연구

A Study on the Blue Fluorescence Characteristics of Silica Nanoparticles with Different Particle Size

초록

유기 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 바이오 라벨링, 바이오 이미징 및 바이오 센싱에 사용되고 있는 유망한 나노소재이다. 일반적으로 형광 실리카 나노입자는 수정된 스토버 방법($St{\ddot{o}}ber$ Method)으로 합성된다. 본 연구에서는 다양한 크기를 갖는 염료가 첨가되지 않은 형광 실리카 나노입자를 수정된 스토버 합성법인 졸겔 공정으로 합성하였다. 졸겔 공정 중에 기능성 물질인 APTES를 첨가제로 첨가하였다. 졸겔 공정으로 합성된 실리카 나노입자는 $400^{\circ}C$에서 2시간 동안 하소되었다. 합성된 실리카 나노입자의 표면형상과 크기를 전계방출 주사전자현미경으로 조사하였고, 합성된 실리카 나노입자의 형광 특성은 파장 365 nm의 자외선 램프를 조사하여 확인하였다. 또한 합성된 실리카 나노입자의 광발광 (PL) 특성을 형광 분석 형광법으로 조사하였다. 그 결과 합성된 실리카 나노입자는 입자의 크기와 무관하게 모두 청색 형광 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 특히, 실리카 나노입자의 크기가 증가할수록 PL 강도는 감소하였다. 염료가 첨가되지 않은 실리카 나노입자의 청색 형광 특성은 APTES 층의 $NH_2$ 기능기와 실리카 매트릭스 뼈대 내부의 산소관련 결함과의 결합에 기인하는 것으로 추정된다.

Abstract

Organic dye-doped silica nanoparticles are used as a promising nanomaterials for bio-labeling, bio-imaging and bio-sensing. Fluorescent silica nanoparticles(NPs) have been synthesized by the modified $St{\ddot{o}}ber$ method. In this study, dye-free fluorescent silica NPs of various sized were synthesized by Sol-Gel process as the modified $St{\ddot{o}}ber$ method. The functional material of APTES((3-aminopropyl)triethoxysilane) was added as an additive during the Sol-Gel process. The as-synthesized silica NPs were calcined at $400^{\circ}C$ for 2 hours. The surface morphology and particle size of the as-synthesized silica NPs were characterized by field-emission scanning electron microscopy. The fluorescent characteristics of the as-synthesized silica NPs was confirmed by UV lamp irradiation of 365 nm wavelength. The photoluminescence (PL) of the as-synthesized silica NPs with different size was analyzed by fluorometry. As the results, the as-synthesized silica NPs exhibits same blue fluorescent characteristics for different NPs size. Especially, as increased of the silica NPs size, the intensity of PL was decreased. The blue fluorescence of dye-free silica NPs was attributed to linkage of $NH_2$ groups of the APTES layer and oxygen-related defects in the silica matrix skeleton.

본문요약  * AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의
  • 따라서 본 연구에서는 졸겔(Sol-Gel) 공정으로 다양한 크기를 갖는 실리카 나노입자를 합성하였고, 졸겔 공정에 APTES를 첨가하여, 실리카 나노입자의 크기에 따 른 청색 형광 특성을 조사하였다.

    따라서 본 연구에서는 졸겔(Sol-Gel) 공정으로 다양한 크기를 갖는 실리카 나노입자를 합성하였고, 졸겔 공정에 APTES를 첨가하여, 실리카 나노입자의 크기에 따 른 청색 형광 특성을 조사하였다. 합성된 청색 형광 실리카 나노입자의 표면형상과 크기는 전계방출 주사전자현 미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, 이하 FE-SEM)으로 분석하였고, 실리카 나노입자의 크기에 따른 형광특성은 파장 365 nm의 자외선 램프(UV Lamp)를 조사하여 확인하였다.

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질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
APTES를 첨가하여 청색 형광 특성
졸겔 공정으로 크기가 다른 실리카 나노입자를 합성하였고, 졸겔 공정 중에 APTES를 첨가하여 청색 형광 특성이 나타나도록 하고 특히 실리카 나노입자의 크기와 청색 형광 특성의 상관성에 대하여 조사한 결과는?
첫째, 졸겔 공정 중에 APTES가 첨가된 실리카 나노입자는 모두 동일한 색깔의 청색 형광 특성(최대 PL 강도 파장은 418 nm ~ 425 nm)을 나타내었다.둘째, 졸겔 공정으로 APTES가 첨가되어 합성된 청색 형광 실리카 나노입자의 크기가 작아질수록 청색 형광 강도가 증가하였다. 이것은 실리카 매트릭스 속의 산소결 함과 APTES 층 속의 NH2 기능기가 결합되는 확률이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.셋째, 졸겔 공정으로 APTES가 첨가되어 합성된 실리카 나노입자에서 하소공정을 거치지 않은 실리카 나노입자는 청색 형광 특성이 전혀 나타나지 않았다. 이것은 하소 공정을 통해서만 APTES 층의 NH2 기능기와 실리카 매트릭스 내부의 산소 결함이 결합되기 때문인 것으로 추정된다.

첫째, 졸겔 공정 중에 APTES가 첨가된 실리카 나노입자는 모두 동일한 색깔의 청색 형광 특성(최대 PL 강도 파장은 418 nm ~ 425 nm)을 나타내었다. 둘째, 졸겔 공정으로 APTES가 첨가되어 합성된 청색 형광 실리카 나노입자의 크기가 작아질수록 청색 형광 강도가 증가하였다. 이것은 실리카 매트릭스 속의 산소결 함과 APTES 층 속의 NH2 기능기가 결합되는 확률이 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 셋째, 졸겔 공정으로 APTES가 첨가되어 합성된 실리카 나노입자에서 하소공정을 거치지 않은 실리카 나노입자는 청색 형광 특성이 전혀 나타나지 않았다. 이것은 하소 공정을 통해서만 APTES 층의 NH2 기능기와 실리카 매트릭스 내부의 산소 결함이 결합되기 때문인 것으로 추정된다.

형광 염료가 도핑(Doping) 된 실리카(Silica) 나노입자
형광 염료가 도핑(Doping) 된 실리카(Silica) 나노입자이 해결할 수 있는 문제는?
유기 형광 염료의 낮은 형광감도 및 광퇴색의 문제점을 해결함은 물론 양자점 나노소재가 가지고 있는 깜박임 현상과 독성 문제

형광 염료가 도핑(Doping) 된 실리카(Silica) 나노입자는 유기 형광 염료의 낮은 형광감도 및 광퇴색의 문제점을 해결함은 물론 양자점 나노소재가 가지고 있는 깜박임 현상과 독성 문제를 해결할 수 있어서 바이오 라벨링 및 바이오 이미징 소재로 주목을 받고 있다. 특히 형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 낮은 독성, 높은 생체 적합성, 높은 형광특성, 높은 친수성 및 표면개질적 특성을 가지고 있다고 보고되고 있다[1-3, 5-9].

질병의 감염 여부 등을 판단
현대의학에서는 질병의 감염 여부 등을 판단하기 위해서 무엇을 사용하고 있는가?
유전자를 검사하는 DNA 마이크로 어레이(Microarray)

현대의학에서는 질병의 감염 여부 등을 판단하기 위해서 유전자를 검사하는 DNA 마이크로 어레이(Microarray) 를 이용한 분자진단검사를 사용하고 있다. 이때 DNA의 원하는 부분을 복제하고 증폭시키는 중합효소 연쇄반응 (PCR, Polymerase Chain Reaction) 후에, 바이오 라벨링(Bio-labeling) 및 바이오 이미징(Bio-imaging)을 위해서 유기 형광 염료(Organic Fluorescent Dye)가 일반적으로 사용되고 있다.

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저자의 다른 논문

참고문헌 (11)

  1. 1. F. Enrichi, R. Ricco, A. Meneghello, R. Pierobon, F. Marinello, P. Schiavuta "Luminescent dye-doped or rare-earth-doped monodisperse silica nanospheres as efficient labels in DNA microarrays", Proceeding of SPIE, Vol. 7393, pp. 73930M-1-73930M-10, 2009. DOI: https://doi.org/10.1117/12.828217 
  2. 2. M. Montalti, L. Prodi, E. Rampazzo, N. Zaccheroni, "Dye-doped silica nanoparticles as luminescent organized systems for nanomedicine", Chemical Society Reviews, Vol. 43, pp. 4243-4268, 2014. DOI: https://doi.org/10.1039/c3cs60433k 
  3. 3. G. Canton, R. Ricco, F. Marinello, S. Carmignato, F. Enrichi, "Modified Stober syntheis of highly luminescent dye-doped silica nanoparticles", Journal of Nanoparticle Research, Vol. 13, Issue 9, pp. 4349-4356, 2011. DOI: https://doi.org/10.1007/s11051-011-0382-3 
  4. 4. I. L. Medintz, H. T. Uyeda, E. R. Goldman, H. Mattoussi, "Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing", Nature Materials, Vol. 4, pp. 425-446, 2005. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat1390 
  5. 5. J. Folling, S. Polyakova, V. Belov, A. Blaaderen, M. L. Bossi, S. W. Hell, "Synthesis and characterization of photoswitchable fluorescent silica nanoparticles", Small, Vol. 4, No. 1, pp. 134-142, 2008. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.200700440 
  6. 6. J. Xu, J. Liang, J. Li, W. Yang, "Multicolor dye-doped silica nanoparticles independent of FRET", Langmuir, Vol. 26, No. 20, pp. 15722-15725, 2010. DOI: http://doi.org/10.1021/la1028492 
  7. 7. L. Wang, W. Tan, "Multicolor FRET silica nanoparticles by single wavelength excitation", Nano Letters, Vol. 6, No. 1, pp. 84-88, 2006. DOI: https://doi.org/10.1021/nl052105b 
  8. 8. R. P. Bagwe, C. Yang, L. R. Hilliard, W. Tan, "Optimization of dye-doped silica nanoparticles prepared using a reverse micoemulsion method", Langmuir, Vol. 20, pp. 8336-8342, 2004. DOI: http://doi.org/10.1021/la049137j 
  9. 9. H. Ow, D. R. Larson, M. Srivastava, B. A. Baird, W. W. Webb, U. Wiesner, "Bright and stable core-shell fluorescent silica nanoparticles", Nano Letters, Vol. 5, No. 1, pp. 113-117, 2005. DOI: http://doi.org/10.1021/nl0482478 
  10. 10. C. D. S. Brites, V. T. Freitas, R. A. S. Ferreira, A. Millan, F. Palacio, L. D. Carlos, "Metal-free highly luminescent silica nanoparticles", Langmuir, Vol. 28, pp. 8190-8196, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/la300288j 
  11. 11. A. M. Jakob, T. A. Schmedake, "A noble approach to monodisperse, luminescent silica spheres", Chemistry of Materials, Vol. 18, pp. 3173-3175, 2006. DOI: http://doi.org/10.1021/cm060664t 

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