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연구개요
NIR-II (1000~1700 nm) 영역을 광원으로 활용하면, 기존의 800 nm 또는 980 nm의 근적외선 광원에 비해 생체 내 광투과도가 더 높고 광산란을 최소화할 수 있어 비침습적인 방법으로 생체 깊숙이 위치한 장기나 조직의 고해상도 이미지를 얻을 수 있음. 하지만 이러한 장점에도 불구하고, 구성 원소인 란탄족의 낮은 광흡수율에 의한 전체적인 발광효율 저하는 업컨버전 나노입자의 실용적인 응용에 저해요소로 작용함. 본 연구과제에서는 NIR-II 영역을 광원으로 활용하는 형광 이미징을 위해, 1) NIR-II

연구개요
NIR-II (1000~1700 nm) 영역을 광원으로 활용하면, 기존의 800 nm 또는 980 nm의 근적외선 광원에 비해 생체 내 광투과도가 더 높고 광산란을 최소화할 수 있어 비침습적인 방법으로 생체 깊숙이 위치한 장기나 조직의 고해상도 이미지를 얻을 수 있음. 하지만 이러한 장점에도 불구하고, 구성 원소인 란탄족의 낮은 광흡수율에 의한 전체적인 발광효율 저하는 업컨버전 나노입자의 실용적인 응용에 저해요소로 작용함. 본 연구과제에서는 NIR-II 영역을 광원으로 활용하는 형광 이미징을 위해, 1) NIR-II 광원에 민감한 고발광효율 업컨버전 나노입자를 개발하고자 함. 2) 그리고 양자수율이 높은 근적외선 양자점과 업컨버전 나노입자를 결합시킨 고발광효율 NIR-II 업컨버전 나노복합체를 합성하여 발광효율과 광안정성을 극대화하고자 함. 3) 나노복합체의 광학적 물성 분석을 통해 양자점과 업컨버전 나노입자 간의 에너지 전달 메커니즘을 규명하고 이를 바탕으로 나노복합체 구조 최적화를 수행함.

연구 목표대비 연구결과
∘ 1532 nm NIR-II 광원 활용을 위해 기존 감광제 역할을 했던 Yb나 Nd 이온 대신 Er 이온이 감광제로 사용하였고, 발광효율 향상을 위해 NaErF₄:Tm 나노입자에 NaYF₄로 표면을 코팅한 core@shell 구조를 합성함. 또한 입자의 크기가 증가할수록 발광효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었음.
∘ 업컨버전 나노입자의 낮은 광흡수율을 보완하기 위한 NIR-II 양자점을 합성하여 안테나 물질로 활용하고자 함. PbS 양자점의 크기를 증가시켜서 1300 nm – 1350 nm 영역에서 흡광이 일어나는 양자점을 합성할 수 있었음. 다만, 입자의 표면 개질과정에서 입자 표면 손상에 의한 발광효율 감소가 관찰되었기 때문에, core@shell 구조의 양자점 합성이 필요함.
∘ Core@satellite 구조의 업컨버전-양자점 나노복합체는 양자점과 업컨버전 나노입자간의 에너지의 전달 효율을 높이기 위해, 입자들 표면의 유기물 리간드를 제거하고 무기 리간드를 도입하여 정전기적 인력으로 자가 조립을 시키는 접근법을 사용함.
∘ 양자점이 안테나 역할을 하기보다는 소광제 역할이 두드러지는 것을 확인함. PbS 양자점의 흡광도가 가시광선의 단파장으로 갈수록 증가하는 경향과 연관이 있다고 판단됨. 기존 가시광선 양자점과 달리 소광 효과는 적었으나, 원래 목표였던 안테나 효과에 의한 발광효율 향상은 어려운 것으로 판단됨. 에너지 전달 효율을 높이기 위해 입자들 표면의 계면활성제를 제거하였는데, 이러한 부분이 에너지 전달 효율의 향상과 함께 소광 효과도 증폭시킨 것으로 생각됨. NIR-II 양자점이 아닌 NIR-I 양자점을 활용한 안테나 효과와 업컨버전이 아닌 다운컨버전을 활용하는 것이 보다 효과적일 것으로 판단됨.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
∘ 업컨버전 나노입자는 “2016년 나노기술 10선”에도 선정된 것처럼 기존 형광물질의 한계를 극복한 고감도 형광 이미징을 위한 차세대 발광물질임. 광흡수율과 광안 정성이 우수한 양자점과 업컨버전 나노입자의 결합은 발광효율을 획기적으로 향상시켜 다양한 응용분야에서 활용도를 높일 것으로 기대함.
∘ 근적외선을 광원으로 활용하는 업컨버전 나노입자의 장점을 극대화하기 위해, NIR-II 영역의 광원에 민감하면서도 발광효율이 뛰어난 나노복합체를 개발하는 것은 새로운 소재에 대한 원천 기술력 확보로 이어질 것임. 최근 정부에서 강조하는 소재 산업의 핵심 기술력과 안정적 공급역량 확보의 측면에서 볼 때, 기능성 신소재 산업연구인력 배출로 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
∘ 생명과학 분야의 기초연구뿐만 아니라 고부가가치를 창출할 수 있는 신약개발, 진단 및 치료 등의 분야에 활용시 파급력이 클 것으로 예상됨. 최근 전염병 이슈 속에서 급부상하고 있는 고민감도 체외 진단 시스템 개발에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 비침습적인 방법으로 살아있는 소동물의 생체 내 조직 및 장기를 고해상도로 실시간 관찰이 가능하므로, 기존 형광 이미징 기술을 비약적으로 발전시킬 수 있음. 특히, 빛을 이용해서 뇌심부를 자극하는 옵토제네틱스 등에도 적용이 가능하므로, 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환의 연구 및 환자들의 치료에도 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 10
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 10
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4) 목표 미달 시 원인 분석(해당 시) ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 13
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 15
• 끝페이지 ... 21