KR101985726B1 - Graphene quantum pin, manufacturing method thereof and uses thereof - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 그래핀 퀀텀닷들이 일 방향으로 성장하여 형성된, 그래핀 퀀텀핀을 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시예는 단당류, 아민계 화합물 및 염산을 혼합한 혼합용액을 준비하는 단계(단계 1); 및 상기 혼합용액을 열처리하고, 각각 다른 분자량 컷오프의 투석막으로 복수회 투석하는 단계(단계 2);를 포함하는, 그래핀 퀀텀핀 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a graphene quantum pin formed by growing graphene quantum dots in one direction.
According to another embodiment of the present invention, there is provided a process for preparing a mixed solution comprising a monosaccharide, an amine compound and hydrochloric acid (step 1); And a step (step 2) of heat-treating the mixed solution and dialyzing the solution to a dialysis membrane of different molecular weight cutoff plural times (step 2).

Description

그래핀 퀀텀핀, 이의 제조방법 및 이의 용도{GRAPHENE QUANTUM PIN, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND USES THEREOF}GRAPHENE QUANTUM PIN, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND USES THEREOF FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to graphene quantum pins,

본 발명은 그래핀 퀀텀핀, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀 퀀텀닷들이 일 방향으로 응집되며 성장하여 형성된 그래핀 퀀텀핀, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene quantum pin, a method for producing the graphene quantum pin, and a use thereof, and more particularly, to a graphene quantum pin formed by grafting and growing graphene quantum dots in one direction, a method for producing the graphene quantum pin, and a use thereof.

최근에, 그래핀 관련 응용 분야는 태양 전지, 전계 효과 트랜지스터, LED, 약물 전달, 유전자 전달, 세포 배양 플랫폼 등과 같은 광범위한 분야로 확장되었고, 연구되어 왔다. 제로 밴드갭, 우수한 전자 전달 능력 및 기계적 강도를 포함한 그래핀의 다양한 특성은 장래의 기술분야 적용에 있어서 충분히 매력적이다.Recently, graphene-related applications have been extensively studied and extended to a wide range of fields such as solar cells, field effect transistors, LEDs, drug delivery, gene delivery, and cell culture platforms. The various properties of graphene, including zero band gap, good electron transfer capability and mechanical strength, are attractive enough for future technical applications.

퀀텀닷(QDs)은 또한 양자 구속 효과 및 우수한 광 발광 특성으로 인해 LED, 태양 전지, 바이오 이미징제와 같은 많은 분야에서 연구되어왔다. 그러나 이 두 가지 재료(그래핀, 퀀텀닷)에는 자체적인 단점이 있다. 그래핀은 크기가 균일하지 않아 생의학 분야에서 사용하기가 어렵고, 대규모 합성이 어렵다. 퀀텀닷은 보통 인간과 환경에 유해 할 수 있는 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga) 등의 중금속을 통해 퀀텀닷이 형성된다는 데 문제점이 있다.Quantum Dots (QDs) have also been studied in many areas such as LEDs, solar cells, and bioimaging due to quantum confinement effects and excellent photoluminescent properties. However, these two materials (graphene, quantum dot) have their own disadvantages. Graphene is not uniform in size, making it difficult to use in the biomedical field and difficult to synthesize on a large scale. Quantum dot has a problem in that quantum dots are formed through heavy metals such as cadmium (Cd) and gallium (Ga), which can be harmful to humans and the environment.

연구에 따르면 그래핀 퀀텀닷이라 불리는 유기 양자 재료는 탄소 원자층이 그래핀 시트(graphene sheet)와 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 나타내 이 두 가지 문제를 극복할 수 있음을 시사하고 있다. 전달 벡터(단백질, 유전자 및 약물)와 같은 영역, 바이오 이미징을 위한 형광 프로브 등에, 높은 표면적, 우수한 생체 적합성, 뛰어난 광 발광 특성을 갖는 그래핀 퀀텀닷의 적용을 도모하고 있다. 합성 방법은 탑-다운 및 바텀-업 제법의 두 가지 방식으로 분류할 수 있다. 탑-다운 방식은 탄소 재료 절단, 전기화학 합성, 산소 플라즈마 처리, 열수 처리, 마이크로 웨이브 보조, 나노 절단 보조, 레이저 파편화를 포함한다. 바텁-업 방식은 주로 아데노신트리포스페이트(ATP), 시트르산, 글루코스 등과 같은 시드 물질을 갖는 용액을 통한 화학적 방법을 포함한다.Studies have shown that organic quantum materials, called graphene quantum dots, can overcome these two problems, with the carbon atom layer exhibiting a quantum confinement effect with the graphene sheet. Application of graphene quantum dot having high surface area, excellent biocompatibility, and excellent photoluminescence property to a region such as a transfer vector (protein, gene and drug) and a fluorescence probe for bioimaging. The synthesis method can be classified into two ways, top-down and bottom-up. Top-down methods include carbon material cutting, electrochemical synthesis, oxygen plasma treatment, hydrothermal treatment, microwave assist, nano-cutting assist, laser fragmentation. The batch-up method includes a chemical method through a solution having a seed material such as adenosine triphosphate (ATP), citric acid, glucose and the like.

그래핀 퀀텀닷 제조방법의 일례로, 한국 등록특허공보 제10-1430361호에는, (A) 카본나노물질을 황산-질산 혼합 용액에 분산하는 단계; (B) 상기 분산용액을 산화반응을 이용하여 표면에 설페이트 이온이 결합 된 산화그래핀 용액을 제조하는 단계; (C) 상기 설페이트 이온이 결합된 산화그래핀 용액에 염기를 첨가하여 pH 7로 중화하는 단계; (D) 상기 염기로 중화된 산화그래핀 용액에 빈용매를 넣어 황산나트륨 염의 형성을 유도하는 단계; 및 (E) 원심분리기를 이용하여, 상기 빈용매를 넣은 산화그래핀 용액 내 그래핀 양자점을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 양자점의 제조방법을 개시하고 있다.Korean Patent Registration No. 10-1430361 discloses a method of manufacturing a graphene quantum dot comprising the steps of: (A) dispersing a carbon nanomaterial into a sulfuric acid-nitric acid mixed solution; (B) preparing a solution of oxidized graphene in which sulfate ions are bound to the surface of the dispersion solution using an oxidation reaction; (C) neutralizing the solution to a pH of 7 by adding a base to the oxidized graphene solution to which the sulfate ion is bound; (D) introducing a poor solvent into the graphene oxide solution neutralized with the base to induce the formation of a sodium sulfate salt; And (E) separating the graphene quantum dots in the graphene oxide solution containing the poor solvent by using a centrifugal separator.

최근에, 바텀-업 방식은 크기 조절 및 그래핀 나노물질의 용이한 표면 개질 및 합성 특성과, 합성 중 산이 과량으로 사용되는 낭비를 줄일 수 있어 선호되고 있다. 그래핀 나노리본, 그래핀 퀀텀 링, 그래핀 어니언 등과 같이 그래핀 퀀텀닷과 다른 모양을 가진 매우 매력적인 그래핀 나노 물질이 발견되었다. 이러한 모든 나노 물질은 바텀-업 방식에 의해 얻어진다.In recent years, the bottom-up method has been preferred because it can reduce the size and the ease of surface modification and synthesis characteristics of graphene nanomaterials and the waste of excessive use of acid during synthesis. Very attractive graphene nanomaterials have been discovered, such as graphene nanoribbons, graphene quantum rings, and graphene onions, which have shapes different from those of graphene quantum dot. All these nanomaterials are obtained by the bottom-up method.

한편, 원자간력 현미경(AFM)은 생체 시료(예 : 생균, 세포 외 기질)의 특성을 조사하는 데 유용한 도구로 사용되었다. 최근 AFM의 중요한 기능은 줄기세포 분화, 분자 - 분자 상호 작용 등을 포함한 생물 의학 응용에 사용되고 있다. 지금까지 나노 물질 처리 전후의 세포 형태, 생체 물리적 특성(평균 세포 높이, 세포 확산 면적, RMS 거칠기) 및 생체 역학(세포 강성) 특성에 대한 연구가 거의 이루어지지 않았고, 계면 연구에 있어서 AFM의 이용은 피코 뉴턴(pN) 감도와 높은 정확도로 수학적 세포와 나노 물질 간의 상호 작용을 보여 줄 수 있다. 그러나 최근에는 다양한 나노 물질 처리의 생체 물리 및 생체 역학 특성에 대한 결과 보고가 충분하지 않다.On the other hand, atomic force microscopy (AFM) has been used as a useful tool to investigate the characteristics of biological samples (eg live cells, extracellular matrix). Recently, important functions of AFM have been used in biomedical applications including stem cell differentiation, molecular-molecular interaction, and the like. So far, little research has been done on cell morphology, biophysical properties (mean cell height, cell diffusion area, RMS roughness) and biomechanics (cell stiffness) characteristics before and after treatment with nanomaterials. PicoNewton (pN) sensitivity and high accuracy can show the interaction between mathematical cells and nanomaterials. However, recent reports of biophysical and biomechanical properties of various nanomaterials are not sufficient.

따라서, 기존 그래핀 퀀텀닷의 단점을 보완하고, 이를 생체 물리적 및 생체 역학적 특성을 향상시킨 새로운 나노물질에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to research and develop new nanomaterials that complement the disadvantages of existing graphene quantum dot and improve its biophysical and biomechanical characteristics.

한국 등록특허공보 제10-1430361호Korean Patent Registration No. 10-1430361

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 높은 생체 적합성과 자외선 영역 파장의 여기에 의한 청색 발광을 나타낼 수 있는 그래핀 퀀텀핀이라는 새로운 종류의 그래핀 양자물질을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a new type of graphene quantum substance called graphene quantum pin which can exhibit high biocompatibility and blue light emission by excitation of ultraviolet region wavelength .

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은 복수개의 그래핀 퀀텀닷들이 일 방향으로 응집되며 성장하여 형성된, 그래핀 퀀텀핀을 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides a graphene quantum pin formed by growing a plurality of graphene quantum dots in one direction and grown.

일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 퀀텀핀은 복수개의 6 nm 내지 10 nm의 그래핀 퀀텀닷들로부터 형성되고 길이가 50 nm 내지 100 nm이고, 폭이 7.34 nm 내지 11.34 nm일 수 있다.In one embodiment, the graphene quantum pin is formed from a plurality of graphene quantum dots of 6 nm to 10 nm, the length is 50 nm to 100 nm, and the width is 7.34 nm to 11.34 nm.

일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 퀀텀핀은 질소 및 염소가 도핑될 수 있다.In one embodiment, the graphene quantum pin may be doped with nitrogen and chlorine.

일 실시예에 있어서, 상기 그래핀 퀀텀핀은 C-Cl, -OH 및 아민 작용기를 포함하는 그래핀 퀀텀닷 사이의 정전기적 인력으로 성장된 것일 수 있다.In one embodiment, the graphene quantum pin may be grown by electrostatic attraction between graphene quantum dots comprising C-Cl, -OH and amine functionality.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 일 측면은 단당류, 아민계 화합물 및 염산을 혼합한 혼합용액을 준비하는 단계(단계 1); 및 상기 혼합용액을 열처리하고, 각각 다른 분자량 컷오프의 투석막으로 복수회 투석하는 단계(단계 2);를 포함하는, 그래핀 퀀텀핀 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for preparing a mixed solution comprising a monosaccharide, an amine compound and hydrochloric acid (step 1); And a step (step 2) of heat-treating the mixed solution and dialyzing the solution to a dialysis membrane of different molecular weight cutoff plural times (step 2).

일 실시예에 있어서, 상기 단계 1의 혼합용액은 상기 단당류 농도가 0.033 g/mL 내지 0.096 g/mL인 것일 수 있다.In one embodiment, the mixed solution of step 1 may have the monosaccharide concentration of 0.033 g / mL to 0.096 g / mL.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 2의 열처리는 -5 ℃ 내지 -20 ℃의 온도에서 100 ℃ 내지 140 ℃의 온도로 점진적 승온하며 수행될 수 있다.In one embodiment, the heat treatment of step 2 may be carried out by gradually raising the temperature to a temperature of 100 ° C to 140 ° C at a temperature of -5 ° C to -20 ° C.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 2의 열처리는 6 시간 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다.In one embodiment, the heat treatment of step 2 may be performed for 6 hours to 10 hours.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 2의 투석은 분자량 컷오프가 1800 내지 2200인 투석막으로 제1투석하고 상기 투석 배출된 용액을 분자량 컷오프가 800 내지 1200인 투석막으로 제2투석하여 수행될 수 있다.In one embodiment, dialysis in step 2 may be performed by first dialysis with a dialysis membrane having a molecular weight cutoff of 1800 to 2200, and second dialysis with the dialysis membrane having a molecular weight cutoff of 800 to 1200 in the dialyzed solution.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 2의 제1투석 및 제2투석은 1 일 또는 3 일 동안 수행될 수 있다.In one embodiment, the first dialysis and the second dialysis of step 2 may be performed for one or three days.

일 실시예에 있어서, 상기 투석 처리된 용액을 동결건조하는 단계(단계 3);을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method may further include lyophilizing the dialyzed solution (step 3).

일 실시예에 있어서, 상기 동결건조는 -30 ℃ 내지 -70 ℃의 온도에서 1 일 내지 5 일 동안 수행될 수 있다.In one embodiment, the lyophilization can be performed at a temperature of -30 캜 to -70 캜 for 1 to 5 days.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 또 다른 일 측면은 상기의 그래핀 퀀텀핀을 포함하는, 생체 이미징용 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a composition for bioimaging comprising the graphene quantum pin.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 또 다른 일 측면은 상기의 그래핀 퀀텀핀을 포함하는, 생체 이미징 키트를 제공한다.In order to achieve the above object, another aspect of the present invention provides a bioimaging kit comprising the graphene quantum pin.

본 발명의 일 측면에 따르면, 종래의 그래핀 퀀텀닷보다 높은 생체적합성을 나타낼수 있다.According to one aspect of the present invention, higher biocompatibility than conventional graphene quantum dot can be exhibited.

또한, 그래핀 퀀텀핀은 종래의 그래핀 퀀텀닷보다 크기가 더 크다는 것에도 불구하고, 자외선 여기에 의한 색 방출은 파란색을 나타낼 수 있다.Also, despite the fact that graphene quantum pins are larger in size than conventional graphene quantum dots, color emissions by ultraviolet excitation can be blue.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 퀀텀핀 제조방법의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 비교예 2(그래핀 퀀텀닷) 및 실시예 1(그래핀 퀀텀핀)의 TEM, AFM 촬영 결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 UV-vis 스펙트럼, FT-IR 및 라만 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 Cls XPS 스펙트럼 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 형광 분광법 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리된 NHDF, HeLa 세포의 세포 생존도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리된 NHDF, HeLa 세포의 활성산소종 생성 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 대조군, 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리된 NHDF, HeLa 세포의 스캐닝 크기별 AFM 촬영 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 대조군, 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리된 NHDF, HeLa 세포의 평균 세포 높이, RMS 거칠기, 확산 영역, 영률을 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 13은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리된 NHDF, HeLa 세포의 처리 시간 별 바이오이미징 결과를 나타낸 사진이다.
도 14 및 도 15는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리된 NHDF, HeLa 세포의 처리 시간 별 셀룰러 분포를 나타낸 사진이다.
도 16은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 XPS 풀 스캔 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 N1s, Cl2p XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 대조군, 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리된 NHDF, HeLa 세포의 SEM 촬영 결과를 나타낸 사진이다.
도 19는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 광발광 여기(PLE) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20은 그래핀 퀀텀핀의 UPS 분석결과를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view showing an example of a method of manufacturing a graphene quantum pin according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph showing TEM and AFM photographs of Comparative Example 2 (graphene quantum dot) and Example 1 (graphene quantum pin).
3 is a graph showing the results of UV-vis spectrum, FT-IR and Raman analysis of graphene quantum dot and graphene quantum pin.
4 is a graph showing the results of Cls XPS spectrum analysis of graphene quantum dot and graphene quantum pin.
5 is a graph showing fluorescence spectroscopic results of graphene quantum dot and graphene quantum pin.
6 is a graph showing cell viability of graphene quantum dot and graphene quantum fin-treated NHDF, HeLa cells.
FIG. 7 is a graph showing the results of generation of reactive oxygen species in graphene quantum dot and graphene quantum finned NHDF, HeLa cells.
FIG. 8 is a graph showing the results of AFM photographing by scanning magnification of NHDF, HeLa cells treated with graphene quantum dot and graphene quantum pin in control group.
Figure 9 is a graph showing the mean cell height, RMS roughness, diffusion area, and Young's modulus of the control, graphene quantum dot and graphene quantum finned NHDF, HeLa cells.
FIGS. 10 to 13 are photographs showing results of bioimaging of graphene quantum dot and graphene quantum finned NHDF and HeLa cells by treatment time. FIG.
FIGS. 14 and 15 are photographs showing cellular distribution of graphene quantum dot and graphene quantum finned NHDF, HeLa cells by treatment time. FIG.
16 is a graph showing the results of XPS full scan analysis of graphene quantum dot and graphene quantum pin.
17 is a graph showing the results of N1s and Cl2p XPS analysis of graphene quantum dot and graphene quantum pin.
FIG. 18 is a photograph showing SEM images of a control group, graphene quantum dot, and graphene quantum-finned NHDF and HeLa cells.
19 is a graph showing the results of the photoluminescence excitation (PLE) analysis of graphene quantum dot and graphene quantum pin.
20 is a graph showing a UPS analysis result of a graphene quantum pin.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving it will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.It should be understood, however, that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the exemplary embodiments set forth herein. To fully inform the inventor of the category of invention. Further, the present invention is only defined by the scope of the claims.

나아가, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Further, in the following description of the present invention, if it is determined that related arts or the like may obscure the gist of the present invention, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 일 측면은,According to an aspect of the present invention,

복수개의 그래핀 퀀텀닷들이 일 방향으로 성장하여 형성된, 그래핀 퀀텀핀을 제공한다.A graphene quantum pin formed by growing a plurality of graphene quantum dots in one direction.

상기 그래핀 퀀텀핀은 복수개의 6 nm 내지 10 nm의 그래핀 퀀텀닷들로부터 형성될 수 있고, 길이가 50 nm 내지 100 nm이고, 폭이 7.34 nm 내지 11.34 nm일 수 있다.The graphene quantum pin may be formed from a plurality of graphene quantum dots of 6 nm to 10 nm and may be 50 nm to 100 nm in length and 7.34 nm to 11.34 nm in width.

하기 후술할 그래핀 퀀텀핀 제조방법을 통해, 상기의 그래핀 퀀텀핀 크기 범위로 형성되는 것을 알 수 있다. 상기의 그래핀 퀀텀핀 크기를 가짐에도 불구하고, 자외선 여기 시 청색 발광을 나타낼 수 있고, 우수한 생체적합성을 나타낼 수 있다.It can be seen that, through the graphene quantum pin manufacturing method described below, the graphene quantum pin size range is formed. Although it has the graphene quantum pin size described above, it can exhibit blue light emission upon ultraviolet excitation and exhibit excellent biocompatibility.

상기 그래핀 퀀텀핀은 질소 및 염소가 도핑된 것일 수 있다. 상기 그래핀 퀀텀핀의 질소 및 염소 도핑은 하기 후술할 제조방법 중 아민계 화합물, 염산에 의해 수행될 수 있다.The graphene quantum pin may be nitrogen and chlorine doped. Nitrogen and chlorine doping of the graphene quantum pin can be performed by an amine compound or hydrochloric acid in the production method described below.

상기 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 표면 작용기는 -OH, -C(=O)-NHR, -C-NHR, -C(=O)-OR, 에폭시 및 -COOH기를 포함할 수 있고, 에폭시 기의 대부분은 분해되어 하기 제조방법의 반응 조건 하에서 -OH 및 -C-NH-(CH₂)₂-NH₂ 기로 전환될 수 있으며, COOH 기는 -OH 및 -C(=O)-OR 기로 전환될 수 있다.The surface functional groups of the graphene quantum dot and graphene quantum pin may comprise -OH, -C (= O) -NHR, -C-NHR, -C (= O) -OR, epoxy and -COOH groups, Most of the epoxy groups are decomposed and can be converted into -OH and -C-NH- (CH ₂ ) ₂ -NH ₂ groups under the reaction conditions of the following production process, and the COOH groups are -OH and -C (= O) Can be switched.

상기 그래핀 퀀텀핀은 C-Cl, -OH 및 아민 작용기를 포함하는 그래핀 퀀텀닷 사이의 정전기적 인력으로 성장된 것일 수 있다. 구체적으로, 수소 결합을 통한 정전기적 인력일 수 있다.The graphene quantum pin may be grown by electrostatic attraction between C-Cl, -OH and a graphene quantum dot comprising an amine functional group. Specifically, it may be an electrostatic attractive force through hydrogen bonding.

상기 그래핀 퀀텀핀은 260-360 nm의 파장의 자외선에 의해 여기될 시 470-476 nm의 중심파장의 빛을 방출할 수 있다. 즉, 260-360 nm의 파장의 자외선에 의해 여기된다 하더라도 빛 방출 중심파장의 변화가 거의 나타나지 않을 수 있다.The graphene quantum pin can emit light at a central wavelength of 470-476 nm when excited by ultraviolet light at a wavelength of 260-360 nm. That is, even if excited by ultraviolet light having a wavelength of 260-360 nm, the change in the center wavelength of the light emission may hardly appear.

상기 그래핀 퀀텀핀은 380-540 nm의 파장의 빛에 의해 여기될 시 472-533 nm의 중심파장의 빛을 방출할 수 있다. 이때, 여기 파장이 20 nm 증가할 시 빛 방출 중심파장은 10-17 nm 간격으로 증가할 수 있다.The graphene quantum pin can emit light at a central wavelength of 472-533 nm when excited by light at a wavelength of 380-540 nm. At this time, when the excitation wavelength increases by 20 nm, the center wavelength of the light emission can be increased by 10-17 nm intervals.

상기 그래핀 퀀텀핀은 (C-O-C, C-OH, C-Cl) 작용기 함량이 61.9 내지 65.9 at%일 수 있다.The graphene quantum pin may have a (C-O-C, C-OH, C-Cl) functional group content of 61.9 to 65.9 at%.

상기 그래핀 퀀텀핀은 (C-C, C=C, C-H) 작용기 함량이 26.2 내지 30.2 at%일 수 있다.The graphene quantum pin may have a (C-C, C = C, C-H) functional group content of 26.2 to 30.2 at%.

상기 그래핀 퀀텀핀은 (C=O, N-C=O) 작용기 함량이 4.9 내지 6.9 at%일 수 있다.The graphene quantum pin may have a (C = O, N-C = O) functional group content of 4.9 to 6.9 at%.

상기 그래핀 퀀텀핀은 (COOH) 작용기 함량이 0.92 내지 2.92 at%일 수 있다.The graphene quantum pin may have a (COOH) functional group content of 0.92 to 2.92 at%.

본 발명의 다른 일 측면은In another aspect of the present invention,

단당류, 아민계 화합물 및 염산을 혼합한 혼합용액을 준비하는 단계(단계 1)(S10); 및Preparing a mixed solution of a monosaccharide, an amine compound and hydrochloric acid (Step 1) (S10); And

상기 혼합용액을 열처리하고, 각각 다른 분자량 컷오프의 투석막으로 복수회 투석하는 단계(단계 2)(S20);를 포함하는, 그래핀 퀀텀핀 제조방법을 제공한다.(Step S20) of heat-treating the mixed solution, and dialyzing multiple times into dialysis films of different molecular weight cutoffs (step S20).

이하, 본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 퀀텀핀 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a graphene quantum pin according to an aspect of the present invention will be described in detail for each step.

본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 퀀텀핀 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 단당류, 아민계 화합물 및 염산을 혼합한 혼합용액을 준비한다.In the method of manufacturing a graphene quantum pin according to an aspect of the present invention, a mixed solution obtained by mixing a monosaccharide, an amine compound, and hydrochloric acid is prepared in the above step 1.

상기 단계 1의 단당류는 글루코스, 프룩토스, 갈락토스, 자일로스 및 리보스로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 글루코스, D-글루코스일 수 있다.The monosaccharide of step 1 may be at least one selected from the group consisting of glucose, fructose, galactose, xylose and ribose, preferably glucose, D-glucose.

상기 단계 1의 아민계 화합물은 암모니아, 디에틸아민, 트리에틸아민, 에탄올아민, 에틸렌디아민 및 아닐린으로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 디에틸아민 또는 에틸렌디아민일 수 있다.The amine compound of Step 1 may be at least one selected from the group consisting of ammonia, diethylamine, triethylamine, ethanolamine, ethylenediamine and aniline, preferably diethylamine or ethylenediamine.

상기 단계 1의 혼합 전 염산 농도는 25 % 내지 50 %일 수 있다.The pre-mixing hydrochloric acid concentration in step 1 may be 25% to 50%.

상기 단계 1의 혼합용액은 혼합 후 상기 단당류 농도가 0.033 g/mL 내지 0.096 g/mL일 수 있고, 바람직하게는 0.048 g/mL 내지 0.081 g/mL일 수 있다. 상기 단당류 농도가 0.033 g/mL 미만이라면, 후속 단계에서 그래핀 퀀텀닷을 용이하게 형성시키지 못할 우려가 있고, 상기 단당류 농도가 0.096 g/mL 초과라면, 목적으로 하는 그래핀 퀀텀핀이 아닌 다른 형태의 그래핀 퀀텀닷이 형성될 우려가 있다.The concentration of the monosaccharide after mixing may be 0.033 g / mL to 0.096 g / mL, preferably 0.048 g / mL to 0.081 g / mL. If the concentration of the monosaccharide is less than 0.033 g / mL, the graphene quantum dot may not be easily formed in a subsequent step. If the monosaccharide concentration exceeds 0.096 g / mL, Of graphene quantum dot is likely to form.

상기 단계 1의 혼합용액은 혼합 후 상기 아민계 화합물 농도가 0.0066 v/v% 내지 0.0466 v/v%일 수 있고, 바람직하게는 0.0141 v/v% 내지 0.0391 v/v%일 수 있다.The mixed solution of step 1 may have an amine compound concentration of 0.0066 v / v% to 0.0466 v / v%, preferably 0.0141 v / v% to 0.0391 v / v% after mixing.

상기 단계 1의 혼합용액은 혼합 후 상기 염산 농도가 0.0033 v/v% 내지 0.0233 v/v%일 수 있고, 바람직하게는 0.0083 v/v% 내지 0.0183 v/v%일 수 있다.The mixed solution of step 1 may have a concentration of hydrochloric acid of 0.0033 v / v% to 0.0233 v / v%, preferably 0.0083 v / v% to 0.0183 v / v% after mixing.

상기 단계 1의 혼합용액은 혼합 후 상기의 아민계 화합물 농도 및 염산 농도에서 후속 단계의 그래핀 퀀텀닷 형성 시 탈수(dehydrate)과정, 그래핀 상에 질소 원자 또는 염소 원자 도핑이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.The mixed solution of the step 1 may be prepared by mixing the amine compound and the hydrochloric acid in the following steps so as to facilitate dehydration during formation of the graphene quantum dots in the subsequent step and doping of nitrogen atoms or chlorine atoms on the graphenes. do.

상기 단계 1의 혼합용액 준비 후 5 분 내지 50 분 동안 초음파 분산을 수행하여 완전한 용해가 이루어지도록 할 수 있다.After preparing the mixed solution of step 1, ultrasonic dispersion may be performed for 5 minutes to 50 minutes to complete dissolution.

본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 퀀텀핀 제조방법에 있어서, 상기 단계 2(S20)는 상기 혼합용액을 열처리하고, 각각 다른 분자량 컷오프의 투석막으로 복수회 투석한다.In the method of manufacturing a graphene quantum pin according to an aspect of the present invention, in the step 2 (S20), the mixed solution is heat-treated and dialyzed plural times with dialysis films of different molecular weight cutoffs.

상기 단계 2의 열처리는 -5 ℃ 내지 -20 ℃의 온도에서 100 ℃ 내지 140 ℃의 온도로 점진적 승온하며 수행될 수 있고, 바람직하게는 110 ℃ 내지 130 ℃의 온도로 점진적 승온하며 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 100 ℃ 미만이라면, 그래핀 퀀텀닷 형성이 용이하지 못할 우려가 있고, 상기 열처리 온도가 140 ℃ 초과라면, 그래핀 퀀텀핀 형성에 있어 불필요한 에너지 낭비가 소요되어 공정비용이 상승하는 문제점이 발생할 수 있다.The heat treatment in step 2 may be carried out by gradually raising the temperature to a temperature of 100 ° C to 140 ° C at a temperature of -5 ° C to -20 ° C and preferably at a temperature of 110 ° C to 130 ° C . If the heat treatment temperature is less than 100 ° C, formation of a graphene quantum dot may be difficult. If the heat treatment temperature is higher than 140 ° C, unnecessary energy waste is required in formation of a graphene quantum pin, Can occur.

상기 단계 2의 열처리는 6 시간 내지 10 시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 6 시간 내지 8 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리 시간이 6 시간 미만이라면, 그래핀 퀀텀핀 형성이 용이치 못할 우려가 있고, 상기 열처리 시간이 10 시간 초과라면, 그래핀 퀀텀핀 형성에 있어 불필요한 에너지 낭비가 소요되어 공정비용이 상승하는 문제점이 발생할 수 있다.The heat treatment in the step 2 may be performed for 6 hours to 10 hours, preferably 6 hours to 8 hours. If the heat treatment time is less than 6 hours, graphene quantum pin formation may be insufficient. If the heat treatment time exceeds 10 hours, unnecessary energy waste is required in formation of the graphene quantum pin, Can occur.

상기 단계 2의 투석은 분자량 컷오프가 1800 내지 2200인 투석막으로 제1투석하고, 상기 투석 배출된 용액을 분자량 컷오프가 800 내지 1200인 투석막으로 제2투석하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 단계 2의 열처리가 수행된 용액을 분자량 컷오프가 1800 내지 2200인 투석막을 통해 투석하고, 배출된 용액을 분자량 컷오프가 800 내지 1200인 투석막으로 제2투석하여 수행하되, 제2투석으로 투석막을 통과하지 않고 배출되지 않은 용액을 수득하고 건조하여 그래핀 퀀텀핀을 얻을 수 있다.The dialysis in step 2 may be performed by first dialysis with a dialysis membrane having a molecular weight cutoff of 1800 to 2200, and second dialysis with the dialysis membrane having a molecular weight cut-off of 800 to 1200 in the dialyzed and discharged solution. Specifically, the solution subjected to the heat treatment in step 2 is dialyzed through a dialysis membrane having a molecular weight cutoff of 1800 to 2200, and the discharged solution is subjected to a second dialysis with a dialysis membrane having a molecular weight cutoff of 800 to 1200, A solution that does not pass through the dialysis membrane and is not discharged can be obtained and dried to obtain a graphene quantum pin.

상기 단계 2의 제1투석 및 제2투석은 1 일 또는 3 일 동안 수행될 수 있다. 상기 시간 범위를 통해서 그래핀 퀀텀핀의 분리가 용이하게 이루어질 수 있다.The first dialysis and the second dialysis of the step 2 may be performed for one day or three days. Separation of the graphene quantum pin can be easily performed through the time range.

상기 단계 2는 상기 투석 처리된 용액을 동결건조하는 단계(단계 3);을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제2투석으로 투석막을 통과하지 않고 배출되지 않은 용액을 -30 ℃ 내지 -70 ℃의 온도에서 1 일 내지 5 일 동안 동결건조 처리할 수 있다. 상기의 온도 및 시간 범위에서 그래핀 퀀텀핀의 손상을 최소화하여 건조가 수행될 수 있다.The step 2 may further include lyophilizing the dialyzed solution (step 3). Specifically, the solution which has not been passed through the dialysis membrane by the second dialysis and is not discharged may be freeze-dried at a temperature of -30 캜 to -70 캜 for 1 to 5 days. Drying can be performed with minimal damage to the graphene quantum pin in the above temperature and time ranges.

상기의 방법(단계 1 및 단계 2), (단계 1 내지 단계 3)을 통해 그래핀 퀀텀핀을 용이하게 제조할 수 있다.The graphene quantum pin can be easily produced through the above-described method (steps 1 and 2) and (steps 1 to 3).

본 발명의 다른 또 다른 일 측면은, 상기의 그래핀 퀀텀핀을 포함하는, 생체 이미징용 조성물을 제공한다.Yet another aspect of the present invention provides a composition for bioimaging comprising the graphene quantum pin.

본 발명의 다른 또 다른 일 측면은, 상기의 그래핀 퀀텀핀을 포함하는, 생체 이미징 키트를 제공한다.Yet another aspect of the present invention provides a biomedical imaging kit comprising the graphene quantum pin.

상기 그래핀 퀀텀핀의 생체 이미징 활용, 이와 관련된 특성은 하기 실시예 및 실험예의 기재에 의해 뒷받침된다.The utilization of the graphene quantum pin for vivo imaging and related characteristics are supported by the description of the following examples and experimental examples.

이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. However, the following examples and experimental examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.

<< 실시예Example 1> 그래핀 퀀텀핀( 1> Graphene Quantum Pins ( GQPsGQPs ) 제조) Produce

단계 1 : 250 mL의 둥근 플라스크에, 150 mL의 증류수, 10 g의 D-(+)-글루코스(분자량:180.16, 시그마 알드리치, >99.5%), 4 mL 에틸렌디아민(분자량:60.10, 시그마 알드리치), 2 mL의 염산(분자량:36.46, 시그마 알드리치, A.C.S reagent, 37%)을 혼합하였다. 혼합 후 수욕 초음파 분산(JAC Ultrasonic 2010)을 15 분 간 수행하였다.Step 1: To a 250 mL round flask was added 150 mL of distilled water, 10 g of D- (+) - glucose (MW 180.16, Sigma Aldrich,> 99.5%), 4 mL ethylenediamine (MW 60.10, Sigma Aldrich) , 2 mL of hydrochloric acid (molecular weight: 36.46, Sigma Aldrich, ACS reagent, 37%) were mixed. After mixing, ultrasonic dispersion in water bath (JAC Ultrasonic 2010) was performed for 15 minutes.

단계 2 : 상기 플라스크를 -10 ℃의 온도로 유지되는 콘덴서에 연결하고, 120 ℃의 온도가 되도록 점진적 승온하여 6 시간 동안 열처리하였다.Step 2: The flask was connected to a condenser maintained at a temperature of -10 DEG C, gradually heated to a temperature of 120 DEG C, and heat-treated for 6 hours.

단계 3 : 상기 열처리된 용액을 투석막(MWCO:2000, Spectrum Labs)을 통해 2일 동안 제1투석하되, 매 12 시간 마다 투석하여 배출된 용액을 로터리 증발기를 통해 수집하였고, 수집된 곳에 새 증류수를 채워넣었다. 수집된 용액을 다시 투석막(MWCO:1000, Spectrum Labs)을 통해 2일 동안 제2투석하되, 매 12 시간 마다 투석하여 배출된 용액을 로터리 증발기를 통해 수집하였고, 수집된 곳에 새 증류수를 채워넣었다. 상기 제2투석에서 투석막을 통과하지 못한 용액을 분리하여 -50 ℃의 온도에서 3일 동안 동결건조하여 그래핀 퀀텀핀을 수득하였다.Step 3: The heat-treated solution was firstly dialyzed through a dialysis membrane (MWCO: 2000, Spectrum Labs) for 2 days, dialyzed every 12 hours, and the discharged solution was collected through a rotary evaporator and fresh distilled water Lt; / RTI &gt; The collected solution was dialyzed again through a dialysis membrane (MWCO: 1000, Spectrum Labs) for 2 days, dialyzed every 12 hours, and the discharged solution was collected through a rotary evaporator and filled with fresh distilled water. The solution which did not pass through the dialysis membrane in the second dialysis was separated and lyophilized for 3 days at a temperature of -50 ° C to obtain a graphene quantum pin.

<< 비교예Comparative Example 1>  1> 그래핀Grapina 퀀텀닷Quantum dot (( GQDsGQDs ) 제조 1) Manufacturing 1

상기 실시예 1에서, 상기 제2투석에서 투석막을 통과한 용액을 분리하여 -50 ℃의 온도에서 3일 동안 동결건조하여 그래핀 퀀텀닷을 수득하였다.In Example 1, the solution passing through the dialysis membrane in the second dialysis was separated and lyophilized for 3 days at a temperature of -50 ° C to obtain a graphene quantum dot.

<< 비교예Comparative Example 2>  2> 그래핀Grapina 퀀텀닷Quantum dot (( GQDsGQDs ) 제조 2) Manufacturing 2

상기 실시예 1의 단계 2에서 5 시간 동안 열처리를 수행한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행한 다음, 상기 제2투석에서 투석막을 통과한 용액을 분리하여 -50 ℃의 온도에서 3일 동안 동결건조하여 그래핀 퀀텀닷을 수득하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that the heat treatment was performed for 5 hours in the step 2 of Example 1, and then the solution passing through the dialysis membrane was separated from the dialysis solution. Lt; / RTI &gt; to obtain a graphene quantum dot.

하기 실험예의 분석에서 사용된 그래핀 퀀텀핀은 실시예 1에 해당하고, 그래핀 퀀텀닷은 비교예 2에 해당함을 알아야 한다.It should be noted that the graphene quantum pin used in the analysis of the following experimental example corresponds to Example 1 and the graphene quantum dot corresponds to Comparative Example 2.

<< 실험예Experimental Example - 모폴로지 및 토폴로지 측정방법> - How to measure morphology and topology>

제조된 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 모폴로지 및 토폴로지는 AFM(원자간력 현미경)과 HR-TEM(고해상도 투과 전자 현미경)을 사용하여 측정되었다. 도립 광학 현미경(Nikon Eclipse Ti-U)에 장착된 Bio-AFM(JPK Instrument, Nanowizard II)을 사용하여 AFM 분석을 수행하였다. 이 기구는 측정 중에 다른 빛과 잡음으로부터 완전히 방해받지 않도록 하였다. 측정에 사용된 프로브는 실리콘 나이트라이드 AFM 프로브(Budget sensor, short cantilever)였다. Si 웨이퍼를 산소 플라즈마로 처리하고 샘플 용액을 Si 웨이퍼 위에 떨어뜨려 완전히 건조시켰다. AFM 연구는 공기 접촉 모드에서 수행되었다. TEM 이미지는 고해상도 TEM(Tecnai, F20)에 의해 촬영되었다. 샘플 준비를 위해 샘플 용액을 구리 그리드 위에 떨어뜨려 완전히 말렸다.The morphology and topology of graphene quantum dot and graphene quantum pin fabricated were measured using AFM (atomic force microscope) and HR-TEM (high-resolution transmission electron microscope). AFM analysis was performed using Bio-AFM (JPK Instrument, Nanowizard II) mounted on an inverted optical microscope (Nikon Eclipse Ti-U). This instrument was kept completely free from other light and noise during the measurement. The probe used for the measurement was a silicon nitride AFM probe (Budget sensor, short cantilever). The Si wafer was treated with an oxygen plasma and the sample solution was dropped onto the Si wafer and completely dried. AFM studies were performed in air contact mode. TEM images were taken by high resolution TEM (Tecnai, F20). For sample preparation, the sample solution was placed on a copper grid and completely dried.

<실험예 - 스펙트럼 측정방법><Experimental Example-Spectrum Measurement Method>

자외선-가시광 분광광도계(Jasco V-730), FT-IR(Jasco, FT / IR 4600), XPS 및 UPS(PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, 일본), 라만 분광기(Renishaw), 형광 분광기(Cary Eclipse Fluorescence spectrometer, Agilent)를 사용하여 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 스펙트럼 분석을 수행했다. 자외선-가시선 스펙트럼 측정에서 석영 큐벳을 사용하였고 샘플 농도는 512 μg/mL였다. FT-IR 스펙트럼을 측정하기 위해 에탄올, 증류수를 사용하여 석영 유리 표면을 차례로 세척했다. 그 후 샘플이 번져 500 cm^-1 내지 4000 cm^-1의 범위에서 측정되었다. XPS는 1cm x 1cm Si 웨이퍼상의 샘플 박막으로 측정되었다. 라만 분광법의 경우, 각 시료용액 한 방울을 슬라이드 유리 위에 떨어뜨렸다. UPS 광원(He (I) radiation)의 광자 에너지는 90 ° 기울기에서 21.2 eV 였고, 꺼짐, 패스 에너지 0.585 eV, 바이어스 -7 eV였다. 계산 중 바이어스 에너지를 유지하였다. 785 nm의 레이저를 사용하여 1000 cm^-1에서 2000 cm^-1 범위의 라만 신호를 측정했다. 광발광(PL) 측정을 위해, 20 nm 간격으로 260 ~ 540 nm의 여기 파장이 사용되었다.(JASCO V-730), FT-IR (Jasco, FT / IR 4600), XPS and UPS (PHI 5000 VersaProbe, ULVAC PHI, Japan), Raman spectroscopy (Renishaw), Cary Eclipse Fluorescence Spectrometer, Agilent) was used to perform spectral analysis of graphene quantum dot and graphene quantum pin. A quartz cuvette was used for ultraviolet-visible spectral measurements and the sample concentration was 512 μg / mL. To measure the FT-IR spectrum, the quartz glass surface was washed sequentially using ethanol and distilled water. The sample was then spread and measured in the range of 500 cm ^-1 to 4000 cm ^-1 . The XPS was measured as a sample thin film on a 1 cm x 1 cm Si wafer. For Raman spectroscopy, a drop of each sample solution was dropped onto a slide glass. The photon energy of the UPS light source (He (I) radiation) was 21.2 eV at a 90 ° slope, off, path energy of 0.585 eV, and bias of -7 eV. The bias energy was maintained during the calculation. A Raman signal ranging from 1000 cm ^-1 to 2000 cm ^-1 was measured using a 785 nm laser. For photoluminescence (PL) measurements, excitation wavelengths of 260 to 540 nm were used at 20 nm intervals.

<실험예 - 세포독성 평가방법>&Lt; Experimental Example - Method for evaluating cytotoxicity &

NHDF 및 HeLa 세포는 각각 포도당 농도가 높고 낮은 10 % 소태아혈청(FBS, Gibco) 및 항생제(100U/mL 페니실린 및 100μg/mL 스트렙토마이신)가 보충된 Dulbecco 변형 이글 미디엄(DMEM;Dulbecco’s modified eagle medium)에서 배양되었다. 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 세포 독성은 Cell Counting Kit-8 분석법(CCK-8 assay, Dojindo, CK-04)을 사용하여 제조자의 지시에 따라 측정하였다. NHDF 및 HeLa 세포를 5x10³/well의 접종 밀도로 96 well 플레이트에서 배양하고 정상 배양 조건(37 ℃ 및 5 % CO₂)에서 24 시간 동안 배양하였다. 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 용액은 1024 μg/ml에서 32 μg/ml 로 증류수 연속희석법으로 처리했다. 샘플을 처리 한 후 24 시간 동안 배양하고, 잔류 샘플을 제거하기 위해 포스페이트 버퍼 살린(Phosphate Buffered Saline, PBS)으로 3 회 세척했다. 그 다음, CCK-8 용액(10 ㎕ / well)을 각 well에 첨가하고 1 시간 동안 배양하였다. 분광계(Synergy H1, Biotek)를 사용하여 450 nm에서의 흡광도를 측정하였다. 이 실험은 3회, 3번 반복되었다.NHDF and HeLa cells were cultured in Dulbecco's modified eagle medium (DMEM) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS, Gibco) and antibiotics (100 U / mL penicillin and 100 ug / mL streptomycin) Lt; / RTI &gt; Cytotoxicity of graphene quantum dot and graphene quantum pin was measured according to the manufacturer's instructions using the Cell Counting Kit-8 assay (CCK-8 assay, Dojindo, CK-04). NHDF and HeLa cells were cultured in 96-well plates at an inoculum density of 5 × 10 ³ / well and cultured in normal culture conditions (37 ° C. and 5% CO ₂ ) for 24 hours. Graphene Quantum dot and graphene quantum pin solutions were treated with distilled water serial dilution at 1024 μg / ml to 32 μg / ml. Samples were processed and incubated for 24 hours and washed three times with phosphate buffered saline (PBS) to remove residual samples. Then, CCK-8 solution (10 μl / well) was added to each well and incubated for 1 hour. Absorbance at 450 nm was measured using a spectrophotometer (Synergy H1, Biotek). This experiment was repeated three times and three times.

<실험예 - ROS 평가방법><Experimental Example-ROS Evaluation Method>

ROS 생성 측정을 위해, 디클로로-디하이드로-플루오레세인 디아세테이트(Dichloro-dihydro-fluorescein diacetate, DCFH-DA) 분석을 수행하였다. NHDF 및 HeLa 세포를 흑색 96 well 플레이트에서 104 cell/well의 밀도로 24 시간 동안 접종하였다. 배양 배지 중 100μM DCFH-DA를 각 well에 첨가하고 정상 배양 조건에서 30 분 동안 배양하였다. DCFH - DA의 석션 후, 200μl의 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 용액(1024, 512, 256, 128, 64, 32 μg/ml)을 각 well에 첨가하였다. 빛을 차단하기 위해 플레이트를 알루미늄 호일로 덮고 인큐베이터에 24 시간 동안 두었다. ROS 프로브의 강도는, 485 nm의 여기 파장, 538 nm의 흡광도 및 530 nm에서의 피크를 갖는 분광기(Synergy H1, BioTek)에서 0 분 및 24 시간 동안 측정되었다. ROS 생성 수준이 이론적으로 0이라고 가정하고, 다양한 농도의 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀으로 처리된 세포의 상대적인 ROS 생성을 측정했다. 결과는 3 회 반복 3 번의 실험으로부터 0 분 백그라운드 강도를 뺀 24 시간에서의 평균 ROS 강도로 나타내었다.For ROS production measurements, Dichloro-dihydro-fluorescein diacetate (DCFH-DA) assay was performed. NHDF and HeLa cells were inoculated in 96-well 96-well plates at a density of 104 cells / well for 24 hours. 100 μM DCFH-DA in culture medium was added to each well and incubated for 30 minutes under normal culture conditions. After suctioning of the DCFH-DA, 200 μl of graphene quantum dot and graphene quantum pin solution (1024, 512, 256, 128, 64, 32 μg / ml) were added to each well. Plates were covered with aluminum foil to block light and placed in an incubator for 24 hours. The intensity of the ROS probe was measured at 0 min and 24 h in a spectrometer (Synergy H1, BioTek) with excitation wavelength of 485 nm, absorbance at 538 nm and peak at 530 nm. Assuming that the ROS generation level is theoretically zero, we measured the relative ROS production of cells treated with various concentrations of graphene quantum dot and graphene quantum pins. The results are shown as the average ROS intensity at 24 hours minus the background intensity of 0 min from 3 experiments with 3 repetitions.

<< 실험예Experimental Example -  - AFMAFM 및  And SEMSEM 이미지 촬영방법> How to shoot images>

AFM 이미징에서, 0.2 % 젤라틴을 18mm 유리 커버슬립에 코팅했다. 그 후, NHDF 및 HeLa 세포를 5x10⁴의 시딩 세포 밀도에서 배양하고, 512 μg/ml의 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀과 함께 24 시간 동안 배양하였다. 24 시간 후, 배지를 제거하고 샘플을 PBS로 3 회 세척하였다. 살아있는 세포 이미지는 DNP-10 실리콘 나이트라이드 AFM 프로브(Bruker AFM 프로브)를 사용하여 액체 접촉 모드에서 촬영되었다. 전체 세포, 핵 및 세포질을 채취하여 스캐닝 크기를 서열에 따라 100 ㎛ × 100 ㎛, 40 ㎛ × 40 ㎛, 10 ㎛ × 10 ㎛로 조정하여 높은 해상도를 유지하면서 표면 특징을 촬영하였다. SEM 이미징에서, 세포들은 2 % 글루타르 알데히드 및 4 % 파라포름 알데히드로 세포 고정이 통과되었다. 그 다음, 세포를 희석된(60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 99 %) 에탄올로 연속적으로 세척하였다. 세포 탈수 후 샘플을 백금으로 코팅하고 AFM 실험에서 기술한 바와 같이 SEM 이미지를 3 영역으로 취하였다.In AFM imaging, 0.2% gelatin was coated on an 18 mm glass cover slip. NHDF and HeLa cells were then cultured at a seeding cell density of 5 × 10 ⁴ and incubated with 512 μg / ml graphene quantum dot and graphene quantum pin for 24 hours. After 24 hours, the medium was removed and the sample was washed three times with PBS. Live cell images were taken in liquid contact mode using a DNP-10 Silicon Nitride AFM probe (Bruker AFM probe). The whole cell, nucleus and cytoplasm were collected and the scanning size was adjusted to 100 ㎛ × 100 ㎛, 40 ㎛ × 40 ㎛, and 10 ㎛ × 10 ㎛ according to the sequence, and the surface characteristics were photographed while maintaining high resolution. In SEM imaging, cells were fixed with 2% glutaraldehyde and 4% paraformaldehyde. Cells were then washed sequentially with diluted (60%, 70%, 80%, 90%, 99%) ethanol. After dehydration of the cells, the samples were plated with platinum and SEM images were taken in three areas as described in the AFM experiments.

<< 실험예Experimental Example - 셀룰러 반응 측정방법> - Cellular response measurement method>

AFM 힘 분광학이 수행되었다. NHDF 및 HeLa 세포를 AFM 이미징에서 기술된 바와 같이 배양하였다. Bio-AFM(JPK instrument)은 생체 물리학(세포 높이, 거칠기 및 확산 영역) 및 생체 역학 변화(세포 강성) 분석에 사용되었다. 영률을 나타내는 세포 강성을 측정하기 위해 CONT-S 구 프로브(반경 5μm, Nanoworld services GmbH)에 0.4 N/m 힘 상수가 사용되었다. 관심 부위를 간략히 스캔한 후 그리드 25 개를 조사하여 세포 강성을 확인하였다. 램프 크기 및 적재 속도는 1 μm 및 1 μm/s로 조정되었다. 세포 표면의 결함과 Hertz 모델의 한계를 방지하기 위해, 0.5에서 1.5 μm의 범위에서 압입 깊이를 보정하기 위한 일련의 압입력(0.5 nN ~ 1.0 nN)을 통해 실험하였다. 팁 샘플 분리 곡선과 영률은 JPK 데이터 처리 소프트웨어(JPK instrument)를 사용하여 Hertz의 접촉 모델을 통해 결정되었다. 푸아송 비는 0.5로 설정되었다. 세포 높이와 거칠기에 대하여, 2D AFM 이미지를 사용하여 JPK 이미지 처리 소프트웨어를 통해 계산하였다. ImageJ 소프트웨어는 세포 확산 영역으로 사용되었다.AFM force spectroscopy was performed. NHDF and HeLa cells were cultured as described in AFM imaging. Bio-AFM (JPK instrument) was used to analyze biophysics (cell height, roughness and diffusion area) and biomechanical changes (cell stiffness). A 0.4 N / m force constant was used in a CONT-S spherical probe (radius 5 μm, Nanoworld services GmbH) to measure cell stiffness indicating Young's modulus. After briefly scanning the region of interest, 25 cells were examined to confirm cell stiffness. The lamp size and loading speed were adjusted to 1 μm and 1 μm / s. To avoid cell surface defects and limitations of the Hertz model, a series of pressure inputs (0.5 nN to 1.0 nN) were used to calibrate the indentation depth in the range of 0.5 to 1.5 μm. The tip sample separation curves and Young's modulus were determined using Hertz's contact model using the JPK data processing software (JPK instrument). The Poisson's ratio was set at 0.5. Cell height and roughness were calculated using JPK image processing software using 2D AFM images. ImageJ software was used as a cell diffusion area.

<< 실험예Experimental Example - 바이오  - Bio 이미징Imaging 및 셀룰러 분포 측정방법> And cellular distribution measurement method &gt;

바이오 이미징에서, 두 세포를 37 ℃에서 각각 2 시간, 6 시간, 12 시간, 24 시간 동안 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 용액(512 μg/ml)으로 처리하였다. 배양 후, 세포를 PBS로 3 회 세척하고 형광 현미경(IRISTM Digital Cell Imaging System, Logos Biosystems)을 사용하여 이미지화하였다. GFP(여기 : 470 nm / 발광 : 530 nm) 형광 이미지를 관찰하기 위해 LED 필터 큐브를 사용했다. 세포 분포에서 세포 배양 조건은 바이오 이미징 조건과 동일하게 하였다. 또한 정상 배양 조건에서 24 시간 동안 배양한 다음 4 ℃에서 보관하고 유지하여 6 시간 동안 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 침투 메커니즘을 조사하였다. PBS로 3 회 세척한 후, 488 nm 여기 파장 및 530 nm 필터 하에서 레이저 스캐닝 공 초점 현미경을 사용하여 세포의 공 초점 이미지를 촬영하였다.In bioimaging, the two cells were treated with graphene quantum dot and graphene quantum pin solution (512 μg / ml) at 37 ° C for 2 hours, 6 hours, 12 hours, and 24 hours, respectively. After incubation, the cells were washed three times with PBS and imaged using a fluorescence microscope (IRISTM Digital Cell Imaging System, Logos Biosystems). GFP (excitation: 470 nm / emission: 530 nm) An LED filter cube was used to observe fluorescence images. The cell culture conditions were the same as the bioimaging conditions in the cell distribution. After incubation under normal culture conditions for 24 hours, the cells were stored and maintained at 4 ℃ for 6 hours to investigate the mechanism of penetration of graphene quantum dot and graphene quantum pin. After washing three times with PBS, confocal images of the cells were taken using a laser scanning confocal microscope under a 488 nm excitation wavelength and a 530 nm filter.

<< 실험예Experimental Example - 통계적 분석방법> - Statistical analysis method>

CCK-8 분석, ROS 생성 측정 및 세포 반응의 데이터를 평균 및 표준편차로 나타내었다. 대조군과 실험군(실시예)의 차이를 분석하기 위해 Unpaired student t-test를 사용하였다. 모든 분석에서 타입-I 오류 확률은 0.05 이하가 통계적으로 유의하다고 간주되었다. 이 결과는 각각 세 번씩 세 번의 실험으로 얻어졌다.Data of CCK-8 assay, ROS production assay and cell response were expressed as mean and standard deviation. An unpaired student t-test was used to analyze the differences between the control and experimental groups (examples). In all analyzes, the probability of type-I error was considered to be statistically significant below 0.05. These results were obtained by three experiments, three times each.

<< 실험예Experimental Example -  - TEMTEM , , AFMAFM , 자외선-가시광 스펙트럼, FT-IR, 라만, , Ultraviolet-visible light spectrum, FT-IR, Raman, XPSXPS , UPS 분석 >, UPS Analysis>

상기 실시예 및 비교예들에서 합성된 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀을 살펴보면, 제조과정 중 아민계 화합물인 에틸렌디아민은 분자간 및 분자 내 탈수 과정 모두에서 글루코스의 탈수 촉매 역할을 할 수 있다. 에틸렌디아민은 그라파이트 N, 피리딘 N, 피롤릭(pyrollic) N 및 -C(=O)-NHR의 형태로 그래핀에 도핑 질소를 형성시킬 수 있다. 글루코스는 먼저 에틸렌디아민과 염산이 없는 상태에서 열수 탄화를 거칠 수 있는 히드록시메틸 푸르푸랄(hydroxymethyl furfural HMF)을 형성한다. 이어서 아민계 화합물과 산의 존재 하에서 질소가 도핑된다. 질소가 도핑된 그래핀 퀀텀닷을 형성하기 위해 폐환(ring closure) 반응이 진행된다. 글루코스에서 합성된 퀀텀닷의 크기가 성장 시간이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가한다. 그러나, 반응시간이 5시간 이하인 경우, 형상이 길쭉해 지지는 않는다. 이때, 그래핀 퀀텀닷의 형상은 평균 직경이 ~ 8nm 이고, 구형이었다. 반응시간 6 시간 후, 그래핀 퀀텀닷은 50-100 nm의 길이와 9.34 nm의 평균 너비로 길쭉한 형태로 나타났다.The graphene quantum dot and graphene quantum pin synthesized in the above Examples and Comparative Examples can be regarded as a dehydration catalyst of glucose during both the intermolecular and intramolecular dehydration processes. Ethylene diamine can form doping nitrogen in graphene in the form of graphite N, pyridine N, pyrollic N and -C (= O) -NHR. Glucose first forms hydroxymethyl furfural HMF, which can undergo hydrocarbons in the absence of ethylenediamine and hydrochloric acid. Nitrogen is then doped in the presence of an amine compound and an acid. A ring closure reaction proceeds to form a nitrogen doped graphene dot. The size of quantum dot synthesized in glucose increases exponentially with increasing growth time. However, when the reaction time is 5 hours or less, the shape does not become elongated. At this time, the graphene quantum dot had an average diameter of ~ 8 nm and was spherical. Six hours after the reaction time, graphene quantum dot elongated with a length of 50-100 nm and an average width of 9.34 nm.

그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 차이는 TEM 및 AFM 이미지에서 명확하게 관찰 할 수 있다(도 2). 글루코스의 -OH, -COOH 및 -C(=O)- 기는 에틸렌디아민 및 산의 존재 하에서, 실험 조건 하에서 탈수되어 질소 및 염소이온 도핑된 그래핀 구조를 형성할 수 있다. 그래핀 퀀텀닷의 성장은 개별적인 그래핀 시트의 가장자리에서 발생한다. 6 시간의 반응 후에 그래핀 퀀텀핀이 얻어지는 것은 주목할 만하다. 핀 형태와 같은 성장은 두 가지 방식으로 추측할 수 있는데, i)구형 그래핀 퀀텀닷이 함께 결합 할 수 있거나, ii) 일정한 방향으로 양자 입자가 지속적으로 성장하는 것일 수 있다. 첫 번째 가능성은 반복되는 단위 사이에 공백이 있는 규칙적인 모양과 불규칙한 모양이 모두 생기기 때문에, 두 번째 가능성에 더 무게를 두고 있다. 단일 방향으로 그래핀 시트가 연속된 HRTEM 이미지를 참조하면, 두 번째 가능성에 대한 근거가 됨을 알 수 있다. 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 표면 작용기는 -OH, -C(=O)-NHR, -C-NHR, -C(=O)-OR, 에폭시 및 -COOH기를 포함한다. 에폭시 기의 대부분은 분해되어 반응 조건 하에서 -OH 및 -C-NH-(CH₂)₂-NH₂ 기로 전환된다. 유사하게, COOH 기는 -OH 및 -C(=O)-OR 기로 전환된다.The difference between graphene quantum dot and graphene quantum pin can be clearly observed in TEM and AFM images (FIG. 2). The -OH, -COOH and -C (= O) - groups of glucose can be dehydrated in the presence of ethylenediamine and an acid under experimental conditions to form nitrogen and chloride ion doped graphene structures. The growth of graphene quantum dot occurs at the edges of individual graphene sheets. It is noteworthy that graphene quantum pins are obtained after 6 hours of reaction. Growth in the form of a pin can be estimated in two ways: i) the spherical graphene quantum dots can be joined together, or ii) the quantum particles are growing steadily in a constant direction. The first possibility places a greater weight on the second possibility, since both regular and irregular shapes with spaces between repeating units occur. Referring to the continuous HRTEM image in a single direction of the graphene sheet, it can be seen that this is the basis for the second possibility. The surface functional groups of graphene quantum dot and graphene quantum pin include -OH, -C (= O) -NHR, -C-NHR, -C (= O) -OR, epoxy and -COOH groups. Most of the epoxy groups are decomposed and converted to -OH and -C-NH- (CH ₂ ) ₂ -NH ₂ groups under the reaction conditions. Similarly, the COOH group is converted to an -OH and -C (= O) -OR group.

FTIR 스펙트럼 및 XPS 분석은 이러한 작용기의 존재를 뒷받침한다. 방출 파장(473 nm @ λexc = 380 nm)이 그래핀 퀀텀닷(485 nm @ λexc = 380 nm) (도 3 A)에 비해 그래핀 퀀텀핀에서 파란색으로 쉬프트되면서, 그래핀 퀀텀닷에 비해 그래핀 퀀텀핀에서 상대적으로 밴드 갭이 증가한다. 이것은 -OH기에 의한 -COOH 기의 제거 및 -OH, -C-NH-(CH₂)₂-NH₂기에 의한 에폭시 기의 제거에 기인한 것일 수 있다. 결과적으로, 방사 강도는 도 4와 같이 증가한다.FTIR spectra and XPS analysis support the presence of these functional groups. The emission wavelength (473 nm @? Exc = 380 nm) is shifted in blue from the graphene quantum pin relative to graphene quantum dot (485 nm @? Exc = 380 nm) The bandgap increases relatively at the quantum pin. This may be due to the removal of the -COOH group by the -OH group and the removal of the epoxy group by the -OH, -C-NH- (CH ₂ ) ₂ -NH ₂ group. As a result, the radiation intensity increases as shown in Fig.

디콘볼루션(deconvolution)시 C1s XPS 스펙트럼은 도 4를 참조하면 C-C, C-H, C=N 및 C-OH가 285.92, C-O-C 및 C-N에서 287.78 및 C = O에서 288.51 eV, 284.66, C-C, C-H, C = N 및 C-OH에서 285.92 eV를 나타내었다. -COOH 기에 상응하는 C=O 피크 강도는 그래핀 퀀텀핀에서 -COOH 기의 수가 적다는 것을 나타내었다. 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 XPS 스펙트럼은 그래핀 표면에 질소 도핑을 보여준다(도 17). 디콘볼루션(deconvolution)시 그래핀 퀀텀핀의 N1s XPS 스펙트럼은 피리디닉(pyridinic)-N, 피롤릭(pyrollic)-N 및 N-C=O 기에 해당하는 339.48eV, 흑연 N 및 에 해당하는 401.19eV에서 피크를 나타낸다. 디콘볼루션 시 N1s 스펙트럼은 그래핀 퀀텀닷에서 -NH₂ 기(400.8eV)와 피리디닉(pyridinic)-N, 피롤릭(pyrollic)-N 및 N-C=O 기(399.15eV)의 존재를 보여준다. 그래핀 퀀텀핀은 그래핀 퀀텀닷에 비해 탄소와 질소의 비율이 증가하고 산소 함량이 낮다. 이는 산소 함유 작용기와 에틸렌디아민의 반응에 의해 N 함유 작용기가 더 많이 그래핀에 통합됨을 나타낸다.The C1s XPS spectrum at deconvolution is 285.92 for CC, CH, C = N and C-OH, 287.78 for COC and CN and 288.51 eV, 284.66, CC, CH, C = 285.92 eV for N and C-OH. The C = O peak intensity corresponding to the -COOH group indicated that the number of -COOH groups was small in the graphene quantum pin. XPS spectra of graphene dot and graphene quantum pins show nitrogen doping on the graphene surface (FIG. 17). The N1s XPS spectrum of the graphene quantum pin at deconvolution was 339.48 eV corresponding to the pyridinic-N, pyrollic-N and NC = O groups, 401.19 eV corresponding to graphite N and Lt; / RTI &gt; The N1s spectrum at deconvolution shows the presence of -NH ₂ group (400.8 eV) and pyridinic -N, pyrollic -N and NC = O groups (399.15 eV) at the graphene quantum dot. Graphene quantum pins have higher carbon and nitrogen ratios and lower oxygen content than graphene quantum dots. Indicating that the N-containing functional groups are incorporated more into the graphene by the reaction of oxygen-containing functional groups with ethylenediamine.

또한 197 eV(Cl2p)에서 작은 2p 궤도 피크가 관찰되었으며(도 16), 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 표면에는 Cl 요소가 포함되어 있음을 알 수 있다. 원자 농도는 표 1에 나와있다.In addition, a small 2p orbital peak was observed at 197 eV (Cl2p) (Fig. 16), indicating that the surface of graphene quantum dot and graphene quantum pin contains a Cl element. The atomic concentrations are shown in Table 1.

FTIR 스펙트럼은 상기 작용기의 존재를 뒷받침한다(도 3 B). 그래핀 퀀텀핀의 FTIR 스펙트럼 분석결과에서, -COOH 기로부터 유래된 -OH 기는 중심부가 3380 cm^{- 1} 인, 3652 내지 3007 cm^-1의 넓은 피크로 나타나는 것을 알 수 있다. 아민과 아미드의 N-H 스트레칭은 보통 300-3500 cm^-1의 넓은 피크로 나타난다. 이 경우 아민과 아미드의 N-H 스트레칭 피크가 3380cm^-1의 피크와 합쳐진다. 2952 cm^-1에서의 C-H 대칭 스트레칭, 2852 cm^-1에서의 C-H 비대칭 스트레칭은 에틸렌디아민의 지방족 C-H와 그래핀의 sp3- 결함 상태에 기인한다. C=C-Cl / C=C-O / OH-C=O에 해당하는 진동은 1743 cm^-1에서 나타나며, 이는 Cl이 그래핀에 도핑되었음을 나타낸다. 또한, C-Cl 진동에 해당하는 작은 피크를 갖는 837 cm^-1에서, Cl의 도핑을 관찰할 수 있다. 1583 cm^-1 에서 응축된 방향족 탄소와 관련된 C=O 피크가 관찰된다. 에틸렌디아민과 관련된 C-NH-C(대칭형) 및 C-NH-C(비대칭형)는 각각 1191 및 1102cm^-1에 나타난다. 1035와 970 cm^-1에서 관찰된 피크는 C-O-C(에폭시)기와 관련된다. 아미노 기에 해당하는 CN 스트레칭 진동은 1347 cm^-1에서 피크를 나타내고, 1881 cm^-1에서의 작은 피크는 아미드 C=O 스트레칭에 해당한다. 아미드(C-N) 스트레칭은 1432 cm^-1에 나타난다. 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 FTIR 스펙트럼(도 3 B) 결과는 하기의 사항을 제외하고 큰 차이가 나타나지 않았다. 1743cm^-1의 피크가 그래핀 퀀텀핀보다 그래핀 퀀텀닷이 높은 강도를 가지고, 이는 C=C-Cl / C=C-O / HO-C=O 단위들이 그래핀 퀀텀닷에 더 많이 존재한다는 것을 나타낸다. 1347 cm^-1에서의 피크는 그래핀 퀀텀닷이 그래핀 퀀텀핀에 비해 낮은 강도를 나타내며, 그래핀 퀀텀닷이 더 적은 수의 아미노기를 보여준다. 이것은 그래핀 퀀텀핀의 질소 함량이 그래핀 퀀텀닷보다 높다는 XPS 분석에 의해 뒷받침된다.The FTIR spectrum supports the presence of the functional groups (FIG. 3B). Graphene in the FTIR spectrum analysis of the quantum pin, a heart-derived -OH group from the -COOH group 3380 cm ^- can be seen to appear as a broad peak of ^1, 3652 to 3007 cm ^-1. The NH stretching of the amines and amides usually results in a broad peak of 300-3500 cm ^-1 . In this case, the NH stretching peak of the amine and amide is combined with the peak of 3380 cm ^-1 . CH symmetric stretching at 2952 cm ^-1 and CH asymmetric stretching at 2852 cm ^-1 are due to the sp3-deficient state of the aliphatic CH and graphene of ethylenediamine. Vibration corresponding to C = C-Cl / C = CO / OH-C = O appears at 1743 cm ^-1 indicating that Cl is doped into graphene. Further, doping of Cl can be observed at 837 cm &lt; ^-1 &gt; having a small peak corresponding to C-Cl oscillation. A C = O peak associated with the aromatic carbon condensed at 1583 cm ^-1 is observed. C-NH-C (symmetrical) and C-NH-C (asymmetric) associated with ethylenediamine appear at 1191 and 1102 cm ^-1 , respectively. The peaks observed at 1035 and 970 cm ^-1 are related to COC (epoxy) groups. CN stretching vibration of the amino groups is a small peak at denotes a peak at 1347 cm ^-1, 1881 cm ^-1 corresponds to the amide C = O stretch. Amide (CN) stretching occurs at 1432 cm ^-1 . The FTIR spectrum (FIG. 3B) results of graphene dot and graphene quantum pins showed no significant difference except for the following. The peak at 1743 cm ^-1 has a higher intensity of graphene quantum dot than the graphene quantum pin, indicating that the C = C-Cl / C = CO / HO-C = O units are more present in the graphene quantum dot . Peaks at 1347 cm ^-1 exhibit lower intensities than graphene quantum dots in graphene quantum dots and graphene quantum dots show fewer amino acids. This is supported by the XPS analysis that the nitrogen content of the graphene quantum pin is higher than the graphene quantum dot.

TEM 이미지를 참조하면, 구형 그래핀 퀀텀닷의 평균 크기가 8 nm 인 반면, 그래핀 퀀텀핀은 50 ~ 100 nm의 길이와 9.34 nm의 평균 너비로 명확하게 핀 모양을 보여주고 있다. 도 2 A 및 2 C를 참조하면, 흑연의 격자 프린지(fringe)에 상응하는 0.24 nm의 격자 간격을 나타냄을 알 수 있다.Referring to the TEM image, the graphene quantum pin has a clear pin shape with a length of 50-100 nm and an average width of 9.34 nm while the spherical graphene quantum dot has an average size of 8 nm. Referring to Figures 2A and 2C, it can be seen that the lattice spacing is 0.24 nm, which corresponds to the lattice fringe of graphite.

AFM 이미지(도 2 B, 2 D)는 최대 높이가 각각 4.92 nm, 68.3 nm 인 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 의 일부 응집된 모습을 보여준다. C-Cl, -OH 및 아민 함유 작용기 사이의 H- 결합으로 인한 정전기 인력이 그래핀 퀀텀닷, 그래핀 퀀텀핀의 적층을 유발하는 것으로 추정된다.AFM images (FIGS. 2B and 2D) show some agglomerated graphene quantum dots and graphene quantum pins with maximum heights of 4.92 nm and 68.3 nm, respectively. It is presumed that electrostatic attraction due to H-bonding between C-Cl, -OH and amine containing functional groups causes lamination of graphene quantum dot, graphene quantum pin.

그래핀 퀀텀닷의 UV-vis 스펙트럼 분석(도 3 A)은 탄소 방향족 sp2 도메인의 π-π* 천이에 기인한 221 nm 부근 날카로운 피크를 보여주고 있다. 강도가 약한 300 nm에서 350 nm까지의 광대역은 C=O 결합의 n-π* 천이에 기인한다. 그러나, 그래핀 퀀텀핀은 유사한 C=O 결합으로 인한 n-π* 천이로 인해 362 nm 부근에서 보다 뾰족한 피크를 나타내며, XPS 분석을 참조하면 증가된 질소 함유 작용기로부터 추가적인 영향을 받은 것을 알 수 있다. 이러한 작용기에서 기인한 표면 여기 상태 에너지의 트래핑은 강한 방출을 유도한다. 그래핀 퀀텀핀은 큰 크기에도 불구하고 380 nm 파장의 빛에 의해 여기 될 때 약 473 nm를 방출하며, 훨씬 작은 크기(3 nm)의 N 도핑된 그래핀 퀀텀닷과 유사한 거동을 나타낸다. 라만 스펙트럼(도 3 C)은 N 및 Cl 원자의 도핑에 의한 그래핀 구조의 질서의 방해를 보여주며, 그 결과 격자의 변형 및 결함이 발생한다. D- 대역은 1350 cm^-1에서 피크를 보이는 광대역으로 관찰되고, G- 대역은 D- 대역과 거의 병합된다. 보통 D 밴드는 그래핀 시트 단층의 결함 부위를 나타내고, G 밴드는 2 차원 육각 격자의 sp2 결합된 탄소 원자의 진동과 관련이 있다. G- 밴드는 그래핀 표면 상에 질소 함유 작용기의 도핑 및 도입으로 인해 매우 교란된 것을 알 수 있다. XPS 분석은 FTIR 스펙트럼과 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 화학 조성으로 식별된 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 표면 작용기를 나타내고 있다.The UV-vis spectral analysis of Graphene Quantum Dot (Fig. 3A) shows sharp peaks near 221 nm due to the? -Π * transition of the carbon aromatic sp2 domain. The broadband from 300 to 350 nm in intensity is due to the n-π * transition of the C═O bond. However, the graphene quantum pin shows a sharp peak at around 362 nm due to the n-π * transition due to a similar C═O bond and is further influenced by the increased nitrogen-containing functionality with reference to the XPS analysis . Trapping of surface excited state energy due to these functional groups leads to strong release. The graphene quantum pin emits approximately 473 nm when excited by light at 380 nm wavelength, despite its large size, and exhibits behavior similar to the N-doped graphene quantum dot of much smaller size (3 nm). The Raman spectrum (FIG. 3C) shows the interference of the order of the graphene structure by the doping of N and Cl atoms, resulting in lattice strain and defects. The D-band is observed with a broad band peaking at 1350 cm ^-1 , and the G-band is almost merged with the D-band. Usually the D band represents the defect site of the graphene sheet fault, and the G band is related to the vibrations of the sp2 bonded carbon atoms of the two dimensional hexagonal lattice. It can be seen that the G-band is very disturbed due to the doping and introduction of nitrogen-containing functional groups on the graphene surface. The XPS analysis shows the surface functional groups of the graphene quantum dot and graphene quantum pin identified by the chemical composition of the FTIR spectrum and graphene quantum dot and graphene quantum pin.

그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 풀 스캔 XPS 스펙트럼(도 16 A, B)을 참조하면, ~ 285eV(C1s), ~ 399eV(N1s) 및 ~ 531eV(O1s)에서 3 개의 뚜렷한 1s 궤도 피크가 관찰되어 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 표면에 C, N, O가 풍부하다는 것을 확인하였다. C1s 피크는 형성된 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀으로부터 나타난다. N1s 피크는 에틸렌디아민 및 퍼옥시 및 -COOH 기와 같은 산소 함유 작용기와의 반응으로부터 나타난다. O1s 피크는 산소 함유 작용기 및 SiO₂ 기판으로부터 발생하여 상대적으로 높은 피크를 생성한다. 또한, Clp에 대해서 ~ 197eV에서 작은 2p 궤도 피크가 관찰되어 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀이 염소로 도핑되었음을 암시한다. 원자 농도는 표 1에 나타내었다.Referring to the full scan XPS spectrum (FIG. 16A, B) of graphene dot and graphene quantum pins, three distinct 1s orbital peaks at ~ 285 eV (C1s), ~ 399 eV (N1s) and ~ 531 eV It was observed that the graphene quantum dot and graphene quantum pin surface were abundant in C, N, and O. The C1s peak appears from the formed graphene dot and graphene quantum pins. The N1s peak is derived from the reaction of ethylenediamine and oxygen-containing functional groups such as peroxy and -COOH groups. O1s peak produces a relatively high peak in the generated from the oxygen-containing functional group and a SiO ₂ substrate. In addition, a small 2p orbital peak at ~ 197 eV for Clp is observed, suggesting that graphene quantum dot and graphene quantum pin are doped with chlorine. The atomic concentrations are shown in Table 1.

표 1에서 볼 수 있듯이 원자 농도는 그래핀 퀀텀핀의 형성 후에 변화된다. 그래핀 퀀텀닷과 비교하여 그래핀 퀀텀핀은 탄소 및 질소 분율이 증가되고, 산소 분율이 감소되어, 산소 함유 작용기가 감소되고 N 함유 작용기의 더 많은 부분이 그래핀에 포함된 것을 알 수 있었다. 이는, 에틸렌디아민과 산소 함유 작용기 및 질소 함유 작용기와의 반응에 기인한다. 또한, 반응 시간이 5 시간에서 6 시간으로 증가함에 따라, 보다 많은 수의 에틸렌디아민 분자가 산소 함유 작용기와 반응하여 에폭시 및 COOH기를 -NH(CH₂)₂NH₂ 및 -C(=O)NH(CH₂)₂NH₂작용기로 대체한 것을 확인하였다. 이러한 변화와 불균일 열탄화 공정에서 고리 형성 유닛의 점진적인 형성은 특정 방향으로 그래핀 퀀텀핀의 크기를 증가시킬 수 있다. 질소 원자는 또한 폐환 반응 동안 피리디닉(pyridinic), 흑연(graphitic), 피롤릭(pyrollic) 질소 잔기와 같은 결함 사이트를 차지한다.As can be seen in Table 1, the atomic concentration is changed after formation of the graphene quantum pin. Compared with graphene quantum dots, graphene quantum pins showed increased carbon and nitrogen fractions, decreased oxygen content, reduced oxygen-containing functional groups, and a greater proportion of N-containing functional groups included in graphene. This is due to the reaction of ethylenediamine with oxygen-containing functional groups and nitrogen-containing functional groups. Also, as the reaction time increased from 5 hours to 6 hours, with a greater number of the ethylenediamine molecule reacts with the oxygen-containing functional groups and the epoxy groups _{COOH -NH (CH 2) 2 NH} 2 , and -C (= O) NH (CH ₂ ) ₂ NH ₂ functional groups. This change and gradual formation of the ring-forming unit in a non-uniform thermal carbonization process can increase the size of the graphene quantum pin in a particular direction. Nitrogen atoms also occupy defective sites such as pyridinic, graphitic, pyrollic nitrogen residues during the cyclization reaction.

그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 C1s XPS 스펙트럼(도 4)은 네 가지 탄소 결합 작용기(C-C, C=C, C-H / C-O-C, C-OH, C-Cl / C=O, N-C=O / COOH)으로 디콘볼루트된다. 그래핀 퀀텀닷의 경우 284.64eV, 285.84eV, 287.19eV, 288.56eV의 피크는 각각 (C-C, C=C, C-H), (C-O-C, C-OH, C-Cl), (C=O, N-C=O), COOH)에 해당한다(도 4 A). 그래핀 퀀텀핀의 경우 284.70eV, 285.92eV, 287.78eV 및 288.51eV의 피크가 각각 (C-C, C=C, C-H), (C-O-C, sp2 C-N, C-OH, C-Cl), (C=O, N-C=O), (COOH)에 해당한다(도 4 B). 피크 사이트는 그래핀 퀀텀핀 및 그래핀 퀀텀닷이 거의 동일한 것을 알 수 있다. 그러나, 피크의 강도는 그래핀 퀀텀핀의 COOH 작용기에서 현저히 감소하고 C-O-C(퍼옥사이드)피크 강도가 눈에 띄게 감소한다. 퍼옥사이드 작용기는 에틸렌디아민와 반응하여 -OH 및 -C-NH-CH₂-CH₂-NH₂ 표면 작용기를 형성한다. 그래핀 퀀텀닷의 카르복시기 부위가 아미드로 전환되거나 그래핀 퀀텀핀의 성장 과정에 참여한 것으로 추정 할 수 있다. 표 2에 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 각 탄소결합 작용기 상대함량을 나타내었다.The C1s XPS spectrum (FIG. 4) of the graphene quantum dot and the graphene quantum pin has four carbon-bonded functional groups (CC, C = C, CH / COC, C-OH, C- COOH). The peaks of 284.64 eV, 285.84 eV, 287.19 eV and 288.56 eV for graphene quantum dot are (CC, C = C, CH), (COC, C-OH, C- O), COOH) (Fig. 4A). (CC, C = C, CH), (COC, spCN, C-OH, C-Cl), (C = O, , NC = O), (COOH) (Fig. 4B). It can be seen that the peak sites of graphene quantum pins and graphene quantum dots are almost identical. However, the intensity of the peak is significantly reduced at the COOH functional group of the graphene quantum pin and the COC (peroxide) peak intensity is significantly reduced. Peroxide functional groups are reacted to form ethylene diahminwa -OH and _{-C-NH-CH 2 -CH 2} -NH 2 surface functional groups. It can be inferred that the carboxy moiety of graphene quantum dot is converted to amide or participated in the growth process of graphene quantum pin. Table 2 shows the relative content of each carbon-bonded functional group of graphene quantum dot and graphene quantum pin.

그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 XPS 스펙트럼은 그래핀 표면에 질소 도핑을 시사한다(도 17). 디콘볼루션(deconvolution)시 그래핀 퀀텀핀의 N1s XPS 스펙트럼(도 17 C)은 흑연 N, 피롤릭(pyrollic) N 및 아미드 N과 관련된 400.86eV, 1 차 아민에 해당하는 399.38eV 및 피리디닉(pyridinic) N에 해당하는 398.67eV에서 피크를 나타낸다. 401.46 eV 근처의 4 차 암모늄의 결합 에너지와 401.9 eV의 C-N+ 결합 에너지가 보고된 것은 알려져 있는 사항이다. 401.1 eV의 4차 N도 보고된 사항이다. 401.02 eV의 피크는 또한 에틸렌디아민으로부터 유도된 3 차 알킬 아민에 의해 나타날 수 있다.XPS spectra of graphene quantum dot and graphene quantum pin indicate nitrogen doping on the graphene surface (FIG. 17). The N1s XPS spectrum (Fig. 17C) of the graphene quantum pin at deconvolution was 400.86 eV associated with graphite N, pyrollic N and amide N, 399.38 eV corresponding to the primary amine, pyridinic N &lt; / RTI &gt; at 398.67 eV. It is known that the binding energy of quaternary ammonium near 401.46 eV and the C-N + binding energy of 401.9 eV have been reported. The fourth N of 401.1 eV is also reported. The peak at 401.02 eV can also be represented by a tertiary alkylamine derived from ethylenediamine.

3 차 아민의 존재는 Cl2p XPS 스펙트럼(도 17 D)에서 확인된다. 그래핀 퀀텀핀의 Cl 비율은 1.98 %이다. 그래핀 퀀텀핀의 Cl2p XPS 스펙트럼은 -NH³⁺Cl^- 염 및 C-Cl공유결합에 해당하는 197.35eV 및 198.96eV에서 2 개의 피크를 나타내는 것을 확인하였다. 그래핀 퀀텀핀의 Cl과 같은 염의 백분율은 1.19 %이고 C-Cl은 0.79 %이다. -NH³⁺Cl^-와 같은 염은 -C(=O)-NH₂, -NH-CH₂-CH₂-NH₂, -OH 및 -COOH와 같은 다른 작용기와 함께 정전기적 반응에 참여할 수 있어, 그래핀 퀀텀핀의 높이를 증가시킬 수 있으며, 이는 AFM 이미지(도 2)로 알 수 있다.The presence of the tertiary amine is confirmed in the Cl2p XPS spectrum (Fig. 17D). The Cl ratio of the graphene quantum pin is 1.98%. The Cl2p XPS spectrum of the graphene quantum pin showed two peaks at 197.35 eV and 198.96 eV corresponding to the -NH ^{3 +} Cl ^- salt and the C-Cl covalent bond. Percentage of salt such as Cl of graphene quantum pin is 1.19% and C-Cl is 0.79%. Salts such as -NH ^{3 +} Cl ^- can participate in electrostatic reactions with other functional groups such as -C (═O) -NH ₂ , -NH-CH ₂ -CH ₂ -NH ₂ , -OH and -COOH , The height of the graphene quantum pin can be increased, which is known from the AFM image (FIG. 2).

그래핀 퀀텀닷도 197.38eV와 198.98eV에서 Cl과 C-Cl과 같은 염에 각각 해당하는 Cl2p 스펙트럼에서 유사한 특징을 보여준다(도 17 B). 그래핀 퀀텀닷의 경우 Cl과 같은 염의 비율은 1.11 %이고 C-Cl은 0.85 %이다. 그래핀 퀀텀닷의 N1s 피크는 401.06eV, 399.38eV 및 398.57eV의 피크를 나타내고 이는 (i)흑연 N, 피롤릭(pyrollic) N 및 아미드 N, (ii)1차 아민 및 (iii)피리디닉(pyridinic) N에 해당한다. 또한, -NH³⁺Cl^- 질소와 같은 염으로부터 401.06 eV 피크가 나타남을 확인하였다.Graphene quantum dot also exhibits similar characteristics in the Cl2p spectrum corresponding to salts such as Cl and C-Cl at 197.38 eV and 198.98 eV (Fig. 17B). For graphene quantum dot, the ratio of salt such as Cl is 1.11% and C-Cl is 0.85%. The N1s peak of graphene quantum dot shows peaks at 401.06 eV, 399.38 eV and 398.57 eV, which correspond to (i) graphite N, pyrollic N and amide N, (ii) primary amine and (iii) pyridinium ( &lt; / RTI &gt; pyridinic) N. In addition, it was confirmed that a peak of 401.06 eV appears from a salt such as -NH ^{3 +} Cl ^- nitrogen.

도 5 A, B 및 도 19 A, B는 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 PL과 PLE 스펙트럼을 보여준다. 그래핀 퀀텀핀의 PLE 스펙트럼은 (i)273nm (4.57eV), (ii)328 nm (3.78 nm) 에서 낮은 강도의 피크를 나타내고, (iii)406 nm (3.05 eV)에서 날카로운 피크를 나타내며, 피크 (i)와 (ii)의 차이(δE) , 피크 (ii)와 (ii)의 차이(δE) 는 각각 0.79eV 및 0.73 eV이었다. 273 nm, 328 nm 및 406 nm에서의 전이는 σ → LUMO 및 (C=C)π (HOMO) (C=N과 혼합) → LUMO, (C+C)π (HOMO) (C=O와 혼합) → LUMO로 분석되었다. PLE 스펙트럼에서 앞선 (i)와 (ii) 피크 사이의 δE인 0.79 eV는 그래핀 퀀텀핀의 기저 상태가 카벤(carbene) 유형임을 나타낸다. 다시 말하면, 기저 상태는 δE가 1.5 eV 미만이므로 삼중항 상태로 간주 될 수 있다. 472, 482 및 494 nm에서의 방출은 거의 동일한 PLE 스펙트럼을 보여주며, 동일한 여기 상태는 다른 진동 수준의 기저 상태로에 대한 방사와 관련된다. 광 밴드 갭은 결함 상태, 산소 및 질소 함유 작용기에 의해 그래핀 퀀텀핀에 도입되는, 2.34eV 인 것으로 밝혀졌다. Figures 5A, B, and 19A, B show the PL and PLE spectra of graphene quantum dot and graphene quantum pins. The PLE spectrum of the graphene quantum pin exhibits a low intensity peak at (i) 273 nm (4.57 eV), (ii) 328 nm (3.78 nm), (iii) a sharp peak at 406 nm (3.05 eV) The difference (? E) between the peaks (i) and (ii) and the difference (? E) between the peaks (ii) and (ii) were 0.79 eV and 0.73 eV, respectively. Transitions at 273 nm, 328 nm and 406 nm are mixed with σ → LUMO and (C═C) π (HOMO) (mixed with C═N) → LUMO, (C + C) π (HOMO) ) → LUMO. In the PLE spectrum, the delta E between the (i) and (ii) peaks, 0.79 eV, indicates that the ground state of the graphene quantum pin is carbene type. In other words, the ground state can be considered a triplet state because δE is less than 1.5 eV. Emissions at 472, 482, and 494 nm show almost the same PLE spectrum, and the same excitation state is associated with radiation to the ground state at different vibration levels. The photoband gap was found to be 2.34 eV, which is introduced into the graphene quantum pin by the defect state, oxygen and nitrogen containing functionalities.

그래핀 퀀텀닷의 밴드 갭과 방출 파장은 크기, 모양, 결함, 표면 작용기 및 엣지의 모양에 의존한다. 그래핀 나노물질의 sp2 탄소의 밀도, 정량 및 질적 특성은 또한 크기에 영향을 받는다. 지그재그 사이트와 크기는 고유의 상태 방출을 제어하는 반면, 산소 함유 작용기 및 질소 함유 작용기와 결함 사이트는 결함 상태 방출과 관련이 있다. 고유 상태와 표면 결함 상태 방사의 복합적인 효과는 그래핀 나노 물질의 광 발광에 의해 나타난다. 진성 상태는 청색 방출을 유발하고 그래핀 나노 물질의 녹색 발광은 표면 결함 상태에 기인한다.Bandgap and emission wavelengths of graphene quantum dot depend on size, shape, defect, surface functionalities and shape of edge. The density, quantitative and qualitative characteristics of the sp2 carbon of graphene nanomaterials are also influenced by size. Zigzag sites and sizes control inherent state emissions while oxygen-containing and nitrogen-containing functionalities and defect sites are associated with defect-state emissions. The combined effect of eigenstate and surface defect state radiation is manifested by photoluminescence of graphene nanomaterials. The intrinsic state causes blue emission and the green emission of graphene nanomaterial is due to the surface defect state.

본 실험의 경우, HRTEM(도 2)를 참조하면, 그래핀 퀀텀핀의 가장자리가 인접한 탄소의 지그재그 배열로 구성되어 있음을 알 수 있다. 지그재그 사이트는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀에서 아민 함유 작용기를 나타내고, 그래핀 퀀텀핀의 크기가 50-100nm이더라도 청색 방출이 일어나도록 한다. 5 시간의 반응 후, 평균 크기 8nm의 그래핀 퀀텀닷이 얻어졌지만, 1 시간 후 훨씬 더 큰 그래핀 퀀텀핀(50-100nm)이 형성됨을 주목해야 한다. 따라서, 1 시간의 추가 반응 시간만으로도 그래핀 퀀텀핀을 얻을 수 있음을 확인하였다. 6 시간의 반응 후에, 고리 형성 기초 요소들이 반응 매질을 포화시켜 서로 결합하여 그래핀 퀀텀핀을 형성한다고 추정하였다.In this experiment, referring to the HRTEM (FIG. 2), it can be seen that the edges of the graphene quantum pins consist of a zigzag arrangement of adjacent carbons. Zigzag sites represent amine-containing functional groups at the graphene quantum dot and graphene quantum pin, and blue emission occurs even when the graphene quantum pin size is 50-100 nm. After 5 hours of reaction, it should be noted that graphene quantum dots with an average size of 8 nm were obtained, but much larger graphene quantum pins (50-100 nm) were formed after 1 hour. Therefore, it was confirmed that the graphene quantum pin can be obtained only by an additional reaction time of 1 hour. After 6 hours of reaction, it was assumed that the ring-forming base elements saturate the reaction medium and combine with each other to form a graphene quantum pin.

그래핀 퀀텀닷의 PLE 스펙트럼(도 19 A)이 그래핀 퀀텀핀의 PLE 스펙트럼(도 19 B)과 다르다는 것은 흥미로운 점이다. 462 nm의 숄더인 426 nm에서 강렬한 피크를 보인다. 462 nm의 숄더는 발산 파장이 장파색방 이동함에 따라 더 많은 강도를 얻는다.It is interesting that the PLE spectrum of graphene quantum dot (FIG. 19A) is different from the PLE spectrum of graphene quantum pin (FIG. 19B). It exhibits intense peaks at 426 nm, a 462 nm shoulder. The 462 nm shoulder gets more intensity as the divergent wavelength shifts in the longwave color space.

그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀(도 5 A, B)의 광 발광 (photoluminescence, PL) 스펙트럼은 360nm UV 방사 하에서 청색 방출을 나타낸다. 방출 피크는 그래핀 퀀텀닷의 경우, 여기 파장이 260 nm에서 420 nm까지 증가함에 따라 크게 변화하지 않는다. 그러나, 여기 파장을 440nm에서 540nm로 증가시키면, 방출 피크는 508nm에서 568nm로 13-20nm 간격으로 이동한다. 그래핀 퀀텀핀의 경우, 방출 피크는 여기 파장이 260 nm에서 360 nm까지 증가함에 따라 함께 이동을 나타내지 않았다. 그러나, 여기 파장이 380nm에서 540nm로 증가하면, 방출 피크는 10nm-17nm 간격으로 472nm에서 533nm까지 장파색방 이동한다. 방출 파장의 차이는 표면 상태의 조성의 차이로부터 나타날 수있다.The photoluminescence (PL) spectrum of graphene dot and graphene quantum pins (Fig. 5A, B) shows blue emission under 360nm UV radiation. The emission peak does not change significantly with graphene quantum dot as the excitation wavelength increases from 260 nm to 420 nm. However, when the excitation wavelength is increased from 440 nm to 540 nm, the emission peak shifts from 508 nm to 568 nm at 13-20 nm intervals. In the case of graphene quantum pins, the emission peaks did not show coherent migration as the excitation wavelength increased from 260 nm to 360 nm. However, when the excitation wavelength increases from 380 nm to 540 nm, the emission peak shifts from 472 nm to 533 nm in the long wave color space at intervals of 10 nm-17 nm. The difference in the emission wavelength can be seen from the difference in the composition of the surface state.

금의 페르미 에너지(EF) = 0임을 고려할 때, 그래핀 퀀텀핀의 페르미 에너지(EF)와 일 함수(WF)는 UPS 스펙트럼(도 20)으로부터 각각 -5.6과 -2.0 eV 인 것으로 밝혀졌다. 5.0 eV에서 16.5 eV까지의 밴드는 인접 분자 또는 그래핀 퀀텀핀에서 C2p와 O2p 및 N2p의 혼성화에 기인한다. 18.5 ~ 19.9 eV의 2 차 엣지는 다른 국부적인 일 함수를 유도하는 구조와 같은 무질서한 절연체의 이온성 염화물의 존재에 의해 나타날 수 있다.Given the gold Fermi energy (EF) = 0, the Fermi energy (EF) and work function (WF) of the graphene quantum pin were found to be -5.6 and -2.0 eV, respectively, from the UPS spectrum (Fig. 20). Bands from 5.0 eV to 16.5 eV are due to the hybridization of C2p and O2p and N2p in adjacent or graphene quantum pins. The secondary edge of 18.5 to 19.9 eV may be caused by the presence of an ionic chloride of disordered insulators, such as a structure that induces other local work functions.

<< 실험예Experimental Example - 세포 독성 평가> - Evaluation of cytotoxicity>

NHDF 및 HeLa 세포에 대한 그래핀 퀀텀닷의 세포 독성을 세포 생존율로 평가 하였다. 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 처리시 세포 독성은 도 6에 도시된 바와 같이 용량 의존적인 감소를 나타냈다. 대조군에 비해, 64 ug/ml내지 128 μg/ml 범위의 그래핀 퀀텀닷 농도에서 유의한 세포 생존력 감소가 관찰되었다 (p <0.05). 그래핀 퀀텀핀의 경우 농도가 256 μg/ml내지 512 μg/ml의 범위에서 대조군과 통계적으로 차이가 있었다(p <0.05). 또한, HeLa 세포에 대한 그래핀 퀀텀닷의 세포 생존력 감소는 NHDF와 유사한 범위에서 통계적으로 유효한 값을 가졌다. 그러나 HeLa 세포에 대한 그래핀 퀀텀핀의 세포 생존율은 128μg/ml ~ 256μg/ml의 농도 범위에서 통계적으로 유의했다.Cytotoxicity of graphene quantum dot on NHDF and HeLa cells was evaluated by cell viability. Cytotoxicity upon treatment of graphene quantum dot and graphene quantum pin showed a dose dependent decrease as shown in FIG. Compared to the control group, a significant decrease in cell viability was observed at the graphene quantum dot concentration ranging from 64 ug / ml to 128 ug / ml (p <0.05). In the case of graphene quantum pins, the concentration was statistically different from the control group in the range of 256 μg / ml to 512 μg / ml (p <0.05). In addition, the decrease in cell viability of graphene quantum dot in HeLa cells was statistically valid in the range similar to NHDF. However, the cell survival rate of graphene quantum fins in HeLa cells was statistically significant at concentrations ranging from 128 μg / ml to 256 μg / ml.

NHDF의 경우, 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 세포 생존력은 가장 높은 농도에서 90 %에 가까운 높은 세포 생존력을 보였다. HeLa 세포의 경우, NHDF에 비해서 약간 감소되었지만 여전히 높은 세포 생존력을 보였다. 이러한 결과는 그래핀 퀀텀핀의 우수한 생체 적합성이 특정 세포에만 국한되지 않음을 나타낸다. 종래 연구에서 산화 그래핀(GO)은 그래핀 퀀텀닷보다 높은 세포 독성을 보였고, 그래핀 퀀텀닷의 작은 크기가 그래핀 산화물보다 낮은 세포 독성을 갖는 이유라고 추측했었다. 그러나, 그래핀 퀀텀핀의 경우 큰 크기에도 불구하고 낮은 세포 독성을 나타내는 이유는 그래핀 퀀텀핀의 작용기가 세포에 대한 손상을 덜 일으킬 수 있기 때문이다.In the case of NHDF, the cell viability of graphene quantum dot and graphene quantum pin showed high cell viability close to 90% at the highest concentration. In the case of HeLa cells, it was slightly decreased compared to NHDF but still showed high cell viability. These results indicate that the excellent biocompatibility of graphene quantum pins is not confined to specific cells. Conventional studies have assumed that oxidized graphene (GO) is more cytotoxic than graphene quantum dot and that the small size of graphene quantum dot is the reason for its lower cytotoxicity than graphene oxide. However, graphene quantum pins exhibit low cytotoxicity despite their large size, because the functional groups of graphene quantum pins can cause less damage to the cells.

<< 실험예Experimental Example -  - 활성산소종(ROS)Active oxygen species (ROS) 생성 분석> Generation analysis>

세포 독성의 원인을 알아내기 위해, ROS 생성이 세포 손상에 영향을 미친다고 가정하여 DCFH-DA 분석을 수행했다. 도 7은 대조군 세포 대비 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀 처리에 의한 NHDF 및 HeLa 세포의 ROS 생성을 보여주고 있다. 이를 참조하면, NHDF 및 HeLa 세포의 세포 독성은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀에 의해 유도된 ROS 생성에 의해 유발될 수 있다. 종래 연구에 따르면, 산화 그래핀은 세포막 내부 ROS 생성을 유발할 수 있었지만, 그래핀 퀀텀닷은 그래핀 산화물보다 ROS 생성을 낮춘 것을 알 수 있다. 이전의 연구에 상응하여, 본 실험의 결과는 그래핀 양자 물질로부터 유도된 ROS 생성을 입증하고 있다. 그래핀 퀀텀핀이 그래핀 퀀텀닷 대비 더 큰 크기를 가짐에도 불구하고, ROS 생성은 같은 농도에서 비슷한 양으로 관찰되었다. 세포 생존력 연구 및 ROS 생성 측정 결과는 이 두 물질이 세포 수준에서 매우 생체에 적합하다는 것을 보여준다.In order to determine the cause of cytotoxicity, DCFH-DA analysis was performed assuming that ROS production affects cell damage. Figure 7 shows the ROS production of NHDF and HeLa cells by graphene quantum dot and graphene quantum fin treatment compared to control cells. Referring to this, cytotoxicity of NHDF and HeLa cells can be induced by ROS generation induced by graphene quantum dot and graphene quantum pin. Previous studies have shown that oxidized graphene can induce intracellular ROS production, but graphene quantum dot has lowered ROS production than graphene oxide. Corresponding to previous studies, the results of this experiment demonstrate ROS generation derived from graphene quantum materials. Although graphene quantum pins have larger sizes than graphene quantum dots, ROS production was observed at similar concentrations at the same concentration. Cell viability studies and ROS production measurements show that these two materials are highly bioequivalent at the cellular level.

<< 실험예Experimental Example - 생체물리 및 생체역학적 특성 평가> - Evaluation of biomechanical and biomechanical properties>

NHDF 및 HeLa 세포의 생체물리학 및 생체역학적 특성의 변화는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀에 대한 세포 반응으로 설명될 수 있다. 종래 여러 연구에서 나노 물질의 처리에 따른 세포 반응과 줄기세포 분화 사이의 상호 작용을 보고했다. 이러한 연구는 분화 세포와 나노물질 처리 세포의 생체물리 및 생체역학적 변화를 조사하기 위해 Bio-AFM을 활용했다.Changes in biophysical and biomechanical properties of NHDF and HeLa cells can be explained by cellular responses to graphene quantum dot and graphene quantum pins. Previous studies have reported interactions between stem cell differentiation and cellular responses to treatment of nanomaterials. These studies utilized Bio-AFM to investigate the biophysical and biomechanical changes of differentiated cells and cells treated with nanomaterials.

본 실험에서는 생체물리학(모폴로지, 세포 높이, RMS 거칠기 및 세포 확산 영역)과 생체역학(Young 's modulus)적 특성 차이가 측정되었다. 세포를 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀(512 μg/ml)으로 24 시간 처리한 후 Bio-AFM으로 조사하였다. 세포의 모폴로지 이미지는 세 가지 배율 (100μm x 100μm, 40μm x 40μm, 10μm x 10μm)에서 촬영했다. 수포를 제외하고는 세포 형태에 어떠한 변화도 보이지 않았다. 필로포디아(Filopodia), 라멜리포디아(lamellipodia), 인바도포디아(invadopodia)가 모든 그룹에서 관찰되었다. 세포의 전반적인 모양은 세포 표면을 제외하고는 어떠한 특이한 변화도 없었다.In this experiment, differences in biophysics (morphology, cell height, RMS roughness and cell diffusion area) and biomechanics (Young 's modulus) were measured. Cells were treated with graphene quantum dot and graphene quantum pins (512 μg / ml) for 24 hours and then examined with Bio-AFM. Morphological images of the cells were taken at three magnifications (100 μm × 100 μm, 40 μm × 40 μm, 10 μm × 10 μm). There was no change in cell morphology except blisters. Filopodia, lamellipodia, and invadopodia were observed in all groups. The overall shape of the cells was without any unusual changes except on the cell surface.

그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀 처리 후 세포 표면의 변화는 명백히 나타났다. 그래핀 퀀텀닷은 NHDF의 경우 표면에 약간의 수포를 보여주며 대조군과 비교하여 아폽토시스(apoptosis)를 나타냈다(도 9 B). 그래핀 퀀텀핀을 이용한 처리는 그래핀 퀀텀닷 처리보다 더 넓은 표면을 보였다(그림 9 C). HeLa 세포의 경우 그래핀 퀀텀닷을 이용한 처리와 대조군은 그래핀 퀀텀핀 처리에 비해 표면에 많은 수포를 보였다. 세포의 SEM 이미지(도 18)는 AFM 이미지(도 8)의 결과를 보강한다.Changes in cell surface after graphene quantum dot and graphene quantum pin treatment were apparent. Graphene Quantum Dot showed some blisters on the surface for NHDF and showed apoptosis compared to the control (Fig. 9B). Processing with graphene quantum pins showed a wider surface than graphene quantum dot processing (Figure 9C). In the case of HeLa cells, graphene quantum dot treatment and control group showed more blisters on the surface than graphene quantum pin treatment. The SEM image of the cells (Fig. 18) augments the results of the AFM image (Fig. 8).

세포 반응의 정량 분석은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 처리에 따른 반응의 차이를 입증할 수 있다. 세포 반응은 평균 세포 높이, RMS 거칠기, 세포 확산 면적 및 영률(Young’s modulus)인 4 가지 그룹으로 분류되었다. 이 변수들 중에서 유효한 통계 변수는 NHDF에서 그래핀 퀀텀닷 처리 후 RMS 거칠기, 평균 세포 높이이다. 그래핀 퀀텀핀 처리의 경우 평균 세포 높이, RMS 거칠기 및 영률은 통계적으로 유효한 값을 나타내었다. NHDF 에서, 세포 평균 높이는 대조군 대비 그래핀 퀀텀닷 처리 후 4.78 μm로 증가되었으나 그래핀 퀀텀핀 처리의 경우 2.11 μm로 감소되었다. RMS 거칠기는 대조군 대비 그래핀 퀀텀닷 처리 후 1297.83 nm로 증가했지만 GQP 처리 후 480 nm로 감소했다. 또한, 영률은 대조군 대비 그래핀 퀀텀핀 처리 후 6.27 kPa로 증가하였다. HeLa 세포에서 유효한 통계 변수는 그래핀 퀀텀핀으로 처리한 후의 영 계수의 변화에 불과하다. 영률은 그래핀 퀀텀핀 처리 후 대조군에 비해 60.06 kPa로 증가했다. 이러한 결과에서 NHDF의 경우 그래핀 퀀텀닷이 세포 표면에 강하게 침착되거나 세포 안으로 침투하지만 기계적 인장/스트레스를 생성하지 않는다고 추론하였다. 그래핀 퀀텀핀이 세포 표면에 부착됨에도, 크기 때문에 RMS 거칠기가 변하지 않는다. 또한, 그래핀 퀀텀핀이 세포 내로 전위하는 동안, 세포질에서의 기계적 장력/스트레스가 생성된다. HeLa 세포에서는 그래핀 퀀텀닷이 세포 표면에 침착하거나 세포 내로 침투하지만 생체물리 및 생체역학적 특성에 영향을 미치지 않는다. 즉, 그래핀 퀀텀닷 처리가 구조 재구성을 유발하지 않는다고 추론할 수 있다.Quantitative analysis of cellular responses can demonstrate the difference in response to treatment of graphene quantum dot and graphene quantum pin. Cellular responses were classified into four groups: average cell height, RMS roughness, cell diffusion area, and Young's modulus. The valid statistical parameters among these variables are RMS roughness, mean cell height after graphene quantum dot treatment in NHDF. The mean cell height, RMS roughness, and Young's modulus for graphene quantum pin treatment were statistically valid. In NHDF, the mean cell height increased to 4.78 μm after treatment with graphene quantum dot compared to the control, but decreased to 2.11 μm with graphene quantum pin treatment. RMS roughness increased to 1297.83 nm after treatment with graphene quantum dot compared to control but decreased to 480 nm after GQP treatment. Also, the Young's modulus increased to 6.27 kPa after graphene quantum pin treatment compared to the control. The available statistical parameters in HeLa cells are only a change in Young's modulus after treatment with graphene quantum pins. Young's modulus increased to 60.06 kPa after graphene quantum pin treatment compared to the control. These results suggest that graphene quantum dots are strongly deposited on the cell surface or penetrate into cells, but do not generate mechanical stress / stress. Even though graphene quantum pins are attached to cell surfaces, RMS roughness does not change because of their size. Also, while graphene quantum pins are displaced into cells, mechanical tension / stress in the cytoplasm is generated. In HeLa cells, graphene quantum dots settle on the cell surface or penetrate into cells, but do not affect biophysical and biomechanical properties. In other words, it can be deduced that graphene quantum dot processing does not cause structural reconstruction.

그래핀 퀀텀핀의 경우, 세포 내로 이동하는 동안 이들은 영의 계수만을 변화시켜 세포 뼈대의 재구성을 나타낸다. 변수의 세부 사항은 표 3에 나와 있다.In the case of graphene quantum pins, they exhibit a reconstruction of the cellular skeleton by changing only the coefficients of the zero while moving into the cell. The details of the variables are shown in Table 3.

이러한 유효값으로부터 그래핀 퀀텀핀이 세포의 생체물리 및 생체 역학적 특성에 영향을 미치고, 그래핀 퀀텀핀으로 처리하면 ROS와 같은 화학적 공격으로부터 세포 사멸을 물리적으로 차단할 수 있다고 가정 할 수 있다.From these valid values, it can be assumed that the graphene quantum pin affects the biophysical and biomechanical properties of cells and that graphene quantum pins can physically block cell death from chemical attack such as ROS.

<< 실험예Experimental Example -  - 바이오이미징Bio-imaging 및 셀룰러 분포 특성 평가> &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; Cellular &

바이오 이미징은 세포 표면의 형광 이미지를 관찰하기 위해 형광 현미경으로 수행되었다. 배양 시간에 따라 이미지를 촬영하였다. 필터 큐브(GFP, 여기 : 470 nm / 방출 : 530 nm)가 형광의 방출 색을 녹색으로 제한하기 때문에, 녹색은 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 형광에서 비롯된다. 이미지 유형은 형광 이미지, 명 시야 이미지, 오버레이 이미지로 분류되었다. 각 스케일 막대(노란색 막대)는 100 μm이다.Bioimaging was performed with a fluorescence microscope to observe the fluorescence image of the cell surface. Images were taken according to the incubation time. Because the filter cube (GFP, excitation: 470 nm / emission: 530 nm) limits the emission color of the fluorescence to green, green is derived from the fluorescence of graphene quantum dot and graphene quantum pin. Image types were classified as fluorescence image, bright field image, and overlay image. Each scale bar (yellow bar) is 100 μm.

도 10 내지 13을 참조하면, 바이오-이미징 분석에서, 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀으로 처리 한 후 NHDF 및 HeLa 세포 거동은 상이했다. NHDF에서, 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 형광 방출은 핵 영역 주위에 집중되어 있다. 반면에, HeLa에서는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 방출이 핵 영역에서 세포 전체로 퍼져 나갔다. 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 내재화를 측정하기 위해 세포 분포를 레이저 스캐닝 공 초점 현미경으로 모니터링 하였다. 이미지는 3D 재구성 공 초점 이미지로 변형되었다. X 축 및 Y 축 스케일은 각각 100 μm이고 노란색 선은 공 초점 이미지의 단면을 나타낸다.Referring to Figures 10-13, in bio-imaging analysis, NHDF and HeLa cell behavior after treatment with graphene quantum dot and graphene quantum pins was different. In NHDF, the fluorescence emission of graphene quantum dot and graphene quantum pin is concentrated around the nucleus region. On the other hand, in HeLa, the emission of graphene quantum dot and graphene quantum pin spread from the nucleus to the whole cell. To determine the internalization of graphene quantum dot and graphene quantum pins, cell distribution was monitored by laser scanning confocal microscopy. The image was transformed into a 3D reconstructed confocal image. The X-axis and Y-axis scales are each 100 μm and the yellow line represents the cross-section of the confocal image.

정상적인 배양 조건의 경우 NHDF 세포의 세포 분포를 도 14에서 볼 수 있다. 형광 방출 강도는 배양 시간이 증가함에 따라 증가하였는데, 이는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 세포 흡수가 시간 의존적임을 나타낸다. 다만, 형광 방출은 대조군에서 보이지 않았다. 또한, 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀으로 처리된 세포의 3D 재구성 된 공 초점 이미지는 12 시간까지 핵을 제외하고 형광 방출이 세포질에만 존재함을 보여 주었다. 형광 방출은 24 시간 후 전체 세포에서 관찰되었다.The cell distribution of NHDF cells in normal culture conditions can be seen in FIG. Fluorescence emission intensity increased with increasing incubation time, indicating that the cell uptake of graphene quantum dot and graphene quantum pin was time dependent. However, fluorescence emission was not seen in the control group. Also, a 3D reconstructed confocal image of cells treated with graphene quantum dot and graphene quantum pins showed that fluorescence emission was only present in the cytoplasm except for the nucleus up to 12 hours. Fluorescence emission was observed in whole cells after 24 hours.

HeLa 세포의 세포 분포(도 15)는 배양 시간의 증가에 따라 형광 방출 강도를 증가시키는 NHDF와 유사했다(도 14). 또한, 형광 방출은 대조군에서는 관찰되지 않았다. 블로킹 엔도시토시스(endocytosis)의 3D 재구성 공 초점 이미지는 도 14, 15의 하단에 표시되었다. 이러한 이미지는 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 세포 흡수의 경로가 엔도시토시스와 같은 에너지 의존적 메커니즘을 따르지 않지만, 그래 핀 산화물 및 탄소나노튜브의 세포 흡수 메커니즘을 입증한 종래 연구와 일치하는 세포막으로의 직접 침투를 따르는 것을 나타내고 있다.The cell distribution of HeLa cells (Fig. 15) was similar to that of NHDF increasing fluorescence emission intensity with increasing incubation time (Fig. 14). Further, fluorescence emission was not observed in the control group. 3D Reconstruction of Blocking Endocytosis The confocal image is shown at the bottom of Figures 14 and 15. These images demonstrate that the pathways of cellular uptake of graphene quantum dot and graphene quantum pins do not follow energy-dependent mechanisms such as endocytosis, but the cell membranes consistent with previous studies demonstrating the cellular uptake mechanisms of graphene oxide and carbon nanotubes As shown in Fig.

종래 여러 연구에 따르면 그래핀 퀀텀닷이 세포핵에 들어갈 수 있다는 사실은 보고되었다. 또한, 그래핀 양지점이 세포질에 분포되어 있을 수 있는 것이 보고되었다. 그래핀 나노물질 상의 다른 작용기 및 세포 유형은 상이한 세포 분포를 유발할 수 있다.Previous studies have reported that graphene quantum dot can enter the nucleus. In addition, it has been reported that graphene spot points may be distributed in the cytoplasm. Other functional groups and cell types on graphene nanomaterials can cause different cell distribution.

본 실험의 형광 이미지에서, 그래핀 퀀텀닷 및 그래핀 퀀텀핀의 분포 사이트는 특이하지 않았다. NHDF에서 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀의 형광은 처리 후 12 시간까지는 핵에서 관찰되지 않았으나, 24 시간 후에 전체 세포에 분포하였다. 흥미롭게도, HeLa 세포에서 세포 분포는 특정 부위에만 국한되지 않았다. 이러한 결과는 그래핀 퀀텀핀이 그래핀 퀀텀닷보다 우수한 생체 이미징제로 사용될 수 있음을 시사한다.In the fluorescence images of this experiment, the distribution sites of graphene quantum dot and graphene quantum pin were not unusual. In NHDF, the fluorescence of graphene quantum dot and graphene quantum pin was not observed in the nucleus until 12 hours after treatment, but it was distributed in whole cells after 24 hours. Interestingly, cell distribution in HeLa cells was not confined to specific sites. These results suggest that graphene quantum pins can be used as a better bioimaging agent than graphene quantum dots.

<결론><Conclusion>

본 발명자들은 바텀-업(bottom-up) 방식을 통해 그래핀 퀀텀핀이라는 새로운 종류의 그래핀 양자 물질을 합성했다. 동일한 반응 혼합물로부터 분리된 그래핀 퀀텀핀 및 그래핀 퀀텀닷은 상이한 형태를 갖는다. 그래핀 퀀텀핀은 그래핀 퀀텀닷에 비해 더 날카로운 흡수를 보여준다. 그래핀 퀀텀닷에 비해 그래핀 퀀텀핀의 크기가 더 크다는 것에도 불구하고, 색 방출은 파란색으로 바뀐다. 방출에서의 청색 쉬프트는 표면 상에 -C(=O)-NH-CH₂-CH₂-NH₂ 및 -NH-CH₂-CH₂-NH₂ 기의 더 많은 수의 존재에 기인한 것이다.The present inventors have synthesized a new kind of graphene quantum substance called graphene quantum pin through a bottom-up method. Graphene quantum pins and graphene quantum dots separated from the same reaction mixture have different shapes. Graphene quantum pins exhibit sharper absorption than graphene quantum dots. Despite the fact that graphene quantum pins are larger in size than graphene quantum dots, the color emissions change to blue. Blue shift in the emission is due to the presence of more number of -C (= O) -NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 and -NH-CH ₂ -CH ₂ -NH ₂ group on the surface.

세포 독성 연구에서 그래핀 퀀텀핀은 그래핀 퀀텀닷보다 높은 생체 적합성을 나타낸다. 그래핀 퀀텀핀의 형광 방출 패턴은 바이오-이미징 및 세포 분포에서 그래핀 퀀텀닷의 형광 방출 패턴과 유사하다. 배양 시간에 따른 형광 방출 강도의 변화는, 그래핀 퀀텀핀, 그래핀 퀀텀닷의 시간 의존적 세포 흡수를 입증하였다. 블로킹 엔도시토시스(endocytosis)의 경우, 두 샘플 모두 직접 막 침투를 보여준다. 세포 반응 연구에서 그래핀 퀀텀닷은 세포의 강성을 변화시키지 않고 NHDF 세포에 침착되고 전위된 것으로 밝혀졌지만, 그래핀 퀀텀핀은 전위되어 세포의 강성이 증가했다. 그래핀 퀀텀닷과 그래핀 퀀텀핀은 또한 HeLa로 침전되고 전좌되었지만 그래핀 퀀텀핀 처리는 세포 경직의 변화만이 존재하였다. 이러한 결과는 그래핀 퀀텀핀이 형광과 관련하여 그래핀 퀀텀닷과 같은 잠재적인 생체 이미징제로 사용될 수 있음을 시사한다.In cytotoxicity studies, graphene quantum pins exhibit higher biocompatibility than graphene quantum dots. The fluorescence emission pattern of graphene quantum pins is similar to the fluorescence emission pattern of graphene quantum dot in bio-imaging and cell distribution. Changes in fluorescence emission intensity over time showed a time dependent cell uptake of graphene quantum pins and graphene quantum dots. In the case of blocking endocytosis, both samples show direct membrane penetration. In the study of cellular responses, graphene quantum dot was found to be deposited and displaced in NHDF cells without changing the stiffness of the cells, but the graphene quantum pins were displaced and the stiffness of the cells increased. Graphene quantum dot and graphene quantum pins were also precipitated and translocated to HeLa, but graphene quantum fin processing only had a change in cell stiffness. These results suggest that graphene quantum pins can be used as a potential biological imaging agent such as graphene quantum dot in relation to fluorescence.

세포 반응과 관련하여, 그래핀 퀀텀핀은 골 형성과 같은 줄기세포 분화에 잠재적인 응용 가능성을 가질 수 있다. 이러한 발명은 선진화된 연구 기술을 통해 줄기 세포 분화를 위한 그래핀 퀀텀핀의 잠재적 응용 가능성이 있다는 것을 나타낸다.Regarding cellular responses, graphene quantum pins may have potential application potentials in stem cell differentiation such as bone formation. This invention demonstrates the potential application potential of graphene quantum pins for stem cell differentiation through advanced research techniques.

지금까지 본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 퀀텀핀, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.Although the graphene quantum pin according to one aspect of the present invention, its manufacturing method and its use have been described above, it is apparent that various modifications are possible within the scope of the present invention.

그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, but should be determined by equivalents to the appended claims, as well as the following claims.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is to be understood that the foregoing embodiments are illustrative and not restrictive in all respects and that the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description, It is intended that all changes and modifications derived from the equivalent concept be included within the scope of the present invention.

GQD : 그래핀 퀀텀닷
GQP : 그래핀 퀀텀핀
NHDF : 정상 인간 피부섬유 아세포
HeLa : 자궁경부암 세포GQD: Graphene Quantum dot
GQP: graphene quantum pin
NHDF: normal human skin fibroblast
HeLa: Cervical cancer cells

Claims (14)

복수개의 그래핀 퀀텀닷들이 일 방향으로 응집되며 형성되고,
C-Cl, -OH 및 아민 작용기를 포함하는 그래핀 퀀텀닷 사이의 수소 결합으로 인한 정전기적 인력으로 성장된 것이며,
길이가 50 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는, 그래핀 퀀텀핀.
A plurality of graphene quantum dots are formed by aggregation in one direction,
C-Cl, -OH and an electrostatic attraction due to the hydrogen bonding between the graphene quantum dots containing amine functional groups,
And a length of 50 nm to 100 nm.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 퀀텀핀은,
복수개의 6 nm 내지 10 nm의 그래핀 퀀텀닷들로부터 형성되고,
폭이 7.34 nm 내지 11.34 nm인 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀.
The method according to claim 1,
Wherein the graphene quantum pin comprises:
Formed from a plurality of graphene quantum dots of 6 nm to 10 nm,
Wherein the width of the graphene quantum pin is from 7.34 nm to 11.34 nm.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 퀀텀핀은,
질소 및 염소가 도핑된 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀.
The method according to claim 1,
Wherein the graphene quantum pin comprises:
Wherein the graphene is doped with nitrogen and chlorine.
삭제delete 단당류, 아민계 화합물 및 염산을 혼합한 혼합용액을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 혼합용액을 영하의 온도에서 영상의 온도로 점진적 승온하며 6 시간 이상 열처리하고, 각각 다른 분자량 컷오프의 투석막으로 복수회 투석하는 단계(단계 2);를 포함하는, 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
Preparing a mixed solution of a monosaccharide, an amine compound and hydrochloric acid (Step 1); And
And a step (step 2) of heat-treating the mixed solution at a sub-zero temperature gradually to an image temperature for more than 6 hours, and dialyzing multiple times with dialysis films of different molecular weight cutoffs (step 2).
제5항에 있어서,
상기 단계 1의 혼합용액은,
상기 단당류 농도가 0.033 g/mL 내지 0.096 g/mL인 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
6. The method of claim 5,
In the mixed solution of step 1,
Wherein the concentration of the monosaccharide is 0.033 g / mL to 0.096 g / mL.
제5항에 있어서,
상기 단계 2의 열처리는,
-5 ℃ 내지 -20 ℃의 온도에서 100 ℃ 내지 140 ℃의 온도로 점진적 승온하며 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
6. The method of claim 5,
The heat treatment in the step (2)
Gt; to &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 140 C &lt; / RTI &gt; at a temperature ranging from -5 to &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 20 C &lt; / RTI &gt;
제5항에 있어서,
상기 단계 2의 열처리는,
6 시간 내지 10 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
6. The method of claim 5,
The heat treatment in the step (2)
&Lt; / RTI &gt; for from 6 hours to 10 hours.
제5항에 있어서,
상기 단계 2의 투석은,
분자량 컷오프가 1800 내지 2200인 투석막으로 제1투석하고,
상기 투석 배출된 용액을 분자량 컷오프가 800 내지 1200인 투석막으로 제2투석하여 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
6. The method of claim 5,
The dialysis in the step 2,
Dialysis with a dialysis membrane having a molecular weight cutoff of 1800 to 2200,
Wherein the dialyzed and discharged solution is subjected to a second dialysis with a dialysis membrane having a molecular weight cut-off of 800 to 1200, to thereby prepare a graphene quantum pin.
제9항에 있어서,
상기 단계 2의 제1투석 및 제2투석은,
1 일 또는 3 일 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
10. The method of claim 9,
The first dialysis and the second dialysis of the step 2,
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 1, &lt; / RTI &gt; or 3 days.
제5항에 있어서,
상기 투석 처리된 용액을 동결건조하는 단계(단계 3);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
6. The method of claim 5,
And lyophilizing the dialyzed solution (step 3). &Lt; Desc / Clms Page number 13 &gt;
제11항에 있어서,
상기 동결건조는 -30 ℃ 내지 -70 ℃의 온도에서 1 일 내지 5 일 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 그래핀 퀀텀핀 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the lyophilization is performed at a temperature of -30 캜 to -70 캜 for 1 to 5 days.
제1항의 그래핀 퀀텀핀을 포함하는, 생체 이미징용 조성물.
10. A composition for bioimaging comprising the graphene quantum pin of claim 1.
제1항의 그래핀 퀀텀핀을 포함하는, 생체 이미징 키트.
A biomedical imaging kit comprising the graphene quantum pin of claim 1.

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