pH 민감성 금 나노 입자 및 이차 근적외선 영역에서 발광하는 황화은 양자점 합성

Abstract

본 논문은 pH에 감응하여 응집체를 형성하는 지능형 금 나노 입자 및 2차 근적외선 영역에서 발광하는 Ag2S 양자점 합성에 관한 연구에 대해 기술한다. 지능형 금 나노 입자는 pH에 감응하는 표면 분자와 10 nm 크기의 지름을 가지는 금 나노 입자로 구성되어 있다. pH에 감응하는 표면 분자는 일련의 화학반응에 의해 합성되며 약산성 조건에서 가수분해가 일어나 음전하에서 양전하로 전하를 바꿀 수 있다. 따라서, 지능형 금 나노 입자는 약산성 조건에서 표면 전하를 음전하에서 양전하로 바꿈으로써 정정기적 인력을 통해 인접한 금 나노 입자와 응집체를 형성할 수 있다. 금 나노 입자 응집체는 공간적으로 가까이 위치한 입자들간의 표면 플라즈몬 상호작용에 의해 원적외선이나 근적외선 영역의 장파장 빛을 효과적으로 흡수할 수 있으므로 조직 투과 능력이 좋은 장파장의 광원을 이용한 암 세포 선택적인 항암 광열 치료 및 라면영상, 광음향 영상, 광간섭 영상 에 사용할 수 있다. 하지만, 지능형 금 나노 입자는 10 nm 이상의 수화크기를 가지기 때문에 체내 배출이 용이하지 못하다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 체내 배출이 용이한 6 nm 이하의 크기를 가지는 지능형 금 나노 입자를 합성하였다. 작은 크기의 지능형 금 나노 입자는 금 전구체와 pH 감응형 리간드를 분산시킨 용액에 환원제를 넣어 합성하였다. 금 전구체와 pH 감응형 리간드의 비를 조절하여 지능형 금 나노 입자의 크기를 3~8 nm로 조절할 수 있었다. 그 중에서 표면 플라즈몬 특성을 보이고 체내배출이 용이한 수화크기를 가지는 (5.7 nm) 작은 지능형 금 나노 입자를 암세포와 같이 배양하였다. 작은 지능형 금 나노 입자는 작은 크기로 인해 암 세포에 효율적으로 내입될 수 있었고 엔도좀과 같은 세포 내 약산성 조건을 가지는 부분에서 응집체를 형성하면서 큰 크기 효과로 인해 외부로의 배출이 억제되어 세포 내에 효율적으로 축적될 수 있었다. 세포에 내입된 작은 금 나노 입자는 암시야 현미경을 통해서 실시간으로 확인되었다. 지능형 금 나노 입자가 세포 내에서 응집체를 형성한 후 외부에서 장파장 광원을 조사하여 광열 치료를 수행하였을 때 비교적 낮은 광량에서도 효율적인 암세포의 사멸을 유도할 수 있음을 확인하였다. 근적외선 빛은 생체투과도가 높기 때문에 형광 영상에서 근적외선 빛을 이용하는 것은 중요하다. 근적외선영역은 650~950 nm의 1차 근적외선 영역과 1000~1400 nm의 2차 근적외선 영역으로 나뉠 수 있다. 이중에서 2차 근적외선 영역은 생체 분자의 산란 및 자가형광이 낮아서 보다 높은 투과도를 가지는 형광 영상을 가능하게 한다. 기존에는 중금속을 포함한 양자점들이 2차 근적외선에서 형광 조영제로 많이 연구되어 왔다. 그러나, 이들은 중금속을 포함하고 있기 때문에 생체 독성에 대한 문제를 가지고 있다. 황화은의 경우 중금속을 포함하지 않고 좁은 띠 간격을 가지기 때문에 2차근적외선 영역에서 발광하는 형광 조영제로 사용될 수 있다. 2009년 중국의 Wang 그룹이 2차 근적외선 영역에서 발광하는 황화은 양자점을 합성한 이후에 근적외선 영역에서 발광하는 황화은 양자점에 대한 연구가 활발히 이루에 지고 있다. 본 연구에서는 non-injection 합성방법을 통해 2차 근적외선 영역에서 발광하는 황화은 양자점을 합성하였다. 반응 시간을 조절함으로써 황화은 양자점의 크기를 3~12 nm까지 조절할 수 있었고 7~8 nm 크기일 때 가장 높은 형광 양자효율 (~1%)을 보임을 확인하였다. 합성된 ~8 nm 크기의 황화은 양자점을 양친매성 고분자로 캡슐화하여 물로 이동 시킬 수 있었다. 양친매성 고분자로 캡슐화한 황화은 양자점을 자궁경부암 세포에 처리하였을 때 세포에서 특이적으로 근적외선 형광을 보임을 확인하였다. 또한, 황화은 양자점은 양이온 빈공간이 많고 양이온의 이동도도 높아 마치 유체와 같은 특성을 보일 수 있다. 따라서, 황화은 양자점에 아연 전구체와 황 전구체를 넣었을 때 아연, 황 전구체가 황화은 양자점에 녹아 들어가게 되고 과포화상태에 도달하면 황화은 양자점에 황화아연 막대가 성장하였다. 비슷한 방법으로 황화은-황화망간 이종접합 구조도 합성할 수 있었다. 비교적 낮은 온도에서 황화은-황화아연, 황화은-황화망간 이종접합 구조를 합성할 수 있었다.

This thesis describes the synthesis of pH-sensitive gold nanoparticles and near infrared region (NIR)-Ⅱ fluorescence emitting Ag2S quantum dots. The pH-sensitive gold nanoparticle consists of 10 nm gold sphere and hydrolysis-susceptible surface molecules. The pH-sensitive ligands were synthesized with a series of chemical reactions. Under the acidic condition, they can convert their terminal group from carboxylic acid to primary amine and make their charge from negative to positive, which induce rapid aggregation among the nanoparticles via electrostatic interactions. The pH-responsive formation of aggregates shifts surface plasmon resonance to NIR region by the appearance of coupled plasmon modes. The pH-sensitive gold nanoparticle aggregates show strong collective surface plasmon resonances at the NIR region, which have been exploited for many applications such as photothermal therapy, Raman imaging, photoacoustic imaging, and photothermal-opticla coherence tomography imaging. However, the hydrodynamic diameter of pH-sensitive gold nanoparticle was over 10 nm and the biodistribution was not optimal. Herein, we report the synthesis of small pH-sensitive gold nanoparticles with the hydrodynamic diameter below 6 nm and their photothermal therapy. One phase method was developed for the synthesis of small pH-sensitive gold nanoparticles; HAuCl4 was mixed with pH-sensitive ligands and reducing agent was added. The molar ratio between Au (III)-to-pH sensitive ligands was found to effectively tune the gold nanoparticle size. Small pH-sensitive gold nanoparticles can be successfully synthesized in the size range 3~8 nm. The small pH-sensitive gold nanoparticles of which hydrodynamic diameter was 5.7 nm was chosen for further studies because it was large enough to pass the nonplasmonic regime yet the hydrodynamic diameter was small for optimal biodistribution and rapid renal clearance. The cancer cells were co-incubated with small pH-sensitive gold nanoparticles. An efficient accumulation of small pH-sensitive gold nanoparticles was observed as strong orange scatterings under the dark field microscope. It indicate that small pH-sensitive gold nanoparticles formed aggregates after entering to the cells, and the aggregates were efficiently accumulated because exocytosis is effectively blocked by their increased size. Cells were co-incubated with small pH-sensitive gold nanoparticles, and a CW diode laser of 660 nm was irradiated for 5 mins at various power densities. Cells treated with small pH-sensitive gold nanoparticles showed the mortality, and the cell mortality linearly increased with the irradiation power density. The photothermal efficacy of small pH-sensitive gold nanoparticles is relatively high despite of the small size because of its ability to form aggregates. The aggregates are also expected to be more robust against photo-induced morphology transformation. Selection of fluorescence wavelength is important for biological molecular imaging. Typically, the NIR region (650 ~ 1400 nm) is preferred for practical applications because this region shows minimal absorption and scattering by biomolecules. The NIR region can be divided into two regions, NIR-Ⅰ (650 ~ 950 nm) and NIR-Ⅱ (1000 ~ 1400 nm). The NIR-Ⅱ can reduce the light scattering and auto-fluorescence, which results in deeper penetration depth than NIR-Ⅰ. Various quantum dots such as PbSe, PbS and CdHgTe have been successfully developed for fluorescence biological imaging in NIR-Ⅱ. However, these quantum dots composed with heavy metals can release toxic elements and cause potential toxicity problems. Recently, Ag2S quantum dots have been demonstrated as promising candidates for biological imaging in NIR-Ⅱ region because they have narrow band gap (Eg=0.9 eV) and negligible toxicity results from the absence of any toxic materials. Since Wang’s group have reported NIR emission of Ag2S quantum dots, diverse synthetic methods for NIR-emitting Ag2S quantum dots were reported. Herein, we developed the thiol-based non-injection method for synthesizing NIR fluorescence-emitting Ag2S quantum dots. By using growth time, the average sizes of Ag2S quantum dots were controlled in the range of 3~12 nm. The Ag2S quantum dots were encapsulated by amphiphilic polymer to transfer them into water without altering the initial surface ligands. Cancer cells were co-incubated with amphiphilic polymer encapsulated Ag2S quantum dots. The NIR-Ⅱ emission of cells treated with amphiphilic polymer encapsulated Ag2S quantum dots was measured by microscope that is connected with the InGaAs CCD camera. The cells clearly show the fluorescence at the cytoplasm, which means that amphiphilic polymer encapsulated Ag2S quantum dots were efficiently accumulated in the cells. In addition, we synthesized Ag2S-ZnS and Ag2S-MnS heterostructure. In this system, Ag2S quantum dots behave like a fluid and precursors dissolve in Ag2S because they exhibit many cation vacancies and high cation mobility. When the concentration of the precursors reach supersaturated, ZnS or MnS nanorod begins to grow subsequently on the Ag2S quantum dots.