나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 푸졘(福件, 복건) 물질구조 연구소 천쉐위안(陳學元, 진학원) 연구원 연구팀은 최초로 희토류 나노결정/양자점 복합체 프로브를 기반으로 한 이중 여기 디코딩(double excitation decoding) 전략을 사용하여 생물조직 내부의 정밀한 온도측정을 실현하였음.

우선, 연구팀은 코어 쉘 구조를 가지고 있는 NaLuF4: Nd3+, Gd3+@NaGdF4 희토류 나노결정과 PbS@CdS@ZnS 양자점으로 하여금 양친 분자(biparental element)가 형성한 미셀(micelle) 속에서 자체 조립하도록 하여 희토류 나노결정/양자점 복합물 마이크로 볼을 만들어 808nm 레이저 여기에서 파장이 모두 1057nm 위치에 있는 두 개의 나노결정에서 Nd3+ 이온 및 양자점 방출 강도(强度)의 비율을 온도 민감 매개변수로 정의하였음.

그후 연구팀은 Nd3+ 이온과 양자점이 서로 다른 광흡수 특성을 이용하여 808nm 레이저와 또 다른 830nm 레이저를 이용하여 개별적으로 복합물 속 양자점 발광을 일으키고, 최종적으로 이런 이중 여기 전략을 통해 1057nm 위치에서 중첩되는 방출 신호를 분리하고, 방출 강도(强度) 비교 수치를 온도 민감 매개변수로 하는 계산을 실행하였음.

연구팀은 이중 여기 디코딩 전략이 전통적인 근적외선 형광 비율 형태의 온도 측정 모델에 비해 생물 조직 내부 온도 측정 정밀도에서 우수함을 입증하였음.

예를 들면, 생물 조직에 대한 검출 깊이가 ~1.1 mm 수준인 경우, 기존의 근적외선 형광 비율 온도 검출 모드를 사용하게 되면, 희토류 나노결정/양자점 복합물 속 863nm에 위치한 Nd3+ 이온 형광 방출 및 1025nm의 양자점 형광 방출의 강도(强度) 비율은 온도 감지 매개 변수로 계산할 경우 생성되는 측정 편차는 ~43°C에 달함.

동일한 실험 조건에서 이중 여기 디코딩 전략을 사용하면 측정된 온도와 실제 온도의 편차는 ~2.3°C로 줄어들게 됨.

연구팀은 전통적인 근적외선 형광 비율 온도 감지 모드가 생물조직 내부 온도 측정에서 측정 편차를 발생시키는 보틀넥 문제를 해결하였으며, 조직 내부 온도에 대한 정밀 측정을 위해 새로운 아이디어를 제시하였으며, 다른 유형의 비율 형광 생체 검출에 대한 방법론적 의미를 가짐.

연구팀은 근적외선 나노 형광 소재의 전자 구조, 광학 성능과 생물학적 응용 연구에서 다양한 혁신성과를 취득하였음. 예를 들면 Nd3+가 LiLuF4 나노결정에서 국지적 전자 에너지 레벨 구조를 해석하고 고감도의 온도 탐지를 실현하였으며, 세포 내부 생체 분자의 정확한 검출을 위한 근적외선 이중 여기 비율의 변환 형광 전략을 개발하고, CuInSe2 기반의 신형 고효율 근적외선 영역II의 발광 양자점 바이오 프로브를 개발하여 순환 종양 세포 검출과 종양 표적에 대한 실시간 이미징에 응용하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Science’ ("A Dual‐Excitation Decoding Strategy Based on NIR Hybrid Nanocomposites for High‐Accuracy Thermal Sensing") 지에 게재됨.