형광소재(Luminescent material)는 외부에서 입사된 광 에너지를 흡수한 뒤, 전자가 여기하여 다시 바닥 준위로 천이하면서 입사한 빛을 다른 파장의 빛으로 변환해 주는 에너지 전환 소재이다. 형광소재는 조명, LED, 범죄수사, 위·변조 방지, 바이오 이미징, 생체 및 화학물질 탐지 등의 분야에 응용되고 있다[1-7]. 형광소재는 소재의 화학적 조성 및 결합구조에 따라 형광특성이 달라질 수 있으며, 무기 형광체, 콜로이드 양자점, 유기 형광 염료, 탄소양자점(Carbon dots), 금속유기골격체(Metal-Organic frameworks) 등으로 분류할 수 있다[8].

이 중 탄소양자점은 크기가 10 nm 이하의 크기를 가지고 탄소원자가 주로 이루어 진 입자이다. 탄소양자점은 기존의 무기 형광체, 콜로이드 양자점, 유기 염료에 비하여 광 및 화학적 안정성이 우수하며, 중금속 및 희토류 이온을 사용하지 않아 가격이 저렴하고, 인체에 대한 독성이 작으며, 원료물질이 풍부한 장점을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용하여 탄소양자점은 조명, 범죄수사, 위조방지, 바이오 이미징 등에 대한 응용연구가 진행되고 있다[9-18].

탄소양자점의 형광특성을 최대화하고, 응용성을 향상시키기 위해서는 탄소양자점의 물성을 최적화하는 것이 필수적이다. 탄소양자점의 물성을 최적화하기 위해서는 탄소양자점의 합성법과 이에 따른 합성조건들(탄소원, 합성온도, 합성시간, pH 등)을 조절하여 최적의 물성을 찾는 것이 필수적이다. 합성조건들 중에서 탄소원은 탄소양자점의 결합구조, 도핑 농도, 표면결합구조 등을 변화시킬 수 있기 때문에 탄소양자점의 밴드갭 구조를 조절할 수 있는 중요한 요소이다. 또한 탄소원을 유기 분자가 아닌 천연물 혹은 폐기물을 재활용하여 사용할 경우, 가격이 싸고, 환경 친화적인 장점을 가질 수 있다. 이러한 점을 이용하여, 탄소양자점의 탄소원으로 오렌지 주스, 알로에, 양배추 등의 천연물질과 두리안 껍질, 수박 껍질, 폐식용유 등의 폐기물을 사용한 연구가 진행되었다[19-24].

유청단백질은 치즈 생산의 부산물로 생성되는 유청에서 분리된 단백질로서 α-lactalbumin, β-lactoglobulin, serum albumin, immunoglobulin 등으로 구성된 혼합물이다[25]. 이러한 단백질은 다수의 아미노기를 가지고 있기 때문에 합성과정을 통해 질소원자가 도핑 된 탄소양자점을 구현하기 용이하다. 탄소양자점에 질소 혹은 황 등의 원소가 될 경우, 형광세기가 강하거나 장파장의 형광을 구현할 수 있다[26]. 또한 유청단백질은 물에 용해되지 않으나, 친수성 분자를 가지고 있기 때문에 친수성을 가질 수 있는 탄소양자점을 합성할 수 있다. 또한 일상생활에서 많이 취급되는 유기 물질이기 때문에 가격이 저렴하고 취급하기 용이한 장점이 있다.

탄소양자점의 합성법은 탄소원의 분자량과 반응원리에 따라 상향식 (Bottom-up) 방식과 하향식 (Top-down) 방식으로 분류된다. 상향식 방식은 분자량이 낮은 유기물질을 에너지를 가하여 결합하는 방식으로 탄소양자점을 만드는 방식이다. 상향식 방식의 대표적인 예는 화학적 기상증착법, 용매열합성법, 마이크로파조사, 연소법 등이 있다[26-28]. 하향식 방식은 분자량이 큰 유기물질에 에너지를 가하여 탄화 및 분해를 유도하여 탄소양자점을 합성하는 방식이다. 하향식 방식의 대표적인 예시로는 레이저 조사, Hummer 법을 이용한 합성법, 광 식각, 열분해법 등이 있다[29, 30].

본 연구에서는 일상생활에서 자주 취급되는 유청단백질을 수열분해법을 이용하여 탄소양자점으로 합성한 뒤, 탄소양자점의 특성을 분석하고자 하였다. 이를 위하여 탄소양자점의 입자크기, 표면 개질, 구조, 형광특성을 분석하고자 탄소양자점의 표면형상, 표면 개질, 형광스펙트럼을 측정하였다. 분석 결과를 바탕으로 철 이온 (Fe³⁺)의 탐지가 가능한 형광소재로 응용하였다.

본 연구에서 탄소양자점은 수열반응법을 이용하여 합성하였으며, 탄소양자점의 전구체를 유청단백질(Impact Whey Isolate, My protein)을 사용하였다. 유청단백질 1g을 정량한 뒤, 60 mL 용량의 Teflon 용기에 40 mL의 증류수를 분산 용액으로 하여 10분간 자기 교반을 실시하여 유청단백질을 증류수 내에 분산하였다. 이 후 분산된 용액에 질산 1 mL를 가하여 10분간 교반한 뒤, 밀봉한 상태에서 220 °C에서 20시간의 조건으로 수열반응 과정을 진행하였다. 수열반응 과정을 진행한 뒤, 상온에서 냉각한 후 탄소양자점 용액을 정제 및 여과를 진행하였다. 합성과정이 끝난 용액 내에 있는 크기가 큰 불순물을 분리하기 위해 원심분리를 4000 rpm의 속도에서 10분간 진행하였다. 탄소양자점 내에 존재하는 미세 입자 및 유분을 분리 및 여과하기 위하여 10분간 초음파조사를 통해 분산시킨 뒤, 0.22 μm의 기공을 가지는 셀룰로오스 에스터 재질의 필터를 사용하여 진공여과를 실시하였다. 이 후 3.5 kDa 크기의 기공을 가지는 셀룰로오스 에스터 재질의 튜브를 사용하여 증류수를 용매로 하여 크기가 작은 탄소양자점을 추출하여 탄소양자점 용액을 정제 및 여과하였다.

Fe³⁺ 이온의 농도에 대한 탄소양자점 용액의 형광특성 변화를 확인하기 위하여, Fe³⁺이 용해된 수용액을 Fe(NO₃)₃*9H₂O (Aldrich, 99.99%)를 정량한 뒤, 증류수에 자기 교반을 가하며 용해시켜 제작하였다. 이 후, Fe³⁺ 수용액 10 mL와 탄소양자점 10 mL를 자기 교반으로 혼합한 뒤, 탄소양자점의 형광세기를 측정하여 탄소양자점을 사용한 Fe³⁺ 검출에 대한 응용실험을 진행하였다.

탄소양자점의 입자 형상과 입도분포를 분석하기 위해서 전계 방사형 투과전자현미경(JEOL, JEM-2100F)를 사용하여 탄소양자점 입자의 이미지를 촬영하였다. 탄소양자점의 표면 개질 특성을 분석하기 위하여 푸리에 변환 자외선 흡수 분광기 (JASCO, FT-4100)를 사용하여 푸리에 변환 자외선 흡수 스펙트럼을 측정하였다. 탄소양자점의 광학적 흡수 특성을 분석하기 위하여 자외선-가시광선/적외선(UV-Vis/NIR) 분광계 (JASCO, V-670)를 사용하여 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 조사하였다. 탄소양자점의 형광특성과 Fe³⁺ 이온 농도에 따른 탄소양자점의 형광특성 변화를 비교하기 위하여 시간분해형광계 (JASCO, FP-8600)을 사용하여 형광스펙트럼을 측정하였다.

유청단백질을 전구체로 한 탄소양자점의 표면 형상을 분석하기 위하여, 탄소양자점의 투과전자현미경 사진을 촬영하였으며, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 탄소양자점은 불규칙한 형상을 띄고 있고, 10 nm의 크기를 가지고 있는 것으로 판단된다. 탄소양자점의 고배율 투과전자현미경 사진을 통해 탄소양자점이 격자구조를 가지지 않는 것을 확인하였다.

Figure 1. Normal and high-resolution TEM images of carbon dots derived from whey protein.

Figure 2는 탄소양자점의 X-선 회절패턴이다. X-선 회절패턴에서 20도 부근에서 피크가 형성된 것을 확인하였으며, 이는 환원된 산화 그래핀 (Reduced graphene oxide)의 (002) 방향에 대한 X-선 회절 패턴에 대한 결과와 유사한 것이다[31]. 탄소양자점의 투과전자현미경 사진과 X-선 회절패턴을 분석한 결과, 탄소양자점이 비정질의 구조를 가지고 있는 것을 확인하였다.

Figure 2. XRD patterns of carbon dots derived from whey protein.

탄소양자점의 표면 개질 특성은 탄소양자점의 형광특성과 중금속 이온과의 반응성을 결정하는 요인들 중에 하나이다. 이러한 탄소양자점의 표면 개질 특성을 분석하고자 하였다. Figure 3은 탄소양자점의 푸리에 변환 적외선 흡수 스펙트럼이다. 3100–3500 cm^-1 사이에서 검출된 흡수 밴드는 O-H 결합과 N-H 결합의 스트레칭 진동(stretching vibration)에 의한 흡수이다[32,33]. O-H결합과 N-H 결합은 유청단백질에서 존재하는 아민결합 및 친수성 리간드에 유래된 것이나, O-H결합은 수열합성반응 과정에서 산화반응에 의하여 생성될 수 있다. 2962, 2926, 2874 cm^-1에서 검출된 흡수 피크는 C-H 결합의 스트레칭 진동에 의한 흡수이다[34]. 1657 cm^-1에서 검출된 흡수 피크는 C-C 결합의 스트레칭 진동에 의한 흡수피크이다[35]. 이러한 C-C, C-H 결합은 유청단백질 내에 존재하는 화학적 결합에서 유래된 것이다. 1578 cm^-1에서 나타나는 흡수 피크는 N-H 결합의 스트레칭 진동(stretching vibration)에 의한 것이다[36]. 1455 cm^-1과 1403 cm^-1에서 나타나는 흡수 피크는 각각 C-N 결합의 스트레칭 진동과 O-H 결합의 굽힘 진동에 의한 것으로 판단된다[36,37]. 1294 cm^-1과 1107 cm^-1에서 나타나는 흡수 피크는 C-O-C 결합과 C-O 결합의 스트레칭 진동에 의한 것이다[35]. 이러한 C-O-C 결합과 C-O 결합은 유청단백질 내에 존재할 수 있으나, 수열합성과정에서 축합반응과 중합반응에 의하여 생성될 수 있다.

Figure 3. (Color online) FT-IR spectra of carbon dots derived from whey protein.

탄소양자점의 전구체와 용매에 사용된 원소를 토대로, 탄소양자점의 원소의 조성과 결합에 대한 정량분석 및 정성분석을 수행하고자 X-선 광전자 스펙트럼을 측정하였다. Figure 4는 유청단백질에 유래된 탄소양자점의 (a) Full scan, (b) C1s, (c) N1s, 그리고 (d) O1s에 대한 X-선 광전자 스펙트럼이다. Full scan 스펙트럼에서 탄소, 질소, 산소가 69.4, 9.8, 20.5%의 비율로 존재하는 것을 확인하였으며. 이외의 원소는 검출되지 않았다. C1s 궤도에 대한 광전자 스펙트럼을 Gaussian 분포의 합으로 fitting한 결과, 탄소원자가 sp² 결합(284.5 eV), C-N 결합(285.6 eV), C=O 결합(287.7 eV)을 가지고 있음을 확인하였다. N1s 궤도의 전자에 대한 광전자 스펙트럼을 분석한 결과, 질소원자가 탄소원자와 Pyrrolic결합과 Quaternary 결합의 형태로 형성되어 있는 것을 확인하였다. O1s에 대한 스펙트럼을 측정한 결과, 탄소양자점 내에서 산소 원자가 C=O, C-OH, C-O-C 결합을 가지고 있는 것을 확인하였다.

Figure 4. (Color online) XPS spectra of (a) full scan, (b) C1s, (c) N1s, (d) O1s for carbon dots derived from whey protein.

Figure 5는 탄소양자점 용액의 광 흡수 특성을 분석하기 위하여 측정한 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼이다. 220 nm 부근에서의 흡수는 탄소원자의 sp² 결합구조에서 일어나는 π → π* 천이에 의한 흡수이다. 270 nm 부근에서의 흡수는 와 탄소원자와 질소 혹은 산소 원자의 결합(C-N, C=O 등) 또는 리간드에 의한 n → π* 천이에 의한 흡수인 것으로 판단된다. Figure 3, 4, 5에서 sp² 결합구조가 탄소양자점 내에 존재하는 것이 확인되었으나, 투과전자현미경 사진에서 결정에 대한 격자는 발견되지 않았다. 이러한 점들을 고려할 때, 탄소원자 간의 sp² 결합이 graphite, graphene, graphene oxide 등의 2차원 구조를 가지지 않고 비정질의 분자적 결합들 안에 생성된 것으로 판단된다.

Figure 5. (Color online) UV-Vis absorption spectra of carbon dots derived from whey protein.

Figure 6은 탄소양자점의 형광특성을 분석하기 위하여 탄소양자점의 3차원 형광스펙트럼이다. 탄소양자점는 주로 220–350 nm 범위의 파장을 가지는 UV광에 여기하여 청색광을 발광하며, 주 여기파장과 발광파장은 275 nm, 420 nm이다. 주 발광파장은 여기파장이 220–325 nm 범위에 있을 때에는 주 발광파장이 420–430 nm 범위에서 독립적으로 분포한다. 그러나 여기파장이 325–400 nm 범위에 있을 때에는 주 여기파장이 증가함에 따라 주 발광파장 또한 증가하는 의존성을 가진다. 이러한 현상들은 Fig. 5에서의 흡수 및 여기파장의 원인이 다름에 의한 것으로 판단된다. 탄소양자점의 여기파장이 220–325 nm 범위에 있을 때에는 탄소원자의 sp² 결합에 의한 π → π* 천이에 의해서만 광 흡수 및 여기가 일어나기 때문에 단일한 경로의 여기 및 발광과정이 생성된다. 그러나, 탄소양자점의 여기파장이 325 nm 이상일 때에는 탄소원자와 질소, 산소원자의 결합 또는 리간드 결합에 의한 n → π* 천이에 의한 흡수 및 여기가 일어나게 되고, 이에 따라 여러 경로의 여기 및 발광과정이 나타나게 된다.

Figure 6. (Color online) 3D PL spectra of carbon dots derived from whey protein.

Figure 7. (Color online) 3D PL spectra of carbon dot-Fe³⁺ solution at (a) 0, (b) 5, (c) 50, (d) 500 μmol of Fe³⁺ concentration.

Fe³⁺ 이온의 농도에 따른 탄소양자점의 형광특성 변화를 확인하기 위하여 Fe³⁺ 이온의 농도가 (a) 0, (b) 5, (c) 50, (d) 500 μM인 수용액과 혼합한 탄소양자점의 3차원 형광스펙트럼이다. 탄소양자점의 발광 및 여기파장은 Fe³⁺ 이온의 농도에 무관하게 변하지 않았지만 탄소양자점의 농도가 500 μmol%일 때, 탄소양자점의 형광세기가 64%로 감소한 것을 확인하였다. 이를 통해 수용액 내에 존재하는 Fe³⁺ 이온을 탄소양자점의 형광세기 감소를 통하여 탐지할 수 있음을 확인하였다.

본 연구에서 탄소원으로 유청단백질을 사용한 탄소양자점을 수열분해법을 통해 합성하였다. 탄소양자점의 투과전자현미경 사진을 촬영한 결과, 탄소양자점의 크기가 10 nm이고 구형의 형태를 가지는 것을 확인하였다. 탄소양자점의 고해상도 투과전자현미경 사진과 X-선 회절패턴을 통하여 탄소양자점이 비정질의 구조를 가진 것을 확인하였다. 또한 탄소양자점의 X-선 광전자 분광스펙트럼과 푸리에 변환 적외선 흡수 스펙트럼을 분석하여, 탄소양자점이 탄소, 질소, 산소 원자 간의 결합구조를 가지고, 친수성을 가지는 것을 확인하였다. 이는 질소를 함유한 단백질 분자가 고온 및 고압의 환경하에서 수열분해 및 탄화됨에 따른 것이다. 탄소양자점의 3차원 형광스펙트럼을 측정한 결과, 탄소양자점이 주로 270 nm 광에 여기하여 420 nm 파장의 청색광을 발광하는 것을 확인하였다. 또한 탄소양자점이 여기광에 대하여 발광파장이 독립적으로 고정된 영역과 의존적으로 편이되는 것을 확인하였으며, 이는 탄소양자점의 sp² 탄소결합의 π → π* 천이와 표면에 존재하는 리간드에 의한 n → π* 천이에 의한 것이다. 탄소양자점 용액과 Fe³⁺ 이온이 500 μM의 농도로 용해된 수용액과 혼합하였을 때, 동일한 양의 증류수를 혼합한 것에 비해 36%의 형광세기 감소를 확인하였다. 이를 통해 수용액 내에 존재하는 Fe³⁺ 이온 혹은 hemoglobin을 탐지할 수 있는 형광소재로 응용할 수 있음을 확인하였다.

이 논문은 2022년 부경대학교 국립대학육성사업 지원비에 의하여 연구되었습니다.