Recent researches on the graphene quantum dots (GQDs) and their derivatives have garnered an in-creasing attention due to their unique photoluminescent (PL) properties. The PL of the GQDs, however, is emitted upon irradiation by one-photon excitation using either UV or a blue light source with higher energy than the band-gap of them. Since the up-conversion or two-photon induced (TPI) PL with near-IR excitation has advantages in the biomolecular imaging and sensing due to minor autofluorescence background signals, deep tissue penetration depths, and low photodamage, it would be a quite interesting topic to investigate the two-photon induced PL phenomena of the GQDs and their derivatives. Although there are few reports showing that GQDs display up-conversion luminescence by monochromatic light using a xenon lamp as an excitation light source, it is still elusive and controversial as regards the reasons behind the observed luminescence from the GQDs. The aim of this thesis is to perform the in-depth characterization on the TPI PI graphene oxide quantum dots (GOQDs) by means of near-infrared two-photon excitation via a femto-second (fs) Ti:sapphire pulsed laser system, and to elucidate the phenomenon of two-photon induced green photoluminescent of GOQDs in comparsion with the one-photon induced PL. We further utilize the TPI PL GOQD as an optical biosensor for detecting DNAzyme-based metal ions with high sensitivity and selectivity, and verify that the fluorescence quenching of the TPI PL GOQDs was mediated by the electron transfer between the GOQD and the captured metal ion rather than fluorescence energy transfer.
In Chapter 2, uniform graphene oxide quantum dots (GOQDs) were fabricated as a single-layer and circular shape within 4 nm diameter by acidic exfoliation from the graphite nanoparticles. The green lumines-cence of the GOQDs at ~563 nm was observed by a two-photon induced femto-second Ti:sapphire pulsed laser (λex: 800 nm), and the PL red shift (
그래핀 양자점 및 그 파생물질은 그들의 특이적인 광학정 특성 때문에 상당한 관심을 가져오고 있다. 하지만, 그래핀 양자점의 발광은 그래핀 양자점이 가진 본연의 밴드갭보다 더 높은 에너지를 가지는UV 영역 혹은 파란색 계열의 광원에 의해 형성되는 문제점을 가지고 있다. 그래서, IR 근처 영역의 두 개의 광자를 동시에 흡수하여 흡수할 때의 에너지보다 더 높은 에너지의 빛을 내는 이광자 형광이 낮은 포토블리칭, 낮은 바이오 물질에 대한 손상, 높은 투과율 등 다양한 장점을 가지고 있어, 그래핀 양자점의 이광자 형광을 연구하는 것은 상당히 흥미로운 주제로 보인다. 그래핀 양자점의 이러한 몇몇 연구는 최근 Xenon Lamp를 광원으로 사용하여 진행 되고 있지만, 관찰되는 형광에 대한 원인이 아직 정확히 규명되지 않은 상태이다. 본 논문은 팸토 초 단위의 펄스 레이저 시스템을 이용하여 이광자 형광을 심도있게 분석하고 하나의 광자에 의해 발생하는 형광과 정확히 비교하였다. 더욱이, 우리는 이광자 형광을 이용하여 이를 높은 민감도와 선택도를 가지는 중금속 검출 센서로 응용하였으며, 이에 대한 메커니즘이 에너지 전이가 아닌 전자 전이에 의한 것임을 규명하였다.
2 장에서는, 4 나노미터 크기와 단일 그래핀 두께의 균일한 그래핀 산화 양자점을 흑연 나노입자의 산화 박리를 이용하여 제조하였다. 또한, 800 nm 여기 파장의 팸토초 펄스 레이저를 이용하여 563 nm 근처에서 녹색의 이광자 형광을 발견했으며, 단광자 형광과 비교해 볼 때, 발광 파장이 58 nm 정도 적색 이동하였으며, 감쇠시간 역시 2.68 ns 정도 증가했음을 알 수 있었다. 우리는 이러한 특이적인 이광자 형광 현상이 레이저 열효과, 흡수 스펙트럼과 발광 스펙트럼의 중첩에 의한 자기 흡수, 산화 기능기에 의한 외적인 밴드에서 더 강한 완화(relaxation) 등 3 가지의 원인에 의한 것임으로 분석하였다.
3장에서는 DNAzyme을 매개로 하여 그래핀 산화 양자점의 이광자 형광 소광을 이용한 높은 민감도와 선택도를 가지는 중금속 검출 광학 센서를 제작하였으며, 이러한 그래핀 산화 양자점의 이광자 형광 소광이 형광 에너지 전이가 아닌 그래핀 산화 양자점과 중금속 이온 사이의 전자 전이에 의한 메커니즘 임을 정확히 밝혀내었다. 이러한 그래핀 양자점의 이광자 형광에 대한 이해와 그 응용은 바이오 센싱 분야와 바이오 이미징 연구 분야에 대한 그들의 응용가능성을 더 높여 줄 것으로 기대한다.
