Near-infrared (NIR) fluorescence is of great interest for in vivo imaging and therapeutic applications because of low levels of light absorption, scattering, and auto-fluorescence. Compared to organic dyes, quantum dots (QDs) are very attractive for the above applications due to their relatively large absorption coefficient, high quantum yield, less photo bleaching, and large Stokes shift. However, two technical issues need to be resolved for their practical in vivo applications: efficient NIR emission and minimized toxicity. Here we report a sim-ple and reliable method to synthesize highly luminescent, NIR-emitting CuxInyS2/ZnS (CIS/ZnS) core-shell QDs by controlling an off-stoichiometric composition. Thermolytic synthesis is adopted with 1-dodecanethiol as a sulfur source, a stabilizing ligand, and a reaction medium. The most important finding in our work is that increasing the Cu/In ratio enables the tuning of the emission spectrum of CIS/ZnS QDs to a range of NIR with a high quantum yield up to ~ 60 %. The maximum emission wavelengths of the synthesized QDs are 589 nm (QD589) and 726 nm (QD726) at a Cu/In ratio of 0.25 and 1.8, respectively. The imaging sensitivity of the QDs in a deep tissue condition is investigated by intramuscular injection of polymer microspheres incorporating the QDs into a mouse model. Our results show that > 30 % of the original emission of the QD726 can be detected through the biological tissue of 0.9 cm in thickness, while the emission intensity from the QD589 is negligible. Our study shows that investigation on the off-stoichiometric effects of CIS QDs contribute to the development of highly luminescent, NIR-emitting, non-cadmium QDs for practical applications to tissue-level imaging, sensing, and therapeutics.
광학 영상법은 실시간으로 이미징이 가능하고, 빠른 반응 시간과 높은 해상도를 갖고, 비침습성이며 방사능에 노출이 없다는 장점을 가져 의학진단 분야에서 주목을 받고 있다. 효과적인 이미징을 위해서는 프로브의 역할이 중요한데, 기존에 사용되던 유기 형광 염료에 비해서 높은 발광 효율, 광안정성과 광학 특성의 제어 효과를 갖는 양자점이 그 대체 재료로서 각광받고 있다. 기존에 연구 되던 II-VI양자점은 카드뮴과 같은 고위험군 원소를 포함하는 문제점을 가지고 있는데, 이러한 원소를 포함하지 않은 무독한 CuInS2 (이하 CIS) 양자점이 대체제로 최근 들어 많이 연구되고 있다. 기존의 CIS 양자점은 넓은 흡광 계수와 큰 스토크스 이동을 보여 기존에는 태양 에너지 변화에 사용되는 연구가 많이 진행되었으나, 빛의 산란과 흡수가 최소화 되어 생체 내 가장 적합한 근적외선 영역에서도 발광이 가능하다는 데서 최근 들어 이미징 프로브로서 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 그러나 가시 광선 영역에의 CIS 양자점의 최대 발광 효율은 90%로 II-VI 양자점에 근접한 수준까지 연구 되었으나, 근적외선 영역에서 높은 효율로 발광하는 CIS 양자점에 대한 연구는 거의 보고되지 않았다. 이에 CIS 양자점의 발광 특성을 조절하기 위해서 다양한 방법이 제시 되었는데, 크기가 발광 조절의 중요한 요인인 기존의 양자점에 비해, 삼성분계의 조성을 갖는 CIS 양자점은 조성 조절이 발광에 중대한 요인이 된다. CIS 양자점의 조성 조절은 양자점 내부의 결함의 농도를 조절하고, 밴드갭에도 영향을 미쳐 발광 효율과 발광 파장에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 DDT를 용매로 하는 조건에서 Cu와 In 전구체의 양으로CIS 조성을 조절하여, 800nm 이상에서 발광하는 CIS 코어를 합성하였고, 발광 효율 증가를 위해 ZnS 결정을 표면에 성장 시켜 50% 이상의 발광 효율을 가지면서 근적외선 영역 (730 nm)에서 발광 하는 CIS/ZnS 양자점을 합성하는 데 성공하였고, 광학적, 구조적 성질을 분석하였다. 합성된 양자점은 피부와 비슷한 광학적 성질을 갖는 팬텀과 실험용 쥐의 조직을 이용하여 이미징 감도를 측정하였다. 가시광선 영역에서 발광하는 양자점 (max = 589 nm)과의 비교에서 근적외선 영역에서 발광하는 양자점 (?max = 730 nm)는 9mm 두께의 팬텀에서 30 %의 광자가 통과하여, 광자가 거의 통과하지 못한 가시광선 양자점에 비해서 뛰어난 이미징 감도를 보였다. 또한 2-3 mm 두께의 실험용 쥐의 허벅지 근육 밑에 PMMA 고분자 입자에 입봉된 양자점을 이식하여 이미징 감도 시험을 진행하였는데, 이 결과에서도 근 적외선 영역 양자점은 뚜렷하게 감지된 반면 가시광선 영역 양자점은 감지되지 않음을 보였다. 이에 근 적외선 영역에서 발광하는 CIS/ZnS 양자점의 이미징 프로브로서의 성능을 생체 내, 생체 외에서 규명하였다. 이 실험은 우수한 광학적 특성을 가지고, 인체에 무해한 원소로 이루어진 CIS/ZnS 양자점을 근적외선 영역에서 우수한 양자수율로 합성하고, 실제로 이미징 감도의 우수성을 보여, 생체 내 이미징 연구의 확장에 중요한 초석이 될 수 있다는 것에 그 의의를 둘 수 있다.