ピペラジンクエン酸塩高分子の熱分解による窒素担持カーボンナノ粒子の細胞イメージングへの応用

Nitrogen-Bearing Carbon Nanoparticles by Pyrolytic Decomposition of Piperazine Citrate Macromolecules for Cellular Imaging.

• Jae Won Lee
• Seong Hee Kang
• Yoon Joon Kang
• Young Sung Kim
• Jin-Hyo Boo
• Do Kyung Kim

抄録

本研究では、クエン酸ピペラジンを高温高圧下で熱分解することにより、高発光性カーボンナノ粒子(CNP)を作製した。ピペラジンは、加水分解剤、表面不活性化剤、N-ドーピング剤として機能し、光重合体の形成を促進する。表面保護/不動態化を行わずに合成したCNPは、優れたフォトルミネッセンスを示し、最大量子収率は84%であった。NドープCNPの平均粒径は0.89±0.05nmである。また、NドープCNPの平均粒子径は0.89±0.05nmであり、均一な直径とほぼ球形であることがわかった。X線光電子分光の結果、CNPは炭素(64.4wt%),酸素(18.5wt%),窒素(17.1wt%)から構成されており、CNP中に窒素と炭素を含む部位が存在していることが明らかになった。また、本研究で開発した方法で精製したCNPは、従来の透析膜を用いて精製したCNPよりも安定した発光特性を示すことがわかった。さらに、本研究では、CNPを用いてA549細胞を直接培養することにより、蛍光バイオイメージングプローブとしての応用が可能であるかどうかを検討した。その結果、CNPは優れた光学的安定性だけでなく、優れた生体適合性と細胞標識能力を示すことが明らかになった。A549細胞をCNPでインキュベートした後、CNPは核周囲の液胞に類似した形状に閉じ込められ、細胞質では核を保持したまま顆粒状になっていた。特に、核の収縮などの著しい形態的劣化は認められない。

In this work, highly photoluminescent carbon nanoparticles (CNPs) are fabricated by pyrolytic decomposition of piperazine citrate at high pressure and high temperature. Piperazine serves as a hydrolytic, surface-passivating, and N-doping agent, facilitating the formation of a photopolymer. The as-synthesized CNPs, without any surface protection/passivation, exhibit excellent photolumi-nescence and a maximum quantum yield of 84%. The average particle size of the N-doped CNPs is 0.89±0.05 nm. In addition, the N-doped CNPs exhibit uniform diameters and nearly spherical shapes. The X-ray photoelectron spectroscopy results reveal that the CNPs are composed of carbon (64.4 wt%), oxygen (18.5 wt%), and nitrogen (17.1 wt%), indicating the presence of nitrogen-doped and carbon-rich moieties in the CNPs. Notably, the CNPs purified by the procedure developed in this work exhibit more stable luminescence properties than those purified with the conventional dialysis membrane. In addition, the potential application of the CNPs as fluorescent bioimaging probes, which offer a broad dosing window and exhibit multicolor emission, is investigated by directly cultur-ing A549 cells with the CNPs. The results reveal that the CNPs exhibit not only exceptional optical stability, but also outstanding biocompatibility and cell labeling capability. After incubating the A549 cells with CNPs, the CNPs are confined in perinuclear vacuole-similar shapes with a granulated form in cytoplasm preserving the nucleus. Notably, no significant morphological deterioration such as nuclear contraction is detected.