탄소양자점(CNDs)은 지난 수십 년간 발광 입자로서 집중적으로 연구되어 왔다. 높은 광안정성, 생체적합성 및 낮은 독성을 동반하는 고유한 광학 특성 때문에 탄소양자점은 수많은 응용 분야에서 탁월한 잠재력을 보여준다. 이전의 연구를 통해, 탄소양자점의 발광 메커니즘은 중심부 즉 코어의 고유 방출과 표면 작용기의 에너지 구조 형성에 의해 지배되는 것으로 알려져 있다. 그러나 다양한 실험적 인자들이 탄소양자점의 광학 특성에 어떻게 영향을 미치는지 보여주는 포괄적인 설명은 여전히 명확하게 규명되어있지 않다.
본 논문에서는 에탄올아민을 주 전구체로 하고 시트르산을 첨가제로 하여 저온 탄화가 가능한 최적화된 공정의 탄소양자점 합성을 보고하였다. 여기서 얻은 결과는 탄소양자점의 에너지 상태가 화학적 구조에 따라 탄소성 코어 상태, 표면 결함 상태, 분자 방출 상태 및 비방사성 트랩 상태의 네 가지 다른 유형으로 분류될 수 있음을 시사한다. 각 에너지 상태는 가시광에서 근적외선(NIR) 범위에서의 서로 다른 유형의 발광과 활성산소종(ROS)의 생성과 관련이 있다는 것을 밝혔다. 탄소양자점에서 복사/비복사 전이의 예상 경로는 가시광-근적외선 발광 분광법과 형광 시분해 측정을 사용하여 체계적으로 연구되었다. 또한 이러한 탄소양자점의 밝은 광발광 및 ROS 생성은 이의 체외 영상 및 광역학 치료 응용에 적합 가능성을 보여준다.
탄소양자점은 일반적으로 표면 작용기 또는 산소 유래 결함에 기인하는 발광 특성을 나타내기 때문에 다양한 표면 에너지 상태로 전자가 쉽게 전달된다. 이러한 이유로, 탄소양자점은 일반적으로 넓은 반치폭을 가지면서 파란색에서 녹색 사이에서의 발광 형태를 보인다. 본 연구에서는 방향족 분자의 고분자화 반응을 이용한 탄소양자점에 대한 새로운 에너지 구조 엔지니어링 전략을 제시한다. 전구체의 중합을 제어하여 발광 반치폭이 좁고 색순도가 높은 탄소양자점을 합성하였다. 본 연구는 자외선-가시광선 영역의 발광 분석 및 형광 시분해 측정을 통해 탄소양자점의 에너지 상태의 특성을 분석하였다. H+ 추가 실험에 의해 특정 에너지 상태와 탄소양자점의 화학적 구조 사이의 관계를 밝혀내기 위해 추가 분석을 실행하였다. 탄소양자점의 에너지 상태를 엔지니어링하기 위한 이러한 새로운 결과들은 생물의학 분야와 광학 디바이스 분야에 대한 적용에서 상당한 개선을 가져올 예정이다.