반응 기반 형광 발광 감지계에 관한 연구 : 금속 및 아민 분자의 감지

Abstract

Part I. Development of Reaction-based Fluorescent Probes for Metal IonsSection I. Reaction-based Fluorescent Probe for Pd(0)Palladium catalyzed cross-coupling reactions have found an important place in modern synthetic protocols for the formation carbon-carbon and carbon-heteroatom bonds. Chemicals synthesized through palladium catalyzed reactions, however, contain trace of the metal species even after purification, which may cause a health hazard issue particularly in medicine. An efficient detection method for palladium species is thus necessary in pharmaceutical industry. In this study, a simple yet efficient detection method for palladium species is described, which is based on a palladium catalyzed reaction. A N-iodophenyl lactam of rhodamine B is thus developed as the reaction based sensing system for palladium species. The chemosensor undergoes a catalytic spirolactam ring-opening process by Pd(0) and gives both turn-on fluorescence with an emission band centered at 580 nm and color changes with an absorption band centered at 560 nm. The catalytic process is specific toward palladium species among various other metal species examined: Pt(II), Fe(II), Fe(III), Ni(II), Mn(II), Cu(II), Mg(II), Cr(II), Co(II), Zn(II), and Al(III) as chloride salt. The rhodamine chemosensor works best at 85 °C for Pd(0) species such as Pd(dba)2¬, and in the presence of [(t-Bu)3PH]BF4 as an reducing agent in the case of Pd(II) species, such as PdCl2. The limit of detection is determined to be 0.012 µM (2.0 µg/L

in which Pd content is 1.3 µg/L) based on the criterion of the signal-to-noise ratio of more than three. A usefulness of the sensing system is demonstrated by determining the residual palladium contents in a purified sample prepared through a palladium-catalyzed reaction. This is the first reaction-based sensing system for palladium species that gives both the turn-on fluorescence and color changes. Section II. Reaction-based Fluorescent Probes for Au Species Gold-mediated organic transformations have attracted much attention in recent years for their unique reactivity. An accompanying concern in using the gold species in the synthesis of drug intermediates is that a residual amount of gold often persists in the product can cause a health hazard. Moreover, gold ions can bind to proteins, DNA or other bio-molecules and thereby may disturb a variety of cellular processes. Therefore easy detection of gold species becomes an important issue. Gold species have been widely used in nucleophilic addition reactions as they strongly activate the carbon-carbon triple bond. We describe a new fluorescent probe for gold species, which utilizes a rhodamine spirolactam ring opening process through the gold mediated intramolecular nucleophilic addition to o-(ethynyl)phenyl moiety. The ring opening process accompanies a vivid color change from colorless to pink with large enhancement of an absorption band centered at 560 nm and also a turn-on fluorescent change with large enhgancement of an emission band centered at 580 nm. The newly designed probe for gold species generates only single reaction product in contrast to the previous rhodamine based sensing system that provide several side products. The present sensing system is expected to be readily developed into the corresponding fluorescence resonance energy transfer system. Rhodamine B in its spirolactam ring open-form has strong absorption at around 550 nm, whereas the spirolactam ring close-form has absorption only in the UV region. Its absorption and emission spectra shift to longer wavelengths (ca. 550 nm

ca. 580 nm, respectively) can contribute to act as an excellent energy acceptor in the FRET system. Among various fluorophores a naphthalimide derivative (λex 396 nm, λem 520 nm) has been chosen as the donor, which has a significant difference in spectral overlap integral between the two forms of rhodamine B and can be independently excited. The spirolactam ring opening induced by Au3+ or Au+ exhibited a rapid color change from pale yellow to vivid pink and an emission change from green (λem 520 nm) to orange (λem 580 nm). Thus, the gold mediated intramolecular nucleophilic addition to o-ethynylphenyl moiety of probe 22 changed the maximum of emission wavelength from 520 nm (naphthalimide as FRET domor) to 587 nm (rhodamine as FRET acceptor). The spectral changes make FRET-based ratiometric system work efficiently. Part II. Development of Fluorescent Probes for Amines and CarboxylatesSection I. CATFA-based “Turn-On” Fluorescent Probes for Aminocarboxylates Development of fluorescent probes for anions has attracted continuing interest given that a variety of anion molecules play chemical and biological functions. A number of fluorescent anion probes have been developed based on different disciplines in the probe design. However, the development of “turn–on” fluorescent probes for anions of biological importance remains as a challenging issue, because in many cases fluorescence quenching rather than enhancement results. An efficient “turn-on” fluorescence sensing system for amino-carboxylates is realized by a rational approach. The sensing system is based on an o-(carboxamido)trifluoroacetophenone (o-CATFA) ligand and an anthracene fluorophore. The CATFA binding motif, which is known to bind amines and carboxylates by forming the carbonyl adducts, acts as the fluorescent quencher through a photo-induced electron transfer mechanism. Upon binding amines or carboxylates, this quenching mechanism is abolished and thus fluorescence restores.Recently, we developed efficient molecular probe which selectively senses -amino acids (as their carboxylate salts) over - and -homologues. The distance between the two CATFA groups in the probe matches well with the length of glycinate anion. Hence, if we modify the distance we can sense other aminocarboxylate selectively. Based on this concept, we developed extended form of the probe, An-bis(CATFA) 6 and An-Ph-bis(CATFA) 7 which sense various aminocarboxylic acid (as their carboxylate salts) with strong enhancement of fluorescence. Our probe, 6 and 7, works universal sensing system for -, - and -aminocarboxylate.Section II. Polydiacetylene Liposome Sensing Systems for PolyaminesIt is well known that polyamines play a key role in cellular processes. In cancer cells, biosynthetic activity for polyamines is significantly higher than in normal cells, so that the polyamine levels in body fluids are elevated. Consequently, urinary polyamine concentration can be an index for cancer diagnosis. Polyamine concentration is commonly measured by chromatographic and electrophoretic procedures. However, these methods are time-consuming and costly because they usually require derivatization steps and take a long time for performing analysis. Therefore development of a convenient and direct sensing method for polyamines is highly important.Recently, we have developed PDA liposomes sensing system for polyphosphate using polyamine terminated ligands. By changing the ratio of the lipsome components, the liposome sensing system is tailored to selectively detect short or long chain polyphosphates over other anions incuding phosphate derivatives. On the opposite concept to this, we have introduced anionic charged PDA liposomes which detect polyamines with unparalleled selectivity and sensitivity in aqueous media, over other competing polyamine derivatives. Also, we have demonstrated that a change in the liposome components enables the liposome sensing system to be tailored to selectively detect short or long chain polyamines. To stabilize the structural integrity of the liposome during the liosome fabrication, all components have an amide group, which can provide a strand of intermolecular hydrogen bonds. The newly developed PDA liposomes, PDA-C, are interacted with polyamines. The color change from blue to red corresponding absoption spectral change supported the interactions. Moreover, the PDA liposomes show “turn-on” type red fluorescence upon interactions with polyamines. Amomg the liposome PDA-C, L3-2 shows strong affinity with polyamines especially spermine. The CR value and fuorescence intensity of the liposome changes linearly upon the gradually change of spermine concentration, so from the standard graph we can quantify the amount of spermine using our PDA liposome probe.

Part I. 금속 이온의 반응 기반 형광 프로브 개발Section I. 팔라듐(0)의 감지를 위한 반응 기반 형광 프로브유기 합성 반응에서 널리 사용되는 금속 촉매인 팔라듐은 복잡한 구조의 의약품 등의 물질을 효과적으로 합성할 수 있게 하므로 매우 널리 사용되고 있다. 그러나 팔라듐을 이용하여 합성한 물질은 정제를 한 후에도 일정 수준의 잔여 팔라듐을 포함하고 있어 생체 내 또는 자연 환경에 유입되었을 경우 심각한 문제를 초래한다. 따라서 생체 내 또는 환경에 유입된 팔라듐의 양을 정확하고 간단하게 정량할 수 있는 방법의 개발이 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 급격한 형광 증가를 통한 팔라듐(0)의 형광 감지를 기술하고자 한다. 팔라듐과 촉매 반응을 하여 급격한 형광 증가를 가져오는 형광 프로브는 형광이 소광된 형광단에 아이오도페닐기가 치환되어 있어 다른 금속들에 비해 팔라듐(0)만이 선택적으로 산화적 첨가 반응을 일으킨다. 이 프로브에 사용된 형광단은 로다민 B인데, 로다민 B는 스파이로락탐 고리가 닫혀있을 때는 색과 형광이 나타나지 않다가, 스파이로락탐 고리가 열리면서 색 변화와 강한 형광 증가를 나타내게 된다. 팔라듐과 프로브가 반응함으로써 로다민의 스파이로락탐 고리가 열리게 되고, 프로브는 무색에서 진한 분홍색으로의 색 변화와 580 nm에서 주황색의 강한 형광증가를 나타낸다. 촉매량의 PdCl2와 PdCl2를 Pd(0)로 환원시키기 위한 포스핀 리간드 ([(t-Bu)3PH]BF3)를 첨가하고 85 ℃에서 1시간 동안 가열한 결과, 다양한 금속이온들의 존재 하에서도 팔라듐만이 선택적으로 감지되었다. 또한 이 프로브는 2.0 ppb의 팔라듐을 형광감지할 수 있을 정도로 매우 높은 민감도를 보였다.우리가 구현한 팔라듐(0) 형광 감지 시스템은 실제 팔라듐의 촉매 반응을 통해 합성된 물질에 포함된 잔여 팔라듐의 양을 정량하는 데 적용이 가능하다. Section II. 금의 감지를 위한 반응 기반 형광 프로브 은, 백금 등과 함께 귀금속으로서 많이 사용되는 금은 유기 합성 반응에서도 매우 유용하게 사용된다. 금 이온은 특히 C-C 삼중결합에 강하게 배위하여 친핵성 첨가반응을 일으키는 것으로 알려져 있다. 우리는 이러한 금 이온의 alkynophilicity를 이용한 반응 기반 형광 프로브를 개발하였다. 스파이로락탐 고리가 열리면서 강한 색 변화와 형광의 증가를 가져오는 로다민 B에 o-ethynylphenyl 기를 도입함으로써 금 이온에 선택적으로 반응하는 새로운 프로브를 개발하였다. 뿐만 아니라 이 형광 프로브는 형광 에너지 공명 이동(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET)을 이용한 ratiometric 프로브로의 확장이 가능하다. o-Ethynylphenyl의 para 위치에 카보닐 그룹을 도입하고 FRET donor의 역할을 하는 1,8-나프탈이미드 형광단을 결합하였다. 나프탈이미드 형광단은 약 400 nm의 빛을 흡수하고 약 520 nm의 빛을 방출하는 것으로 알려져, 약 540 nm의 빛을 흡수하는 로다민B 형광단에 대해 매우 효율적인 donor로 작용할 수 있다. 금 이온의 alkynophilicity를 이용한 로다민-나프탈이미드 프로브는 396 nm의 빛을 조사하였을 때 프로브 스스로는 나프탈이미드에서 방출되는 밝은 초록색의 형광(520 nm)을 나타내다가 금 이온과 반응 한 후 로다민의 스파이로락탐 고리가 열리면 580 nm에서 강한 주황색 형광을 나타낸다. 즉 프로브의 형광이 초록색(520 nm)에서 주황색(580 nm)로 바뀌는 것을 관찰함으로써 금 이온의 감지를 확인할 수 있다. 이 FRET 기반 프로브는 금 이온의 양이 증가함에 따라 형광변화가 선형적으로 증가하여 금 이온의 정량분석 또한 가능하다.FRET개념을 이용한 금 이온의 형광 프로브는 아직 연구가 활발히 진행되지 않아, 본 연구 결과가 시사하는 바가 크다. Part II. 아민과 카르복시산 음이온의 형광 분자 프로브 개발Section I. CATFA 계를 이용한 아미노-카르복실레이트의 “Turn-on” 형광 프로브형광을 이용한 음이온 감지는 다양한 음이온 분자들이 화학 및 생물학적 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있기 때문에 매우 흥미로운 분야이다. 수많은 형광 음이온 센서들이 보고되고 있지만 화학 및 생물학적으로 중요한 음이온을 급격한 형광의 증가를 통한 감지는 대부분의 경우 형광이 증가되기 보다는 소강되는 특성을 나타내기 때문에 매우 도전적인 과제이다. 본 연구에서는 급격한 형광 증가를 통한 아미노-카르복실레이트의 형광 감지를 기술하고자 한다. 우리의 감지계는 형광단으로서 안트라센을, 리간드로서 o-CATFA를 사용하였다. 카르보닐과 어덕트를 형성함으로써 아민과 카르복실레이트와 반응을 아주 잘 하는 것으로 CATFA는 PET메커니즘에 의해 형광 소강물질로 작용한다. 최근 우리는 분자내 가역적 공유결합을 통한 고리화 화합물을 형성함으로써 α-아미노 카르복실레이트를 β- 및 γ-아미노 카르복실레이트로부터 선택적으로 감지하는 독창적인 형광 분자프로브를 개발하였다. 이는 프로브의 두 CATFA 간의 거리가 α-아미노산 음이온과 비슷해서 두 물질이 adduct를 형성했을 때에 β- 및 γ-아미노 카르복실레이트와 프로브가 형성 adduct보다 안정하기 때문이다. 우리는 위의 실험결과를 바탕으로 두 CATFA 간의 거리를 늘린 프로브 An-bis (CATFA) 6 과 An-Ph-bis(CATFA) 7을 개발하였다. α-, β-, γ -아미노산 음이온에 대한 형광 적정 결과 모두 최소 50배 이상의 형광 증가를 보여주었다. Section II. 폴리아민을 인지하는 폴리다이아세틸렌 리포좀 센싱계의 개발폴리아민 (polyamine)은 세포의 성장에 관여하는 물질로, 암세포에서 특히 과발현된다. 특히 소변에 함유되어 있는 폴리아민의 양은 암진단의 기준이 된다. 폴리아민의 함유량은 전통적으로 크로마토그래피나 전기영동법을 통해 정량해왔으나 이 방법은 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 든다. 본 연구에서는 폴리아민과 정전기적 결합이 가능한 음이온기, 특히 카복실레이트를 폴리다이아세틸렌 리포좀에 도입한 폴리다이아세틸렌 리포좀 센서를 구현하였다. 생체 내 존재하는 여러 폴리아민 유도체들 중 스퍼민 유도체를 선택적으로 인지하여 색전이와 형광 발광의 결과를 보였다. 이는 폴리아민이 관여하는 다양한 생명현상을 이해하는데 중요한 도구가 될 것이다.