JP4150064B2 - Fluorescence sensor for anion detection - Google Patents

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Description

本発明は、特に水溶液中のアニオンを検出することの出来るセンサー化合物、及び該化合物を使用する各種測定方法に関する。   The present invention particularly relates to a sensor compound capable of detecting an anion in an aqueous solution and various measurement methods using the compound.

蛍光センサーは、生体系における生体分子の役割を分析し、解明するのに有用であり、例えば、蛍光CaII指示薬を用いて、細胞内CaIIのいくつかの機能が解明されてきた。さらにその他に多数の金属センサー及びpHセンサーが開発されているFluorescent sensors are useful for analyzing and elucidating the role of biomolecules in biological systems. For example, several functions of intracellular Ca II have been elucidated using fluorescent Ca II indicators 1 . Many other metal sensors and pH sensors have been developed 2 .

多数の有機アニオン及び無機アニオンが生きている生物において重要な役割を担っているために、今やアニオン認識及びアニオンセンサー検出に関心が高まっている。アニオンセンサーの開発によって分子内にアニオン基を持つ生体有機分子を検出することができる新規のセンサーの開発にも繋がる。しかしながら、従来知られているほとんどのセンサーは有機媒質の中でしか機能せず、それらを生化学的又は生理学的な実験に使用するのは困難である。
一般にアニオンは、金属イオンのような陽イオンよりも大型なので、陽イオンよりも溶媒化の制約を受け易い。有機溶媒では、溶媒化エネルギーが比較的小さく、静電気の相互作用が効果的に働くので、アニオンを捕捉し、検出するのはさほど難しくはない。しかしながら、生体応用に適している水性溶媒では、強い水和のためにアニオンを認識するのは極めて困難である。今のところ、有機環境では多数が知られているけれども、水溶液中で作動する蛍光アニオンセンサーはほとんど開発されていない。
There is now an increasing interest in anion recognition 3 and anion sensor detection 4 because numerous organic and inorganic anions play an important role in living organisms. The development of an anion sensor will lead to the development of a new sensor that can detect biological organic molecules having an anion group in the molecule. However, most previously known sensors only function in organic media and are difficult to use for biochemical or physiological experiments.
In general, anions are larger than cations such as metal ions, and thus are more susceptible to solventization restrictions than cations. In organic solvents, solvation energy is relatively small and electrostatic interactions work effectively, so it is not difficult to capture and detect anions. However, in aqueous solvents suitable for biological applications, it is very difficult to recognize anions due to strong hydration. To date, although many are known in the organic environment, few fluorescent anion sensors that operate in aqueous solutions have been developed.

水溶液中で使用するための蛍光アニオンセンサーは、2つの必要条件を満たさなければならない。1つは、水中でのアニオンに対する十分に強い親和性であり、もう1つは、アニオンの認識を蛍光シグナルに変換する能力である。既知のアニオンセンサーはほとんど、後者の必要条件は満たすけれども、水中でのアニオンに対して十分な親和性を持っていない。アニオンホストの中には、水性溶媒中でアニオンを捕捉することができるものもあるが、それらは単にホスト分子であって、センサー分子ではない。双方の必要条件を同時に満たすのは困難である。 A fluorescent anion sensor for use in aqueous solution must meet two requirements. One is a sufficiently strong affinity for anions in water, and the other is the ability to convert anion recognition into a fluorescent signal. Most known anion sensors meet the latter requirement, but do not have sufficient affinity for anions in water. Some anion hosts can trap anions in an aqueous solvent, but they are simply host molecules, not sensor molecules. It is difficult to meet both requirements simultaneously.

Crazuik et alは、水溶液中で作動する蛍光アニオンセンサーの開発に成功した。このようなセンサーの検出メカニズムは、蛍光団に隣接したアミノ基のpKをアニオンが結合することによって変化させることに基づいている。しかしながら、このセンサーではある特定のpH領域でしか測定できず、pH変化に敏感である。従って、このセンサー検出のメカニズムを生物実験に応用するのは困難である。 Crazuik et al successfully developed a fluorescent anion sensor that operates in aqueous solution 5 . Such sensors detection mechanism is based on changing by the pK a of the amino group adjacent to the fluorophore anion binding. However, this sensor can measure only in a specific pH range and is sensitive to pH change. Therefore, it is difficult to apply this sensor detection mechanism to biological experiments.

従って、本発明の目的は、各種生物系の実験系においても使用することができるような水溶液中におけるアニオンを定量的に測定することができるセンサー化合物を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a sensor compound that can quantitatively measure anions in an aqueous solution that can be used in various biological experimental systems.

本発明者は上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、アニオンを検出するための新規の手段を開発し、本発明を完成した。
即ち、本発明は、環状ポリアミンの金属錯体から成るアニオンホスト及び蛍光色素を有する化合物であって、該金属錯体の金属イオンとの配位結合において、該蛍光色素上の置換基とアニオンとの間の配位子交換機能によって蛍光色素のスペクトルに変化が生じることを特徴とする、前記化合物に係る。
より、具体的には、本発明は環状ポリアミンの金属錯体から成るアニオンホスト及び蛍光色素を有する化合物であって、該金属錯体の金属イオンとの配位結合に関与する該蛍光色素上の電子供与性置換基とアニオンとの間の配位子交換機能によって該蛍光色素上の電子供与性が増大し、その結果、蛍光色素のスペクトルに変化が生じることを特徴とするものである。
この蛍光色素上の電子供与性置換基とアニオンとの間の配位子交換機能とは、アニオンホスト(金属錯体)に対して配位力の強いアニオン種が存在しない水溶液系では、蛍光色素上の電子供与性置換基が金属イオンに配位しているが、配位力の強いアニオン種がその系に添加されることによって電子供与性置換基が金属イオンとの配位結合から外れ、その結果電子供与性置換基に生じる電子状態の変化が蛍光色素に伝わりその蛍光スペクトルに変化を及ぼす、より具体的には、蛍光色素の吸収(励起)スペクトルが長波長側にシフトするというものである。
従って、このような原理に基づき蛍光色素のスペクトルに変化が生じる化合物である限り、本発明化合物の各構成部分である環状ポリアミン、金属イオン、及び蛍光色素の構造及び種類は特に制限はない。
又、このような蛍光スペクトルの変化を効率よく起こさせる為には、アニオンホスト及び蛍光色素がリンカーを介して結合していることが好ましい。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has developed a new means for detecting anions and completed the present invention.
That is, the present invention relates to a compound having an anion host composed of a metal complex of a cyclic polyamine and a fluorescent dye, and in a coordinate bond with the metal ion of the metal complex, between a substituent on the fluorescent dye and the anion. According to the compound, the spectrum of the fluorescent dye is changed by the ligand exchange function.
More specifically, the present invention relates to a compound having an anion host composed of a metal complex of a cyclic polyamine and a fluorescent dye, and the electron donation on the fluorescent dye involved in the coordinate bond with the metal ion of the metal complex The electron-donating property on the fluorescent dye is increased by the ligand exchange function between the functional substituent and the anion, and as a result, the spectrum of the fluorescent dye is changed.
The ligand exchange function between the electron-donating substituent on the fluorescent dye and the anion is based on the fluorescent dye in an aqueous solution system in which an anionic species having a strong coordinating power with respect to the anion host (metal complex) does not exist. The electron-donating substituent is coordinated to the metal ion, but by adding an anionic species with strong coordinating power to the system, the electron-donating substituent is removed from the coordinate bond with the metal ion, and the As a result, the change in the electronic state generated in the electron-donating substituent is transmitted to the fluorescent dye and changes its fluorescence spectrum. More specifically, the absorption (excitation) spectrum of the fluorescent dye is shifted to the longer wavelength side. .
Therefore, as long as it is a compound that causes a change in the spectrum of the fluorescent dye based on such a principle, the structure and type of the cyclic polyamine, the metal ion, and the fluorescent dye, which are the constituent parts of the compound of the present invention, are not particularly limited.
In order to efficiently cause such a change in the fluorescence spectrum, it is preferable that the anion host and the fluorescent dye are bonded via a linker.

更に本発明は、このような化合物から成る蛍光センサー、特に、水溶液中のアニオンを検出することの出来る蛍光センサーに係る。
本発明のセンサーにより定量的に測定することが可能なアニオンの例としては、ピロリン酸イオン、リン酸イオン、及びハロゲンイオン等の無機アニオン、クエン酸イオン等の有機アニオン、並びに各種ヌクレオチドから成る群から選択される一種又は複数種のアニオンを挙げることが出来る。
Furthermore, the present invention relates to a fluorescent sensor comprising such a compound, particularly a fluorescent sensor capable of detecting an anion in an aqueous solution.
Examples of anions that can be quantitatively measured by the sensor of the present invention include inorganic anions such as pyrophosphate ions, phosphate ions, and halogen ions, organic anions such as citrate ions, and various nucleotide groups. 1 type or multiple types of anion selected from can be mentioned.

更に本発明は、本発明化合物をセンサーとして使用し、その蛍光色素の吸収(励起)スペクトルの長波長側へのシフトの度合いに基づき、例えば、水溶液中のアニオン濃度を測定する方法に係る。
更に本発明は、本発明化合物をセンサーとして使用し、その蛍光色素の吸収(励起)スペクトルの長波長側へのシフトの度合いに基づき、例えば、水溶液中のアニオン性残基の増減を測定する方法に係る。
更に本発明は、本発明化合物をセンサーとして使用し、蛍光強度の変化に基づき、アニオン性残基の増減を伴う反応に関与する酵素の活性を測定する方法に係る。このような酵素の例として、環状モノヌクレオチド特異的ホスホジエステラーゼ(ホスホジエステラーゼ3',5'-環状モノヌクレオチド)等のホスホジエステラーゼを挙げることが出来る。
The present invention further relates to a method for measuring the concentration of anions in an aqueous solution, for example, based on the degree of shift of the absorption (excitation) spectrum of the fluorescent dye to the longer wavelength side using the compound of the present invention as a sensor.
Furthermore, the present invention uses the compound of the present invention as a sensor, and measures, for example, increase / decrease in anionic residues in an aqueous solution based on the degree of shift of the absorption (excitation) spectrum of the fluorescent dye toward the longer wavelength side. Concerning.
The present invention further relates to a method for measuring the activity of an enzyme involved in a reaction involving an increase or decrease of an anionic residue based on a change in fluorescence intensity using the compound of the present invention as a sensor. Examples of such enzymes include phosphodiesterases such as cyclic mononucleotide-specific phosphodiesterases (phosphodiesterase 3 ′, 5′-cyclic mononucleotide).

本発明化合物において、環状ポリアミンを構成する窒素原子及び炭素原子の各個数及びそれらの総数に特に制限はないが、好ましくは)〜12、より好ましくは12であり、窒素原子数は好ましくは3又は4、より好ましくは4である。
具体的には好適な環状ポリアミンとして、1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン(サイクレン)を挙げることが出来る。
又、本発明化合物の蛍光色素上の電子供与性置換基にも特に制限はないが、蛍光色素、環状ポリアミン及び金属イオンの種類等に応じて当業者が適宜選択することができるが、好適例としてアミノ基を挙げることが出来る。
蛍光色素もその他の構成成分に応じて当業者が適宜選択することができるが、好適例として7位置換クマリン誘導体、例えば、7−アミノ−トリフルオロメチルクマリンを挙げることが出来る。
リンカーとしては、例えば、エチレン基及びメチレン基等のアルキレン基を使用することが出来る。
金属錯体を構成する金属の好適例として、CdII等の遷移金属を挙げることが出来る。
In the compound of the present invention, the number of nitrogen atoms and carbon atoms constituting the cyclic polyamine and the total number thereof are not particularly limited, but preferably) to 12, more preferably 12, and the number of nitrogen atoms is preferably 3 or 4, more preferably 4.
Suitable cyclic polyamines specifically, 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (cyclen) and the like.
The electron donating substituent on the fluorescent dye of the compound of the present invention is not particularly limited, but can be appropriately selected by those skilled in the art depending on the kind of the fluorescent dye, cyclic polyamine, metal ion, etc. An amino group can be mentioned .
Fluorescent dyes can also be appropriately selected by those skilled in the art depending on other components, and preferred examples include 7- substituted coumarin derivatives such as 7-amino-trifluoromethylcoumarin.
As the linker, for example, an alkylene group such as an ethylene group and a methylene group can be used.
Preferable examples of the metal constituting the metal complex include transition metals such as CdII.

本発明の化合物は、例えば、以下の実施例に具体的に示すような合成方法によって、当業者であれば容易に調製することが出来る。更に、各物質の入手方法、各化合物の合成方法、及び、合成された化合物(PDF)に関する性状分析データ等については、インターネットhttp://pubs.acs.orgを介して無償で入手可能である。   The compound of the present invention can be easily prepared by those skilled in the art, for example, by a synthetic method as specifically shown in the following examples. Furthermore, the method for obtaining each substance, the method for synthesizing each compound, and the property analysis data regarding the synthesized compound (PDF) are available free of charge via the Internet http://pubs.acs.org. .

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited at all by these Examples.

実施例1
化合物の調製
以下の化学反応式に示した4工程で、7-アミノ-4-トリフルオロメチルクマリンを出発物質として、サイクレン共役のクマリン(1)を合成し、NH−シリカゲル(フジ・シリシア・ケミカル株式会社)カラムクロマトグラフィによって精製した。こうして合成された本発明に属する化合物である、化合物(1)のCdII錯体、即ち、錯体1−CdIIは過塩素酸塩として得られ、2-プロパノール/HOから再結晶した。
Example 1
Preparation of Compound Cyclone-conjugated coumarin (1) was synthesized using 7-amino-4-trifluoromethylcoumarin as a starting material in 4 steps shown in the following chemical reaction formula, and NH-silica gel (Fuji Silysia Chemical). And purified by column chromatography. The CdII complex of the compound (1) synthesized as described above, that is, the complex 1-CdII, obtained as a perchlorate, was recrystallized from 2 -propanol / H 2 O.

上に示したサイクレン共役のクマリン(1)及び錯体1−CdIIの合成経路において使用する反応試薬は次のとおりである。(a)TsCl ピリジン、
(b) BrCHCHBr、CsCO、(c) 濃HSO、90℃(d) サイクレン、
(e) Cd(ClO) 60℃。
尚、本発明に属するその他の化合物も、当業者であれば、上記合成経路に準じて適宜合成することが出来る。
こうして合成された本発明化合物がアニオンを検出する蛍光センサーとして機能し、アニオンを検出する機構を図1に示した。ここで、Mn+はサイクレンによって安定的にキレートされうる金属イオンである。
The reaction reagents used in the synthesis route of the cyclen-conjugated coumarin (1) and complex 1-CdII shown above are as follows. (A) TsCl pyridine,
(b) BrCH 2 CH 2 Br, Cs 2 CO 3 , (c) concentrated H 2 SO 4 , 90 ° C. (d) cyclen,
(e) Cd (ClO 4 ) 2 60 ° C.
It should be noted that other compounds belonging to the present invention can be appropriately synthesized by those skilled in the art according to the above synthetic route.
The compound of the present invention thus synthesized functions as a fluorescence sensor for detecting anions, and the mechanism for detecting anions is shown in FIG. Here, M n + is a metal ion that can be stably chelated by the cyclen.

実施例2
本発明化合物の吸収スペクトルと励起スペクトル
どの金属が我々の設計概念に最も良く合致するかを見い出すために、我々は化合物(1)のZnII、CdII、及びCuIIとの錯体、及び金属なしでの化合物(1)の吸収スペクトル及び蛍光スペクトルを測定した。化合物(1)の濃度は5mM、 金属はすべて化合物(1)を基にして1.2当量加えた。溶液は100mMのHEPES(pH 7.4)で緩衝した。尚、測定は、UV-1600 UV可視分光計(日本、京都、島津)を用いて、25℃にて5mMの濃度で実施した。更に、蛍光分光計はF-4500(日本、東京、日立)を使用した。
得られた吸収スペクトル及び励起スペクトルを図2に示す。これらの金属はサイクレンによって強く配位されることが良く知られている。図1に示すようにアニオンのセンサー検出には7-アミノ基の金属への配位が求められ、金属の配位における窒素の単独電子対の関与がそのような波長のシフトを誘導するので、望ましいスペクトルの変化は、吸収スペクトル及び励起スペクトルの青色シフトであった。
ZnII、CdII、及びCuIIととの錯体の形成が極めて緩慢なために、十分な平衡化(3時間を超える)の後スペクトルを測定した。化合物(1)の吸収スペクトルのピークは382nmであり、錯体1−ZnII、錯体1−CdII及び錯体1−CuIIのそれは、それぞれ388nm、342nm及び342nmであった。即ち、CdII、及びCuIIを化合物(1)の溶液に加えた場合、それぞれの吸収スペクトルにおける青色シフトが認められた。このことは、7-アミノ基がCdII及びCuIIに配位するという考えを支持している。錯体1−ZnIIの吸収スペクトルはわずかに赤色シフトした。この赤色シフトは、ZnIIと7-アミノ-4-トリフルオロメチルクマリンとの間に何らかの相互作用があることを示しているが、上述の理由によって7-アミノ基は多分ZnIIには配位していないものと思われる。
化合物(1)、錯体1−ZnII、及び錯体1−CdIIの励起スペクトルは、錯体1−ZnIIの蛍光強度がやや増加したが、それらの吸収スペクトルに類似していた。一方、これらに対して、CuIIの性質(CuIIイオンは種々の蛍光化合物の蛍光を失活させることは一般に知られている)のために錯体1−CuIIの蛍光は顕著に低下した。
図1に示すアニオンのセンサー検出の原理から、中心金属イオンは、7-アミノ基を含む5つの窒素原子によって配位されることが必要である。従って、100mMのHEPESを含む中性水溶液中にて化合物(1)の7-アミノ基によってZnIIが配位されなければ、錯体1−ZnIIは、アニオンセンサーとして作用することはできない。さらに、錯体1−CuIIの蛍光は強く失活させられるので、これも蛍光センサーとしては適当ではない。
従って、吸収スペクトル及び励起スペクトルに基づいて、我々は、錯体1−CdIIが、図1に示すような我々の設計概念に基づく最も良好な蛍光アニオンセンサーであるという結論に達した。
Example 2
In order to find out which metal best matches our design concept, we have complexed compound (1) with ZnII, CdII, and CuII, and compounds without metal. The absorption spectrum and fluorescence spectrum of (1) were measured. The concentration of compound (1) was 5 mM, and 1.2 equivalents of all metals were added based on compound (1). The solution was buffered with 100 mM HEPES (pH 7.4). The measurement was carried out using a UV-1600 UV-visible spectrometer (Japan, Kyoto, Shimadzu) at a concentration of 5 mM at 25 ° C. Further, F-4500 (Tokyo, Japan, Hitachi) was used as the fluorescence spectrometer.
The obtained absorption spectrum and excitation spectrum are shown in FIG. It is well known that these metals are strongly coordinated by cyclens. As shown in FIG. 1, the anion sensor detection requires coordination of the 7-amino group to the metal, and the involvement of a single electron pair of nitrogen in the metal coordination induces such a shift in wavelength. The desired spectral change was a blue shift in the absorption and excitation spectra.
The spectra were measured after sufficient equilibration (greater than 3 hours) due to the very slow formation of complexes with ZnII, CdII and CuII. The peak of the absorption spectrum of Compound (1) was 382 nm, and those of Complex 1-ZnII, Complex 1-CdII and Complex 1-CuII were 388 nm, 342 nm and 342 nm, respectively. That is, when CdII and CuII were added to the solution of compound (1), blue shifts in the respective absorption spectra were observed. This supports the idea that the 7-amino group coordinates to CdII and CuII. The absorption spectrum of complex 1-ZnII shifted slightly red. This red shift indicates that there is some interaction between ZnII and 7-amino-4-trifluoromethylcoumarin, but the 7-amino group is probably coordinated to ZnII for the reasons described above. There seems to be nothing.
The excitation spectra of Compound (1), Complex 1-ZnII, and Complex 1-CdII were similar to their absorption spectra, although the fluorescence intensity of Complex 1-ZnII was slightly increased. On the other hand, the fluorescence of complex 1-CuII was significantly reduced due to the nature of CuII (CuII ions are generally known to deactivate the fluorescence of various fluorescent compounds).
From the principle of anion sensor detection shown in FIG. 1, the central metal ion needs to be coordinated by five nitrogen atoms containing a 7-amino group. Therefore, complex 1-ZnII cannot act as an anion sensor unless ZnII is coordinated by the 7-amino group of compound (1) in a neutral aqueous solution containing 100 mM HEPES. Furthermore, since the fluorescence of the complex 1-CuII is strongly deactivated, this is also not suitable as a fluorescence sensor.
Thus, based on the absorption and excitation spectra, we have concluded that complex 1-CdII is the best fluorescent anion sensor based on our design concept as shown in FIG.

実施例3
電位差pH滴定
次に、参考文献12に詳細に記載されている手順に従って、1:1の金属-化合物(1)(0.17mMと0.5mM)錯体システム(化合物(1)・4HCO、化合物(1)・4HClO+Zn(ClO)及び化合物(1)・4HClO+Cd(ClO))について、イオン強度I=0.1M(EtNClO)、25℃にて電位差pH滴定実験を行った。配位子のプロトン化定数、金属錯体形成定数及び分布ダイヤグラムは、コンピュータ・プログラム、SUPERQUAD13及びMINIQUAD14を用いて算出した。
その結果を表1に示す。化合物(1)のプロトン化平衡定数は、9.67(logK=logb011) 及び8.39(logK= logb012- logb011)であった。他のさらに低いpKは算出できなかった。
Example 3
Potentiometric pH titration Next, according to the procedure described in detail in reference 12, 1: 1 metal - Compound (1) (0.17 mM and 0.5 mM) complex systems (Compound (1) · 4HCO 4, Compound (1 ) · 4HClO 4 + Zn (ClO 4 ) 2 and compound (1) · 4HClO 4 + Cd (ClO 4 ) 2 ), ionic strength I = 0.1M (Et 4 NClO 4 ), potential difference pH titration experiment at 25 ° C Went. Ligand protonation constants, metal complex formation constants and distribution diagrams were calculated using the computer programs SUPERQUAD 13 and MINIQUAD 14 .
The results are shown in Table 1. The protonation equilibrium constants of compound (1) were 9.67 (logK 1 = logb 011 ) and 8.39 (logK 2 = logb 012 -logb 011 ). Other more low pK a could not be calculated.

表1においてlogb110として示されるZnII及びCdIIに対する化合物(1)の安定定数を算出し、logK(錯体1−ZnII)及びlogK(錯体1−CdII)はそれぞれ10.80及び11.38であった。報告されているlogK(サイクレンZnII)及びlogK(サイクレンCdII)はそれぞれ16.2及び14.3である。化合物(1)-金属の配位形成が、サイクレンのそれと同じであるならば、logK(錯体1−ZnII)はlogK(1−CdII)よりも大きいことが期待されるが、そうはならず、すなわち、化合物(1)-金属錯体の相対的安定性の順序は、サイクレン金属錯体に比べて逆であった。この結果は、錯体1−CdIIの配位形成は、錯体1−ZnIIのそれとは異なることを示唆している。我々は、ZnIIに強く結合するアニオンが存在していなくても芳香族アミノ基がZnIIに配位するのを水分子が妨げる可能性があり、ZnIIは芳香族アミノ基によって配位されないとみなしている。一方、その結果は、CdIIが5つの窒素原子、すなわち、サイクレンの4つのアミノ基と芳香族アミノ基によってキレートされるという考えに一致している。従って、pH滴定の結果もまた、錯体1−CdIIが図1における設計原理を満たしていることを示唆している。 The stability constant of compound (1) with respect to ZnII and CdII shown as logb 110 in Table 1 was calculated, and logK (complex 1-ZnII) and logK (complex 1-CdII) were 10.80 and 11.38, respectively. The reported logK (cyclen ZnII) and logK (cyclen CdII) are 16.2 and 14.3, respectively. If the coordination formation of compound (1) -metal is the same as that of cyclen, logK (complex 1-ZnII) is expected to be larger than logK (1-CdII), but not That is, the relative stability order of the compound (1) -metal complex was reversed compared to the cyclen metal complex. This result suggests that the coordination formation of complex 1-CdII is different from that of complex 1-ZnII. We consider that water molecules may prevent the aromatic amino group from coordinating to ZnII even in the absence of an anion that binds strongly to ZnII, and that ZnII is not coordinated by the aromatic amino group. Yes. On the other hand, the results are consistent with the idea that CdII is chelated by five nitrogen atoms, ie, the four amino groups of the cyclene and the aromatic amino group. Therefore, the pH titration results also suggest that the complex 1-CdII satisfies the design principle in FIG.

実施例4
1-Cd II を用いたアニオンの蛍光検出
次に、種々のアニオンが励起スペクトルにどのような影響を持つのかを調べるために、合成した錯体1−CdII溶液(5mM)に種々のアニオンを加えた。スペクトルはすべて100mMのHEPES緩衝液(pH7.4)の存在下、25℃にて測定した。
錯体1−CdII溶液にピロリン酸ナトリウム(PPi)溶液を加えた場合、励起スペクトルは、 用量依存性に長い波長の方にシフトした。図3に示すように、10mMのPPiを加えた後、λmaxは、342nmから383nmにシフトした。錯体1−CdII溶液+10mMのPPiの励起スペクトルは、遊離の塩基(図2)のそれに類似していた(例えば、両者のピーク波長はおよそ380nmだった)。設計概念の項目で記載したように、7-アミノクマリンの場合、励起スペクトルの深色シフトは、7-アミノ基の電子密度が上昇したことを示す。このような結果は、我々が期待したように、不安定な5番目の配位子(芳香族アミノ基)が用量依存性にPPiアニオンに置き換わったことを示している(図1)。要するに、中性の水溶液において、アミノ基が分子内にあったとしても、芳香族アミノ基よりもPPiの方がCdII-サイクレンに対して大きな親和性を持っていることが示された。
Example 4
Fluorescence detection of anions using 1-Cd II Next, in order to investigate how various anions affect the excitation spectrum, various anions were added to the synthesized complex 1-CdII solution (5 mM). . All spectra were measured at 25 ° C. in the presence of 100 mM HEPES buffer (pH 7.4).
When the sodium pyrophosphate (PPi) solution was added to the complex 1-CdII solution, the excitation spectrum shifted towards longer wavelengths in a dose-dependent manner. As shown in FIG. 3, after adding 10 mM PPi, λ max shifted from 342 nm to 383 nm. The excitation spectrum of the complex 1-CdII solution + 10 mM PPi was similar to that of the free base (FIG. 2) (eg, the peak wavelength of both was approximately 380 nm). As described in the design concept section, in the case of 7-aminocoumarin, a deep color shift in the excitation spectrum indicates an increase in the electron density of the 7-amino group 7 . These results indicate that, as we expected, the unstable fifth ligand (aromatic amino group) replaced the PPi anion in a dose-dependent manner (FIG. 1). In short, it was shown that PPi has a greater affinity for CdII-cyclene than an aromatic amino group even if the amino group is present in the molecule in a neutral aqueous solution.

更に、同様な方法を用いてその他のアニオンの効果を調べ、励起スペクトルのピークにおける蛍光測定値をアニオンの濃度に対してプロットし、以下の式に従って、各アニオンに対する錯体1−CdIIから成るセンサーの見かけの解離定数(K)を算出した。
式:F=(F + Fmax[A]/K) / (1 + [A]/K)
上式において、Fはアニオンなしの最初のFの値、FmaxはFの最大値、及び[A]は溶液に加えたアニオンの最終濃度を示す。尚、アニオンはすべてナトリウム塩又はカリウム塩として加えた。Kはすべて、100mMのHEPES緩衝液(pH7.4)の条件下で算出した。
その結果を以下の表2に示す。*Kは大きすぎて計算できなかった。
In addition, the effect of other anions was investigated using similar methods, the fluorescence measurements at the peaks of the excitation spectrum were plotted against the concentration of anions, and a sensor consisting of complex 1-CdII for each anion according to the following equation: The apparent dissociation constant (K d ) was calculated.
Formula: F = (F 0 + F max [A] / K d) / (1 + [A] / K d)
In the above equation, F 0 is the first F value without anion, F max is the maximum value of F, and [A] is the final concentration of anion added to the solution. All anions were added as sodium salts or potassium salts. All K d values were calculated under conditions of 100 mM HEPES buffer (pH 7.4).
The results are shown in Table 2 below. * Kd was too large to calculate.

表2の結果から明らかなように、クエン酸塩が強い親和性を示した。リン酸塩は、おそらくプロトン化形態のためにPPiよりも極めて低い親和性を持ち、HPO 2−およびHPO は、pH7.4の水溶液では優勢な種であり、それらはPPiよりも負の荷電数が少ない。過塩素酸塩は100mMでもいかなる変化も起こさなかった。オキソ酸に関しては、多価のアニオンは一価又は二価のアニオンよりも強く錯体1−CdIIに結合した。このようなデータは、アニオンが、複数点での認識を介して、おそらく金属とサイクレン環のNHプロトンの双方によって錯体1−CdIIと相互作用していることを示唆している。
ハロゲンイオンについては、スペクトル変化は、I>Br>Cl>>Fの順で生じ、ソフト塩基度の程度を反映していた。このことは、CdIIがソフト酸であり、ソフト塩基に対して高い親和性を持つという事実に一致する。
As is clear from the results in Table 2, citrate showed a strong affinity. Phosphate has a much lower affinity than PPi, probably due to its protonated form, and HPO 4 2− and H 2 PO 4 are the dominant species in aqueous solutions of pH 7.4, which are more likely than PPi There are few negative charges. Perchlorate did not change at 100 mM. For oxoacids, the polyvalent anion bound to complex 1-CdII more strongly than the monovalent or divalent anion. Such data suggests that the anion interacts with complex 1-CdII, possibly via both metal and the NH proton of the cyclene ring, through multipoint recognition.
The halogen ion, spectral changes, I -> Br -> Cl - >> F - occur in order, reflecting the degree of soft basicity. This is consistent with the fact that Cd II is a soft acid and has a high affinity for soft bases.

さて、一部のヌクレオチドが生物における重要な役割を持つ負に荷電した有機化合物であり、特に、cAMPやcGMPのような環状ヌクレオチドは細胞内セカンドメッセンジャーとして作用するので、種々のヌクレオチドのセンサー検出は極めて重要である。そこで、次にこれらのヌクレオチドについて検討した。
第1に、4種のヌクレオシド一リン酸、AMP、GMP、CMP及びUMPを5mMの錯体1−CdII溶液に加えた。興味深いことに、GMPだけが蛍光を失活させ、ほかの3種のヌクレオチドは無機アニオンのように励起スペクトルの赤色シフトを誘発した(図4[a])。又、見かけの解離定数を表2に示す。このような結果は、励起スペクトルの形状及び解離定数がヌクレオチドの塩基に依存することを示唆している。考えられる説明の1つは、クマリンが直接、ヌクレオチドの塩基と相互作用しているということである。
2つの環状ヌクレオチド、cAMPとcGMPは、それぞれその加水分解産物であるAMPとGMPよりも錯体1−CdIIに対して低い親和性を示した。cAMPとAMPのスペクトルデータを図4[b]に示す。10mMのcAMPを加えても錯体1−CdIIに1の励起スペクトルの変化は小さかった。このスペクトルは、100mMのAMPを加えた時のスペクトルに類似していた。1mM未満のcAMPの添加では錯体1−CdIIの励起スペクトルはほとんど変化しなかった。この結果を考慮すると、AMPとcAMPの結合強度の差異はおそらくアニオン部位の数に基づくものであった。
Now, some nucleotides are negatively charged organic compounds that play an important role in living organisms, especially cyclic nucleotides like cAMP and cGMP act as intracellular second messengers, so sensor detection of various nucleotides Very important. Then, next, these nucleotides were examined.
First, four nucleoside monophosphates, AMP, GMP, CMP and UMP were added to a 5 mM complex 1-CdII solution. Interestingly, only GMP deactivated the fluorescence, and the other three nucleotides elicited a red shift in the excitation spectrum like the inorganic anion (FIG. 4 [a]). The apparent dissociation constants are shown in Table 2. These results suggest that the shape of the excitation spectrum and the dissociation constant depend on the nucleotide base. One possible explanation is that coumarin interacts directly with nucleotide bases.
Two cyclic nucleotides, cAMP and cGMP, showed lower affinity for complex 1-CdII than their hydrolyzed products, AMP and GMP, respectively. The spectrum data of cAMP and AMP are shown in FIG. 4 [b]. Even when 10 mM cAMP was added, the change in the excitation spectrum of 1 in the complex 1-CdII was small. This spectrum was similar to the spectrum when 100 mM AMP was added. The addition of cAMP less than 1 mM hardly changed the excitation spectrum of complex 1-CdII. Considering this result, the difference in binding strength between AMP and cAMP was probably based on the number of anion sites.

実施例5
アニオンのセンサー検出の可逆性
次に、アニオンのセンサー検出の可逆性について調べた。センサー検出システムが可逆的であれば、CdIIに配位するアニオンの減少が励起スペクトルの青色シフトを生じ、それが元のスペクトルに回復するはずである。PPiを結合し、PPiがCdIIに配位するのを妨げるために、PPiを含む溶液に過剰量のMgIIを加えた。1mMのPPiを含む錯体1−CdII(5mM)の溶液に10mgのMg(ClO)を加えた場合、励起スペクトルは実際に青色にシフトしてλmax 345nmであった(図5[a])。このスペクトルはPPiを含んでいない錯体1−CdIIのスペクトルにほぼ正確に一致した。
更に、ピロリン酸の加水分解の影響を調べた。無機ピロホスファターゼは、1つのピロリン酸塩を2つのリン酸イオンに変換することが知られている。リン酸塩はPPiよりも弱く錯体1−CdIIに配位するので、PPiの切断は、大量のMgIIイオンで見られたのと同じようなスペクトル変化を誘発するはずである。pH7.4にて1mMのピロリン酸塩を含む錯体1−CdII溶液に0.33U/mlの無機ピロホスファターゼと0.5mMのMg(ClO)を加えると、励起スペクトルのピークは短い波長の方に迅速にシフトした(図5[b])。これらの結果も、センサー検出メカニズムが可逆的であることを示している。
Example 5
Next, the reversibility of anion sensor detection was examined. If the sensor detection system is reversible, a decrease in the anion coordinated to CdII will cause a blue shift in the excitation spectrum, which should recover to the original spectrum. To bind PPi and prevent PPi from coordinating to CdII, an excess amount of MgII was added to the solution containing PPi. When 10 mg of Mg (ClO 4 ) 2 was added to a solution of complex 1-CdII (5 mM) containing 1 mM PPi, the excitation spectrum actually shifted to blue and was λmax 345 nm (FIG. 5 [a]). . This spectrum almost exactly coincided with the spectrum of complex 1-CdII containing no PPi.
Furthermore, the influence of pyrophosphate hydrolysis was investigated. Inorganic pyrophosphatases are known to convert one pyrophosphate into two phosphate ions 9 . Since phosphate is weaker than PPi and coordinates to complex 1-CdII, cleavage of PPi should induce a spectral change similar to that seen with large amounts of MgII ions. When 0.33 U / ml inorganic pyrophosphatase and 0.5 mM Mg (ClO 4 ) 2 are added to a complex 1-CdII solution containing 1 mM pyrophosphate at pH 7.4, the peak of the excitation spectrum becomes shorter. It shifted quickly (FIG. 5 [b]). These results also indicate that the sensor detection mechanism is reversible.

実施例6
ホスホジエステラーゼの測定
生化学的応用へのこのシステムの可能性を調べるために、我々は、ホスホジエステラーゼ(PDE)の活性をモニターすることを試みた。我々は、環状ヌクレオチドのホスホジエステルの開裂によって環状ヌクレオチドのヌクレオシド一リン酸への変換、例えば、cAMPのAMPへの変換(化2)を触媒するホスホジエステラーゼ3',5'-環状モノヌクレオチド10を用いた。そのような酵素は細胞内シグナル伝達に関与するので、その活性11を感度良く検出するシステムを開発することは極めて重要である。
Example 6
Measurement of phosphodiesterase To investigate the potential of this system for biochemical applications, we attempted to monitor the activity of phosphodiesterase (PDE). We use phosphodiesterase 3 ′, 5′-cyclic mononucleotide 10 which catalyzes the conversion of cyclic nucleotides to nucleoside monophosphates, for example, conversion of cAMP to AMP (Chemical Formula 2) by cleavage of the phosphodiester of the cyclic nucleotide. It was. Since such an enzyme is involved in intracellular signal transduction, it is extremely important to develop a system for detecting its activity 11 with high sensitivity.

実施例5で示されたように、錯体1−CdIIから成る本発明の蛍光センサーは、cAMPよりもはるかに強くAMPを認識した。従って次に、AMPの上昇をモニターすることによってPDE活性をリアルタイムで検出することを試みた。
即ち、pH7.4にて、100mMのHEPES、10mMのcAMP、10mMのCaCl及び0.02U/mlのPDEアクチベータを含む5mMの錯体1−CdIIに2U/ml(最終濃度)のPDEを加えた後、数回、励起スペクトル(放射波長は500nm)を測定した。その結果、図6[a]及び[b]に示すように、蛍光強度(励起波長:380nm/ 放射波長:500nm)は徐々に増加した。このスペクトル変化は、cAMPからAMPへの変換を示している。このような結果から、ホスホジエステラーゼ3',5'-環状ヌクレオチド活性のリアルタイム蛍光測定に本発明化合物である錯体1−CdIIが有用であることが明らかにされた。又、このアプローチは、他の酵素活性の測定に応用可能であると期待される。
As shown in Example 5, the fluorescent sensor of the present invention consisting of the complex 1-CdII recognized AMP much more strongly than cAMP. Therefore, we next attempted to detect PDE activity in real time by monitoring the rise in AMP.
That is, after adding 2 U / ml (final concentration) of PDE to 5 mM complex 1-CdII containing 100 mM HEPES, 10 mM cAMP, 10 mM CaCl 2 and 0.02 U / ml PDE activator at pH 7.4. The excitation spectrum (radiation wavelength is 500 nm) was measured several times. As a result, as shown in FIGS. 6 [a] and [b], the fluorescence intensity (excitation wavelength: 380 nm / emission wavelength: 500 nm) gradually increased. This spectral change indicates the conversion from cAMP to AMP. From these results, it was revealed that the complex 1-CdII, which is the compound of the present invention, is useful for real-time fluorescence measurement of phosphodiesterase 3 ′, 5′-cyclic nucleotide activity. This approach is also expected to be applicable to the measurement of other enzyme activities.

本発明者は、スペクトル及びpH電位差のデータに基づいて、CdIIが7位置換クマリン誘導体の7-アミノ基によって弱く配位されるので、アニオンの一部がそれを置き換えることができ、その場所でCdIIイオンに配位することができ、下が手、このような化合物から成るアニオン検出用の蛍光センサーが可逆的であることを確認した。更に、本発明者は、本発明化合物である錯体1−CdIIを用いて、環状ヌクレオチドのホスホジエステル結合を加水分解するホスホジエステラーゼ活性を水溶液中でモニターできることを証明した。このような特徴を持ったセンサーはこれまでに知られておらず、本発明化合物である錯体1−CdIIは多数の生物学的及び分析的応用で好ましいアニオンセンサーになり得る。   Based on spectral and pH potential data, the inventor has weakly coordinated CdII by the 7-amino group of the 7-substituted coumarin derivative, so that some of the anion can replace it, It was confirmed that the fluorescence sensor for anion detection composed of such a compound could be coordinated to CdII ions and was reversible. Furthermore, the present inventor has demonstrated that the phosphodiesterase activity that hydrolyzes the phosphodiester bond of a cyclic nucleotide can be monitored in an aqueous solution using the complex 1-CdII which is the compound of the present invention. A sensor having such characteristics has not been known so far, and the complex 1-CdII, which is a compound of the present invention, can be a preferred anion sensor in many biological and analytical applications.

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図1は、本発明化合物がアニオンを検出する蛍光センサーとして機能し、アニオンを検出する機構を示す。FIG. 1 shows a mechanism in which the compound of the present invention functions as a fluorescent sensor for detecting anions and detects anions. 図2は、(a)種々の金属と化合物(1)の(a)吸収スペクトル及び(b)励起スペクトル(放射波長は500nm)を示す。ここで、縦軸:(a)蛍光強度、(b)吸収度、横軸:波長である。FIG. 2 shows (a) absorption spectra and (b) excitation spectra (radiation wavelength is 500 nm) of (a) various metals and compounds (1). Here, the vertical axis: (a) fluorescence intensity, (b) absorbance, and horizontal axis: wavelength. 図3は、100mMのHEPES緩衝液(pH7.4)中で25℃にてピロリン酸ナトリウム(0、0.003、0.01、0.03、0.1、0.3、3、10mM)を加えた場合の5mMの錯体1−CdIIの励起スペクトルを示す。放射波長は500nmであり、縦軸は「蛍光強度」、横軸は「波長」である。FIG. 3 shows 5 mM complex 1-sodium pyrophosphate (0, 0.003, 0.01, 0.03, 0.1, 0.3, 3, 10 mM) added at 25 ° C. in 100 mM HEPES buffer (pH 7.4). The excitation spectrum of CdII is shown. The emission wavelength is 500 nm, the vertical axis is “fluorescence intensity”, and the horizontal axis is “wavelength”. 図4は、(a)AMP、GMP、CMP及びUMP、並びに(b)AMP及びcAMPを加えた際の5mMの錯体1−CdIIにおける励起スペクトルの比較を示す。各ヌクレオチドの濃度は10mMである。FIG. 4 shows a comparison of excitation spectra for (a) AMP, GMP, CMP and UMP, and (b) 5 mM complex 1-CdII when AMP and cAMP are added. The concentration of each nucleotide is 10 mM. 図5は、(a)1mMのNaPO(記号なし)及び1mMのNaPO+10mMのMg(ClO)(白抜きのマル)を伴った錯体1−CdIIの励起スペクトル、及び、(b)無機ピロリン酸塩を添加する前(記号なし)及び添加後20分(白抜きのマル)の1mMのNaPOを伴った錯体1−CdIIの励起スペクトルを示す。放射波長は500nmである。FIG. 5 shows (a) Complex 1 with 1 mM Na 4 P 2 O 7 (no symbol) and 1 mM Na 4 P 2 O 7 +10 mM Mg 2 (ClO 4 ) 2 (open circles). Excitation spectrum of CdII and (b) Complex 1-CdII with 1 mM Na 2 P 4 O 7 before addition of inorganic pyrophosphate (no symbol) and 20 minutes after addition (open circle) An excitation spectrum is shown. The emission wavelength is 500 nm. 図6は、ホスホジエステラーゼ活性の測定における、(a)錯体1−CdIIの励起スペクトルの変化(放射波長は500nm)、及び(b)蛍光強度-時間のプロット(励起/放射波長は380nm/500nm)を示す。FIG. 6 shows (a) change in excitation spectrum of complex 1-CdII (emission wavelength is 500 nm) and (b) plot of fluorescence intensity-time (excitation / emission wavelength is 380 nm / 500 nm) in the measurement of phosphodiesterase activity. Show.

Claims (3)

下記の式1で示される化合物の蛍光色素の励起スペクトルのシフトを測定することからなる、ピロリン酸を用量依存的に蛍光検出する方法。
式1
A method for detecting fluorescence of pyrophosphate in a dose-dependent manner, comprising measuring a shift of an excitation spectrum of a fluorescent dye of a compound represented by the following formula 1.
Formula 1
化合物の蛍光色素の励起スペクトルの長波長側へのシフトを検出することを特徴とする、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein a shift of the excitation spectrum of the fluorescent dye of the compound toward the long wavelength side is detected. 遷移金属がカドミウムである、請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the transition metal is cadmium.
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