KR101047101B1

KR101047101B1 - 2가 수은 이온 선택성을 갖는 나일 블루 유도체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 2가 수은 이온 검출 방법

Info

Publication number: KR101047101B1
Application number: KR1020090081436A
Authority: KR
Inventors: 김종승; 이민희
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-07-07
Also published as: KR20110023505A

Abstract

본 발명은 2가 수은 이온 선택성을 갖는 하기 화학식 1의 나일 블루(Nile blue) 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 2가 수은 이온 검출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실온, 생체 pH 범위 및 100% 수성 환경 하에서도 고효율로 발색 및 형광 반응을 야기하고, 특히 다른 금속 이온들이 존재하더라도 2가 수은 이온만에 대해서 높은 선택성 및 감도 (1.0 ppb 이하)를 지니므로, 우수한 수은 검출용 화학량계로 사용될 수 있는 하기 화학식 1의 나일 블루(Nile blue) 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 2가 수은 이온 검출 방법에 관한 것이다:

[화학식 1]

Description

2가 수은 이온 선택성을 갖는 나일 블루 유도체, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 2가 수은 이온 검출 방법{Nile blue derivatives having Hg(II) ion selectivity, method for preparing therefor, detecting method using the same}

본 발명은 2가 수은 이온 선택성을 갖는 나일 블루 (Nile blue) 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 2가 수은 이온 검출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실온, 생체 pH 범위 및 100% 수성 환경 하에서도 고효율로 발색 및 형광 반응을 야기하고, 특히 다른 금속 이온들이 존재하더라도 2가 수은 이온만에 대해서 높은 선택성 및 감도 (1.0 ppb 이하)를 지니므로, 우수한 수은 검출용 화학량계로 사용될 수 있는 나일 블루(Nile blue) 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 2가 수은 이온 검출 방법에 관한 것이다.

수은, 카드뮴 및 납 등과 같은 중금속들은 생체 내 축적 및 함량 증가가 용이하고, 자연환경 중에서 지속적으로 존재한다는 점 때문에 이러한 중금속들에 대한 화학센서에 대해서 지속적인 관심을 유발하고 있다. 특히, 광학적 탐침을 이용한 수은 이온의 검출은 수은 이온의 생체 내 강한 독성 때문에 급속하게 성장하는 분야이다. 수은 염은 고농도의 수은 오염물을 발생시키는 전기 장치, 촉매, 페인트 및 광물 부산물 등과 같은 다양한 산업 물질들 중에 존재한다. 메틸수은의 경우 인체 내에 흡수되면 감각, 운동 및 신경계 손상으로부터 유래되는 여러 중증 질환들을 야기한다. 예를 들어, 임산부가 메틸수은을 섭취하면 흡수된 메틸수은이 태반을 통과하여 태아의 뇌 및 중추신경계로 이동하며, 태아의 발생과정을 지연시킬 수도 있다. 따라서, 수은 이온을 선택적으로 민감하게 검출할 수 있는 분석 방법에 대한 필요성이 시급한 실정이다.

잠재적인 검출 시스템으로서, 화학량계 (chemodosimeter)는 최근에 많은 관심을 받고 있는데, 이는 화학량계가 특정 금속 이온과 선택적으로 화학 반응을 일으켜서 독특한 광학적 변화를 야기하기 때문이다. 실제로, Hg²⁺ 이온의 선택적 검출을 위한 많은 형광 화학량계가, 수은-탈황 반응에 기초해서 고안된 바 있다 ((a) Dujols, V.; Ford, F.; Czarnik, A. W. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 7386. (b) Hennrich, G.; Walther, W.; Resch-Genger, U.; Sonnenschein, H. Inorg. Chem. 2001, 40, 641. (c) Liu, B.; Tian, H. Chem. Commun. 2005, 3156. (d) Yang, X.-F.; Lia, Y.; Bai, Q. Anal. Chim. Acta 2007, 584, 95. (e) Song, K. C.; Kim, J. S.; Park, S. M.; Chung, K.-C.; Ahn, S.; Chang, S.-K. Org. Lett. 2006, 8, 3413. (f) Zhang, X.; Xiao, Y.; Qian, X. Angew. Chem.,Int. Ed. 2008, 47, 8025.).

비록 이러한 노력들이 금속 이온 선택성, 장범위 여기 (long-range excitation) 및 발광 파장, 및 고양자율에 관한 수은 화학량계들의 성능을 개선시 켰지만, 그 생물학적 시료들에 대한 응용은 많은 곤란을 겪고 있다. 이는 이러한 화학량계들이 수용성이 매우 낮고, 감도가 높지 않기 때문이다.

따라서, 환경 및 생물학 분야에 다양하게 응용될 수 있기 위해서는, 100% 수성 환경 하에서도 Hg²⁺ 이온을 높은 감도로 검출할 수 있는 화학량계 화합물에 대한 필요성이 절실하다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 100% 수성 환경 하에서도 Hg²⁺ 이온을 높은 감도로 검출할 수 있고, 높은 수용성 및 형광 강도를 갖는 나일 블루 (Nile blue) 유도체를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 2가 수은 이온 검출용 나일 블루 유도체의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 나일 블루 유도체를 이용하여 2가 수은 이온을 검출하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 2가 수은 이온 선택성을 갖는 하기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체를 제공한다:

본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 하기 화학식 2의 화합물과 하기 화학식 3의 나프탈렌 유도체를 하기 반응식 1에 따라 반응시킴으로써 하기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체를 제조하는 방법을 제공한다:

[반응식 1]

본 발명은 상기 세 번째 과제를 해결하기 위하여, 하기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체를 이용하여 시료 중에서 2가 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다:

[화학식 1]

.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 2가 수은 이온의 검출은 2가 수은 이온 결합에 따른 흡광도 변화를 측정하여 이루어지는 것일 수 있으며, 예를 들어 최대 흡광도를 나타내는 파장값의 변화를 측정하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 2가 수은 이온의 검출은 형광 변화 측정에 의해 이루어지는 것일 수 있으며, 예를 들어 최대 형광 강도를 나타내는 파장값의 변화를 측정하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 나일 블루 유도체는 실온, 생체 pH 범위 및 100% 수성 환경 하에서도 고효율로 발색 및 형광 반응을 야기하고, 특히 다른 금속 이온들이 존재하더라도 2가 수은 이온만에 대해서 높은 선택성 및 감도 (1.0 ppb 이하)를 지니므로, 우수한 수은 검출용 화학량계로 사용될 수 있다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 2가 수은 이온 선택성을 갖는 나일 블루(Nile blue) 유도체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:

[화학식 1]

.

상기 화학식 1에 따른 화합물은 630nm에서 광을 흡수하고, 652nm에서 광을 방출한다. 또한, 더욱 중요한 특성으로서, 그 염화물 염은 수용액 환경 하에서도 높은 수용성 및 강한 형광 방출 특성을 갖는다. 상기 화학식 1의 화합물이 Hg²⁺ 이온과 반응하는 경우에는, 탈황에 기초한 고리화 과정이 진행되고, 이어서 광흡수 파장 및 발광 파장의 이동이 수반된다. 따라서, 상기 화학식 1에 따른 화합물은 2가 수은 이온에 대한 훌륭한 화학량계로서의 가능성을 내포한다. 본 발명에서는 화 학식 1에 따른 화합물의 생물학적 적용 가능성을 입증하기 위해서, 우혈청 알부민 및 인간 혈청을 사용하는 다양한 실험들을 수행하였다.

본 발명에 따른 나일 블루 유도체는 알코올 및 H⁺의 혼합 용액 중에서 하기 화학식 2의 화합물과 하기 화학식 3의 나프탈렌 유도체를 반응시킴으로써 제조할 수 있다.

[반응식 1]

본 발명에서는 전술한 방법에 의해서 제조된 화학식 1에 따른 화합물 중 N-페닐티오우레아 기에 대한 특성을 비교 분석하기 위해서, 상기 화학식 1의 화합물 중 해당 부분만이 존재하지 않는 하기 화학식 5에 따른 참조 화합물을 제조하였다. 상기 화학식 5에 따른 화합물은 상기 화학식 2에 따른 화합물에 하기 화학식 4에 따른 화합물을 반응시킴으로써 제조할 수 있다.

하기 반응식 1에는 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물 및 참조 화합물로서 화학식 5의 화합물 제조에 대한 개략적인 반응도를 도시하였다. 화합물 1 및 참조 화합물에 대한 동정은 ¹H NMR, ¹³C NMR 및 FAB-MS 등의 분석 방법에 의해서 수행하였다.

도 1에는 화합물 1과 K⁺, Na⁺, Hg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺ 및 Fe²⁺의 Cl^- 염을 반응시킨 경우의 흡수 스펙트럼을, 도 2에는 형광 스펙트럼을 도시하였다. 또한, 도 3에는 다양한 다른 금속 이온들이 존재하는 경우에 화합 물 1의 금속 이온 선택성을 알아보기 위한 형광 스펙트럼을, 도 4에는 친티오기 양이온들이 존재하는 경우에 화합물 1의 624nm에서의 형광 강도를 나타낸 그래프를 도시하였다.

도 1을 참조하면, 다양한 금속 이온들을 첨가하는 경우에 화합물 1은 630 nm (ε) 1.9 × 10⁴ M^-1 cm^-1) 및 592 nm (ε ) 1.6 × 10⁴ M^-1 cm^-1)에서 최대 흡수값을 나타낸다는 사실을 알 수 있으며, Hg²⁺ 이온의 첨가에 따라서, 최대 흡수값을 나타내는 파장은 583 nm (ε ) 1.2 × 10⁴ M^-1 cm^-1) 및 546 nm (ε) 1.6 × 10⁴ M^-1 cm^-1)로 이동된다.

도 2를 참조하면, Hg²⁺ 이온이 존재하는 경우에만 652 nm (Φ_F ) 0.20)로부터 626 nm (Φ_F ) 0.35)로의 청색 이동이 관찰되며, 형광 강도도 증가함을 알 수 있다.

도 3에는 양이온 경쟁실험의 결과가 도시되어 있으며, 도 3으로부터, Hg²⁺ 이온에 대한 화합물 1의 선택성 및 감도는 Na⁺, K⁺, Ca²⁺ 및 Mg²⁺와 같은 다른 생물학적으로 활성인 금속 이온들에 의해서 영향을 받지 않는다는 사실을 알 수 있다. 화합물 1은 Zn²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Ba²⁺ 및 Ni²⁺와 같은 중금속 및 전이금속 양이온들이 존재하는 고도로 오염된 조건 하에서도 높은 Hg²⁺ 선택적 화학량계 반응성을 보유한다. 더욱이, 화합물 1은 다른 양이온들이 존재하는 경우에도, Hg²⁺ 이온과 반응하게 되면 육안으로도 관찰 가능한 수준의 발색 반응을 나타낸다 (도 3 내부 사진 참조).

도 4에는 화합물 1의 다른 친티오기 금속 양이온들 (Cu²⁺ 및 Ag⁺)에 대한 반응성을 도시하였으며, 반응성은 624 nm에서의 형광 강도로 표시하였다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, (Cu²⁺ 및 Ag⁺) 함유 시료 용액에서는 어떠한 형광 방출 변화도 관찰되지 않았으며, 따라서, 화합물 1은 다른 친티오기 금속 양이온들에 대해서는 전혀 반응성을 나타내지 않는다는 사실을 알 수 있다.

본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 또한 2가 수은 이온에 대해서 우수한 감도를 갖는다. 도 5a 및 5b에는 화합물 1의 검출 한계를 도시하였으며, 화합물 1의 2가 수은 이온 농도에 따른 형광 적정곡선을 도시하였다. 도 5a 및 5b로부터, 화합물 1은 Hg²⁺ 수용액 중에서 ~1.0 ppb 수준까지도 Hg²⁺를 검출할 수 있으며, 이는 U.S. EPA에서 허용되는 음용수 중의 2가 수은 이온 농도 수준 (2.0 ppb)보다 훨씬 더 낮은 수준임을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 화합물 1 중에서 화학량계로서 작용하는 잔기가 어느 것인지를 확인하기 위해서, N-페닐티오우레아 잔기가 존재하지 않는 화학식 5에 따른 화합물을 제조하였으며, 그 흡수 또는 형광 스펙트럼을 관찰한 결과, 다양한 금속 이온들을 첨가해주어도 흡수 또는 형광 스펙트럼의 변화가 전혀 관찰되지 않았다. 이는 화합물 1 중 N-페닐티오우레아 잔기가 2가 수은 이온에 대한 화학량계 반응을 조절하는데 중요한 역할을 함을 암시한다.

한편, 나프탈렌기를 갖는 화학식 3의 화합물을 사용하여 다양한 금속 이온들 존재하에서의 스펙트럼 변화를 관찰해 보면, 화합물 1과 마찬가지로, 2가 수은 이온 첨가시에 화합물 3 역시 그 흡수 및 형광 스펙트럼의 청색 이동 현상이 관찰된다. 이는 Hg²⁺-유도 탈황반응에 의해서 이미다졸린 산물 ('Imida-3'로 명명)이 생성되는 것에 기인한다.

상기 실험 결과들로부터, 친티오성 2가 수은 이온이 화합물 1의 고리화를 야기하고, 이어서 탈황반응이 일어남으로써 이미다졸린 유도체 ('Imida-1'으로 명명)가 생성됨을 알 수 있다. 생성된 Imida-1은 화합물 1의 분자내 전하 수송을 억제하고, 결과적으로 현저한 흡수 및 발광 스펙트럼 변화가 수반된다. 하기 반응식 2에는 수은 2가 이온 첨가에 따라서 Imida-1이 생성되는 반응을 개략적으로 도시하였다.

도 6에는 Imida-1의 결정 구조를 도시하였으며, N-H 수소 결합이 N-HO (ClO₄ ^- 또는 H₂O) 수소 결합에 관여함을 도 6으로부터 알 수 있다. 페닐 (C1-C6) 및 이미다졸린 (N2, N3, 및 C7-C9) 잔기들은 각각 면각 76.5(1)°및 66.5(1)°로 분자 평면 (O1, N4, 및 C10-C25)으로부터 상당히 뒤틀려져 있다. 한편, Imida-1의 결정을 물에 녹인 후에 그 흡수 및 형광 스펙트럼을 화합물 1 + Hg²⁺ 이온과 비교해 본 결과, 그 흡수 및 형광 스펙트럼이 동일하였으며, 이는 Hg²⁺ 이온에 의해서 유도된 탈황 반응 결과물로서 Imida-1이 생성되었음을 의미한다.

Hg²⁺ 이온에 의한 화합물 1의 탈황 반응에 있어서, 다른 킬레이팅 화합물들로부터의 간섭 가능성을 조사해 보기 위해서 Hg²⁺ 이온 존재 하에서 화합물 1의 용액에 EDTA를 첨가해 주었다. Hg²⁺ 이온에 의해서 야기되는 화합물 1의 청색-이동 흡수 밴드는 고농축의 EDTA를 첨가해 준 경우에도 아무런 변화를 나타내지 않았으며, 이러한 사실은 다른 화학센서들과는 달리 화합물 1은 Hg²⁺ 이온의 첨가에 의해서 비가역적인 화학 반응을 겪게 됨을 암시한다.

pH의 함수로서 화합물 1의 흡수 및 발광 스펙트럼 변화를 수용액 중에서 조사한 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7로부터, pH 범위 2~9 이내에서 600nm에서의 형광 강도가 변화함을 알 수 있는데, 이러한 pH 범위는 대부분의 생물학적 시료들 이 테스트되어질 수 있는 범위이다. 더 나아가, 화합물 1의 Hg²⁺ 이온 검출 능력을 5.0 μm의 2가 수은 이온으로 오염된 탈단백 혈장 중에서 조사해 본 결과, 화합물 1의 발광 밴드가 즉시 청색 이동됨을 알 수 있었다. 이는 화합물 1이 인간 혈액 샘플 중에 서브마이크로몰 수준의 농도로 존재하는 2가 수은 이온까지도 검출할 수 있는 우수한 감도를 갖는다는 사실을 의미한다 (도 8 참조).

한편, Hg²⁺ 이온은 인간 혈청 중에서 가장 풍부하게 존재하는 혈장 단백질인 알부민에 결합하여 Hg²⁺-알부민 복합체를 형성하는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나, 매우 높은 농도의 농축 우혈청 알부민 (0.1 mg/mL) 존재하에서도 화합물 1의 형광 특성은 Hg²⁺ 이온이 존재하면 선택적으로 변화하였다. 이러한 결과들은 화합물 1이 생물학적 시료들 중에서 선택적이면서도 고감도로 Hg²⁺ 이온을 검출할 수 있는 화학량계 화합물이 될 수 있음을 시사한다.

그러므로, 본 발명은 화합물 1의 전술한 특성들에 기반하여, 상기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체를 이용하여 시료 중에서 2가 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 2가 수은 이온의 검출은 2가 수은 이온 결합에 따른 흡광도 변화를 측정하여 이루어지는 것일 수 있으며, 예를 들어 최대 흡광도를 나타내는 파장값의 변화를 측정하여 이루어질 수 있다. 즉, 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 다양한 금속 이온들을 첨가하는 경우에 화합물 1은 630 nm 및 592 nm에서 최대 흡광도를 나타내지만, Hg²⁺ 이온이 첨가되면 최대 흡광도를 나타내는 파장은 583 nm 및 546 nm로 이동되므로, 이러한 특성은 시료 중에서 2가 수은 이온을 검출할 수 있는 훌륭한 기초를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 2가 수은 이온의 검출은 형광 변화 측정에 의해 이루어지는 것일 수 있으며, 예를 들어 최대 형광 강도를 나타내는 파장값의 변화를 측정하여 이루어질 수 있다. 즉, 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 화합물 1은 Hg²⁺ 이온이 존재하는 경우에만 652 nm (Φ_F ) 0.20)로부터 626 nm (Φ_F ) 0.35)로의 청색 이동이 관찰되며, 형광 강도도 증가하므로, 이러한 특성은 시료 중에서 2가 수은 이온을 검출할 수 있는 훌륭한 기초를 제공한다.

본 발명에서는 전술한 화합물 1의 성질들을 활용하여, 상기 화합물 1을 이용하여 2가 수은 이온을 검출하기 위한 화학센서를 제공한다.

화학식 1에 따른 화합물은 실온, pH 2~9 범위에서 고효율로 발색 및 형광 반응을 야기하고, 특히 다른 금속 이온들이 존재하더라도 2가 수은 이온만에 대해서 높은 선택성 및 감도 (1.0 ppb 이하)를 지니므로, 우수한 수은 검출용 화학량계로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 화합물 1이 수계 중에서 2가 수은 이온을 선택적이고 민감하게 검출해 내므로, 생물학 및 환경학적 응용면에서 넓은 활용도를 갖는 화학센서로 응용될 것이라는 점을 알 수 있다.

하기 반응식 1에 따라서 본 발명에 따른 화학식 1의 나일 블루 유도체 및 참조 화합물로서 화합물 5를 합성하였다.

[반응식 1]

실시예 1 : 본 발명에 따른 화학식 1의 나일 블루 유도체 합성

실시예 1-(1): 화학식 3의 나프탈렌 유도체 제조

CH₃CN (50 ml) 중의 N-(1-나프틸)에틸렌디아민 (2 g, 7.72 mmol) 용액에 이소티오시아나토벤젠(1.46 ml, 7.72 mmol)과 트리에틸아민(5.38 ml, 38.58 mmol)을 첨가한 후, 1시간 동안 환류시켰다. 반응생성물을 감압하에 농축시키고, CH₂Cl₂ (100 ml)에 용해시켰다. 유기층을 물(3x300 ml)로 세척한 후, 무수황산나트륨하에서 건조시켰다. 그 다음 감암하에 용액을 증발시킨 후 칼럼 크로마토그래피(실리카, 에틸아세테이트/헥산, 1:4)를 통해 정제하여 무색 오일 형태로 화학식 3의 나 프탈렌 유도체 2.35 g을 얻었다.(수율 95 %)

IR (deposit from CH₂Cl₂ solution on a NaCl plate, cm^-1): 3355, 2360, 1704, 1535. FAB-MS m/z (M⁺) calcd 321.1, found 321. ¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz): δ 8.50 (s, 1 H); 7.85 (d, 1 H, J = 8.20 Hz); 7.72 (d, 1 H, J = 7.84 Hz); 7.40 (m, 2 H); 7.11 (m, 7 H); 6.63 (s, 1 H); 6.51 (d, 1 H, J = 7.44 Hz); 5.13 (s, 1 H); 3.99 (m, 2 H); 3.41 (t, 2 H, J = 5.58 Hz). ¹³C NMR (CDCl₃, 100 MHz): 181.0, 143.1, 136.1, 134.1, 129.8, 128.3, 126.8, 126.3, 125.6, 124.9, 124.6, 123.3, 120.5, 117.3, 103.7, 44.0, 43.7 ppm.

실시예 1-(2): 화학식 1의 화합물의 제조

차가운 5-(에틸아미노)-4-메틸-2-니트로소페놀 (화학식 2) (0.20 mg, 1.11 mmol) 에탄올(2 ml) 용액에, 나프탈렌 유도체 (화학식 3) (0.40, 1.11 mmol)와 염산(1 ml)을 첨가했다. 상기 혼합물을 4시간 동안 환류시킨 후 TLC로 관찰했다. 감압하에서 용매를 증발시키고, 칼럼 크로마토그래피(실리카, 메틸렌, 클로라이드/메탄올, 10:1)를 이용하여 정제하여 청색 고형 물질로서 화학식 1의 화합물을 제조했다(0.48 g, 90 %).

Mp 230 240 ℃ IR (deposit from MeOH solution on a NaCl plate, cm^-1): 3210, 1590, 1450, 1300. FAB-MS m/z (M⁺) calcd 482.2, found 482.¹H NMR (CD₃OD, 400 MHz): δ 8.53 (d, 1 H, J = 11.28 Hz); 8.11 (d, 1 H, J = 10.80 Hz); 7.81 (t, 1 H, J = 9.38 Hz); 7.37 ~ 7.29 (m, 5 H); 7.20 (m, 1 H); 6.90 (s, 1 H); 6.51 (s, 1 H). ¹³C NMR (CD₃OD, 100 MHz): 156.4, 138.8, 132.5, 132.0, 130.8, 128.6, 126.8, 125.6, 124.6, 94.8, 45.4, 43.4, 39.5, 17.4, 13.9 ppm.

실시예 2: 화학식 5의 화합물의 제조

5-(에틸아미노)-4-메틸-2-니트로소페놀(화학식 2)(0.30 mg, 1.67 mmol)의 냉온 에탄올(2 ml) 용액에 화학식 4의 화합물(0.26, 1.67 mmol)과 진한 염산(1 ml)을 첨가했다. 상기 혼합물을 4시간 동안 환류시킨 후, 감압하에 용매를 제거하고, 조생성물을 칼럼 크로마토그래피(실리카, 메틸렌 클로라이드/메탄올, 9:1) 하여 정제하여 청색 고형물 상태의 화학식 5의 화합물을 제조했다(0.48 g, 90 %).

Mp 250 260 ℃ IR (deposit from MeOH solution on a NaCl plate, cm^-1): 3239, 2360, 1596, 1319. FAB-MS m/z (M⁺) calcd 318.16, found 318. ¹H NMR (CD₃OD, 400 MHz): δ 8.74 (d, 1 H, J = 7.95 Hz) 8.16 (d, 1 H, J = 7.83 Hz); 7.84 (t, 1 H, J = 7.25 Hz); 7.75 (t, 2 H, J = 7.11 Hz); 7.496 (s, 1 H); 6.71 (s, 1 H); 3.48 (q, 2 H, J = 7.05 Hz); 3.26 (s, 1 H); 2.27 (s, 3 H); 1.37 (t, 3 H, J = 6.40 Hz). ¹³C NMR (CD₃OD, 100 MHz): 157.9, 155.8, 150.9, 147.8, 132.6, 132.0, 131.9, 130.7, 130.2, 128.0, 124.6, 123.4, 94.0, 93.2, 39.6, 31.4, 17.7, 14.0 ppm.

실험예 1 : 흡광 및 형광 분석

100% 증류수 중에서 실시예 1로부터 제조된 화합물의 저장 용액을 제조하였으며, 모든 광화학적 실험들은 다른 유기 용매 없이 pH 7.4, 10mM HEPES 완충용액 중에서 수행하였다.

도 1을 참조하면, 다양한 금속 이온들을 첨가하는 경우에 화합물 1 (10.0 μM)은 630 nm (ε) 1.9 × 10⁴ M^-1 cm^-1) 및 592 nm (ε ) 1.6 × 10⁴ M^-1 cm^-1)에서 최대 흡수값을 나타낸다는 사실을 알 수 있으며, Hg²⁺ 이온의 첨가에 따라서, 최대 흡수값을 나타내는 파장은 583 nm (ε ) 1.2 × 10⁴ M^-1 cm^-1) 및 546 nm (ε) 1.6 × 10⁴ M^-1 cm^-1)로 이동된다. 도 2를 참조하면, Hg²⁺ 이온이 존재하는 경우에만 652 nm (Φ_F ) 0.20)로부터 626 nm (Φ_F ) 0.35)로의 청색 이동이 관찰되며, 형광 강도도 증가함을 알 수 있다 (화합물 1 농도: 5.0 μM, 여기 파장: 540nm).

실험예 2: 다른 금속 이온들과의 경쟁 실험

Hg²⁺ 이온에 대한 화합물 1의 선택성 및 감도를 알아보기 위해서, Na⁺, K⁺, Ca²⁺ 및 Mg²⁺와 같은 다른 생물학적으로 활성인 금속 이온들 (1.0mM, 200당량)의 존재 하에서 형광 강도를 측정하였다. 또한, Zn²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Ba²⁺ 및 Ni²⁺와 같은 중금속 및 전이금속 양이온들 (각각 25.0 μM) 존재하에서도 형광 강도를 측정하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 화합물 1은 다른 경쟁 양이온들이 고농도로 존재하는 상태에서도 Hg²⁺에 대해서 높은 선택성을 가지고 반응한다. 도 3에서, 각각, A는 화합물 1만이 단독으로 존재하는 상태를, B는 화합물 1과 25 μM의 Hg²⁺ 이온이 존재하는 상태를, C는 화합물 1과 25.0 μM의 Hg²⁺ 이온 및 다른 금속 이온들 (Na⁺ + K⁺ + Ca²⁺ + Mg²⁺ 각각 1.0 mM)이 존재하는 상태를, D는 화합물 1과 25.0 μM의 Hg²⁺ 이온 및 다른 금속 이온들 (Zn²⁺+ Cd²⁺+ Co²⁺+ Fe²⁺+ Ba²⁺ + Ni²⁺ 각각 25.0 μM)를 나타내며, 내부 도면은 A 내지 D의 색상 변화를 나타낸 사진이다.

실험예 3: 화합물 1의 감도 측정 실험

pH 7.4, 실온에서 화합물 1 (5.0 μM)의 Hg²⁺ 이온 (0-20.0 ppb)에 대한 652nm에서의 형광 반응 (도 5a) 및 스펙트럼 변화 (도 5b)를 측정하였다 (여기 파장: 610nm). 도 5a 및 5b로부터, 화합물 1은 Hg²⁺ 수용액 중에서 ~1.0 ppb 수준까지도 Hg²⁺를 검출할 수 있으며, 이는 U.S. EPA에서 허용되는 음용수 중의 2가 수은 이온 농도 수준 (2.0 ppb)보다 훨씬 더 낮은 수준임을 알 수 있다.

실험예 4: 킬레이팅 화합물에 의한 간섭 실험

Hg²⁺ 이온에 의한 화합물 1의 탈황 반응에 있어서, 다른 킬레이팅 화합물들로부터의 간섭 가능성을 조사해 보기 위해서 Hg²⁺ 이온 존재 하에서 화합물 1의 용액에 EDTA를 첨가해 주었다 (9.0 mM). Hg²⁺ 이온에 의해서 야기되는 화합물 1의 청색-이동 흡수 밴드는 고농축의 EDTA를 첨가해 준 경우에도 아무런 변화를 나타내지 않았으며, 이러한 사실은 다른 화학센서들과는 달리 화합물 1은 Hg²⁺ 이온의 첨가에 의해서 비가역적인 화학 반응을 겪게 됨을 암시한다.

실험예 5: pH 변화에 따른 흡수 및 발광 스펙트럼 변화

pH의 함수로서 화합물 1 (5.0 μM)의 흡수 및 발광 스펙트럼 변화를 수용액 중에서 조사한 결과를 도 7에 도시하였다. 2 내지 13 범위에서 pH가 변화하는 경우에, 5.0 당량의 Hg²⁺ 이온을 첨가해 준 경우 (그래프에서 청색선)와 첨가해 주지 않은 경우 (그래프에서 흑색선)를 구별하여 그래프에 도시하였다. 도 7로부터, pH 범위 2~9 이내에서 600nm에서의 형광 강도가 변화함을 알 수 있는데, 이러한 pH 범위는 대부분의 생물학적 시료들이 테스트되어질 수 있는 범위이다.

실험예 6: 인간 혈액 샘플에 대한 발광 스펙트럼 변화

Hg²⁺ 이온이 존재하는 경우 (5.0 당량)와 그렇지 않은 경우에, HEPES 완충용액 중의 10% 인간 혈장 (pH 7.4)에서, 화합물 1 (5.0 μM)의 발광 스펙트럼을 조사하였다 (여기 파장: 540 NM).

도 8로부터, 화합물 1의 발광 밴드가 즉시 청색 이동됨을 알 수 있으며, 이는 화합물 1이 인간 혈액 샘플 중에 서브마이크로몰 수준의 농도로 존재하는 2가 수은 이온까지도 검출할 수 있는 우수한 감도를 갖는다는 사실을 의미한다.

더 나아가, 매우 높은 농도의 농축 우혈청 알부민 (0.1 mg/mL) 존재하에서도 화합물 1의 형광 특성은 Hg²⁺ 이온이 존재하면 선택적으로 변화하였으며, 이로부터 화합물 1이 생물학적 시료들 중에서 선택적이면서도 고감도로 Hg²⁺ 이온을 검출할 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 화합물 1과 K⁺, Na⁺, Hg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺ 및 Fe²⁺의 Cl^- 염을 반응시킨 경우의 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 화합물 1과 K⁺, Na⁺, Hg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺ 및 Fe²⁺의 Cl^- 염을 반응시킨 경우의 형광 스펙트럼을 도시한 도면이다.

도 3은 다양한 다른 금속 이온들이 존재하는 경우에 화합물 1의 금속 이온 선택성을 알아보기 위한 형광 스펙트럼을 도시한 도면이다.

도 4는 친티오기 양이온들이 존재하는 경우에 화합물 1의 624nm에서의 형광 강도를 나타낸 그래프이다.

도 5a 및 5b는 화합물 1의 검출 한계를 알아보기 위한 형광 반응 (5a) 및 스펙트럼 변화 (5b)를 도시한 그래프이다.

도 6은 2가 수은 이온 존재 하에서, 화합물 1의 고리화에 의해서 생성된 이미다졸린 유도체 (Imida-1)의 결정 구조를 도시한 도면이다.

도 7은 pH의 함수로서 화합물 1의 흡수 및 발광 스펙트럼 변화를 수용액 중에서 조사한 결과를 도시한 도면이다.

도 8은 Hg²⁺ 이온이 존재하는 경우 (5.0 당량)와 그렇지 않은 경우에, HEPES 완충용액 중의 10% 인간 혈장 (pH 7.4)에서, 화합물 1 (5.0 μM)의 발광 스펙트럼을 도시한 도면이다.

Claims

2가 수은 이온 선택성을 갖는 하기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체:

[화학식 1]
하기 화학식 2의 화합물과 하기 화학식 3의 나프탈렌 유도체를 하기 반응식 1에 따라 반응시킴으로써 하기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체를 제조하는 방법:

[반응식 1]
하기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체를 이용하여 시료 중에서 2가 수 은 이온을 선택적으로 검출하는 방법:

[화학식 1]

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제3항에 있어서, 상기 2가 수은 이온의 검출은 상기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체와 2가 수은 이온의 결합에 따른 최대 흡광도를 나타내는 파장값의 변화를 측정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 2가 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 2가 수은 이온의 검출은 상기 화학식 1로 표시되는 나일 블루 유도체와 2가 수은 이온의 결합에 따른 최대 형광 강도를 나타내는 파장값의 변화를 측정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.