KR101171801B1 - 수은 이온 검출용 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 형광 화학 검출 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수은 이온 검출용 화합물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 형광 화학검출 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 형광 화학검출 시스템은 하기 반응에 따라 화학식 1로 표시되는 프로브 및 o-페닐렌디아민(o-phenylenediamine, o-PDA)을 이용하여 수용액 상에서 다른 금속 이온의 존재하에서도 수은 이온을 효과적으로 검출할 수 있다.

Description

수은 이온 검출용 화합물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 형광 화학 검출 시스템{COMPOUND FOR DETECTING MERCURY ION, PREPARATION METHOD OF THE SAME AND FLUOROGENIC CHEMODOSIMETRIC SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 수은 이온 검출용 화합물 및 이를 포함하는 형광 화학 검출 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 분자간 반응을 기초로 하여 수은의 존재 여부 및 농도를 효과적으로 검출할 수 있는 수은 이온 검출용 화합물 및 이를 이용한 신규한 형광 화학검출 시스템에 관한 것이다.

최근 중금속 및 전이금속(heavy- and transition-metal, HTM）이온들의 생물체 및 환경에 대한 유해한 영향으로 인해 이들 금속의 검출 및 정량화에 대한 관심이 높아가고 있다. 특히, 상기 HTM 성분 중 수은은 미생물 및 환경에 있어서 낮은 농도에서도 큰 독성을 나타낸다. 사람이 섭취하였을 때, 메틸수은은 감각계, 근육계, 신경계 등의 질환을 포함하는 심각한 질환을 야기시킨다고 알려져 있다.

종래에 수은 이온을 검출하기 위한 많은 정밀한 분석방법으로 형광 화학센서(fluorescent chemosensors)가 개발되어 왔으며, 최근에는 간편함, 높은 감도, 높은 선택성 및 비가역성에 기인하여 케모도시미터적 접근이 매우 높은 관심을 받고 있다. 이러한 검출 기술은 대부분은 수은 유발된 탈황반응(desulfurization)을 기초로 하여 설계되었다.

그러나 탈황반응을 보다 효과적으로 수은 이온을 검출하기 위한 형광 염료 및 이를 이용한 형광 화학 검출 시스템에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분자간 반응을 기초로 하여 수은 이온의 존재 및 농도를 보다 효과적으로 검출할 수 있는 수은 이온 검출용 화합물, 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상기 수은 이온 검출용 화합물을 이용한 형광 화학 검출 시스템과 검출 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 하기 화학식 1로 표시되는 수은 이온 검출용 화합물을 제공한다.

[화학식 1]

또한 본 발명은 하기 반응식 1에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제1항의 수은 이온 검출용 화합물의 제조방법을 제공한다.

[반응식 1]

또한 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물 및 o-페닐렌디아민(o-phenylenediamine, o-PDA)을 포함하는 수은 이온 검출 형광화학 시스템을 제공한다. 이때 수은 이온의 검출은 수은이 상기 화학식 1의 화합물 및 o-페닐렌디아민과 반응하면서 생성된 물질의 형광 강화에 의해 수행되는 것이 특징이며, 구체적인 메커니즘은 다음과 같다. 특히 본 발명에 따른 수은 이온 검출은 수용액에서 수행될 수 있어 매우 유용하다.

또한 본 발명은 상기 수은 이온 검출 형광화학 시스템을 이용하여 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 형광 화학검출 시스템은 화학식 1로 표시되는 화합물 및 o-페닐렌디아민(o-PDA)을 이용하여 수은 이온을 효과적으로 검출할 수 있다. 구체적으로 형광성을 나타내지 않는 화학식 (1)의 화합물과 o-페닐렌디아민이 수은 이온과 반응하여 강한 형광성을 나타내는 새로운 물질을 형성하기 때문에 육안으로 관찰이 가능할 정도로 간단히 수은 이온을 검출할 수 있어 유용하다. 특히 수용액상에서 다른 금속 이온의 존재하에서도 선택적으로 검출할 수 있다는 것도 장점이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 형광 화학 검출 시스템에 수은 이온을 첨가한 경우의 형광 방출 강도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 형광 화학 검출 시스템에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우의 색상 변화 및 UV-vis 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 형광 화학 검출 시스템에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우의 형광 강화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 CD₃CN 중에서 Hg(ClO₄)₂.xH₂O (1 eq.)의 첨가에 따라 화학식 1의 ¹H NMR (300 MHz) 스팩트럼이 부분적으로 변화는 과정을 보여주는 그래프이다.
도 5는 Hg^{2 +} (1 eq.)의 존재하에 5분 동안 UV (365 nm)를 조사한 후의 화학식 1의 화합물(20 μM) 과 o-페닐렌디아민(3 eq.)의 형광 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 Hg^{2 +} (1 eq.)의 존재하에 UV (handhold UV lamp, 365 nm)를 조사한 경우와 조사하지 않은 경우의 화학식 1의 화합물(20 μM) 과 o-페닐렌디아민(3 eq.)의 형광 반응을 보여주는 그래프이다.
도 7은 CH₃CN 중에서 Hg^{2 +} 이온(20μM)의 존재 및 부존재하에 화학식 1의 화합물(20μM)과 o-페닐렌디아민의 다른 몰비에 따른 검출 시스템의 형광 반응을 보여주는 그래프이다. (λ_ex=380 nm) 화학식 1과 o-페닐렌디아민의 몰비에 따른 492 nm 에서의 방출 강도 변화가 삽입되어 있다.
도 8은 CD₃CN 중에서 Hg^{2 +} 이온(1 eq.)의 첨가에 따라 o-페닐렌디아민의 ¹H NMR (300 MHz) 스팩트럼이 변화는 과정을 부분적으로 보여주는 그래프이다.
도 9는 CH₃CN 중에서 Hg^{2 +} 이온(0-100 eq)의 첨가에 따른 화학식 3의 화합물(10 μM)의 형광 반응을 보여주는 그래프이다. (λ_ex=380 nm) 화학식 3과 수은 이온의 몰비 함수에 따른 I₄₅₄/I₄₉₂의 ratiometric calibration 커브가 삽입되어 있다.
도 10은 CD₃CN 중에서 Hg^{2 +} 이온(0.2-1 eq.)의 첨가에 따라 화학식 3의 화합물(4 mM)의 ¹H NMR (300 MHz) 스팩트럼이 변화는 과정을 부분적으로 보여주는 그래프이다.
도 11은 CD₃CN 중에서 Hg^{2 +} 이온과 o-PDA를 다른 농도로 첨가할 때 화학식 3의 화합물(10 μM) )의 형광 반응을 보여주는 그래프이다.
도 12는 CH₃CN 중에서 Ag⁺, Ba^{2 +}, Ca^{2 +}, Cd^{2 +}, Co^{2 +}, Cu^{2 +}, Cs^{2 +}, Fe^{2 +}, K⁺, Li⁺, Mg²⁺, Na⁺, Pb^{2 +}, Rb⁺, Sr^{2 +}, Zn^{2 +} (10 eq.), Cu^{2 +} (5 eq.) 및 Hg^{2 +} (1 eq.)를 포함하는 여러 가지 금속 이온의 첨가에 따른 본 발명 형광 화학 검출 시스템(화학식 1 (20 μM)과 o-PDA (3 eq.))의 형광 스팩트럼을 보여주는 그래프이다.
도 13은 CH₃CN 중에서 Hg^{2 +} (1 eq.) 의 존재하에 Ag⁺, Ba^{2 +}, Ca^{2 +}, Cd^{2 +}, Co^{2 +}, Cs²⁺, Fe^{2 +}, K⁺, Li⁺, Mg^{2 +}, Na⁺, Pb^{2 +}, Rb⁺, Sr^{2 +}, Zn^{2 +} (10 eq.) 및 Cu^{2 +} (1 eq.))를 포함하는 여러 가지 금속 이온의 첨가에 따른 본 발명 형광 화학 검출 시스템(화학식 1 (20 μM)과 o-PDA (3 eq.))의 형광 스팩트럼을 보여주는 그래프이다.
도 14는 Hg^{2 +} (1 eq.)의 존재하에 Cu^{2 +} (4 eq.)를 높은 농도로 포함하고, o-PDA (7 eq.)를 더 첨가한 경우 본 발명 시스템(화학식 1 (20 μM) 및 o-PDA (3 eq.)) 의 형광 스팩트럼을 보여주는 그래프이다.
도 15는 CDCl₃ 중에서 측정된 화학식 3 화합물의 ¹H NMR 스팩트럼을 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명자들은 수은-탈황반응을 이용하여 신규한 수은 이온 검출용 화합물 시스템을 설계하고 합성하였다.

본 발명에 따른 수은 이온 검출용 화합물 중 하나는 하기 화학식 1로 표시된다.

[화학식 1]

또한, 상기 화학식 (1)의 화합물은 하기 반응식 1에 의하여 제조될 수 있다.

[반응식 1]

본 발명은 상기 화학식 1의 화합물 및 o-페닐렌디아민(o-phenylenediamine, o-PDA)을 포함하는 수은 이온 검출 형광화학 시스템을 제공한다. 이때 수은 이온의 검출은 수은이 상기 화학식 1의 화합물 및 o-페닐렌디아민과 반응하면서 생성된 물질의 형광 강화에 의해 수행되는 것이 특징이며, 특히 본 발명에 따른 수은 이온 검출은 수용액에서 수행될 수 있어 매우 유용하다.

또한 본 발명은 상기 수은 이온 검출 형광화학 시스템을 이용하여 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.

합성예 : 화학식 (1)의 화합물 합성

본 발명에 따른 수은 이온 검출용 화합물(화학식 1)는 하기 반응식 1에 의하여 제조하였다.

[반응식 1]

상기 반응에 따라 생성된 화합물 (1)의 수율은 89%로 상당히 높았다.

실시예 : 수은 검출 형광 화학 시스템

본 발명에 따른 수은 이온 검출 형광화학 시스템에서 수은 이온이 검출되는 구체적인 메커니즘은 다음과 같다.

상기 반응에 있어서, 6,10-디티아스피로-아세나프탈렌퀴논(6,10-dithiaspiro-acenaphthene quinine, 화합물 1)은 수은 이온의 존재하에서 o-페닐렌디아민(o-PDA)과 화학적으로 반응하여 상기 화합물 3을 형성할 수 있고, 그 결과로서 형광 신호를 증폭시킬 수 있다.

형광성을 띠지 않는 화합물 1 및 o-PDA의 혼합물에 수은 이온이 첨가되면, 이는 탈황반응을 촉진시켜서 불안정한 스피로 헤테로고리 중간체 화합물인 화합물 2를 형성하게 되고, 이는 분자간 재배열을 통하여 화합물 3으로 전환된다. 상기 화합물 3이 합성된다는 것은 분광학적 결과에 의해 충분히 뒷받침되지만, 이에 대한 메카니즘은 확실하지 않다. 상기 화합물 3은 강한 녹색 형광성을 가지는 고전적인 염료로서, 새로운 유기 안료, 레이저 염료, 직물 염료, 고분자 섬유의 기본 골격으로서 널리 사용되고 있다.

CH₃CN 내 상기 화합물 1, PDA 및 수은 이온의 혼합물에 대한 UV 조사는 반응속도를 가속할 수 있음을 알 수 있고, UV 램프(365nm)로 5분 동안 조사하는 경우 492nm에서 형광 강도가 현저하게 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 화합물 1 및 PDA의 몰비도 반응속도에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명에 따른 형광 화학검출 시스템을 최적화하기 위하여, CH₃CN 내에서 동일한 수은 이온(20μM)의 존재하에서 상기 화합물 1 및 o-PDA를 서로 다른 몰비로서 테스트하였다. 그 결과로서, 본 발명에 따른 형광 화학검출 시스템에 있어서 화학식 1로 표시되는 프로브 및 o-PDA의 몰비는 1: 3인 것이 바람직하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

CH₃CN 내에서 본 발명에 따른 형광 화학검출 시스템(화학식 1로 표시되는 프로브(20μM) 및 o-PDA(3eq.))에 수은 이온(0 ~ 100μM)을 첨가한 형광 방출 강도를 하기 도 1에 나타내었다.

하기 도 1에 나타낸 것과 같이, 수은 이온에 대한 화합물 1 및 o-PDA의 형광 적정 곡선은 수은 이온의 농도가 방출 강도뿐만 아니라 방출 파장에도 영향을 미칠 수 있음을 나타낸다. 낮은 수은 이온(0 ~ 1.4eq.)의 농도 하에서, 형광 방출은 492nm에서 나타났고, 방출 강도는 수은 이온이 증가함에 따라 점진적으로 강화되었다. 추가적인 수은 이온(> 1.4eq)의 첨가에서는 492nm에서의 방출 밴드가 점진적으로 감소하고, 부수적으로 454nm로 청색 이동이 발생하였다. 이는 화합물 3과 수은 이온의 상호작용에 기인하거나, 과량의 수은 이온이 용액 내 자유 o-PDA의 농도를 감소시켜서 화합물 3의 형성을 방해하고 그에 따라 방출 강도가 감소하는 것에 기인한 것이다.

과량의 수은 이온의 존재 하에서의 이러한 형광 변화를 설명하기 위하여, 화합물 3의 용액에 수은 이온의 추가를 점진적으로 수행하면서 형광 스펙트럼 변화를 실험하였다. 화합물 3의 492nm에서의 강한 방출은 점진적으로 청색 이동하고, 150μM의 수은 이온 농도에서 현저한 형광 방출 강도의 증가와 함께 λ_max = 454nm에 도달하였다.

화합물 3과 수은 이온 간의 메커니즘을 연구하기 위하여 NMR 적정 실험을 수행하였다. 화합물 3에 수은 이온의 첨가 전후의 ¹H NMR 스펙트럼을 비교하면, 모든 양자(protons)가 아래쪽으로 이동하였음을 알 수 있다. 이러한 스펙트럼의 변화는 수은 이온이 화합물 3의 이미다졸 고리의 질소에 결합하는 금속 이온 복합화에 기인한 것이다. 또한, 화합물 3과 수은 이온 간의 복합화는 o-PDA에 대한 수은 이온보다 약하다. 따라서, 용액 내 o-PDA의 농도를 조절함으로써, 샘플의 방출 강도 및 방출 파장을 조절할 수 있다. 이러한 수은 이온의 농도에 의존하는 형광 스펙트럼 변화는 본 발명에 따른 시스템이 수은 이온을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 이의 농도 레벨 또한 검출할 수 있음을 나타내는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 형광 화학검출 시스템에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우의 색상 변화 및 UV-vis 스펙트럼을 하기 도 2에 나타내었다. 보다 구체적으로, CH₃CN 내에서 다양한 금속 이온(Ag⁺, Ba^{2 +}, Ca^{2 +}, Cd^{2 +}, Co^{2 +}, Cu^{2 +}, Cs^{2 +}, Fe²⁺, K⁺, Li⁺, Mg^{2 +}, Na⁺, Pb^{2 +}, Rb⁺, Sr^{2 +}, Zn^{2 +}(10eq.), Hg^{2 +}(1eq.))의 존재하에서 화합물 1(20μM) 및 o-PDA(3eq.)의 색상 변화 및 UV-vis 스펙트럼을 나타내었다.

본 발명에 따른 형광 화학검출 시스템의 대표적인 금속 이온에 대한 UV-vis 스펙트럼 거동은 CH₃CN 내에서 생리학적으로 중요한 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 전이금속 과염소산염을 이용하여 수행하였다. 다양한 금속 이온과의 상호작용시, 특히 구리 이온의 경우에 흡수 스펙트럼의 현저한 변화가 관찰되었고, 이는 용액 내에서 구리 이온이 PDA와 쉽게 결합하여 CuPDA_x(ClO₄)₂ (x = 1 또는 2) 복합체를 형성하기 때문이다. 부수적으로, 무색에서 갈색으로의 색 변화 또한 관찰되었다.

본 발명의 일실시예에 따른 형광 화학검출 시스템에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우의 형광 강화를 하기 도 3에 나타내었다.

실제 적용의 관점에서는 다른 금속 이온들과의 간섭이 고려되어야 한다. 따라서, 다른 경쟁적인 금속 이온의 존재하에서 수은 이온에 대한 형광 변화를 관찰하여 하기 도 3에 나타내었다.

Ag⁺, Ba^{2 +}, Ca^{2 +}, Cd^{2 +}, Co^{2 +}, Cu^{2 +}, Cs^{2 +}, K⁺, Li⁺, Mg^{2 +}, Na⁺, Rb⁺, Sr^{2 +} 등과 같은 중금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속은 높은 농도에서도 어떠한 영향을 미치지 않음을 관찰할 수 있었다. 단지, Fe^{2 +}, Pb^{2 +}, 및 Zn^{2 +}를 첨가하는 경우에만 상대적으로 작은 형광 강화를 나타내었다. Ag⁺, Co^{2 +}, 및 Zn^{2 +}와 같은 일부 전이금속 및 앞전이금속은 이들 스스로의 o-PDA와의 복합화 능력 때문에 형광 강도를 감소시켰다. 또한, 구리 이온과 o-PDA 간의 강한 상호작용을 가져서, 높은 농도의 구리 이온의 존재는 화합물 3의 형성을 방해할 수 있고, 그 결과로서 형광성을 사라지게 한다. 추가적인 o-PDA의 첨가는 수은 이온에 대한 강한 형광 신호를 회복시킬 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 따른 형광 화학검출 시스템은 수은 이온에 대하여 선택적으로 높은 형광성을 나타낼 수 있다. 따라서, 수은 이온을 검출하는 데에 보다 유용하게 이용될 수 있으며, 다른 경쟁적인 금속 이온의 존재하에서도 효과적으로 이용될 수 있다.

Claims (7)

1. 하기 화학식 1로 표시되는 수은 이온 검출용 화합물:
   [화학식 1]
   

   
2. 하기 반응식 1에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제1항의 수은 이온 검출용 화합물의 제조방법:
   [반응식 1]
   

   
3. 제1항에 따른 화학식 1의 화합물 및 o-페닐렌디아민(o-phenylenediamine, o-PDA)을 포함하는 수은 이온 검출 형광화학 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 수은 이온의 검출은 수은이 상기 화학식 1의 화합물 및 o-페닐렌디아민과 반응하면서 생성된 물질의 형광 강화에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 수은 이온 검출 형광화학 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 수은 이온의 검출은 하기 메커니즘을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 수은 이온 검출 형광화학 시스템:
   

   
6. 제3항에 있어서,
   상기 수은 이온 검출이 수용액에서 수행되는 것을 특징으로 하는 수은 이온 검출 형광화학 시스템.
7. 제3항에 따른 수은 이온 검출 형광화학 시스템을 이용하여 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법.

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