KR101336867B1 - Mesoporous Silica Nanoparticle Immobilized Colorimetric Chemosensor for Nerve Agent - Google Patents
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- C07D213/60—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
- C07D213/72—Nitrogen atoms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
- C07F7/00—Compounds containing elements of Groups 4 or 14 of the Periodic Table
- C07F7/02—Silicon compounds
- C07F7/08—Compounds having one or more C—Si linkages
- C07F7/18—Compounds having one or more C—Si linkages as well as one or more C—O—Si linkages
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Abstract
본 발명은 신경작용제 검출용 화학 센서에 관한 것으로서, 중기공성 실리카에 고정된 아조-피리딘계 화합물을 이용한 화학 센서는 UV/vis 스팩트럼 및 색상 변화를 통해 신경작용제를 효과적으로 검출할 수 있으며, 용액에서 재생가능하기 때문에 매우 실용적이다. The present invention relates to a chemical sensor for nerve agent detection, the chemical sensor using an azo-pyridine-based compound immobilized on the mesoporous silica can effectively detect the nerve agent through UV / vis spectrum and color change, regeneration in solution It is very practical because it is possible.
Description
본 발명은 신경작용제 검출용 화학 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중기공성 실리카 나노입자에 신경작용제에 선택성을 갖는 아조-피리딘계 화합물을 고정시켜 흡광도 또는 색상 변화에 따라 신경작용제를 효과적으로 검출할 수 있는 화학 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a chemical sensor for nerve agent detection, and more particularly, to fix the azo-pyridine-based compound having a selectivity to the nerve agent in the mesoporous silica nanoparticles to effectively detect the nerve agent in accordance with absorbance or color change. It is about a chemical sensor.
화학전 작용제는 그 생리학적 효과로 인해 인명의 살상 또는 인간에 심각한 상해를 가하거나 또는 무력하게 만들기 위해 군사작전용으로 의도된 물질이다. 현대의 화학전 작용제는 신경작용제, 수포발생제, 질식작용제, 혈액작용제 및 무능력화제의 5개의 범주로 분류되었다:A chemical warfare agent is a substance intended for military operations because of its physiological effects in order to kill or injure people or cause serious harm to humans. Modern chemical warfare agents have been divided into five categories: nerve agents, blistering agents, choking agents, blood agents and incapacitating agents:
2차 세계대전 중 화학전 작용제는 신경계를 공격하여 빠르게 작용하는 독극물인 소위 "신경작용제"가 집중 개발되었다. 화학전 작용제 중에서 신경작용제는 극히 위험하고 높은 독성과 제조 용이성으로 인해 빠르고 신뢰성 있는 과정을 통해 이들 치명적인 화학물질을 검출할 필요성이 중요시되고 있다.During World War II, chemical warfare agents focused on the so-called "neurologic agents," which are fast-acting poisons that attack the nervous system. Among chemical warfare agents, nerve agents are extremely dangerous, and due to their high toxicity and ease of manufacture, the necessity of detecting these deadly chemicals is important through a fast and reliable process.
신경을 통한 기관으로의 메시지 전달 기전을 혼란시키는 인-함유 유기 화학물질 계열인 신경작용제는 인간과 동물의 건강 체계에 대한 빠르면서 가혹한 효과로 인해 광범위하게 연구되어 왔다. 지금까지, 다수의 신경작용제에 대한 검출법이 형광법과 비색법을 토대로 개발되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 이들 방법은 느린 응답속도, 특이성 부족, 제한적인 선택성, 저감도, 실시간 계측의 어려움 또는 수용성과 같은 몇 가지 한계가 있다. Neuronal agents, a family of phosphorus-containing organic chemicals that disrupt the mechanisms of message delivery to nerves through organs, have been extensively studied because of their rapid and harsh effects on human and animal health systems. To date, detection methods for many neurological agents have been developed based on fluorescence and colorimetric methods. Nevertheless, these methods have some limitations such as slow response, lack of specificity, limited selectivity, low sensitivity, difficulty in real time measurement or acceptability.
특히, 상기 신경작용제 유사 물질은 수 분 내에 수중에서 쉽게 가수분해 되므로, 대부분의 경우 흡수 및 방출 분광광도 스펙트럼 변화와 관련해서 신경작용제를 검출하기 위해서는 비수용성 용액을 사용하여야 하는데, 이것은 실제 시료에서의 분석가능성을 크게 제한한다. 따라서 요즘에는 수성 매질에서 신경작용제에 대한 단순하면서 효율적인 검출법이 큰 관심을 받고 있다. In particular, the neuroagent-like substance is easily hydrolyzed in water within minutes, so in most cases a non-aqueous solution should be used to detect the neuroagent in relation to absorption and emission spectrophotometric spectral changes. Greatly limit the analytical possibilities. Therefore, nowadays, a simple and efficient method for detecting neuronal agents in aqueous media is of great interest.
한편 실리카계 나노입자는 생체적합성과 안정성으로 인해 생물-분리, 약물 표적화, 세포 분리, 효소 고정과 단백질 정제와 같은 생의학적 연구 및 환경 연구용으로 큰 관심을 받고 있다. 수용체-고정된 나노입자는 고체 화학센서로서 몇 가지 중요하면서 분명한 장점이 있다. On the other hand, silica-based nanoparticles are of great interest for biomedical and environmental research such as bio-separation, drug targeting, cell separation, enzyme fixation and protein purification due to their biocompatibility and stability. Receptor-fixed nanoparticles have several important and distinct advantages as solid chemistry sensors.
먼저, 이러한 나노입자는 화학적 기능성의 존재를 가능하게 하는 범용기술인 졸-겔 축합반응에 의해 쉽게 합성된다는 점이다. 두 번째, 무기 담체 상에 고정된 수용체는 오염 용액으로부터 유기 게스트 분자(독성 금속이온 또는 음이온)를 제거할 수 있다는 점이다. 세 번째, 나노입자는 여과법에 의해 오염물로부터 분리가 용이하고, 적절한 처리에 의해 반복적으로 활용될 수 있다는 점이다. 이러한 관점에서, 중기공성 실리카(SBA-15와 MCM-41)의 균질한 기공율과 큰 표면적은 무기 담지체로서 매우 유망하다. 하이브리드 나노물질이 화학센서용 휴대 시스템으로서 제공될 수 있다면, 실리카계 하이브리드 나노물질은 생물학 분야와 환경 분야에서 특이적 게스트 분자를 쉽게 검출할 수 있어 반-영구적인 센서로서 활용될 수 있다.
Firstly, these nanoparticles are easily synthesized by sol-gel condensation, a universal technique that enables the presence of chemical functionality. Second, the receptor immobilized on the inorganic carrier is capable of removing organic guest molecules (toxic metal ions or anions) from the contaminating solution. Third, nanoparticles are easy to separate from contaminants by filtration and can be repeatedly utilized by appropriate treatment. In this respect, the homogeneous porosity and large surface area of the mesoporous silicas (SBA-15 and MCM-41) are very promising as inorganic carriers. If hybrid nanomaterials can be provided as portable systems for chemical sensors, silica-based hybrid nanomaterials can be used as semi-permanent sensors because they can easily detect specific guest molecules in the biological and environmental fields.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 UV/vis 스팩트럼 및 색상 변화를 통해 검출이 가능하며, 선택성이 우수하고, 합성이 용이하며, 재생가능한 신경작용제 검출용 화학 센서를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a chemical sensor that can be detected through the UV / vis spectrum and color change, excellent selectivity, easy synthesis, renewable neuronal agent detection.
본 발명은 신경작용제 선택성을 갖는 화학식 (1)로 표시되는 아조-피리딘계 화합물을 제공한다. The present invention provides an azo-pyridine-based compound represented by formula (1) having neuroagent selectivity.
(1) (One)
또한 본 발명은 하기 구조식 (A)로 표시되는 중기공성 실리카 나노입자에 고정된 아조-피리딘계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경작용제 검출용 화학 센서를 제공한다. In another aspect, the present invention provides a chemical sensor for nerve agent detection characterized in that it comprises an azo-pyridine-based compound fixed to the mesoporous silica nanoparticles represented by the following structural formula (A).
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화학 센서는 중기공성 실리카 나노입자에 고정된 아조-피리딘계 화합물을 포함하는 디스크형 펠릿 형태로 제작이 가능하며, 이에 따라 휴대용 화학 센서를 구현할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the chemical sensor may be manufactured in the form of a disk pellet including azo-pyridine-based compound fixed to the mesoporous silica nanoparticles, thereby implementing a portable chemical sensor.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화학 센서는 신경작용제 검출 후 재사용가능한 것이 특징이며, 보다 구체적으로 신경작용제 검출 후 NaOH로 처리하여 신경작용제를 분리함으로써 재사용가능하다. According to one embodiment of the invention, the chemical sensor is characterized in that it is reusable after the detection of neurons, more specifically after the detection of the neurons can be reused by treatment with NaOH to separate the neurons.
또한 본 발명은 상기 화학식 (4)의 아조-피리딘계 화합물을 톨루엔에 용해시키고, 중기공성 실리카 나노입자를 첨가하여 환류 조건하에 교반시킴으로써 중기공성 실리카 나노입자에 고정된 신경화학제 검출용 화학 센서를 제조할 수 있다. In another aspect, the present invention provides a chemical sensor for detecting a neurochemical agent fixed to the mesoporous silica nanoparticles by dissolving the azo-pyridine-based compound of formula (4) in toluene, adding mesoporous silica nanoparticles and stirring under reflux conditions It can manufacture.
이때 상기 화학식 (4)의 화합물은 하기 <반응식 1>에 따라 제조될 수 있다. In this case, the compound of Formula (4) may be prepared according to the following <
<반응식 1> <
(1) (4) (1) (4)
또한 본 발명은 중기공성 실리카 나노입자에 고정된 아조-피리딘계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경작용제 검출용 화학 센서를 이용하여 UV/vis 스팩트럼 또는 색상 변화를 통해 신경작용제를 검출하는 방법을 제공한다.
In another aspect, the present invention provides a method for detecting a neurological agent by UV / vis spectrum or color change using a chemical sensor for neurological agent detection characterized in that it comprises an azo-pyridine-based compound immobilized on the mesoporous silica nanoparticles do.
본 발명에서는 DCP 선택성을 갖는 아조 피리딘계 화합물을 합성하고, 이를 중기공성 실리카에 고정시켜 UV/vis 스팩트럼 및 색상 변화를 통해 신경작용제 검출이 가능한 화학 센서를 개발하였다. 본 발명에 따른 화학 센서는 선택성이 매우 우수할 뿐만 아니라 합성이 용이하고 수용액 중에서 재생가능하다는 점에서 활용도가 높다.
In the present invention, azo pyridine-based compound having DCP selectivity was synthesized and fixed to mesoporous silica, thereby developing a chemical sensor capable of detecting nerve agent through UV / vis spectrum and color change. The chemical sensor according to the present invention is not only very good in selectivity but also has high utility in that it is easy to synthesize and reproducible in aqueous solution.
도 1은 본 발명에 따른 화학 센서가 신경작용제와 반응할 때 나타나는 변화를 보여주는 모식도이다.
도 2는 화학식 1-4와 MSIAP의 화학 구조를 보여주는 도면이다.
도 3의 (a)는 CH3CN 중의 DCP, PMP, DMMP, TEP 및 TBP (10 equiv.) 첨가에 따른 화학식 1(20.0 μM)의 UV/Vis 스팩트럼이며, (b)는 CH3CN 중의 DCP 첨가량 변화에 따른 화학식 (1) (20.0 μM) 의 UV/Vis 적정 스팩트럼이다.
도 4는 DCP 검출시 화학식 1의 ICT 변화 예상 메커니즘을 보여주는 도면이다.
도 5는 1.0 μM DCP 수용액과 10.0 μM NaOH에 교대로 침지시켰을 때의 MSIAP의 흡광 그래프이다. 사이클 수가 침지/세척 사이클의 반복 횟수를 나타내며, 세로축은 405 nm에서의 MSIAP의 흡광도를 나타낸다.
도 6은 (a) MSIAP의 사진과 (b) TEM 사진이다.
도 7은 H2O 중의 DCP, PMP, DMMP, TEP 및 TBP (10 equiv.) 첨가에 따른 MSIAP (20.0 μM)의 UV/Vis 스팩트럼이다.
도 8은 (b) DCP, (c) DMP, (d) DMMP, (e) TEP, and (f) TBP (10 equiv) 존재하의 (a) MSIAP (10 mg)의 사진이다.
도 9는 CH3CN 중의 1 (20.0 μM), 1+HClO4, 및 1+DCP (10 equiv.) 의 UV/Vis 스팩트럼이다.
도 10은 DCP, PMP, DMMP, TEP 및 TBP (10 equiv.) 첨가에 따른 CH3CN 중의 1-3 (20.0 μM)의 UV/Vis 스팩트럼이다.
도 11은 화학식 1 + DCP의 FAB-Mass 스팩트럼이다.
도 12는 (A) The nitrogen adsorption-desorption isotherms of (a) 메조포러스 실리카와 (b) MSIAP의 질소 흡수/분리 isotherms이며, (B) 는 (a) 메조포러스 실리카와 (b) MSIAP의 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 기공 직경이다.
도 13은 (a) 메조포러스 실리카와 (b) MSIAP의 FT-IR 스팩트럼이다.
도 14는 화학식 4의 TOF-SIMS 스팩트럼이다.
도 15는 (a) 메조포러스 실리카와 (b) MSIAP의 XPS 스팩트럼이다.
도 16은 H2O (405 nm) 중의 DCP (10 equiv) 첨가에 따른 MSIAP (20.0 μM)의 흡광 강도에 대한 시간 변화를 보여주는 그래프이다.
도 17의 (a)는 다른 pH 값에서 DCP (100 μM) 첨가시 MSIAP (20 μM)의 흡광 스패트럼이고, (b)는 MSIAP의 흡광도에 대한 pH 값 변화를 보여주는 그래프이다.
도 18은 화학식 4의 1H NMR (CDCl3, 400 MHz) 스팩트럼이다.
도 19는 화학식 4의 13C (CDCl3, 100 MHz) 스팩트럼이다.
도 20은 화학식 4의 FAB-Mass 스팩트럼이다. 1 is a schematic diagram showing the change that occurs when the chemical sensor according to the present invention reacts with a neuroagent.
2 is a view showing the chemical structure of the formula 1-4 and MSIAP.
Of Figure 3 (a) is CH 3 CN, and in the DCP, PMP, DMMP, TEP and TBP UV / Vis spectrum of formula 1 (20.0 μM) in accordance with the addition (10 equiv.), (B ) the CH 3 CN in DCP UV / Vis titration spectrum of the formula (1) (20.0 μM) according to the addition amount change.
4 is a view showing a mechanism for predicting the change of ICT of Formula 1 when detecting DCP.
Fig. 5 is a graph of absorbance of MSIAP when alternately immersed in 1.0 μM DCP aqueous solution and 10.0 μM NaOH. The cycle number represents the number of repetitions of the immersion / wash cycle, and the vertical axis represents the absorbance of MSIAP at 405 nm.
6 is a photograph of (a) MSIAP and (b) TEM.
7 is a UV / Vis spectrum of MSIAP (20.0 μM) with addition of DCP, PMP, DMMP, TEP and TBP (10 equiv.) In H 2 O.
8 is a photograph of (a) MSIAP (10 mg) in the presence of (b) DCP, (c) DMP, (d) DMMP, (e) TEP, and (f) TBP (10 equiv).
9 is a UV / Vis spectrum of 1 (20.0 μM), 1 + HClO4, and 1 + DCP (10 equiv.) In CH 3 CN.
10 is a UV / Vis spectrum of 1-3 (20.0 μM) in CH 3 CN with addition of DCP, PMP, DMMP, TEP and TBP (10 equiv.).
11 is a FAB-Mass spectrum of Formula 1 + DCP.
Figure 12 shows (A) The nitrogen adsorption-desorption isotherms of (a) mesoporous silica and (b) nitrogen absorption / separation isotherms of MSIAP, and (B) shows (a) mesoporous silica and (b) Barrett- of MSIAP. Joyner-Halenda (BJH) pore diameter.
Figure 13 is an FT-IR spectrum of (a) mesoporous silica and (b) MSIAP.
14 is the TOF-SIMS spectrum of Formula 4. FIG.
Figure 15 is an XPS spectrum of (a) mesoporous silica and (b) MSIAP.
FIG. 16 is a graph showing the time change for the absorbance intensity of MSIAP (20.0 μM) upon addition of DCP (10 equiv) in H 2 O (405 nm).
Figure 17 (a) is the absorbance spectrum of MSIAP (20 μM) upon addition of DCP (100 μM) at different pH values, (b) is a graph showing the change in pH value for the absorbance of MSIAP.
FIG. 18 is a 1 H NMR (CDCl 3 , 400 MHz) spectrum of Formula 4.
FIG. 19 is a 13 C (CDCl 3 , 100 MHz) spectrum of Formula 4.
20 is a FAB-Mass spectrum of Formula 4. FIG.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에서는 신경작용제 검출용으로 신규하면서 제조하기 쉬운 비색 아조-피리딘계 화합물(화학식 1 및 화학식 4)과 이를 이용하여 재생가능한 중기공성 실리카-고정된 나노입자를 합성하였다. (도 2) In the present invention, a novel and easy to prepare colorimetric azo-pyridine-based compound (Formula 1 and Formula 4) for neuronal agent detection and reproducible mesoporous silica-fixed nanoparticles were synthesized using the same. (Fig. 2)
본 발명에 따른 신경작용제 선택성을 가지며, 아조-피리딘계 화합물은 하기 화학식 (1)로 표시된다. Neuronal agent selectivity according to the present invention, azo-pyridine-based compound is represented by the following formula (1).
(1) (One)
또한 본 발명은 하기 구조식 (A)로 표시되는 중기공성 실리카 나노입자에 고정된 아조-피리딘계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경작용제 검출용 화학 센서를 제공한다. In another aspect, the present invention provides a chemical sensor for nerve agent detection characterized in that it comprises an azo-pyridine-based compound fixed to the mesoporous silica nanoparticles represented by the following structural formula (A).
아조-피리딘기를 포함하는 결합 위치는 다른 일련의 포스페이트 화합물에 비해 화학전 작용제의 유사체 중 하나인 신경작용제 DCP (디에틸클로로포스페이트)를 선택적으로 감지할 수 있다. 화학식 1의 화합물은 분자내 전하이동(ICT) 변화에 의해 DCP 첨가시 흡수분광법에 있어 60 nm 정도 적색-이동하는 비율식 변화를 보인다. ~1.0 X 10-6 M의 농도 범위에서 황색에서 적색으로의 수용체(화학식 1)의 색상변화는 육안에 의한 DCP 신경작용제 유사 물질의 선택적 검출에 있어 상당한 가치가 있다. The binding site comprising an azo-pyridine group can selectively detect neuroagent DCP (diethylchlorophosphate), which is one of the analogs of chemical warfare agents, compared to other series of phosphate compounds. The compound of
또한 본 발명에서는 고체상 적용을 위한 측면에서, 화학식 1의 화합물을 이용하는 중기공성 실리카 나노입자(MSIAP)를 졸-겔 그래프팅 반응에 의해 제조하였다. MSIAP를 DCP 수용액에 침지시켰을 때 MSIAP는 적색에서 황색으로 색상이 변하였지만, NaOH 용액으로 처리하면 독성이 없는 디에틸인산을 방출하면서 다시 적색으로 변하였다. DCP에 의한 MSIAP의 흡수변화는 pH 3-9 범위에서 일관적이다.
In addition, in the present invention, in terms of a solid phase application, mesoporous silica nanoparticles (MSIAP) using the compound of
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시되는 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are presented by way of example to aid the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
합성예Synthetic example 1: One: 아조AZO -피리딘계 화합물의 합성Synthesis of Pyridine Compound
UV-vis 흡수 스펙트럼은 Sinco S-3100 분광광도계를 이용하여 기록하였다. NMR과 질량 스펙트럼은 각각 Varian 기기(400 MHz)와 JMS-700 MStation 질량 분광기를 이용하여 기록하였다. 투과전자현미경(TEM) 사진은 JEOL JEM.2100 F 현미경으로 촬영하였다. 질소흡착 등온선은 Micromeritics ASAP 2010 분석기를 이용하여 78 K에서 측정하였다. 비행시간 2차 이온 질량분광법(TOF-SIMS)은 양이온과 음이온 질량 검출을 위해 Cs와 Ga 이온 건을 구비한 모델 PHI 7200을 이용하여 분석하였다. XPS 스펙트럼은 Thermo VG Scientific 분광기를 이용하여 기록하였다. 반응물인 2-히드라지노피리딘, 1,4-벤조퀴논, 페놀, 아질산나트륨, 아닐린, 및 디에틸클로로포스페이트(DCP), 피나콜릴메틸포스포네이트(PMP), 디메틸메틸포스포네이트(DMMP), 트리에틸포스페이트(TEP)와 트리부틸포스페이트 (TBP)의 유기 인 화합물들을 Aldrich로부터 구입하였고 입수한 그대로 사용하였다. 모든 용매는 덕산약품공업(주)으로부터 구입한 분석 시약급 화학물질이었다. 흡광 스펙트럼을 위한 MeCN은 HPLC 시약급이었다.
UV-vis absorption spectra were recorded using a Sinco S-3100 spectrophotometer. NMR and mass spectra were recorded using a Varian instrument (400 MHz) and JMS-700 MStation mass spectrometer, respectively. Transmission electron microscopy (TEM) images were taken with a JEOL JEM.2100 F microscope. Nitrogen adsorption isotherms were measured at 78 K using a Micromeritics ASAP 2010 analyzer. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) was analyzed using a model PHI 7200 with Cs and Ga ion guns for mass and negative ion mass detection. XPS spectra were recorded using a Thermo VG Scientific spectrometer. Reactants 2-hydrazinopyridine, 1,4-benzoquinone, phenol, sodium nitrite, aniline, and diethylchlorophosphate (DCP), pinacrylylphosphonate (PMP), dimethylmethylphosphonate (DMMP), Organophosphorus compounds of triethylphosphate (TEP) and tributylphosphate (TBP) were purchased from Aldrich and used as received. All solvents were analytical reagent grade chemicals purchased from Deoksan Pharmaceutical Co., Ltd. MeCN for absorbance spectra was HPLC reagent grade.
먼저 산성 매질 중에서 2-히드라지노피리딘과 1,4-벤조퀴논을 반응시켜 하기 화학식 1의 아조-화합물을 제조하였다. 질소하에서 상기 합성예에서 합성된 화학식 1(0.1 g, 0.5mmol)의 화합물 용액과 3-트리에톡시실릴프로필이소시아네이트 (0.125 g, 0.5 mmol)를 드라이 CHCl3(10 ml)에 현탁시켰다. 다음, Et3N(10mL)을 첨가하고 얻어진 혼합물을 N2하에서 48시간 동안 환류시켰다. 이 혼합물을 회전증발기로 증발시키고 얻어진 조생물을 칼럼 크로마토그래피(실리카, 에틸아세테이트/헥산 1:4)에 의해 정제하여 0.2 g의 화학식 4(수율 89%)의 화합물을 얻었다. First, an azo-compound of
1H NMR(400 MHz, CDCl3, δ: 8.70(d, J=4.8 Hz, 1H), 8.04(d, J=8.9 Hz, 2H), 7.86(t, J=8.0 Hz, 1H), 7.78(d, J=8.0 Hz, 1H), 7.37(t, J=4.8 Hz, 1H), 7.28(d, J=8.8 Hz, 2H), 5.65(t, J=5.8 Hz, 1H), 3.76(q, 6H), 3.23(q, 2H), 1.67(q, 2H), 1.22(t, J=8.2 Hz, 9H), 0.68(t, J=8.2 Hz, 2H). 13C NMR(100 MHz, CDCl3, δ: 162.9, 154.4, 154.1, 149.6, 138.6, 125.1, 125.0, 122.3, 115.7, 58.7, 43.8, 31.8, 23.2, 18.5, 14.3, 7.9. MS(FAB): [M+H]+ C21H31N4O5Si의 계산치 447.58; 실측치 447.3.
1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 , δ: 8.70 (d, J = 4.8 Hz, 1H), 8.04 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 7.86 (t, J = 8.0 Hz, 1H), 7.78 ( d, J = 8.0 Hz, 1H), 7.37 (t, J = 4.8 Hz, 1H), 7.28 (d, J = 8.8 Hz, 2H), 5.65 (t, J = 5.8 Hz, 1H), 3.76 (q, 6H), 3.23 (q, 2H ), 1.67 (q, 2H), 1.22 (t, J = 8.2 Hz, 9H), 0.68 (t, J = 8.2 Hz, 2H). 13 C NMR (100 MHz,
합성예Synthetic example 2: 2: 중기공성Medium porosity 실리카의 합성 Synthesis of silica
중기공성 실리카를 합성하기 위해, 먼저 P-123[(폴리(에틸렌옥사이드)- 폴리(프로필렌옥사이드)-폴리(에틸렌옥사이드) 삼원블록 공중합체)]의 염산 용액을 제조하였다. 다음, 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)를 첨가하고 얻어진 혼합물을 20시간 동안 40℃에서 교반하였다. TEOS : HCl : H2O : P-123의 몰 조성은 1 : 5.9 : 193 : 0.017이었다. 얻어진 고체를 65℃에서 하루 동안 숙성시킨 다음, 여과하고 세척한 후, 90℃에서 건조하였다. To synthesize the mesoporous silica, a hydrochloric acid solution of P-123 [(poly (ethylene oxide) -poly (propyleneoxide) -poly (ethyleneoxide) terpolymer)] was prepared. Tetraethyl orthosilicate (TEOS) was then added and the resulting mixture was stirred at 40 ° C. for 20 hours. The molar composition of TEOS: HCl: H 2 O: P-123 was 1: 5.9: 193: 0.017. The solid obtained was aged at 65 ° C. for one day, then filtered and washed and dried at 90 ° C.
주형을 분리하여 중기공을 얻기 위해, 합성한 그대로의 SBA-15 1.0 g를 60중량% H2SO4 용액 100 mL와 혼합하고 하루 동안 95℃에서 환류시켰다. 얻어진 생성물을 물로 세척하여 회수한 후, 90℃에서 건조하였다. 중기공을 형성하기 위해, 산 처리한 시료를 공기 중에서 200℃로 가열하였다. 얻어진 건조된 섬유상의 응집체와 입자로부터 양이온성 계면활성제를 제거하기 위해, 시료를 공기 중 20℃의 로(box furnace)에서 5시간 동안 1℃/min로 승온시키면서 소성시켰다.
To separate the mold to obtain mesopores, 1.0 g of the as-synthesized SBA-15 was mixed with 100 mL of 60% by weight H 2 SO 4 solution and refluxed at 95 ° C. for one day. The obtained product was washed with water and recovered, and then dried at 90 ° C. To form the mesopores, the acid treated sample was heated to 200 ° C. in air. In order to remove the cationic surfactant from the resulting dried fibrous aggregates and particles, the samples were fired at a temperature of 1 ° C./min for 5 hours in a box furnace at 20 ° C. in air.
합성예Synthetic example 3: 3: 중기공성Medium porosity 실리카에 수용체(화학식 4)의 고정 Fixation of Receptor (Formula 4) on Silica
화학식 4의 화합물(100 mg)을 톨루엔(10 mL)에 용해시켰다. 중기공성 실리카 나노입자(100 mg)를 고체로서 첨가하였다. 얻어진 실리카 현탁액을 환류 조건하에 톨루엔 중에서 24시간 동안 교반하였다. 다음, 수거한 고체를 톨루엔(50 mL)으로 여러 번 세척하여 잉여 화합물 4를 씻어낸 후 진공 건조하였다.
Compound of formula 4 (100 mg) was dissolved in toluene (10 mL). Mesoporous silica nanoparticles (100 mg) were added as a solid. The resulting silica suspension was stirred for 24 h in toluene under reflux conditions. The collected solid was then washed several times with toluene (50 mL) to wash off
비교예Comparative Example
: 화학식 2와 3의 화합물의 합성Synthesis of Compounds of
대조물질로서 화학식 2와 3의 화합물은 종래 보고된 문헌(H. Xu, X. Zeng, Bioorg . Med. Chem . Lett. 2010, 20, 4193 및 N. D. Paul, T. Kramer, J. E. McGrady, S. Goswami, Chem . Commun . 2010, 46, 7124.)에 기재된 과정에 따라 제조하였다.
As controls, compounds of formulas (2) and (3) have been previously reported (H. Xu, X. Zeng, Bioorg . Med. Chem . Lett . 2010, 20 , 4193 and ND Paul, T. Kramer, JE McGrady, S. Goswami , Chem . Commun . 2010, 46 , 7124.).
실험예Experimental Example : : DCPDCP 선택성 테스트 Selectivity testing
먼저 아세토니트릴 중에서 디에틸클로로포스페이트(DCP), 피나콜릴메틸포스포네이트 (PMP), 디메틸메틸포스포네이트(DMMP), 트리에틸포스페이트(TEP) 및 트리부틸포스페이트(TBP)와 화학식 1의 반응성을 시험하였다. 이들 유기 포스페이트 화합물은 타분, 사린과 소만과 같은 신경작용제와 유사한 반응성을 나타내지만 독성이 부족하기 때문에 사린 유사체로서 광범위하게 사용되어 왔다.First, the reaction of
아조-피리딘 화학센서(화학식 1)의 안정한 트랜스 이성질체의 흡수 스펙트럼은 π-π* 전이에 해당하는 345 nm에서 세기가 강한 피크(ε= 2.3 X 104 M-1cm-1)를 나타낸다. 10 당량의 DCP를 1의 용액에 첨가하면 흡수띠가 405 nm로 적색이동되어(ε= 2.5 X 104 M-1cm-1) 유기 매질 내에서 황색에서 적색으로 변하였다(도 4a). 이 분광학적 변화 사례는 증대된 분자내 전자이동(ICT) 때문이다. 전자-공여체인 산소(OH)와 전자 수용체인 피리디늄기 사이의 강력한 push-pull 효과에 의해 촉진되어 증대된 ICT는 UV/vis 스펙트럼에서 최대 파장이 60 nm 장파장 쪽으로 이동시키는 효과를 발휘한다. 도 3b는 DCP의 점진적 적정시(0-20 당량) 상세한 흡수변화를 보여준다 (도 5.The absorption spectrum of the stable trans isomer of the azo-pyridine chemical sensor (Formula 1) shows a strong peak (ε = 2.3 × 10 4 M −1 cm −1 ) at 345 nm, corresponding to the π-π * transition. The addition of 10 equivalents of DCP to the solution of 1 causes the absorption band to red shift to 405 nm (ε = 2.5 × 10 4 M −1 cm −1 ) to change from yellow to red in the organic medium (FIG. 4A). This spectroscopic change is due to increased intramolecular electron transfer (ICT). Promoted by the strong push-pull effect between the electron-donor oxygen (OH) and the electron acceptor pyridinium group, the enhanced ICT has the effect of shifting the maximum wavelength toward the 60 nm long wavelength in the UV / vis spectrum. Figure 3b shows the detailed change in absorption upon gradual titration of DCP (0-20 equivalents) (Figure 5.
도 9에서 보는 바와 같이, 산성 용액에서 405 nm를 중심으로 나타난 1의 강한 흡수띠는 1의 피리디늄 이온 형성이 DCP와 반응할 때 ICT를 증대시킬 것이라는 것을 뒷받침할 수 있다. 405 nm에서 새로운 띠는 또한 Velasco에 의해 종래 보고된 2-피리딘 질소 메틸화 아조 화합물의 띠와 유사하다. As shown in FIG. 9, a strong absorption band of 1, centered at 405 nm in acidic solution, can support that pyridinium ion formation of 1 would enhance ICT when reacted with DCP. The new band at 405 nm is also similar to the band of 2-pyridine nitrogen methylated azo compounds previously reported by Velasco.
화학식 1 내 친핵성 상호작용에 있어서 ICT 진행을 반영하면서 피리딘 질소원자의 역할을 규명하기 위해, 구조적 유사체인 화학시 2와 3의 화합물 합성하였다. 그러나 DCP 첨가에 대해 화학식 2의 화합물은 전혀 스펙트럼 변화를 보이지 않았는데, 이는 화학식 1에 결합하는 DCP는 페놀성 OH에 의해서가 아닌 피리딘 질소원자에 의해 좌우됨을 시사한다. OH와 같은 전자 공여기가 없는 상태에서 화합물 3은 화합물 1에 비해 DCP에 대한 스펙트럼 변화(20 nm)가 작았는데(도 10), 이를 통해 OH로부터 피리딘 N 원자로의 푸시-풀 매개 ICT가 DCP 검출에 있어 매우 중요하다는 것을 증명할 수 있다. In order to elucidate the role of pyridine nitrogen atom while reflecting the progress of ICT in the nucleophilic interaction in
이러한 1:1 결합은 화학식 1과 20 μM DCP 혼합물의 ESI-MS 스펙트럼에서 [화학식1+ DCP + H]2+에 해당하는 m/z 337.2(계산치 337.12)에서의 피크에 의해 증명된다(도 11). This 1: 1 binding is evidenced by the peak at m / z 337.2 (calculated 337.12) corresponding to [
NaOH와 같은 강염기는 포스페이트(DCP 또는 DFP)와 반응하여 독성이 보다 적은 가수분해 산물(인산)을 생성할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 또한 본 발명자들은 흡광도 변화와 적색에서 황색으로 색상이 재생되는 것으로부터 NaOH를 처리하면 1-DCP 착물로부터 DCP가 쉽게 해리되어 원래의 화합물 1로 복원가능함을 확인하였다(도 5). It is well known that strong bases such as NaOH can react with phosphates (DCP or DFP) to produce less toxic hydrolysis products (phosphates). In addition, the present inventors confirmed that the treatment of NaOH from the change in absorbance and the color regeneration from red to yellow can easily dissociate DCP from the 1-DCP complex and restore the original compound 1 (FIG. 5).
화학식 1의 화합물의 유용성 확대를 고려하여, 화학식 4의 화합물과 중기공성 실리카를 반응시켜 MSIAP를 제조하였다. 24시간 동안 환류 조건에서 수용체 (화학식 4)를 고정시켜 MSIAP를 얻었다. 이 과정에서, 화합물 4의 트리에톡시실릴기는 가수분해를 거쳐 중기공성 실리카의 표면에 공유결합을 통해 부착된다. 상온으로 냉각한 후, 얻어진 적색의 고체 생성물을 여과한 후 THF로 세척하고 밤새 건조하였다. MSIAP의 특성을 투과전자현미경(TEM), FT-IR, BET 등온선, TOF-SIMS와 X-선 광전자 분광법(XPS)에 의해 분석하였다. In consideration of expanding the usefulness of the compound of
도 6에서, MSIAP의 TEM 사진은 화합물 4의 부착 전후 중기공성 채널이 육방정계 배열로 잘 정렬되어 형성되어 있음을 분명하게 보여주고 있다. 화합물 4의 도입에 의해 유도된 중기공성 실리카의 기공율 변화를 조사하기 위해, 본 발명자들은 질소 흡착-탈흡착 등온선(도 12)을 이용하여 중기공성 실리카와 MSIAP의 표면적, 기공부피 및 기공직경을 측정하였다. 중기공성 실리카는 1050.8 m2/g의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 표면적과 0.47 cm3/g의 기공부피를 갖는다. In FIG. 6, the TEM image of MSIAP clearly shows that the mesoporous channels before and after attachment of
한편, 본 발명자들은 MSIAP가 850.35 m2/g의 BET 표면적과 0.32 cm3/g의 기공부피를 갖는다는 것을 관찰하였다. 중기공성 실리카와 MSIAP는 각각 8.53과 7.20 nm의 BJH 기공직경을 갖는다. MSIAP의 표면적과 기공직경이 작은 것은 화합물 4가 중기공성 실리카에 부착하였기 때문일 수 있다(도 12). On the other hand, the inventors observed that MSIAP has a BET surface area of 850.35 m 2 / g and a pore volume of 0.32 cm 3 / g. Mesoporous silica and MSIAP have BJH pore diameters of 8.53 and 7.20 nm, respectively. The small surface area and pore diameter of MSIAP may be due to the attachment of
나아가, MSIAP의 더 많은 구조적 증거를 확보하기 위해 중기공성 실리카와 MSIAP에 대한 IR 분광법을 이용하였다. 중기공성 실리카의 IR 피크는 3450, 1658과 1084 cm-1에서 나타난 반면, MSIAP에서는 3010, 2976, 2933, 1646, 1633, 1540, 1471, 1446, 1428과 1382 cm-1에서 나타난 바(도 13), 아조-피리딘 4로부터 비롯된 새로운 피크들은 화학식 4의 화합물이 중기공성 실리카의 표면에 부착되었다는 확실한 증거를 제시한다. Furthermore, IR spectroscopy was used for mesoporous silica and MSIAP to obtain more structural evidence of MSIAP. IR peaks of the mesoporous silica were found at 3450, 1658 and 1084 cm -1 , whereas in MSIAP at 3010, 2976, 2933, 1646, 1633, 1540, 1471, 1446, 1428 and 1382 cm -1 (FIG. 13) The new peaks derived from azo-
MSIAP의 TOF-SIMS 스펙트럼에 화합물 4의 단편(m/z = 473.25)이 나타남으로써 화합물 4가 실리카 입자의 표면에 고정되었다는 증거를 제공한다(도 14). 화합물 4의 관능화 전후 XPS에 의해 메조기공성 실리카 나노입자를 더 확인하였다(도 15). 화합물 4의 고정 전 메조기공성 실리카 나노입자의 XPS 스펙트럼은 Si2P와 O1S 결합에너지를 보이는 반면(도 15a), MSIAP에서는 탄소와 질소에 대한 C1S와 N1S가 나타난다(도 15b).A fragment of Compound 4 ( m / z = 473.25) appears in the TOF-SIMS spectrum of MSIAP, providing evidence that
친전자체를 함유하는 적당한 염화물의 불안정성은 수성 조건에서의 신경작용제 센서 개발을 방해한다(DCP는 pH 7로 완충화된 수중에서 수 분내 가수분해됨). 본 발명에 따른 MSIAP의 중요한 이점 중 하나는 100% 수용성이고 재생이 가능한 신경작용제 검출기를 제공한다는 점에서 보다 실용성에 접근가능하다는 것이다. 신경작용제 유사체가 없는 상태에서 MSIAP의 수중 현탁액은 초기에는 적색이었다. 그러나 DCP의 존재하에서는 MSIAP의 현탁액은 적색에서 황색으로 색상변화를 보였다. 한편, PMP, DMMP, TEP와 TBP를 이용한 병행 실험에서는 어떠한 유의적인 흡수변화가 관찰되지 않았다(도 7). Instability of suitable chlorides containing electrophiles hinders the development of neuroagent sensors in aqueous conditions (DCP hydrolyzes in minutes in water buffered to pH 7). One of the important advantages of MSIAP according to the present invention is that it is more practical in that it provides a neuroagent detector that is 100% water soluble and renewable. In the absence of neuroagonist analogs, the aqueous suspension of MSIAP was initially red. However, in the presence of DCP, the suspension of MSIAP changed color from red to yellow. On the other hand, no significant change in absorption was observed in parallel experiments using PMP, DMMP, TEP and TBP (Fig. 7).
이들 분광학적 변화로부터 본 발명자들은 MSIAP가 DCP에 대한 선택성이 높아 위에서 언급한 화학식 1의 화합물과 분광학적 반응이 유사하다는 것에 주목하였다. 이들 결과를 통해 MSIAP는 신경작용제 DCP를 검출하기 위한 새로운 유기-무기 복합 센서로서 환경 분야에 대한 적용성이 크다는 것을 알 수 있다. 405 nm에서 MSIAP의 흡수 변화에 대한 시간 경로 평가(도 16)는 DCP의 첨가 직후에 MSIAP의 흡수세기가 증가하기 시작하여 30초 경과시 흡수세기가 거의 포화된다는 것을 나타내고 있다. 즉, 이렇게 빠른 응답시간은 수용액 중 DCP의 정량화를 위한 빠르고 편리한 방법을 제공할 수 있게 한다. From these spectroscopic changes, the inventors noted that MSIAP has high selectivity for DCP and similar spectroscopic reactions with the compound of
이상의 성능을 휴대용 화학센서 키트로 확대 적용하기 위해, MSIAP로부터 디스크-형 펠렛을 제조하였다(도 8). MSIAP로부터 제조한 디스크-형 펠렛의 색상은 DCP(10 μM) 수용액에 침지시 적색에서 황색으로 변하였다. 한편, PMP, DMMP, TEP와 TBP 용액(10 μM)의 경우와 같은 병행 실험에서는 어떠한 유의적인 흡수변화도 관찰되지 않았다. 또한 DCP를 포함하는 MSIAP의 디스크-형 펠렛의 고체 흡수 스펙트럼은 수용액 중 분산된 MSIAP로부터 얻은 스펙트럼과 동일하였다. MSIAP로부터 제조한 디스크-형 펠렛과 NaOH(10 μM) 용액을 이용하여 씻어낸 후의 형광변화는 완전히 가역적이라는 것이 밝혀졌다. 이 결과를 통해 MSIAP로부터 제조한 디스크-형 펠렛은 생물학 분야와 환경 분야에서 DCP의 검출을 위한 휴대용 화학센서로서 적용할 수 있음을 알 수 있다. To extend the above performance to the portable chemical sensor kit, disc-shaped pellets were prepared from MSIAP (FIG. 8). The color of the disc-shaped pellets prepared from MSIAP changed from red to yellow when immersed in a DCP (10 μM) aqueous solution. On the other hand, no significant changes in absorption were observed in parallel experiments such as PMP, DMMP, TEP and TBP solutions (10 μM). In addition, the solid absorption spectrum of the disk-shaped pellets of MSIAP including DCP was the same as that obtained from MSIAP dispersed in aqueous solution. Fluorescence changes after washing with disk-shaped pellets prepared from MSIAP and NaOH (10 μM) solution were found to be completely reversible. These results show that disk-shaped pellets prepared from MSIAP can be applied as portable chemical sensors for the detection of DCP in the biological and environmental fields.
본 발명자들은 또한 MSIAP를 생물학 분야와 환경 분야에 이상적으로 적용하기 위해서 넓은 pH 범위에 걸쳐 감지가 실용적이어야 하기 때문에 DCP의 부재 및 존재하에서 MSIAP의 분광광도 스펙트럼 거동에 대한 pH의 효과를 조사하였다. pH 3 내지 9 범위에 걸쳐, MSIAP는 DCP가 없는 상태에서 어떠한 흡수도 보이지 않은 반면, DCP 첨가시에는 상기 pH 범위 내에서 조사한 모든 pH 값에서 거의 동일한 흡수세기를 나타내었다. 이들 결과로부터, MSIAP가 pH 3-9 범위에 이르는 생리학적 환경에서 사용하기에 적합하다는 것이 명백히 확인된다(도 17).The inventors also investigated the effect of pH on the spectral spectral behavior of MSIAP in the absence and presence of DCP because sensing must be practical over a wide pH range in order to ideally apply MSIAP to biological and environmental applications. Over the pH 3-9 range, MSIAP showed no absorption in the absence of DCP, while DCP addition showed almost the same absorption intensity at all pH values investigated within this pH range. From these results, it is clearly confirmed that MSIAP is suitable for use in a physiological environment ranging from pH 3-9 (FIG. 17).
본 발명자들은 신경작용제 DCP를 검출하기 위한 색원성 아조-피리딘(화학식1 및 화학식 4)과 그의 재생가능한 중기공성 실리카에 고정된 아조-피리딘(MSIAP)을 합성하였다. MSIAP는 100% 수용액 중 흡수변화에 있어서 다른 유기 인 화합물에 비해 DCP에 대한 감도와 선택성이 높았고 이에 따른 색상변화를 육안으로 쉽게 인식할 수 있다. 나아가 MSIAP는 독소를 검출할 뿐 아니라 동시에 NaOH 처리에 의해 독소를 덜 독성적인 분자로 분해한 다음, 다시 원래의 MSIAP로 재생될 수 있다. 따라서 DCP 감지를 위해 ICT 관점으로서 아조-피리딘 기본구조를 이용하는 것은 매우 흥미로운 것이며 나아가 본 발명을 토대로 설계 변형을 통해 다른 신경작용제에 대해서도 더욱 발전된 체계를 구축할 수 있다.
We have synthesized chromogenic azo-pyridine (
Claims (8)
화학식(4).The azo-pyridine-based compound represented by the following formula (4) capable of selectively binding to a neuron agent and detecting the neuron agent through color change or NV / vis spectrum includes mesoporous silica nanoparticles immobilized on the surface. Chemical sensors for detecting nerve agents using:
Formula (4).
상기 화학식(4)로 표시되는 아조-피리딘계 화합물이 표면에 고정된 중기공성 실리카 나노입자는 디스크형 펠릿 형태인 것을 특징으로 하는 신경작용제 검출용 화학 센서.3. The method of claim 2,
The mesoporous silica nanoparticles in which the azo-pyridine-based compound represented by the formula (4) is fixed to the surface is in the form of a disc-shaped pellet, wherein the chemical sensor for detecting nerve agent.
상기 화학 센서는 신경작용제 검출 후 재사용가능한 것을 특징으로 하는 신경작용제 검출용 화학 센서. 3. The method of claim 2,
Wherein said chemical sensor is reusable after detecting the nerve agent.
상기 화학 센서는 신경작용제 검출 후 NaOH로 처리하여 신경작용제를 분리함으로써 재사용가능한 것을 특징으로 하는 신경작용제 검출용 화학 센서. 5. The method of claim 4,
The chemical sensor is a nerve agent detection chemical sensor, characterized in that reusable by treatment with NaOH after separation of the nerve agent detection.
화학식(4).A method for preparing a chemical sensor for detecting neurochemicals immobilized on mesoporous silica nanoparticles by dissolving azo-pyridine compound of formula (4) in toluene, adding mesoporous silica nanoparticles, and stirring under reflux conditions:
Formula (4).
상기 화학식 (4)의 화합물은 하기 <반응식 1>에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 신경화학제 검출용 화학 센서를 제조하는 방법:
< 반응식 1 >
화학식(1) 화학식(4)The method according to claim 6,
Method of producing a chemical sensor for detecting a neurochemical agent, characterized in that the compound of Formula (4) is prepared according to the following <Scheme 1>:
<Scheme 1>
Formula (1) Formula (4)
화학식(4).The azo-pyridine-based compound represented by the following formula (4) comprises a mesoporous silica nanoparticle fixed on the surface of the nerve agent by using a color or UV / vis spectrum change of the chemical sensor for nerve agent detection How to detect:
Formula (4).
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