KR101539821B1 - O-페놀살리실이민(psi) 화합물 및 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제, 이를 이용한 검출 방법 및 검출장치 - Google Patents

O-페놀살리실이민(psi) 화합물 및 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제, 이를 이용한 검출 방법 및 검출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 이온 선택성을 갖는 o-페놀살리실이민 또는 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제, 이를 이용한 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다.

Description

O-페놀살리실이민(PSI) 화합물 및 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제, 이를 이용한 검출 방법 및 검출장치{Agent For Selecting Aluminium Ion Comprising ο-phenolsalicylimine And Its Derivative, Detecting Method Using The Same And Detecting Device Thereof}
본 발명은 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물을 포함하는 알루미늄 이온 검출제, 이를 이용한 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다.
금속-선택적 형광성 화학센서는 세포의 금속 이온의 검출에 유용한 도구로서 작용하고, 따라서 세포 및/또는 기관 내에 생물학적으로 관련된 금속 이온을 검출하기 위해 광범위하게 개발되어 왔다.
다양한 금속 이온 중, 알루미늄(Al)은 지구의 모든 곳에 존재한다. 암석, 토양, 하천이나 바닷속, 심지어 공기에도 들어있다. 은백색의 가볍고 부드러운 금속원소로 가공하기 쉽고 가벼우며 내식성이 있다. 따라서, 캔, 주방용 호일, 냄비나 식기류, 황산알루미늄, 식품 첨가물, 치약튜브, 빵이나 과자 등의 팽창제, 제산제등 여러 방면에서 이용되고 있다. 하지만, 평상시에 우리가 섭취하고 있는 알루미늄은 인체에 필요한 미네랄이 아니다. 오히려 이러한 알루미늄이 뇌에 신경독성을 가지고 있는지 않은지, 특히 알츠하이머 병을 일으키는 원인이 아닌지 걱정되는 상황이다. 알루미늄 화합물을 동물의 뇌에 주입하면 간질을 일으키거나 알츠하이머병의 원인이 신경섬유의 변화가 나타나기 때문이다.
분자가 자외선이나 가시광선을 흡수하면 바닥 상태에 있는 전자는 높은 에너지 상태로 여기한다. 들뜬 상태의 전자가 다시 안정한 바닥 상태로 되돌아 감과 동시에 발광한다. 다시 말해서, 형광이란 형광체가 에너지를 흡수한 후 열을 동반하지 않고 빛으로 방출하는 현상이다. 여기서 형광체는 외부에서 에너지를 흡수하여 빛을 방출하는 물질을 통틀어 말하며, 주로 비편재화된 전자를 가지고 있는 분자들이다. 형광 성질을 지니고 있는 화합물들은 화학적 센서, 그리고 전자 발광 표시 장치 등 다양하게 응용할 수 있어서 현재 큰 관심을 받고 있다.
최근까지 알루미늄 이온(Al3 +)을 검출하기 위한 몇몇 형광 화학센서들의 개발이 이루어졌으나, 대부분의 알루미늄 이온(Al3 +)에 선택성을 가지는 형광 센서는 복잡한 합성 과정을 통해 제조되며, 낮은 수용성을 가진다는 문제점이 남아 있다.
Park, H. M.; Oh, B. N.; Kim, J. H.; Qiong, W.; Hwang, I. H.; Jung, K.-D.; Kim, C.; Kim, J. Tetrahedron Lett. 2011, 52, 5581?5584. Maity, D.; Govindaraju, T. Chem. Commun. 2010, 4499-4501. Maity, D.; Govindaraju, T. Inorg. Chem. 2010, 49, 7229-7231
본 발명의 목적은 다양한 금속 중에 알루미늄 이온과 선택적으로 작용하여 형광을 나타내는 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체를 제조하고, 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제, 이를 이용한 알루미늄 이온 검출 방법 및 화학센서와 같은 검출장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체를 이용한 알루미늄 이온(Al3 +) 검출방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체를 포함하는 생체 내 알루미늄 이온(Al3 +) 검출 장치를 제공한다.
본 발명의 o-페놀살리실이민(PSI)는 합성 반응 조건이 간단하며, 다양한 금속 중에서 유독 알루미늄 이온(Al3 +)과 선택적으로 결합하여, 형광이 서서히 증가하고, 강한 형광을 나타낸다. 따라서, 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체는 세포 및 생체 내에서 알루미늄 이온(Al3 +)을 검출하는 검출제로 사용할 수 있고, 이를 이용하여 알루미늄 이온(Al3 +)을 검출하는 검출방법 및 검출장치로 유용하게 사용할 수 있다.
또한, 악성 세포에 PSI 화합물 또는 그 유도체와 Al3 +금속으로 염색할 경우 형광이미지(Fluorescence image)를 보면서 깨끗하게 제거할 수 있다.
도 1은 실시 예 1에서 PSI의 제조 방법이다.
도 2는 실시 예 1에서 PSI의 X-ray 결정 구조이다.
도 3은 PSI 화합물이 리간드로써, Al3 + 금속에 배위했을 때의 구조이다.
도 4는 Al3 + 금속의 존재 유무에 따른 PSI 화합물의 형광 반응을 나타낸 것이다.
도 5는 Fluorescence(형광)을 사용하여 PSI 화합물(PSI 리간드)에 다양한 금속을 각각 넣어서 형광의 세기를 알아보는 그래프이다.
도 6은 도 5의 그래프를 막대 그래프로 표현한 것이다.
도 7은 Fluorescence(형광)에서 PSI 화합물에 알루미늄(Al3 +) 금속을 점점 증가시키면서 형광 세기의 최대 값과 과량 넣어도 변하지 않는 점을 알아본 그래프이다.
도 8은 도 7의 510nm 지점을 기준으로 늘어놓은 것이다.
도 9는 UV-vis을 사용해 PSI 화합물에 알루미늄(Al3 +) 금속을 점점 증가시키면서 흡광도의 최대 값과 과량 넣어도 변하지 않는 점을 알아본 그래프이다.
도 10은 UV-vis을 사용해 도 9의 415 nm의 흡광도를 이용하여 job's plot 그래프를 나타낸 것으로, 그 결과 PSI 화합물과 Al3 + 금속이 1:1로 반응하는 것으로 나타났다.
도 11은 아래는 PSI 리간드, 위는 PSI 화합물에 Al3 + 1 당량을 넣은 1H NMR Spectra이다
도 12 및 도 13은 다양한 조건에서의 형광 이미지이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명은 알루미늄 이온 선택성을 갖는 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제에 관한 것이다. 상기 o-페놀살리실이민(화학식 1)은 하기 도 1에 나타낸 바와 같이 2-히드록시아닐린(2-hydroxyaniline)과 2-히드록시벤즈알데하이드(2-hydroxyl benzaldehyde)의 반응을 통하여 얻을 수 있다. 상기 반응은 종래 알루미늄 이온(Al3 +)에 선택성을 가지는 물질과 비교하여 비교적 쉬운 반응 조건에서 생성될 수 있다. 또한, 하기 도 2에는 X-ray 분석법을 통해 밝힌 o-페놀살리실이민의 결정 구조를 나타내었다.
또한, 본 발명의 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물의 유도체는 화학식 1 화합물의 페닐기에 한 개 이상의 알킬기가 치환된 것을 의미하며, 인접한 두개의 알킬기가 결합하여 환을 형성할 수 있다.
본 발명의 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체는 다양한 금속(예컨대, Na+, Ag+, K+, Ca2 +, Mg2 +, Hg2 +, Mn2 +, Co2 +, Ni2 +, Cu2 +, Zn2 +, Cd2 +, Pb2 +, Cr3 +, Fe3+, Ga3 +, In3 +, Al3 +) 중에서 유독 알루미늄 이온(Al3 +)과 결합하여, 형광이 서서히 증가하고, 강한 형광을 나타낸다. 즉, 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물은 알루미늄 이온(Al3 +)에 대해 선택성이 뛰어나다. 도 3은 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물과 알루미늄 이온(Al3 +)과의 결합 시 구조를 나타낸 것으로, 상기 구조가 되었을 때 강한 형광 반응을 나타낸다. 이는 금속 결합을 통해 PSI에서 π-컨쥬게이션 시스템이 보다 넓게 형성되기 때문이다. 이때, PSI 리간드와 Al3 + 금속이 1:1로 반응하는 것으로 확인되었다.
본 발명은 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물을 이용한 알루미늄 이온(Al3 +) 검출방법을 제공할 수 있다. 보다 상세하게는 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물을 이용한, 포유류 세포 및 척추동물 생체 내 알루미늄 이온의 검출 또는 인체로부터 분리된 시료의 알루미늄 이온(Al3 +) 검출방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물을 포함하는 생체 내 알루미늄 이온 검출 장치로, 형광 화학센서(Fluorescent Chemosensor)를 제공할 수 있으며, 상기 검출 장치는 프로브인 것이 보다 바람직하다.
상기 화학센서는 포유류 세포 및 척추동물 생체 내 알루미늄 이온의 검출 또는 인체로부터 분리된 시료의 알루미늄 이온의 검출에 실제적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 알루미늄 이온 검출제는 o-페놀살리실이민과 용매를 포함할 수 있으며, 상기 용매는 바람직하게는 물, 알코올 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 용매로, 물 및 알코올을 혼합하여 사용할 때에는 물: 알코올은 1: 3 ~ 3:1의 비율로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 1: 2 ~ 2:1의 비율로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, Al3 +금속과 다른 금속이 있을 경우 더 효과적으로 Al3 + 금속을 검출할 수 있다.
본 발명의 알루미늄 형광 프로브는 주로 pH 4 내지 8에서 감도를 나타내며, 보다 바람직하게는 pH 6 내지 7.6에서 우수한 감도를 나타낸다. pH 범위가 상기 범위를 벗어난 경우에는 PSI의 형광세기가 약하며, 상기 조건을 초과한 pH에서는 PSI가 분해될 수 있으며, 상기 pH 미만에서는 페놀 일부의 protonation이 발생될 수 있다.
상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물을 이용하여 세포 및 생체 내에서 알루미늄 이온(Al3 +)을 검출하는 검출방법 및 검출장치로 유용하게 사용할 수 있다.
상기 PSI 화합물을 자궁경부암 세포주인 HeLa 세포에 투여하고, Al3 + 금속을 넣었을 경우에 형광 이미지로 보게 되면 세포에 형광이 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서, 세포에 PSI 리간드와 Al3 +금속으로 염색할 경우 형광이미지(Fluorescence image)를 통해, 세포에서의 알루미늄 분포를 매핑할 수 있다. 예를 들어, 악성 세포에 PSI 리간드와 Al3 +금속으로 염색할 경우 형광이미지(Fluorescence image)를 보면서 깨끗하게 제거할 수 있다.
이하, 실시예 및 시험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예 및 시험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 시험예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
실시 예 1. PSI (o- phenolsalicylimine ) 리간드의 제조
1.1 PSI 리간드 제조방법
2-히드록시아닐린(2-hydroxyaniline) 1.42 g(13 mmol)과 2-히드록시벤즈알데히드(2-hydroxyl benzaldehyde) 1.59 g(13 mmol)을 각각 정제된 에탄올 100ml에 각각 녹인다. 두 용액을 상온, 질소분위기 하에서 1시간 교반하였다. 그 용액을 농축시킨 후 에탄올로 재결정하여 오렌지 색의 파우더를 얻을 수 있다. PSI의 제조 반응을 도 1에 나타내었다.
1H NMR (methanol-d4, 400 MHz) δ: 8.88 (s, 1H), 7.49 (d,1H), 7.36 (t, 1H), 7.31 (d, 1H), 7.12 (t, 1H), 6.92 (m, 4H).
13C NMR(DMSO-d6, 100 MHz): δ: 161.73, 160.77, 151.18, 134.95, 132.89, 132.37, 128.14, 119.64, 119.60, 119.54, 118.79, 116.74, 116.54
FAB MS m/z (M+): calcd,213.23; found, 213.22. Anal. Calcd for C13H11NO2 (213.23): C, 73.23; H, 5.20; N, 6.57. Found: C, 73.22; H, 5.22; N, 6.66.
1.2 PSI 리간드의 X- ray 결정 구조 분석
상기 제조된 PSI(o-phenolsalicylimine) 64.7mg(0.0125mmol)을 에탄올 3mL에 용해시켰다. 그 용액을 70℃의 온도에서 중탕을 시켜 녹인 후, 상온에서 방치하게 되면 자연스레 결정이 생기는 것을 볼 수 있다. X-ray 분석법으로 실제 화합물의 결정 구조를 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
실시 예 2. PSI 리간드와 다양한 금속들과의 형광 분석
형광기기를 통해 상기 실시예 1로부터 제조된 PSI 리간드를 사용해서 다양한 금속(Na+, Ag+, K+, Ca2 +, Mg2 +, Hg2 +, Mn2 +, Co2 +, Ni2 +, Cu2 +, Zn2 +, Cd2 +, Pb2 +, Cr3 +, Fe3 +, Ga3 +, In3+, Al3 +)과 반응시켜 형광 성질을 관찰하였다. PSI 리간드 1 μM를 CH3OH-H2O (1 : 1) 용매 3ml에 녹이고, 다양한 금속을 그 용액에 12 μM씩 넣어준 후, fluorescence 기계를 사용하여 각각 형광 세기를 측정하였다 ( λex = 411 nm ). 이때, 상기 금속이온 용액은 질산염(nitrate salt)을 사용하여 제조하였다.
각각의 금속에 대한 형광 분석 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 그 결과Na+, Ag+, K+, Ca2 +, Mg2 +, Hg2 +, Mn2 +, Co2 +, Ni2 +, Cu2 +, Zn2 +, Cd2 +, Pb2 +, Cr3 +, Fe3 +, In3 + 와 같은 금속 이온은 거의 형광세기가 증가하지 않았으며, Ga3 + 금속의 형광 세기도 증가하긴 했지만, Al3 +의 금속이 가장 강한 형광세기를 보여주었다 (도 5). 따라서, 본 발명의 PSI가 Al3 +이온에 대하여 고선택적으로 반응한다는 것을 알 수 있었다. 형광세기의 증가는 금속 결합을 통해 PSI에서 π-컨쥬게이션 시스템이 보다 넓게 형성되기 때문인 것이다. 상기 도 5의 측정한 그래프를 파장 510 nm를 기준으로 막대형 그래프로 나타내었다(도 6).
실시 예 3. PSI 리간드와 알루미늄과의 형광 분석
상기 실시예 2를 통하여 PSI 리간드가 금속 중 Al3 +금속과 강한 형광을 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서, 실시예 1에 의해 제조된 1 μM PSI 리간드에 Al3 + 금속의 농도를 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 5.0, 7.0, 9.0, 11, 13, 15, 17, 27 μM로 점점 증가시키면서 형광 세기를 측정하였다. 그 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었다. 도 7은 PSI 리간드에 Al3 + 금속을 점점 증가시키면서 형광 세기의 최대 값과 과량 넣어도 변하지 않는 점을 알아본 그래프이고, 도 8은 도 7의 510nm 지점을 기준으로 나타낸 것이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 13 μM의 농도에서 형광 세기 값이 변하지 않는 것을 볼 수 있었다. Al3 + 포화값이 13 μM임을 알 수 있었다.
또한, UV-vis 기기(Perkin-Elmer model Lambda 2S UV/vis spectrometer)를 사용해서 50 μM PSI 리간드에 Al3 + 금속의 농도를 2, 3, 4, 5, 15, 25 μM로 점점 증가시키면서 형광 세기를 측정하였다. 그 결과, 260 nm, 345 nm에서 흡광도는 감소하였다. 305, 415 nm에서 흡광도는 증가하였다. 그리고 310, 365, 460 nm에서 등흡광점 (isosbestic point)이 발견되었고 이 지점에서 PSI-Al3 + 착물이 형성됨을 알 수 있었다 (도 9).
또한, UV-vis을 사용하여 도 9의 415 nm의 흡광도를 이용하여 잡플롯(job's plot)을 측정하였다. ([Al3 +]/([PSI] + [Al3 +]))의 식을 통한 다양한 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 및 1의 비율로 하여, UV-vis 스펙트럼을 측정한 결과 0.5에서 가장 높은 값을 보여주었기 때문에 PSI-Al3 + 착물이 1:1 결합을 한다는 것을 알 수 있었다 (도 10).
실시 예 4. PSI 리간드와 알루미늄과의 결합 분석
Al3 +와 PSI 결합상태를 알아보기 위하여 메탄올-d4에서 1H NMR에 의해 실험하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11은 Al3 + 1당량을 처리한 전후의 PSI 스펙트럼을 나타낸 것으로, 아래는 PSI 리간드, 위는 PSI 리간드에 Al3 + 1 당량을 넣은 1H NMR Spectra이다.
도 11에 나타난 바와 같이, PSI와 Al3 +의 착물 형성은 금속이온의 배위가 전자 밀도가 감소되기 때문에, 저자기장에서 페놀의 aromatic proton 피크가 시프트된다. 페놀기의 Ha, Hb, 및 Hc은 Al3 + 염 1당량을 추가 시, 각각 1.00, 0.43 및 0.02 ppm로, 전반적으로 크게 다운필드로 시프트되었다. 비슷하게, 다른 페놀고리에 상응하는 그 피크(Hf)는 0.74 ppm까지 다운필드로 시프트되었다. 8.82 ppm에 이민 프로톤 피크(Hd)는 또한 다운필드로 시프트되었다. NMR 데이터는 Al3+ 및 PSI 사이의 부가물 형성은 이러한 화학적 시프트를 일으킴을 증명하였다. PSI에 2 및 4 당량의 Al3 + 첨가시 프로톤 시그널의 큰 변화는 없었다. 또한, 전기분무 질량분석법(Electrospray ionization mass spectral analysis)은 Al3 +와 PSI의 1:1 결합 stoichiometry을 나타냈다. Al3 + 의 1 당량 첨가 시, PSI의 양이온 질량 스펙트럼은 [Al3+ + PSI2 - + 2CH3OH]+ 이온에 상응하는 m/z = 302 에서 하나의 강한 피크가 나타낸다. PSI 용액에 Al3 + 2당량 첨가시, 큰변화는 나타나지 않았다.
실시 예 5. PSI - Al 3 + 착물의 세포 실험
Al3 + 금속이 포함되어 있는 세포에 PSI 리간드를 넣어서 형광으로 확인할 수 있는지에 대하여 실험하였다. 4 가지의 조건으로 실험을 진행하였다. 각 HeLa 세포 (CCL-2, ATCC, Manassas, VA)에 10 μM PSI 리간드를 넣고 배양하였다. 이때, 상기 HeLa 세포 (CCL-2, ATCC, Manassas, VA)는 100 units/mL 페니실린(penicillin, SIGMA), 100 mg/mL 스트렙토마이신(streptomycin, SIGMA) 및 10% FBS (fetal bovine serum, SIGMA)를 포함하는 DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium, Invitrogen, Carlsbad, CA) 배지를 이용하여 humidified incubator에서 37℃의 조건으로 배양하였다. 또한, 각각 Al3 +의 농도를 1, 10, 100 uM로 달리함으로써 차이를 주었다. 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다. (a, e)의 경우에는 전혀 넣지 않았으며, (b, f)는 1 μM Al3 +을 넣었고, (c, g)는 10 μM Al3 +을 넣었고, 마지막으로 (d, h)는 100 μM의 Al3 +을 넣고 각각 37℃에서 4시간 동안 배양시켰다. (a-d)는 DIC (Differential Interference Contrast)이미지로 촬영을 하였고, (e-h)는 CLSM LSM510 기기를 사용하여, (Carl Zeiss) 형광 이미지로 촬영을 하였다. (excitation = 480 nm, emission = 520 nm). 그 결과, (e)에서는 전혀 형광이 나타나지 않았고, Al3 +가 증가함에 따라 형광 또한 강하게 발산하는 것을 볼 수 있었다 (도 12, 13).

Claims (6)

  1. o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체를 포함하는 알루미늄 이온 검출제를 인체로부터 분리된 시료에 넣는 단계; 및 상기 단계 후 형광이미지를 통해 알루미늄 이온(Al3+)을 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 o-페놀살리실이민(PSI) 화합물 또는 그 유도체는 알루미늄 이온(Al3+)과 1:1로 반응하고, 상기 유도체는 하기 화학식 1 화합물의 페닐기에 한 개 이상의 알킬기가 치환된 것이며,
    상기 o-페놀살리실이민은 2-히드록시아닐린(2-hydroxyaniline)과 2-히드록시벤즈알데하이드(2-hydroxybenzaldehyde)가 반응하여 얻어지는 것이고,
    상기 알루미늄 이온 검출제는 Na+, Ag+, K+, Ca2+, Mg2+, Hg2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cr3+, Fe3+, Ga3+, In3+ 및 Al3+로 이루어진 금속 이온 중에서 알루미늄 금속 이온(Al3+)만을 특이적으로 검출하는 것을 특징으로 하는, 인체로부터 분리된 시료의 알루미늄 이온(Al3+) 검출방법.
    [화학식 1]
    Figure 112015023824212-pat00014
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 이온 검출제는 용매를 더 포함하며,
    상기 용매는 물, 알코올 및 이들의 혼합물인 것인, 알루미늄 이온 검출방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 인체로부터 분리된 시료는 HeLa 세포인 것인, 알루미늄 이온 검출방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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