KR101645799B1 - 신규한 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 알루미늄 이온 또는 시안화 이온 검출제, 검출방법 및 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신규한 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제, 검출방법 및 검출장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-)에 특이적으로 선택성이 있는 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제, 검출방법 및 검출장치에 관한 것이다.

Description

신규한 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 알루미늄 이온 또는 시안화 이온 검출제, 검출방법 및 검출장치{A Novel Julolidine Based Compounds, Agent Selecting Aluminum Ion Or Cyanide Ion Using The Same, Detecting Method And Detecting Device Thereof}

본 발명은 신규한 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제, 검출방법 및 검출장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-)에 특이적으로 선택성이 있는 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제, 검출방법 및 검출장치에 관한 것이다.

알루미늄은 가장 흔한 금속이며 지표면에서 산소와 규소 다음으로 풍부한 성분이다. 그러나 과다한 알루미늄은 인간의 조직과 세포에 손상을 유발시켜 알츠하이머병이나 파킨슨병 같은 질환을 일으킬 수 있다. 그러므로 WHO에서는 과다한 알루미늄을 식품오염원의 하나로 규정했으며, 음용수의 알루미늄 농도를 200μg/L(7.41μM)로 제한하였다. 게다가 물에서 알루미늄 무기물의 용해도는 산성 조건하에 증가하며, 이런 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 증가는 식물과 어류에 치명적이다. 따라서, 넓은 pH 범위에서 WHO가 권장한 제한 농도 이하에서 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 검출할 수 있는 민감하고 선택적인 센서의 개발은 매우 중요하다.

시안화 음이온(CN^-)은 가장 빠르게 작용하는 독극물로 알려져 있으며, 시안화 음이온(CN^-)의 유독성은 시토크롬c 산화효소의 철 이온과 결합하는 경향 때문인 것으로, 철 이온과 결합하면 시안화 음이온(CN^-)이 전자 전달을 방해하여 저산소혈증을 일으킨다. 또한, 일부 연구에서는 시안화 음이온(CN^-)이 많은 화재관련 사망에서 중요한 요소로 작용한다고 발표하기도 하였다. 그러나 시안화 음이온(CN^-)의 독성에도 불구하고 섬유와 수지, 제초제의 합성 원료와 금 채취에 시안화 음이온(CN^-)의 사용은 필수적이다. 그러므로 시안화 음이온(CN^-)을 검출할 수 있는 확실하고 효과적인 방법이 필요한 실정이다.

최근 시안화 음이온(CN^-) 검출을 목적으로 하는 화학 센서의 개발에 많은 연구가 진행되고 있으며, 그 중에서도 다른 요소의 간섭 없이 간단한 색 변화로 확인할 수 있는 시안화 음이온(CN^-) 수용체를 개발하려는 연구가 진행되고 있다. 그러나 많은 시안화 음이온(CN^-) 수용체는 플로라이드와 아세트산 이온을 검출하거나, 비싼 기기를 사용하거나, 합성과정이 복잡하고, 오직 유기용매에서만 검출 가능하다는 제한이 있다. 그러므로 수용액 상에서 시안화 음이온을 선택적으로 검출하는 것은 여전히 큰 과제로 남아있다.

금속 이온과 음이온을 동시에 검출할 수 있는 화학센서의 발전은 생물학적 산업과 환경적 과정에서 중요한 적용 가능성 때문에 가장 중요한 일 중 하나이다. 게다가 여러 이온을 검출할 수 있는 하나의 수용체는 좀 더 효과적이며, 단일 검출 수용체보다 비용을 절감할 수 있기 때문에 더 많은 관심을 끌 수 있다. 금속 이온과 음이온 모두 검출하는 다양한 방법 중 형광과 색 변화 검출 방법은 그들의 높은 민감성과 쉬운 조작, 빠른 반응, 적은 비용으로 더욱 인기가 있다.

따라서, 수용액 상에서 금속 이온과 음이온을 동시에 검출할 수 있는 화학센서의 연구 및 개발이 필요한 실정이다.

Soojin Kim, Jin Young Noh, Sol Ji Park, Yu Jeong Na, In Hong Hwang, Jisook Min, Cheal Kim, Jinheung Kim. RSC Advances. 4 (2014) 18094-18099

본 발명은 금속 이온 중에서 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 선택적으로 결합하여 형광을 방출하며, 음이온 중에서 시안화 이온(CN^-)과 선택적으로 결합하여 색 변화를 나타내는 신규한 주롤리딘계 화합물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 신규한 주롤리딘 화합물을 이용하여 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-)의 검출제, 검출 방법 및 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 하기 화학식 1로 나타내는 화합물을 제공한다.

[화학식 1]

또한, 본 발명은 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 및 벤즈하이드라자이드를 반응시키는 것을 특징으로 하는 상기 화학식 1의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 사용하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제를 포함하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출 장치를 제공한다.

본 발명의 신규한 주롤리딘계 화합물은 상온에서 제조할 수 있어 제조가 용이한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 신규한 주롤리딘계 화합물은 금속 이온과 배위 결합하여 착물을 형성할 수 있으며, 그 중에서도 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 결합하면 형광이 방출되어 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 선택적으로 검출할 수 있으며, 세포 내의 알루미늄 이온(Al^{3 +})도 검출할 수 있다.

또한, 본 발명의 신규한 주롤리딘계 화합물은 시안화 이온(CN^-)과 결합하면 색 변화가 관찰되어 시안화 이온(CN^-)을 선택적으로 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 화학식 1의 화합물이 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 결합한 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 화학식 1의 화합물에 다양한 금속을 각각 첨가하였을 때의 형광세기를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 화학식 1의 화합물에 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 농도를 증가시키면서 첨가하였을 때의 형광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 화학식 1의 화합물에 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 농도를 증가시키면서 첨가하였을 때 488nm에서 측정한 형광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 결합비를 나타낸 잡플랏(Job's plot) 그래프이다.
도 6은 본 발명의 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})이 1:1로 결합하는 것을 나타낸 ESI-MS 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 화학식 1의 화합물이 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 검출할 때, 다양한 금속 이온으로부터 방해를 받는지를 형광의 세기로 측정한 그래프이다.
도 8은 pH 2 내지 12에서 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 유무에 대한 본 발명의 화학식 1의 화합물의 형광 세기를 측정한 그래프이다.
도 9의 A, B, C, D, E, F 및 G는 인간의 피부 섬유아세포에 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 각각 0, 10, 20, 40, 70, 90 및 100μM을 첨가하였을 때의 사진이고, H, I, J, K, L, M 및 N은 상기 A, B, C, D, E, F 및 G에 본 발명의 화학식 1의 화합물을 각각 20μM 첨가하였을 때의 형광 발현 사진이다.
도 10은 본 발명의 화학식 1의 화합물에 다양한 음이온을 각각 첨가하였을 때의 흡광도 그래프이다.
도 11은 본 발명의 화학식 1의 화합물에 다양한 음이온을 각각 첨가하였을 때의 색 변화를 나타낸 사진이다.
도 12는 30% 메탄올 수용액에서 본 발명의 화학식 1의 화합물에 시안화 이온(CN^-)의 농도를 10 내지 200 당량 증가시켰을 때의 흡광도 그래프이다.
도 13은 30% 메탄올 수용액에서 본 발명의 화학식 1의 화합물에 시안화 이온(CN^-)의 농도를 10 내지 200 당량 증가시켰을 때의 450nm에서 흡광도를 측정한 그래프이다.
도 14는 30% 메탄올 수용액에서 본 발명의 화학식 1의 화합물에 시안화 이온(CN^-)의 농도를 10 내지 40 당량 증가시켰을 때의 흡광도 그래프이다.
도 15는 30% 메탄올 수용액에서 본 발명의 화학식 1의 화합물에 시안화 이온(CN^-)의 농도를 40 내지 200 당량 증가시켰을 때의 흡광도 그래프이다.
도 16은 본 발명의 화학식 1의 화합물이 시안화 이온(CN^-)을 검출할 때, 다양한 음이온으로부터 방해를 받는지를 관찰한 흡광도 그래프이다.
도 17은 본 발명의 화학식 1의 화합물이 시안화 이온(CN^-)을 검출할 때, 다양한 음이온으로부터 방해를 받는지를 관찰한 색 변화 사진이다.
도 18은 30% 메탄올 수용액에서 본 발명의 화학식 1의 화합물에 시안화 이온(CN^-)의 농도를 증가시켰을 때의 ¹H-NMR 그래프이다.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명은 하기 화학식 1로 나타내는 화합물에 관한 것이다.

[화학식 1]

화학 센서로 사용되는 주롤리딘 구조를 포함하는 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드는 잘 알려진 발색단이며, 물에 잘 용해된다. 또한, 벤즈하이드라자이드 또는 아마이드 그룹을 포함한 구조는 음이온과 수소 결합을 통해 음이온을 검출할 수 있다.

따라서, 발색단을 가지는 주롤리딘계 화합물과 물에서 금속 이온과 음이온을 검출할 수 있는 벤즈하이드라자이드 그룹을 포함하는 구조를 합성하여, 금속 이온 및 음이온을 모두 검출할 수 있는 화합물을 제조하고자 하여, 본 발명에서는 상기 화학식 1의 화합물을 제조하였다.

상기 화학식 1의 화합물은 주롤리딘 구조 및 벤즈하이드라자이드를 포함하고 있어 금속 이온 및 음이온을 검출할 수 있으며, 보다 자세하게는 금속 이온 중에서는 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 검출하며, 음이온 중에는 시안화 이온(CN^-)을 선택적으로 검출할 수 있다.

본 발명의 상기 화학식 1의 화합물은 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 및 벤즈하이드라자이드를 반응을 통하여 제조되며, 상온에서 반응을 진행할 수 있어 제조가 용이한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제에 관한 것이다.

상기 화학식 1의 화합물은 다양한 금속 이온(예컨대, Mn^{2 +}, Fe^{2 +}, Fe^{3 +}, Co²⁺, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Pb^{2 +}, Cr^{3 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +}) 중에서도 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 결합하는 경우 형광의 세기가 크게 증가한다. 또한, 상기 화학식 1의 화합물은 다양한 음이온(예컨대, CN^-, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ^{2 -}, N₃ ^- ) 중에서도 시안화 이온(CN^-)과 결합하였을 때 색 변화가 관찰된다.

따라서, 상기 화학식 1의 화합물은 금속 이온 중에서 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 음이온 중에서 시안화 이온(CN^-)에 선택성이 있다고 볼 수 있으며, 상기 특성을 이용하여 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-)을 검출할 수 있는 검출제로 사용 가능하다.

또한, 본 발명의 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있으며, 상기 용매는 증류수인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 시안화 이온(CN^-) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있으며, 상기 용매는 증류수 및 메탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 증류수 및 메탄올이 0:10 내지 8:2의 부피비로 혼합된 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 사용하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출 방법을 제공한다. 보다 자세하게는 상기 화학식 1의 화합물이 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 결합하여 형광의 세기가 변화하고, 시안화 이온(CN^-)과 결합하여 색 변화가 나타나는 검출 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제를 포함하는 검출 장치를 제공한다. 상기 검출 장치는 형광 또는 색 변화를 통하여 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-)을 검출할 수 있으며, 상기 검출 장치는 프로브(probe)인 것이 바람직하다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예 및 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1. 화학식 1의 화합물 제조

벤즈 하이드라자이드 0.14g(1 mmol)을 에탄올 3mL에 녹인 후, 상기 용액에 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 0.23g(1 mmol)를 넣어 서로 혼합하였다. 그 후, 2 방울의 염산을 반응 용액에 넣어준 후 상온에서 30 분간 교반하였다. 노란색 침전물을 걸러내어 차가운 에탄올로 여러 번 세척하고 진공상태에서 건조시켜 화합물을 얻었으며, 반응식은 하기와 같다.

[반응식 1]

또한, 상기 화합물을 ¹H-NMR, ¹³C-NMR, HRMS 및 EA 분석을 통하여 구조를 확인하였다.

수율: 0.17 mg (51 %).

¹H-NMR (DMSO-d₆, 400 MHz): δ 11.79 (s, 1H), 11.78 (s, 1H), 8.31 (s, 1H), 7.91 (d, 2H), 7.59 (t, 1H), 7.52 (t, 2H), 6.72 (s, 1H), 3.18 (m, 4H), 2.62 (m, 4H), 1.86 (m, 4H).

¹³C-NMR (DMSO-d₆, 400 MHz): 162.78, 155.37, 151.58, 145.90, 133.83, 132.31, 129.14, 128.96, 128.15, 113.10, 106.96, 106.45, 50.00, 49.54, 27.21, 22.20, 21.38, 20.91 ppm.

HRMS (ESI): [M + H⁺] : calcd, 335.16, found, 335.23.

EA : Anal. Calcd for C₂₀H₂₁N₃O₂ (335.41): C 71.62, H 6.31, N 12.53 %

Found: C 71.45, H 6.45, N 12.39 %.

상기 분석을 통하여 실시예 1에서 제조한 화합물이 본 발명의 화학식 1의 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 1. 다양한 금속 이온에 대한 화학식 1의 화합물의 형광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 10μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 물에 희석시켜 최종농도를 10μM로 제조하였다. 상기 용액에 19 당량의 다양한 금속 이온(Mn^{2 +}, Fe^{2 +}, Fe^{3 +}, Co^{2 +}, Ni²⁺, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Pb^{2 +}, Cr^{3 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +})용액을 각각 넣어 형광(fluorescence) 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다(λex = 410 nm). 상기 금속 이온 용액은 모두 질산염(nitrate salt)을 사용하였으며 용매로는 증류수를 사용하였다.

그 결과 Mn^{2 +}, Fe^{2 +}, Fe^{3 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca²⁺, Pb^{2 +}, Cr^{3 +}, Ga^{3 +} 및 In^{3 +}과 같은 금속 이온은 형광 세기가 거의 증가하지 않았고 형광의 변화가 나타나지 않았다. 반면, 알루미늄 이온(Al^{3 +})은 강한 형광세기의 증가를 보였다(도 2).

따라서, 본 발명의 화학식 1의 화합물은 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 결합(도 1)하여 형광을 방출하므로, 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 선택적으로 검출한다는 것을 알 수 있었다.

실험예 2. 알루미늄 이온( Al ^{3 +} )에 대한 화학식 1의 화합물의 형광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 물에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 용액에 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 의 농도를 1 내지 19 당량으로 1 당량씩 증가시키면서 형광기기를 사용하여 형광 세기를 측정하였다(도 3).

알루미늄 이온(Al^{3 +})의 당량이 증가할수록 형광의 세기가 증가하였다. 보다 자세하게는 10 당량 이후부터는 형광의 세기가 서서히 증가하였으며, 19 당량까지 형광의 세기가 증가하였고, 그 이후로는 변화가 나타나지 않았다(도 4). 또한, 잡플랏(Job's plot)을 통하여 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 결합비가 1 대 1임을 알 수 있었다(도 5).

또한, 상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 결합비를 알아보기 위하여 ESI-MS 실험을 진행하였다. 그 결과, 한 개의 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 두 개의 화학식 1의 화합물이 결합했을 때의 값(m/z=423.60, 이론값:423.125)에서 가장 높은 값이 측정되어, 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})은 1:1 결합을 한다는 것을 알 수 있었다(도 6).

실험예 3. 다른 금속 이온들 및 pH 가 알루미늄 이온( Al ^{3 +} )과 화학식 1의 화합물의 형광 세기에 미치는 영향

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 물에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 화학식 1의 화합물 용액에 다른 금속이온(Mn^{2 +}, Fe^{2 +}, Fe^{3 +}, Co²⁺, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Pb^{2 +}, Cr^{3 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +})을 각각 19 당량씩 넣은 후, 알루미늄 이온(Al^{3 +})도 19 당량을 넣어 형광을 측정하였다.

그 결과, Mn^{2 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Pb^{2 +}, Ga^{3 +}, In³⁺등의 금속 이온들은 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 형광 세기를 방해하지 않았으나, Fe^{2 +}, Fe^{3 +}, Cu^{2 +}, Cr^{3 +} 등의 금속 이온은 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 상호작용을 다소 방해하였다(도 7).

또한, 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 결합한 상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물이 pH에 따라 형광의 세기가 어떻게 변화하는지를 관찰하였다(도 8).

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 물에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 화학식 1의 화합물 용액에 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 30 mM을 넣고 pH 2에서 12까지 각각의 용액을 형광기기로 측정하였다. pH 3 내지 11에서 형광 감도를 나타냈으며, pH 4 내지 10에서 우수한 형광 감도를 나타내었다. pH 범위가 상기 범위를 벗어난 경우에는 형광세기가 약했으며, 알루미늄 이온(Al^{3 +})이 존재하지 않을 때는 형광의 세기가 나타나지 않았다.

실험예 4. 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온( Al ^{3 +} ) 의 세포 내 이미지 분석

알루미늄 이온(Al^{3 +})의 존재 하에서 상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물의 형광 능력을 알아보기 위해 세포 내 실험을 진행하였다.

인간의 피부 섬유아세포(dermal fibroblast)를 각각 0, 10, 20, 40, 70, 90 및 100μM(도 9의 A 내지 G)의 알루미늄 이온(Al^{3 +})에 네 시간 동안 노출시켰다. 상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 20 μL(2 mM)을 취해 2.98 mL의 물에 희석시켜 최종농도를 20 μM로 제조한 화학식 1의 화합물 용액에 30 분간 노출시킨 후 형광 이미지를 관찰하였다(도 9의 H 내지 N).

인간의 피부 섬유아세포는 알루미늄 이온(Al^{3 +})이 존재하지 않거나, 화학식 1의 화합물이 없을 경우에는 형광을 나타내지 않았으며, 세포 내의 형광 세기는 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 농도가 증가함에 따라서 함께 증가하였다.

따라서, 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물은 세포 내의 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 형광으로 검출할 수 있다.

실험예 5. 다양한 음이온에 대한 화학식 1의 화합물의 흡광도 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후 30 μL(3 mM)을 취해 2.97 mL의 30% 메탄올 수용액에 희석시켜 최종농도 30 μM인 화학식 1의 화합물 용액을 제조하였다. 상기 용액에 다양한 음이온(CN^-, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ^{2 -}, N₃ ^-)용액을 각각 200 당량씩 넣어 색 변화를 관찰하였다. 상기 음이온 용액은 모두 사에틸암모늄염(tetraethylammonium salt)을 사용하였으며, 용매로는 물을 사용하였다.

시안화 음이온(CN^-)은 무색에서 노란색으로 색이 변하였고, 다른 음이온은 색 변화가 관찰되지 않았다(도 11). 또한, 농도가 30 μM 인 상기 화학식 1의 화합물 용액에 200 당량의 다양한 음이온(CN^-, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ^{2 -}, N₃ ^-)을 각각 넣어 UV-vis로 관찰한 결과, 화학식 1의 화합물과 다른 음이온의 경우에는 스펙트럼의 차이가 거의 없고, 시안화 음이온(CN^-)의 경우 파장이 변한 것을 확인하였다(도 10).

따라서, 본 발명의 화학식 1의 화합물은 시안화 음이온(CN^-)을 선택적으로 검출한다는 것을 알 수 있었다.

실험예 6. 시안화 이온( CN ^- )에 대한 화학식 1의 화합물의 흡광도 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물과 시안화 음이온(CN^-)의 결합 성질을 알아보기 위하여 UV 적정실험을 진행하였다.

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후 30 μL(3 mM)을 취해 2.97 mL의 30% 메탄올 수용액에 희석시켜 최종농도 30 μM인 화학식 1의 화합물 용액을 제조하였다. 상기 용액에 시안화 음이온(CN^-)의 농도를 10 내지 200 당량으로 10 당량씩 점점 증가시키면서 UV-vis 기기를 사용하여 흡광도를 측정하였다(도 12). 시안화 이온(CN^-)의 농도가 증가할수록 450nm에서 흡광도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다(도 13).

보다 자세하게는, 시안화 이온(CN^-)의 농도에 따른 흡광도의 결과가 두 단계로 나뉘었는데, 첫번째 단계로, 시안화 음이온(CN^-)의 농도가 40 당량까지 증가할 수록 478 nm에서 흡광도는 감소하고, 350 nm와 400 nm 에서 새로운 흡수파장이 생성된 것을 확인하였다(도 14). 또한, 337 nm 및 408 nm에서 등흡광점(isosbestic point)이 관찰되었다.

두번째 단계로, 시안화 음이온(CN^-) 의 농도가 40 당량부터 200 당량까지 증가할수록 370 nm에서 흡광도는 감소하고, 290nm와 450nm에서 새로운 흡수파장이 생성된 것을 확인하였다. 또한 324nm 및 403nm에서 등흡광점(isosbestic point)이 관찰되었다(도 15).

상기 두 단계의 과정에 따라 페놀의 -OH와 아마이드의 -NH에서 수소가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 흡수 파장의 장파장쪽 이동(bathochromic shift)은 시안화 음이온(CN^-)에 의한 화학센서의 탈양성자 반응이 ICT(intramolecular charge transfer)를 일으킨 것임을 알 수 있었다.

실험예 7. 다른 음이온들이 시안화 이온( CN ^- )과 화학식 1의 화합물의 흡광도에 미치는 영향

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물과 시안화 이온(CN^-)의 흡광도에 다른 음이온들이 미치는 영향을 관찰하였다.

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후 30 μL(3 mM)을 취해 2.97 mL의 30% 메탄올 수용액에 희석시켜 최종농도 30 μM인 화학식 1의 화합물 용액을 제조하였다. 상기 용액에 다른 음이온(F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ^{2 -}, N₃ ^-)을 각각 200 당량씩 넣은 후, 시안화 이온(CN^-)도 200 당량을 넣어 흡광도를 측정하였다(도 16).

다른 음이온들(F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ^{2 -}, N₃ ^-)은 화학식 1의 화합물과 시안화 음이온(CN^-)의 흡광도를 방해하지 않았으며, 색 변화도 관찰되지 않았다(도 17).

따라서, 화학식 1의 화합물은 다른 음이온의 존재 하에서도 시안화 이온(CN^-)에 대해 높은 선택성을 가져 시안화 이온(CN^-)을 검출할 수 있는 효과적인 검출제로서 사용 가능한 것을 알 수 있었다.

실험예 8. 시안화 이온( CN ^- ) 및 화학식 1의 화합물에 대한 양성자 핵자기 공명( ¹ H- NMR ) 적정 실험

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물이 시안화 이온(CN^-)에 의해서 탈양성자화 반응이 일어나는 것을 알아보기 위하여 DMSO-d ₆ 에서 ¹H-NMR 적정 실험을 하였다.

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(3.35 mg, 0.01 mmol)을 700 μL에 DMSO-d ₆ 에 녹인 후, 상기 용액에 시안화 이온(CN^-)을 각각 0, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0 당량씩 넣고 ¹H-NMR을 측정하였다(도 18).

2 당량의 시안화 이온(CN^-)을 넣었을 때 화학식 1의 화합물의 하이드록실 그룹의 H 양이온과 아마이드 그룹의 H 양이온 피크가 완전히 사라졌다. 상기 결과는 시안화 이온(CN^-)의 첨가가 하이드록실그룹과 아마이드 그룹의 탈양성자 반응을 일으켰음을 의미한다.

Claims (11)

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3. 하기 화학식 1의 화합물을 포함하는 알루미늄 이온(Al³⁺) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제.
   [화학식 1]
   

   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 검출제.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 용매는 증류수인 것을 특징으로 하는 검출제.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 시안화 이온(CN^-) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 검출제.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 용매는 증류수 및 메탄올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 검출제.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 증류수 및 메탄올은 0:10 내지 8:2의 부피비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 검출제.
9. 하기 화학식 1의 화합물을 사용하는 알루미늄 이온(Al³⁺) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출 방법.
   [화학식 1]
   

   
10. 청구항 3의 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출제를 포함하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출 장치.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출 장치는 프로브(probe)인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 또는 시안화 이온(CN^-) 검출 장치.

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