KR102520616B1 - 근적외선 영역의 형광 프로브인 신규한 화합물, 시스테인 검출을 위한 조성물 및 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 근적외선 영역의 형광 프로브인 신규한 화합물, 시스테인 검출을 위한 조성물 및 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로, Aza-BODIPY 기반의 신규한 화합물 및 이를 포함하는 시스테인 검출을 위한 조성물 및 센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 근적외선 영역의 형광 프로브인 신규한 화합물, 시스테인 검출을 위한 조성물 및 센서에 관한 것이다.
바이오티올은 시스테인(Cysteine), 호모시스테인(Homocysteine), 글루타티온(glutathione) 등을 포함하는 물질로, 질병 진단과 관련하여 생리학적으로 중요하게 인식되고 있다. 그러나 높은 농도에서의 바이오티올은 간 손상, 성장저하 및 부종과 같이 신체에 악영향을 준다. 그 중 시스테인은 단백질 합성, 해독, 대사작용을 담당하는 비필수 아미노산이다. 시스테인이 농도가 높은 경우 신경독성을 보이며, 낮은 경우 느린 성장 속도, 모발 탈색, 부종, 간 손상, 근육과 지방의 손실 등이 일어난다. 따라서 시스테인에 대한 정성 및 정량분석이 요구된다.
바이오 티올(Biothiols)은 전기 화학적 검출 기능을 갖춘 HPLC(high-performance liquid chromatography), 형광 및 흡광도 검출(ultraviolet-absorbance detection), 모세관 전기 영동(capillary electrophoresis), 화염 광도 측정 기능(flame photometric detection)을 갖춘 가스 크로마토그래피 등 여러 분석 기법으로 분석되고 있다. 또한, 높은 선택성, 감도, 단순성 및 빠른 응답으로 인해 형광 프로브는 생체 내(in vitro) 또는 생체 외(in vivo)에서 생물학적으로 관련된 종을 모니터링을 위해 사용되고 있다. Cys, Hcy 및 GSH에 대한 형광 프로브는 분자 인식 또는 티올-특이적 반응 전략에 활용되고 있다. 그러나 Cys와 Hcy의 구조적 유사성으로 인해 두 종 간의 선택적인 구별은 어렵고, Cys 대한 선택도가 높으면서 형광 및 비색을 이용한 정량 분석을 위한 연구가 필요하다.
본 발명은 상기 언급한 문제점을 해결하기 위해서, 시스테인에 대한 선택적 광학적 특성 변화를 갖는, 근적외선 영역의 형광 프로브인 신규한 화합물을 제공하는 것이다.
본 발명은, 본 발명에 의한 화합물을 포함하고, 시스테인과 접촉 시 광학적 변화를 갖고, 비색 및 형광 센서로 활용할 수 있는 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은, 본 발명에 의한 화합물을 포함하고, 시스테인에 대한 선택성과 우수한 감도를 가지면서, 비색 및 형광 센서로 활용할 수 있는, 센서를 제공하는 것이다.본 발명은, 본 발명에 의한 화합물을 이용한 시스테인의 감지 또는 검출을 위한 분석 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 하기의 화학식 1로 표시되는, 화합물에 관한 것이다.
[화학식 1]
(여기서, R1 내지 R2은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고, R3 내지 R12은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고, 상기 아릴 및 헤테로아릴은, 각각, 비치환되거나 또는 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 20의 아릴 및 탄소수 5 내지 20의 헤테로아릴 중 적어도 하나에 의해 더 치환되고, 상기 헤테로아릴은, N, O 및 S 중 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함한다.)
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 R1 내지 R2은, 각각, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 10 알킬, 탄소수 2 내지 10 알케닐, 탄소수 2 내지 10의 알키닐, 탄소수 1 내지 10의 알콕시, 탄소수 1 내지 10 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고, 상기 R3 내지 R12은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 20의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 10 알킬, 탄소수 2 내지 10 알케닐, 탄소수 2 내지 10의 알키닐, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 및 탄소수 1 내지 10 알킬카보닐에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 R1 내지 R2은, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고, 상기 R3 내지 R9 중 적어도 하나는, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐 및 탄소수 6 내지 10의 아릴에서 선택된다.), 니트로, 탄소수 1 내지 10 알킬, 및 탄소수 2 내지 10 알케닐에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화합물은, 시스테인과 결합 시 광학적 특성 변화를 나타내고, 상기 광학적 특성 변화는, 색, 형광 파장, 형광 강도 및 흡광도 중 적어도 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 화합물을 포함하는, 시스테인 검출을 위한 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 조성물은, 버퍼 용액을 더 포함하고, 상기 조성물은, pH 7 내지 8인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 조성물은, 시스테인과 접촉 시 광학적 특성 변화를 나타내고, 상기 광학적 특성 변화는, 색, 형광 파장, 형광 강도 및 흡광도 중 적어도 하나인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 화합물을 포함하는, 감지부; 를 포함하는, 화학 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학 센서는, 시스테인 검출 또는 시스테인의 정량 및 정성 분석이 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학 센서는, 근적외선 영역의 형광 변화, 색변화 이 둘을 검출하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 화합물에 분석 시료를 접촉시키는 단계; 및 상기 접촉시키는 단계 이후에, 상기 화합물의 광학적 변화를 관찰하는 단계; 를 포함하는, 시스테인 검출 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 분석 시료는, pH 7 내지 8로 유지되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 관찰하는 단계는, 상기 화합물의 색, 형광 파장, 흡광도 및 형광 강도 중 적어도 하나를 관찰하는 것일 수 있다.
본 발명은, 감지 대상, 예를 들어, 바이오티올 중 시스테인의 선택적 검출이 가능한, Aza-BODIPY 기반의 화합물을 제공하고, 시스테인에 대한 높은 선택도, 민감한 비색 및 형광 변화를 나타낼 수 있다.
본 발명은, 바이오티올 중 시스테인에 대한 선택성과 감도가 우수하고, 형광 및 색 변화를 통하여 시스테인에 대한 정성분석과 정량분석이 가능한 화학 센서 및 분석 방법을 제공하는 것으로, 예를 들어, 형광 또는 비색 센서 및 이를 이용한 시스테인 분석 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, THF 내에서 BDP-OH (λex = 685 nm), BDP-1, BDP-2 및 BDP-3 (λex = 645 nm) (10 μM)(슬릿 5/5 nm)의 UV/Vis 스펙트럼 및 (b) 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시에에 따라, DFT 계산 결과에서 획득한 바닥 상태(S0)에서 DP-OH, BDP-1, BDP-2 및 BDP-3의 분자 오비탈 및 에너지 (eV)를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, Cys (0-80 μM)의 존재 하에서 PBS (pH 7.4)/THF (5/5) (λex = 700 nm) 내에서 BDP-1 (10 μM)의 (b) UV/Vis 및 (c) 형광 방출 스펙트럼 적정(fluorescence emission spectra titration)(slit 5/5 nm)을 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, (a) THF/PBS pH 7.4 (5/5) 내에서 (1) 블랭크, (2) H2S (200 μM), (3) 2-메르캅토에탄올(2-mercaptoethanol) (200 μM), (4) 치오글리콜산(thioglycolic acid) (200 μM), (5) GSH (1 mM), (6) Cys (50 μM), (7) Hcy (1 mM), (8) Na2S2O7 (200 μM), (9) KSCN (200 μM), (10) 시스테아민(Cysteamine)(500 μM)의 존재 하에서 BDP-1 (10 μM)의 색 변화를 나타낸 것이고, (b) PBS (pH 7.4)/THF (5/5) 내에서 0-60 μM 범위의 농도에서 Cys의 존재 하에서 BDP-1 (10 μM) 색변화를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, PBS (pH 7.4)/THF (5/5) 내에서 Cys 농도에 따른 BDP-1의 형광 강도의 기울기를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시에에 따라, DFT 계산 결과에서 획득한 바닥 상태(S0)에서 DP-OH, BDP-1, BDP-2 및 BDP-3의 분자 오비탈 및 에너지 (eV)를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, Cys (0-80 μM)의 존재 하에서 PBS (pH 7.4)/THF (5/5) (λex = 700 nm) 내에서 BDP-1 (10 μM)의 (b) UV/Vis 및 (c) 형광 방출 스펙트럼 적정(fluorescence emission spectra titration)(slit 5/5 nm)을 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, (a) THF/PBS pH 7.4 (5/5) 내에서 (1) 블랭크, (2) H2S (200 μM), (3) 2-메르캅토에탄올(2-mercaptoethanol) (200 μM), (4) 치오글리콜산(thioglycolic acid) (200 μM), (5) GSH (1 mM), (6) Cys (50 μM), (7) Hcy (1 mM), (8) Na2S2O7 (200 μM), (9) KSCN (200 μM), (10) 시스테아민(Cysteamine)(500 μM)의 존재 하에서 BDP-1 (10 μM)의 색 변화를 나타낸 것이고, (b) PBS (pH 7.4)/THF (5/5) 내에서 0-60 μM 범위의 농도에서 Cys의 존재 하에서 BDP-1 (10 μM) 색변화를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, PBS (pH 7.4)/THF (5/5) 내에서 Cys 농도에 따른 BDP-1의 형광 강도의 기울기를 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은, 2019년도 한국연구재단의 국제협력 사업의 지원을 받아 연구된 것이다(2019K2A9A2A06024017, FY2019).
본 발명은, 신규한Aza-BODIPY 기반의 형광체에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 Aza-BODIPY 기반의 형광체는 광 안정성이 뛰어나고 높은 양자 수율을 갖는, 근적외선 영역의 형광체로서, 근적외선 형광단은 높은 투과도 및 장파장에서의 신호방출을 통해 생체에 직접 적용에 용이할 수 있다. 상기 Aza-BODIPY 기반의 형광체를 이용하여 근적외선 영역 (> 700 nm) 의 형광 및 비색 센서로 활용할 수 있고, 바이오티올 중 하나인 시스테인(Cysteine)에 대한 높은 선택도 및 우수한 감도를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 형광체는, 시스테인을 제외한 다른 바이오티올(biothiol)과는 반응이 일어나지 않아 형광 및 색의 변화가 없고, 시스테인에 대한 민감도가 우수하고, 정량 및 정성 분석이 가능한 형광 및 비색 센서로 활용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 신규한 Aza-BODIPY 기반의 형광체는, 하기의 화학식 1로 표시되는, 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
본 발명의 일 예로, R1 내지 R2은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고,
바람직하게는, 상기 R1 내지 R2은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 5 알킬, 탄소수 2 내지 5 알케닐, 탄소수 2 내지 5의 알키닐, 탄소수 1 내지 5의 알콕시, 탄소수 1 내지 5 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 20의 아릴 및 탄소수 5 내지 20의 헤테로아릴에서 선택되고,
더 바람직하게는, 상기 R1 내지 R2은 탄소수 6 내지 30 또는 6 내지 18 의 아릴; 및 탄소수 5 내지 30 또는 5 내지 18의 헤테로아릴;에서 선택될 수 있다.
상기 아릴 및 헤테로아릴은, 각각, 비치환되거나 또는 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 20의 아릴 및 탄소수 5 내지 20의 헤테로아릴 중 적어도 하나에 의해 더 치환되고, 상기 헤테로아릴은, N, O 및 S 중 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함한다.
본 발명의 일 예로, R3 내지 R12은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고,
바람직하게는 상기 R3 내지 R12은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 20의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 10 알킬, 탄소수 2 내지 10 알케닐, 탄소수 2 내지 10의 알키닐, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 및 탄소수 1 내지 10 알킬카보닐에서 선택되고,
더 바람직하게는, 상기 R3 내지 R12 중 적어도 하나는, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10 또는 1 내지 5의 알킬; 탄소수 1 내지 10 또는 1 내지 5의 알케닐; 및 탄소수 6 내지 10의 아릴에서 선택된다.), 니트로, 탄소수 1 내지 10 또는 1 내지 5의 알킬; 및 탄소수 2 내지 10 또는 2 내지 5의 알케닐에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 신규한 Aza-BODIPY 기반의 형광체는, 하기의 화학식 1-1의 화합물로 나타낼 수 있다.
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1에서 상기 R3 내지 R13 중 적어도 하나는 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐 및 탄소수 6 내지 10의 아릴에서 선택된다.), 니트로, 탄소수 1 내지 10 알킬, 및 탄소수 2 내지 10 알케닐에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 화학식 1의 화합물은, 시스테인과 결합 시 선택적 광학적 특성 변화를 나타낼 수 있다. 상기 광학적 특성 변화는, 색, 형광 파장, 형광 강도 및 흡광도 중 적어도 하나일 수 있다. 즉, 상기 화학식 1의 화합물은, 시스테인에 대한 높은 민감도와 높은 선택도를 나타낼 수 있다. 또한, 이는 시스테인에 대한 우수한 민감도 및 선택성을 갖는 비색 및 형광 센서로 활용할 수 있다. 상기 화학식 1의 화합물은, 시스테인을 제외한 다른 바이오티올과는 반응이 일어나지 않아, 시스테인에 대한 높은 선택성을 나타내고, 시스테인에 의해서 설포닐기 부분이 분해되면서 약 740 nm 부근의 형광이 증가하고 용액의 색이 진한 푸른색에서 초록색으로 변화하고, 시스테인에 높은 선택성을 가지며 형광과 색변화를 이용하여 정량 및 정량적 분석이 가능하다.
본 발명은, 본 발명에 의한 화합물을 포함하는 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 이상을 포함하고, 용매를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 화합물은, 상기 조성물 중 1 X 10-5M(몰) 이상, 바람직하게는 1 X 10-5M(몰) 내지 1 X 10-2M(몰), 더 바람직하게는 1 X 10-4 M(몰) 내지 1 X 10-2 M(몰)의 농도로 포함할 수 있으며, 상기 농도가 10-5M(몰) 미만이면 상기 화합물의 약한 색변화, 흡광도, 형광 강도 등으로 인해 시스테인의 검출 시 관찰이 용이하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 용매는 물을 포함하고, 필요 시 또는 본 발명의 범위 또는 목적을 벗어나지 않는다면 유기 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 유기용매는 1 내지 4의 알코올, THF, MC, DMSO, ACN 등일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 조성물에서 시스테인의 검출 한계는, 10 μM 이하; 0.1 μM 내지 10 μM; 1 μM 내지 8 μM; 또는 2 μM 내지 5.5 μM이고, 검출 농도는 40 μM 이상; 50 μM 내지 50X102 μM; 42 μM 내지 60X10 μM; 또는 50 μM 내지 50X10 μM일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 조성물은, 시스테인의 검출에 이용되고, 상기 조성물은, 시스테인과 접촉 시 광학적 특성이 변화되며, 예를 들어, 색, 형광 파장, 형광 강도 및 흡광도 중 적어도 하나의 변화를 관찰할 수 있다. 또한, 색 전이는 특별한 장비 없이 색상 등의 변화를 육안으로 관찰하여 시스테인의 존재를 확인할 수 있고, 더 나아가 UV-Vis 분광기, 형광 분광기 등을 이용하여 시스테인의 정성 및/또는 정량 분석에 활용할 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 화합물 또는 조성물을 이용한 분석 방법에 관한 것으로, 분석 시료를 접촉시키는 단계; 및 광학적 변화를 관찰하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 분석 방법은, 시스테인의 감지 및/또는 검출 방법이며 상기 시스테인의 정량 및/또는 정성 분석에 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 분석 시료를 접촉시키는 단계는, 본 발명에 의한 화합물 또는 조성물에 분석 시료를 접촉시키는 단계이며, 분석 시료 내에 감지 대상, 즉 시스테인이 존재하는 경우에 상기 화합물은 선택적으로 시스테인과 반응하고, 예를 들어, 상기 화합물의 sulfonyl group이 Cys와 효과적으로 반응하여 반응 생성물을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 분석 시료 및/또는 상기 조성물은, pH 7 내지 8로 유지되고, 이는 버퍼 용액으로 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 광학적 변화를 관찰하는 단계는, 상기 접촉시키는 단계 이후에, 상기 화합물 또는 조성물의 광학적 변화를 관찰하는 단계이며, 감지 대상, 즉, 시스테인의 정량 및 정성분석이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 관찰하는 단계는, 상기 화합물 또는 상기 조성물의 색, 형광 파장, 흡광도 및 형광 강도 중 적어도 하나를 관찰할 수 있다. 즉, 상기 광학적 변화는 색 변화, 형광 파장 변화, 흡광도 변화 또는 형광 강도의 변화이고, 이러한 광학적 변화는 육안, UV-Vis 분광기, 형광 광도계 등을 이용하여 정량 및 정성분석에 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 형광은 근적외선 영역의 형광일 수 있다.
예를 들어, 분석 시료 내에 시스테인이 존재할 경우에, 상기 화합물은, 시스테인만 선택적으로 반응하므로, 상기 조성물의 색상이 진한 푸른색(dark green)에서 초록생으로 변화하여 시스테인의 존재를 감지할 수 있고, UV-Vis 분광기에 따른 흡광도의 측정에서 약 650 nm 영역(± 20 nm)의 흡수밴드는 감소하고 약 710 nm ((± 20 nm)) 흡수밴드는 증가할 수 있다. 또한, 시스테인의 농도에 따라 흡수 밴드, 형광 방출의 세기 등이 변화되므로, 정량 분석이 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 화합물 또는 조성물을 포함하는 시스테인의 감지 및/또는 검출을 위한 제품 및 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 제품 및 장치는 상기 화학 센서에 언급한 바와 같은 방식으로 상기 화합물 및 상기 조성물이 적용될 수 있다. 또는, 상기 키트 또는 화학센서가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 제품 및 장치의 구성은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 통상적으로 사용되는 구성을 더 포함할 수 있고, 본 출원서에서는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명에 의한 화합물 또는 조성물을 포함하는 감지부를 포함하는 화학 센서에 관한 것이다. 상기 화학 센서는 시스테인의 감지 및/또는 검출에 이용되고, 시스테인의 정량 및/또는 정성 분석이 가능한 형광 및 비색센서일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 조성물은, 파우더, 겔, 에멀젼, 또는 액상, 또는 성형품으로 적용되거나, 또는 분석 칩, 전기회로, 섬유, 펄프, 고분자 필름, 유리기판, 등과 같은 지지체 상에 코팅 또는 함침되어 상기 화학 센서에 적용할 수 있다. 바람직하게는 상기 조성물은, 수용액일 수 있다. 상기 화학 센서는 상기 화합물 또는 조성물의 색변화를 전기적 또는 광학적으로 감지 및 측정하여 정성 및/또는 정량 분석할 수 있다. 상기 화학 센서는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 통상적으로 사용되는 분석장비가 더 장착될 수 있고, 본 출원서에서는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 일 예로, 상기 화학 센서에서 시스테인의 검출 한계는, 10 μM 이하; 0.1 μM 내지 10 μM; 1 μM 내지 8 μM; 또는 2 μM 내지 5.5 μM이고, 검출 농도는 40 μM 이상; 50 μM 내지 50X102 μM; 42 μM 내지 60X10 μM; 또는 50 μM 내지 50X10 μM일 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 화합물 또는 조성물을 포함하는 시스테인의 검출용 키트를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 키트는 실험실에서 이용하거나 또는 현장에서 이용할 수 있게 휴대가능하다. 상기 키트는 상기 화학 센서에 언급한 바와 같은 방식으로 상기 화합물 또는 조성물이 키트 내에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 키트는, 상기 화합물 또는 조성물의 색변화를 육안으로, 또는 전기적 또는 광학적으로 감지 및 측정하여 정성 및/또는 정량 분석할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 키트는, 흡광도, 형광 강도 측정기 등을 더 포함할 수 있으며, 상기 측정기는 키트와 일체화되거나 또는 별로도 구성될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 키트의 구성은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 통상적으로 키트에 사용되는 구성을 더 포함할 수 있고, 본 출원서에서는 구체적으로 언급하지 않는다.
하기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하지만, 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[스킴 1]
합성예
스킴 1에 따라 합성을 진행하였다.
설포닐클로라이드 화합물(Sulfonyl chloride compound, 1.2mmol)을 0 ℃에서 디클로로메탄(Dichloromethane, 10 mL)으로 희석하고, 혼합물에 디클로로메탄(20 mL)에 녹인 BDP-OH (0.4 mmol), TEA (0.2 mL) 용액을 천천히 첨가한 다음 실온에서 밤새 교반하였다. 용액을 H2O로 추출하고 Na2SO4로 건조하고 농축하여 생성물로서 흑청색 고체를 획득하였다(수율 약 75 %).
BDP-1. 1H NMR (400 MHz, Acetone-d 6) δ9.02 (d, J = 2.2 Hz, 2H), 8.74 (dd, J = 8.7, 2.2 Hz, 2H), 8.44 (d, J = 8.7 Hz, 2H), 8.21 (t, J = 7.3 Hz, 8H), 7.58 - 7.49 (m, 8H), 7.46 - 7.42 (m, 4H); 13C NMR (101 MHz, Acetone-d 6) δ205.37, 158.09, 151.93, 150.81, 148.96, 145.81, 144.79, 134.03, 132.29, 132.00, 131.31, 130.11, 129.57, 128.87, 127.38, 122.48, 121.15, 120.18; ESI HRMS m/z = 989.10 [M]+, calc. for C44H26BF2N7O14S2 = 989.10.
BDP-2. 1H NMR (400 MHz, Chloroform-d) δ8.60 (dt, J = 8.6, 1.1 Hz, 2H), 8.46 (dt, J = 8.7, 0.9 Hz, 2H), 8.10 (dd, J = 7.4, 1.3 Hz, 2H), 7.99 - 7.90 (m, 4H), 7.86 - 7.78 (m, 4H), 7.68 (dd, J = 8.7, 7.6 Hz, 2H), 7.46 - 7.36 (m, 8H), 7.27 - 7.24 (m, 2H), 7.03 - 6.95 (m, 4H), 6.87 (d, J = 1.2 Hz, 2H), 2.90 (s, 12H); 13C NMR (101 MHz, Chloroform-d) δ207.16, 158.04, 152.13, 151.53, 145.72, 144.57, 132.39, 132.04, 131.44, 131.21, 130.96, 130.20, 130.12, 129.90, 129.86, 129.45, 129.32, 128.77, 123.10, 122.41, 119.42, 119.11, 115.84, 45.56; ESI HRMS m/z = 996.2878 [M+H]+, calc. for C56H44BF2N5O6S2 = 995.28.
BDP-3. 1H NMR (400 MHz, Chloroform-d) δ8.07 - 7.99 (m, 4H), 7.99 - 7.92 (m, 4H), 7.78 - 7.69 (m, 4H), 7.51 - 7.37 (m, 6H), 7.37 - 7.26 (m, 4H), 7.14 - 7.04 (m, 4H), 6.98 (d, J = 1.3 Hz, 2H), 2.43 (s, 6H); 13C NMR (101 MHz, Chloroform-d) δ158.16, 151.47, 145.81, 132.36, 132.09, 131.27, 130.32, 130.01, 129.93, 129.50, 128.83, 128.63, 122.73, 119.17, 21.85; ESI HRMS m/z = 860.1852 [M+Na]+, calc. for C46H34BF2N3O6S2 = 837.20.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, THF 내에서 BDP-OH (λex = 685 nm), BDP-1, BDP-2, 및 BDP-3 (λex = 645 nm) (10 μM)(슬릿 5/5 nm)의 UV/Vis 스펙트럼 및 (b) 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 것으로, 도 1에서, BDP-OH는 600 nm 내지750 nm에서 넓은 흡수밴드를 나타내고, sulfonyl chloride기에 의해 BDP-1, BDP-2 및 BDP-3는, BDP-OH 보다 대략40 nm 청색 이동된 것을 확인할 수 있다. BDP-OH는, ΦF=2.58%( fluorescence quantum yield)로 731 nm에서 발광 피크를 나타내고, BDP-1-BDP-3는, THF 용액 내에서 ΦF=2.58% 0.46-3.30%로 약 685 nm에서 발광 피크를 나타낸다.
도 2에서 BDP-OH, BDP-2 및 BDP-3의 LUMO는, 대부분 BODIPY core에 위치하고, BDP-1의 Eg (HOMO-LUMO energy gap)는 BDP-2 및BDP-3 보다 낮다. 이러한 특이적 현상은 DNBS 모이어티에 따른 것이다.
pH 7.4 PBS buffer/THF (5/5) 내에서 UV 흡수 및 형광에서 변화 및 비색으로 BDP-1, BDP-2 및 BDP-3의 여러 티올계열에 대한 감응 정도를 분석하고, 시스테인에 대한 선택도 및 정성/정량 분석 전략을 나타내었다. 그 결과는 도 3 내지 도 5에 나타내었다.
하기의 스킴 2에 따라 BDP-1 및 Cys 반응 메커니즘과 생성물의 질량 분석으로 이들의 반응 결과를 확인할 수 있다.
[스킴 2]
도 3의 (a)에서 BDP-1과 시스테인의 반응에 따라, 10 μM의 BDP-1 용액 (in PBS (pH 7.4) / THF (5/5))에서 시스테인 농도를 0~80 μM로 변화시켰을 때 약 650 nm의 흡광이 점점 감소하고 약 710 nm의 흡광이 점점 증가한다. 또한, 도 3의 (b)에서 10 μM의 BDP-1 용액 (in PBS (pH 7.4) / THF (5/5), λex = 700 nm)에서 시스테인 농도를 0~80 μM로 변화시켰을 때 약 740 nm의 형광이 점점 증가하고, 이는 BDP-1의 시스테인에 대한 정량분석이 가능함을 보여준다.
도 4의 (a)에서 PBS (pH 7.4) / THF (5/5)에서 H2S, 2-Mercaptoethanol, Thioglycolic acid, 글루타티온, 시스테인, 호모시스테인, Na2S2O7, KSCN, Cysteamine 과 반응시켰을 때, 시스테인(50 μM)만 반응하여 색변화를 보인다. 이는 BDP-1의 시스테인에 대한 선택적 감응과 정성 분석 가능성을 보여준다. 또한, 도 4의 (b)에서10 μM의 BDP-1 용액 (in PBS (pH 7.4) / THF (5/5))에서 시스테인 농도를 0~60 μM로 변화시켰을 때 색이 점진적으로 푸른색에서 초록색으로 변화하고, 이는 시스테인에 대한 정량분석 가능성을 보여준다.
도 5에서 Cys에 대한 BDP-1 검출한계 (LOD)는 5.23 μM로 계산되었다. BDP-1 (10 μM)의 비색반응 값 (CR)은 50 μM Cys 존재 하에서 56.99 % 로 측정된다.
본 발명은, aza-BODIPY를 기반으로 근적외선 형광 프로브 BDP-1을 설계하고 합성하였다. BDP-OH에 2,4-디니트로-1-설포닐클로라이드(2,4-dinitro-1-sulfonyl chloride)를 도입하여 BDP-1을 제조하였다. Cys 처리시 BDP-1은 짙은 녹색에서 녹색으로의 선택적 비색 변화와 형광의 적색 이동 강화를 나타내고, 이는 BDP-1의 sulfonyl group이 Cys와 효율적으로 반응하여, BDP-OH 및 DNB-Cys를 형성하는 것이다. BDP-1는 다른 바이오티올 중에서 Cys에 대한 높은 선택성을 가진다. HOMO-LUMO 에너지 갭은 TD-DFT 계산을 통해 계산되었으며 값은 UV/Vis 및 형광 방출 스펙트럼과 정확하게 일치한다. 계산된 BDP-1의 검출 한계는 5.23 μM이고 비색 반응(CR, colorimetric response) 값은 56.99 %이다. 최종적으로, BDP-1과 Cys 사이의 반응은 질량 분광법을 통해 확인하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (13)
- 하기의 화학식 1로 표시되는, 화합물로서,
상기 화합물은, 시스테인과 결합 시 광학적 특성 변화를 나타내고,
상기 광학적 특성 변화는, 색 변화인 것인, 화합물:
[화학식 1]
(여기서, R1 내지 R2은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고,
R3 내지 R12은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고,
상기 아릴 및 헤테로아릴은, 각각, 비치환되거나 또는 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 30 알킬, 탄소수 2 내지 30 알케닐, 탄소수 2 내지 30의 알키닐, 탄소수 1 내지 30의 알콕시, 탄소수 1 내지 30 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 20의 아릴 및 탄소수 5 내지 20의 헤테로아릴 중 적어도 하나에 의해 더 치환되고, 상기 헤테로아릴은, N, O 및 S 중 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함한다.)
- 제1항에 있어서,
상기 R1 내지 R2은, 각각, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 10 알킬, 탄소수 2 내지 10 알케닐, 탄소수 2 내지 10의 알키닐, 탄소수 1 내지 10의 알콕시, 탄소수 1 내지 10 알킬카보닐, 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고,
상기 R3 내지 R12은, 각각, 수소, 할로겐, 아미드, 시아노, 하이드록실, 이미드, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐, 탄소수 6 내지 20의 아릴에서 선택된다.), 카르복실기, 니트로, 아실, 탄소수 1 내지 10 알킬, 탄소수 2 내지 10 알케닐, 탄소수 2 내지 10의 알키닐, 탄소수 1 내지 10의 알콕시 및 탄소수 1 내지 10 알킬카보닐에서 선택되는 것인,
화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 R1 내지 R2은 탄소수 6 내지 30의 아릴 및 탄소수 5 내지 30의 헤테로아릴에서 선택되고,
상기 R3 내지 R9 중 적어도 하나는, 아민(-N(R)(R'), R 및 R'는, 각각 수소, 탄소수 1 내지 10의 알킬, 탄소수 1 내지 10의 알케닐 및 탄소수 6 내지 10의 아릴에서 선택된다.), 니트로, 탄소수 1 내지 10 알킬, 및 탄소수 2 내지 10 알케닐에서 선택되는 것인,
화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 광학적 특성 변화는, 형광 파장, 형광 강도 및 흡광도 중 적어도 하나를 더 포함하는 것인,
화합물.
- 제1항의 화합물;
을 포함하는 조성물로서,
상기 조성물은, 시스테인과 접촉 시 광학적 특성 변화를 나타내고,
상기 광학적 특성 변화는 색 변화인 것인,
시스테인 검출을 위한, 조성물.
- 제5항에 있어서,
상기 조성물은, 버퍼 용액을 더 포함하고,
상기 조성물은, pH 7 내지 8인 것인,
조성물.
- 제5항에 있어서,
상기 광학적 특성 변화는, 형광 파장, 형광 강도 및 흡광도 중 적어도 하나를 더 포함하는 것인,
조성물.
- 제1항의 화합물을 포함하는, 감지부;
를 포함하는 화학센서로서,
상기 화학 센서는, 시스테인 검출 또는 시스테인의 정량 및 정성 분석이 이루어지고,
상기 화학 센서는, 색 변화를 검출하는 것인,
화학 센서.
- 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 화학 센서는, 근적외선 영역의 형광 변화를 더 검출하는 것인,
화학 센서.
- 제1항의 화합물에 분석 시료를 접촉시키는 단계; 및
상기 접촉시키는 단계 이후에, 상기 화합물의 광학적 변화를 관찰하는 단계;
를 포함하고,
상기 관찰하는 단계는, 상기 화합물의 색 변화를 관찰하는 것인,
시스테인 검출 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 분석 시료는, pH 7 내지 8로 유지되는 것인,
시스테인 검출 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 관찰하는 단계는, 상기 화합물의 형광 파장, 흡광도 및 형광 강도 중 적어도 하나를 더 관찰하는 것인,
시스테인 검출 방법.
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Chem. Commun., Vol.53, pp.5220-5223, 2017* |
| Chemistry-A European Journal, Vol.26, pp.4172-4192, 2020* |
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|---|---|
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