KR20100019906A - Turn-on type signaling method of hg(ii) ions by rhodamine based fluorophores - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 로다민계 형광물질을 이용한 턴-온 형 수은 (Ⅱ)이온의 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로다민계 하이드라지드의 락탐 고리에 대한 선택적 Hg2 + 유도 가수분해에 의한 신호화 거동을 이용한 방법이다. The invention turns with the loader mingye fluorophore-signaling by selective Hg 2 + induced hydrolysis of the present invention relates to one type of mercury (Ⅱ) detection method of the ions, and more particularly to a loader lactam ring of mingye hydrazide It is a method using behavior.
최근들어 중요한 화학종들의 선택적이며 효율적인 측정을 위하여 수많은 형광신호화 시스템들이 개발되고 있다((a) Desvergne, J. P.; Czarnik, A. W. Chemosensors of Ion and Molecule Recognition Kluwer: Dordrecht, 1997 ; (b) Fluorescent Chemosensors for Ion and Molecule Recognition Czarnik, A. W., Ed.; American Chemical Society: Washington, DC, 1992 ; (c) de Silva, A. P.; Gunaratne, H. Q. N.; Gunnlaugsson, T.; Huxley, A. J. M.; McCoy, C. P.; Rademacher, J. T.; Rice, T. E. Chem . Rev. 1997, 97, 1515). 널리 사용되는 신 호화법 중에서, 특히 화학선량계(chemodosimeter)는 특이적으로 고안된 반응에 의해 통상 달성되는 높은 선택성 및 분석물(analyte)의 측정을 위한 특징적인 누적적 효과와 같은 장점 때문에 많은 주목을 받고 있다((a) Jimenez, D.; Martinez-Manez, R.; Sancenon, F.; Ros-Lis, J. V.; Benito, A.; Soto, J. J. Am. Chem . Soc . 2003, 125, 9000. (b) Yang, Y. K.; Yook, K. J.; Tae, J. J. Am. Chem . Soc . 2005, 127, 16760. (c) Ko, S.-K.; Yang, Y.-K.; Tae, J.; Shin, I. J. Am. Chem . Soc. 2006, 128, 14150. (d) Song, K. C.; Kim, J. S.; Park, S. M.; Chung, K.-C.; Ahn, S.; Chang, S.-K. Org . Lett. 2006, 8, 3413. (e) Lee, M. H.; Wu, J.-S.; Lee, J. W.; Jung, J. H.; Kim, J. S. Org . Lett. 2007, 9, 2501. (f) Wu, J.-S.; Hwang, I.-C.; Kim, K. S.; Kim, J. S. Org . Lett. 2007, 9, 907. (g) Kim, S. Y.; Hong, J.-I. Org . Lett. 2007, 9, 3109). 화학선량계란 검출 대상인 금속 양이온과 같은 분석 대상물과 화학량론적으로(stoichiometrically) 반응하여 화학반응을 통해 분석 대상물을 검출하고, 검출 후 화학선량계는 다른 구조로 변하는 시스템으로 가역적인 검출이 가능한 화학센서와 구별된다. Recently, numerous fluorescent signaling systems have been developed for the selective and efficient measurement of important species ((a) Desvergne, JP; Czarnik, AW Chemosensors of Ion and Molecule Recognition Kluwer: Dordrecht, 1997; (b) Fluorescent Chemosensors for Ion and Molecule Recognition Czarnik, AW, Ed .; American Chemical Society: Washington, DC, 1992; (c) de Silva, AP; Gunaratne, HQN; Gunnlaugsson, T .; Huxley, AJM; McCoy, CP; Rademacher, JT; Rice, TE Chem . Rev. 1997, 97 , 1515). Among the widely used syntheses, chemodosimeters in particular attract a lot of attention due to their advantages such as the high selectivity usually achieved by specifically designed reactions and the characteristic cumulative effects for the measurement of analytes. (A) Jimenez, D .; Martinez-Manez, R .; Sancenon, F .; Ros-Lis, JV; Benito, A .; Soto, J. J. Am. Chem . Soc . 2003, 125 , 9000 (b) Yang, YK; Yook, KJ; Tae, J. J. Am. Chem . Soc . 2005, 127 , 16760. (c) Ko, S.-K .; Yang, Y.-K .; Tae , J .; Shin, I. J. Am. Chem . Soc . 2006, 128 , 14150. (d) Song, KC; Kim, JS; Park, SM; Chung, K.-C .; Ahn, S .; Chang, S.-K. Org . Lett . 2006, 8 , 3413. (e) Lee, MH; Wu, J.-S .; Lee, JW; Jung, JH; Kim, JS Org . Lett . 2007, 9 (F) Wu, J.-S .; Hwang, I.-C .; Kim, KS; Kim, JS Org . Lett . 2007, 9 , 907. (g) Kim, SY; Hong, J. -I. Org . Lett . 2007, 9 , 3109). A stoichiometric reaction is performed by reacting stoichiometrically with an analyte such as a metal cation, which is a detection target, to detect an analyte through a chemical reaction, and after detection, the stoichiometry is changed into a different structure to distinguish it from a chemical sensor capable of reversible detection. do.
Cu2 +-선택적 형광 화학선량계의 고전적 예와 같이, 로다민 B의 하이드라지드 유도체에 기인한 많은 독특한 신호 시스템이 개발되었다(Dujols, V.; Ford, F.; Czarnik, A. W. J. Am. Chem . Soc. 1997, 119, 7386). 다음의 화학식 1은 Czarnik의 Cu2 +-선택적 형광 화학선량계이다. Cu 2 + - a, the number of unique signaling system due to the hydrazide derivatives of Rhodamine B as in the classical example of a selective fluorescent chemical dosimeter has been developed (Dujols, V .; Ford, F .; Czarnik, AW J. Am. Chem . Soc . 1997, 119 , 7386). Of the
<화학식 1><
또한, 로다민 B 하이드라지드는 물속의 크롬(Ⅵ)의 분석(Xiang, Y.; Mei, L.; Li, N.; Tong, A. Anal. Chim . Acta 2007, 581, 132) 및 과산화수소와 포도당의 민감한 측정(Chen, X.; Zou, J. Microchim . Acta 2007, 157, 133)을 위하여 연구되어 왔다. 수용성 배지(media)내 Hg2 + 이온의 화학선량 측정은 플루오레세인(fluorescein)의 티오세미카르바지드(thiosemicarbazide) 유도체의 그것의 상응하는 옥사디아졸(oxadiazole)로의 비가역적 탈황(desulfurization) 반응(이것이 효율적 발색성(chromogenic) 및 형광성(fluorogenic) 신호를 나타낸다)을 사용하여 달성되어 왔다(Yang, X.-F.; Li, Y.; Bai, Q. Anal. Chim . Acta 2007, 584, 95). In addition, rhodamine B Hyde large lifting analysis of chromium (Ⅵ) in water (Xiang, Y .; Mei, L .; Li, N .; Tong, A. Anal. Chim. Acta 2007, 581 , 132) and sensitive measurements of hydrogen peroxide and glucose (Chen, X .; Zou, J. Microchim . Acta 2007, 157 , 133). Aqueous medium (media) within the Hg 2 + chemical dosimetry of ions fluorescein (fluorescein) of thio semicarbazide (thiosemicarbazide) irreversibly desulfurization (desulfurization) to the oxadiazole (oxadiazole) of the corresponding derivatives thereof reaction (This represents an efficient chromogenic and fluorogenic signal) (Yang, X.-F .; Li, Y .; Bai, Q. Anal. Chim . Acta 2007, 584 , 95).
보다 최근에는, Zheng 등이 스피로락탐(spirolactam)의 하나의 산소 원자를 황 원자로 치환하여 티오하이드라지드(thiohydrazide)를 생성함에 의하여 상기 화학식 1의 하이드라지드의 Cu2 +-선택적 신호 특성이 Hg2 + 선택성으로 효과적으로 전환될 수 있다는 흥미로운 발견을 보고하였다(Zheng, H.; Qian, Z.-H.; Xu, L.; Yuan, F.-F.; Lan, L.-D.; Xu, J.-G. Org . Lett. 2006, 8, 859). 살리실알데히드 로다민 B 하이드라존(Xiang, Y.; Tong, A.; Jin, P.; Ju, Y. Org . Lett. 2006, 8, 2863) 및 플루오레세인 하이드라지드(Chen, X.; Ma, H. Anal. Chim . Acta 2006, 575, 217)의 기타 연관된 유도체가 아마이드 결합의 선택적 금속 이온-유도 가수분해 절단을 경유한 Cu2 +-선택적 발색성 및 형광성 신호 특성을 나타내었다.More recently, Zheng, such as the spiro-lactam (spirolactam) one to an oxygen atom substituted by a sulfur atom thio hydrazide Cu 2 + of the hydrazide of
한편, 선택적이고 효율적인 Hg2 + 화학센서의 개발은 화학, 생물학 및 환경과학에서 매우 중요하며, 지속적인 관심과 연구가 필요하다.((a) Nolan, E. M.; Lippard, S. J. J. Am. Chem . Soc. 2003, 125, 14270 and references therein. (b) Guo, X.; Qian, X.; Jia, L. J. Am. Chem . Soc. 2004, 126, 2272. (c) Chen, P.; He, C. J. Am. Chem . Soc. 2004, 126, 728. (d) Ono, A.; Togashi, H. Angew . Chem. Int . Ed. 2004, 43, 4300. (e) Yoon, S.; Albers, A. E.; Wong, A. P.; Chang, C. J. J. Am. Chem . Soc. 2005, 127, 16030. (f) Ros-Lis, J. V.; Marcos, M. D.; Martinez-Manez, R.; Rurack, K.; Soto, J. Angew . Chem . Int . Ed. 2005, 44, 4405. (g) Kim, S. H.; Youn, N. J.; Park, J. Y.; Choi, M. G.; Chang, S.-K. Bull. Korean Chem . Soc . 2006, 27, 1553. (h) Kim, J. S.; Choi, M. G.; Song, K. C.; No, K. T.; Ahn, S.; Chang, S.-K. Org . Lett. 2007, 9, 1129. (i) Yang, H.; Zhou, Z.; Huang, K.; Yu, M.; Li, F.; Yi, T.; Huang, C. Org . Lett. 2007, 9, 4729).On the other hand, the selection and efficient Hg 2 + development of chemical sensors is very important in chemistry, biology and environmental science, there is a need for constant attention and research ((a) Nolan, EM; ... Lippard, SJ J. Am Chem Soc . 2003, 125, 14270 and references therein. (b) Guo, X .; Qian, X .; Jia, L. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2272. (c) Chen, P .; He (C) J. Am. Chem . Soc . 2004 , 126 , 728. (d) Ono, A .; Togashi, H. Angew . Chem. Int . Ed . 2004 , 43 , 4300. (e) Yoon, S. Albers, AE; Wong, AP; Chang, CJ J. Am. Chem . Soc . 2005 , 127 , 16030. (f) Ros-Lis, JV; Marcos, MD; Martinez-Manez, R .; Rurack, K. ; Soto, J. Angew Chem Int Ed 2005, 44, 4405. (g) Kim, SH;.... Youn, NJ; Park, JY; Choi, MG;. Chang, S.-K. Bull Korean Chem. Soc . 2006 , 27 , 1553. (h) Kim, JS; Choi, MG; Song, KC; No, KT; Ahn, S .; Chang, S.-K. Org . Lett . 2007 , 9 , 1129. i) Yang, H .; Zhou, Z .; Huang, K .; Yu, M .; Li, F .; Yi, T .; Huang, C. Org . Lett . 2007 , 9 , 4729).
본 발명자들은 플루오레세인 또는 로다민 하이드라지드 유도체의 제조에 의한 새로운 신호 시스템의 개발 과정 동안, 앞서 언급한 공지된 Cu2 +-선택적 화학선량계가 다른 적합화된 조건하에서 뛰어난 Hg2 + 선택성을 나타냄을 알아내었다. 연구를 더욱 지속한 결과, 본 발명에서 제시하는 로다민 관련 화합물들의 하이드라지드도 Hg2 + -선택적 화학선량계로서의 가능성을 알게 되었다. The present inventors fluorescein or rhodamine hydrazide for the development of the new signal system according to the preparation of azide derivatives, well-known Cu 2 + mentioned above - an outstanding Hg 2 + selectivity under a selective chemical dosimeter other adapted condition Found out. A further continue the study, rhodamine hydrazide of related compounds also Hg 2 + proposed in the present invention have found the possibility as an optional chemical dosimeter.
이에 본 발명에서는, 선택적이고 효율적인 Hg2 + 검출을 위한 화학정량계를 제시하고, 이들의 보다 최적화된 조건을 제시하고자 한다. Therefore, in the present invention, we propose a chemical quantitative for selective and efficient Hg 2 + detection, and to propose their more optimized conditions.
이를 위한 본 발명은 수은 이온을 선택적으로 검출하기 위하여 다음의 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 로다민계 형광물질을 함유하는 화학선량계이다. The present invention for this purpose is a chemical dosimeter containing a rhodamine-based fluorescent substance represented by the following formulas (1) to (3) to selectively detect mercury ions.
<화학식 1><
<화학식 2><
<화학식 3><
(상기 화학식 3에서 R1은 Et, R2는 H, R3는 Me 이거나, R1은 H, R2는 H, R3는 H 이거나, 또는 R1은 Me, R2는 H, R3는 H 인 경우의 하나이다) (In
그리고, 상기 수은 이온에 대한 선택적 화학선량계는 상기 화학식 1 내지 3의 로다민계 하이드라지드의 락탐 고리에 대한 선택적인 Hg2 + 유도 가수분해에 의한 신호화 거동을 이용하는 것을 특징으로 하는 화학선량계이다. In addition, the selective chemimetry for the mercury ion is a chemi-dose, characterized in that it uses the signaling behavior by selective Hg 2 + induced hydrolysis of the lactam ring of the rhodamine-based hydrazide of the formula (1) to (3).
또한 본 발명은 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법에 있어서, 물 단독, 또는 물과 잘 섞이는 극성 유기 용매 단독, 또는 물과 상기 용매의 혼합용매에, 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 화합물을 용해시킨 용액을 만든 후, 분석하고자 하는 시료를 첨가하고, 상기 시료 내에 함유된 수은 이온이 상기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 로다민계 하이드라지드의 락탐고리에 대하여 선택적인 Hg2 + 유도 가수분해를 통하여 발생하는 형광스펙트럼을 측정하여 수은 이온을 검출하는 방법이다. In another aspect, the present invention is a method for selectively detecting mercury ions, water, or a polar organic solvent mixed well with water alone, or a mixed solvent of water and the solvent is dissolved in the compounds represented by the formula (1) then made to a solution, an optional Hg 2 + induced hydrolysis for the addition of the sample to be analyzed, and the mercury ions contained in the sample to the lactam ring of rhodamine hydrazide represented by the above
상기 물과 잘 섞이는 용매는 아세토니트릴, 다이옥세인, 메탄올, 아세톤, THF, 및 DMSO로 이루어진 군으로부터 하나 선택되는 것이 바람직하며, 상기 용액은 아세테이트 버퍼, HEPES 버퍼, 및 Tris버퍼로 이루어진 군으로부터 하나 선택되어 완충화되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 버퍼의 농도는 10 mM 내지 100 mM인 것이 바람직하다. The solvent well mixed with water is preferably selected from the group consisting of acetonitrile, dioxane, methanol, acetone, THF, and DMSO, and the solution is selected from the group consisting of acetate buffer, HEPES buffer, and Tris buffer. Preferably buffered. And the concentration of the buffer is preferably 10 mM to 100 mM.
상기 버퍼가 아세테이트 버퍼인 경우 pH는 4.0 내지 5.9의 범위이고, HEPES 버퍼인 경우 pH는 6.0 내지 7.9이고, Tris 버퍼인 경우 pH는 7.0 내지 8.9인 것이 일반적이다. The pH ranges from 4.0 to 5.9 when the buffer is acetate buffer, the pH ranges from 6.0 to 7.9 for HEPES buffer, and the pH ranges from 7.0 to 8.9 for Tris buffer.
또한 상기 용매의 물 함량 비율은 90 내지 100 %(v/v)인 것이 바람직하며, 상기 화합물의 농도는 10-7 M 내지 10-4 M인 것이 적절하다. In addition, the water content ratio of the solvent is preferably from 90 to 100% (v / v), the concentration of the compound is preferably from 10 -7 M to 10 -4 M.
본 발명에서 제시한 Hg2 + 이온에 대한 화학선량계가 보이는 신호반응은 다른 흔한 생물학적 및 환경학적으로 중요한 방해 금속 이온에 대하여 Hg2 + 이온에 대해 선택적이고 또한 민감하다. 따라서, 본 발명을 통하여 반 수용성 조건(semi-aqueoes media)에서 마이크로 몰 농도 범위의 Hg2 + 이온의 분석을 위한 단순하지만 유용한 로다민 하이드라지드 유도체들의 특별한 이용가능성을 제시하였다. The chemical reaction shown signal dosimeter for a Hg 2 + ions present in the present invention is optional and also sensitive to Hg 2 + ions with respect to the relevant metal ion interference with other common biological and chemical environment. Thus, for a simple analysis of the Hg + 2 ions in the micromolar concentration range in half aqueous conditions (semi-aqueoes media) through the present invention but it presented a special availability of useful rhodamine hydrazide derivative.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기술 혹은 공지구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail, and in describing the present invention, detailed descriptions of related well-known technologies or well-known structures will be omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.
본 발명의 Hg2 +의 검출을 위한 화학선량계는 다음의 반응식 1에서 볼 수 있는 바와 같이 하이드라지드의 락탐고리의 선택적 Hg2 +-유도 가수분해에 기인한다.Due to the induction hydrolysis-chemical dosimeter for the detection of Hg + 2 of the present invention is hydrazide lactam selective Hg + 2 of the ring, as can be seen in the following
<반응식 1><
이러한 형태의 Hg2 +의 검출을 위한 화학선량계의 가능성을 테스트하기 위하여 몇 가지 특성을 연구하였다. 먼저, 흡수 및 형광 스펙트럼을 측정하여 전형적 알칼리, 알칼리토류 및 전이금소 이온에 대한 화학식 1의 신호 특성을 연구하였다. pH 5.0(아세테이트 버퍼, 10 mM)에서 완충시킨 수용성 10% 메탄올 용액(H2O:CH3OH = 90:10, v/v)에서 다양한 금속이온들의 존재하에 화학식 1의 UV-Vis 특성을 측정하였다. 지시된 pH 수치는 메탄올을 첨가하기 전의 H2O 부분의 pH를 나타낸다. 도 1은 다양한 금속이온에 대한 화학식 1의 UV 특성을 나타낸 것으로, [화학식 1]= 5.0*10-6 M, 금속이온의 농도 [Mn +] = 5.0*10-4 M 이다. 도 1로부터 알 수 있듯이, 화학식 1은 락탐(lactam) 형태의 스피로(spiro) 고리의 존재 때문에 450 ㎚ 이상에서 거의 흡수를 나타내지 못한다. 그러나, 오로지 Hg2 + 이온만이 556 ㎚(λmax)에 중심이 된 집중적 흡수밴드를 나타낸다. 556 ㎚에서 흡수의 이러한 증가는 매우 두드러지고, 수은 이온의 경우 금속이온의 존재 및 부재시에 화학식 1의 흡수비율인 A/Ao는 70.5이다. 한편, 다른 금속이온은 화학식 1의 흡수스펙트럼에서 거의 어떠한 변화를 유도하지 못했다(A/Ao = 1.1-2.0). 특이적으로, HEPES 버퍼내 상기 화학식 1에 의한 화학선량적 신호를 위한 기존에 발표되었던 주요 타겟인 Cu2 + 이온은 A/Ao = 1.8를 갖고 어떠한 인식가능한 변화도 유도하지 못했다. 이때 용액은 무색으로부터 핑크색으로 변화했고, 이것은 육안으로 Hg2 + 이온의 탐지를 가능케 하였다. 하이드라지드의 표준 Cu2 +-신호 과정에서 보고된 바와 같이(Dujols, V.; Ford, F.; Czarnik, A. W. J. Am. Chem . Soc. 1997, 119, 7386), 이러한 신호의 급격한 OFF-ON 형태의 변화는 하이드라지드의 락탐 고리의 선택적 Hg2 +-유도 가수분해에 기인한다. 이러한 결과를 통해 Hg2 + 에 대한 선택적 특성을 확인할 수 있다. Some characteristics were studied in order to test the possibility of chemical dosimeter for the detection of this type of Hg + 2. First, the absorption and fluorescence spectra were measured to study the signal properties of
반응식 1과 같은 Hg2 +-유도 선택적 전환을 UV-Vis, 형광, NMR 및 매스스펙트로스코피 측정을 통하여 분석하였다. Hg2 + 이온의 10 당량으로 처리된 화학식 1(5.0 × 10-6 M)의 UV-Vis 및 형광스펙트럼은 pH 5에서 Hg2 + 이온의 10 당량의 존재시에 반응식 1의 우측 화합물의 용액에 대하여 얻어진 것과 거의 동일하였다. 또 한 화학식 1의 구조적 전환을 NMR로 확인하였다. CD3OD-D2O(4:1, 중수소화된 아세테이트 버퍼를 이용하여 pH 5로 버퍼시킴)에서 Hg(OAc)2로 화학식 1을 처리한 후에, 그 결과 얻어진 용액의 1H NMR 스펙트럼은 우측 화합물의 그 자체의 스펙트럼과 유사하였다. 6.4-6.5 ppm에서 화학식 1의 잔텐(xanthene) 부위의 특징적 신호가 완전히 사라지고 7.0-7.2 ppm 부근으로 이동하였다. 페닐고리를 포함하는 락탐의 신호 또한 7.0-7.9 ppm으로부터 7.4-8.3 ppm으로 상당한 다운필드(downfield) 이동을 나타내었다. 또한, 디에틸아민(diethylamine) 작용기의 에틸 프로톤에서 각각 1.17 및 3.40 ppm에서 1.33 및 3.71 ppm으로 상당한 다운필드 이동이 관찰되었다. 비록 작은 차이가 존재하기는 하지만, Hg(OAc)2의 2 당량의 처리이후에 얻어진 화학식 1의 하이드라지드 유도체의 스펙트럼 형태는 동일한 조건하에서 Hg(OAc)2의 2 당량의 존재시에 반응식 1의 우측 화합물의 스펙트럼과 거의 일치하였다. 13C NMR 스펙트럼에서, 화학식 1의 스피로락탐 고리 탄소에 특징적인 64.7 ppm의 탄소 신호는 사라진 반면에, 로다민 B의 동일한 탄소 원자에 상응하는 85.0 ppm의 또 다른 피크는 나타났다. 매스 측정(EI, DIP) 또한 추가적인 증거를 제공하였는데, 수은 이온의 존재에 의하여 화학식 1의 m/z = 456.25 [M]+에서 하이드라지드 피크는 사라졌으며, 대신 로다민 B[M+H]+ 특유의 강한 피크를 m/z = 443.23에 나타내었다.Hg + 2, such as the scheme 1-induced selective conversion was analyzed by UV-Vis, fluorescence, NMR, and Mass spectroscopy measurement. The UV-Vis and fluorescence spectra of formula 1 (5.0 × 10 -6 M) treated with 10 equivalents of Hg 2 + ions in the solution of the right compound of
요컨대, 로다민계 하이드라지드의 락탐 고리에 대한 선택적 Hg2 + 유도 가수분해에 의한 극적인 이러한 신호 행동은 Hg2 + 에 대한 turn-on 타입의 검출법으로 이용될 수 있음을 보여준다. In short, such a signal dramatic action by the selective Hg 2 + induced hydrolysis of the lactam ring of Roda mingye hydrazide shows that this can be used as the detection method of the turn-on type for the Hg + 2.
이어서, pH 5.0(아세테이트 버퍼, 10 mM)에서 버퍼화시킨 수용성 10% 메탄올 용액(H2O:CH3OH = 90:10, v/v)에서 다양한 금속이온들의 존재하에 화학식 1의 형광 신호 특성을 조사하였다([화학식 1]= 5.0*10-6 M, 금속이온의 농도 [Mn +] = 5.0*10-4 M ). 도 2는 다양한 금속이온의 존재시에 화학식 1의 화합물의 형광스펙트럼을 나타낸 것으로 도 2로부터 알 수 있듯이, 화학식 1의 형광스펙트럼은 520 ㎚ 이상에서 유의할만한 방출밴드를 나타내지 않았다. 그러나, 다양한 금속 이온의 100 당량의 처리시에, Hg2 + 이온에 대해서만 선택적으로 578 ㎚ 부근에서 집중된 방출 밴드가 형성되었다. 578 ㎚에서 측정된 Hg2 + 이온의 존재 및 부재시에 형광강도의 비를 나타내는 형광강도의 증가율(I/Io)은 166.2였다. 또한 UV 램프가 조사되었을 때, 상기 용액은 무색에서 형광성 핑크로 변화하였다. 다른 금속이온에 대한 I/Io 수치는 0.77(Ca2 +)로부터 2.81(Cu2 +)의 범위를 가졌다. 특히 Cu2 + 이온에 대한 상대적인 낮은 반응성이 흥미로웠다. 또한 화학식 1의 화합물은 pH 5에서 버퍼된 아세테이트내 디옥산(dioxane) 또는 아세토나이트릴(acetonitrile)의 다른 수용성 용액뿐만 아니라 Tris 또는 HEPES 버퍼된 수용성 메탄올 용액 등에서 Hg2 + 선택적 신호 특성을 나타내었다. 그러나, 관찰된 Hg2 + 선택성은 이들 용매계에서 증진된 Cu2+ 감응성 때문에 아세테이트 버퍼된 수용성 10% 메탄올 용액보다 다소 뒤쳐진다. 선택성의 경향은 578 ㎚에서 관찰된 Hg2 + 및 Cu2 + 이온의 존재하에서 화학식1의 형광 강도(IHg/ICu)를 비교함에 의하여 쉽게 평가할 수 있었다. 예를 들면, pH 7(HEPES) 및 pH 8(Tris)에서 수용성 10% 메탄올 용액에 대한 IHg/ICu 수치는 각각 11.4 및 13.3이었고, 이것은 pH 5에서 59.1 수치보다 매우 작다. 한편, 수용성 10% 아세토나이트릴 및 디옥산 용액에서 IHg/ICu 수치는 각각 4.4 및 17.5이었고, 이것은 또한 pH 5에서 수용성 10% 메탄올 용액의 수치(59.1)보다 매우 작다. 사용된 조건에 따라 이러한 선택성의 상당한 정도의 변화는 관찰되지만, 여전히 다양한 용매와 다양한 버퍼에서 매우 유용한 Hg2+ 선택적인 신호화 특성을 보여주고 있다. 즉 상기 신호화는 다른 흔히 공존하는 생물학적 및 환경학적으로 중요한 금속 이온들의 방해 가능성을 넘어 Hg2+ 이온에 대해 매우 선택적이고 또한 민감하였다. Subsequently, in the presence of various metal ions in aqueous 10% methanol solution (H 2 O: CH 3 OH = 90:10, v / v) buffered at pH 5.0 (acetate buffer, 10 mM), the fluorescence signal characteristic of
화학식 2 내지 화학식 3으로 표시한 화합물의 경우에도 동일한 반응 메카니즘을 가진다. 즉 이와 같은 로다민 하이드라지드의 유도체들의 락탐고리의 선택적 Hg2+-유도 가수분해에 기인하여 turn-on 타입의 신호화 거동을 보여준다. 그 외에도 이와 유사한 많은 구조들도 이러한 기술적 사상을 이용하여 신호화가 가능할 것으로 생각되며, 발명의 동일성 범위내의 것들에 대하여 당업자의 입장에서 치환이나 단순 변형의 예들도 본 발명의 범위내의 것이다. The compounds represented by the formulas (2) to (3) also have the same reaction mechanism. That is due to the selective Hg 2+ -induced hydrolysis of the lactam ring of such derivatives of rhodamine hydrazide shows a turn-on signaling behavior. In addition, many similar structures are considered to be capable of signaling using this technical idea, and examples of substitutions or simple modifications within the scope of the present invention are also within the scope of the present invention with respect to those within the scope of the invention.
본 발명의 로다민 하이드라지드 유도체들의 Hg2 + 이온의 분석을 위한 신규한 화학선량계로 이용될 수 있음을 확인하기 위하여 화학식 1의 화합물을 Hg(OAc)2로 적정함에 의하여 Hg2 +-의존성 신호의 정량적 성질을 조사하였다. 도 3은 pH 5에서 (H2O:CH3OH = 90:10, v/v)하의 [화학식 1]= 2.0*10-5 M에 대하여 Hg2 + 이온의 농도의 함수로서 화학식 1의 형광스펙트럼을 나타내었다. 도 3에서 알 수 있듯이 화학식 1의 형광은 [Hg2 +]의 함수로 직선적으로 증가하였다. 캘리브레이션(calibration) 곡선으로부터 배경 노이즈의 표준편차의 3배로 계산된 동일 측정조건에서 Hg2 + 이온의 측정을 위한 탐지한계는 0.2 μM로 확인되었다. 상기 관찰은 제조된 화합물이 수용성 환경에서 마이크로 몰농도의 범위의 Hg2 + 이온의 분석을 위한 신규한 화학선량계로 이용될 수 있음을 나타낸다.Hg 2 + -dependence by titrating the compound of
이하, 실시예를 통해 본 발명의 화학선량계의 최적인 조건을 찾기 위한 다양 한 시험과정을 통해 본 발명을 설명한다. 그러나, 이러한 실시예에 의해 본 발명에 한정되는 것이 아니라 당업자의 입장에서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화가 부가 및 변경이 가능함은 물론 균등한 타 실시예가 가능할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 사상내의 것이다. 본 실시예에서는 본 발명의 로다민 하이드라지드 유도체들을 대표하여 화학식 1의 화합물을 대상으로 하여 좀 더 구체적인 실험예들을 보일 것이다. Hereinafter, the present invention will be described through various test procedures for finding the optimal conditions of the chemical dosimeter of the present invention through the examples. However, the embodiments are not limited to the present invention, and various changes may be added and changed without departing from the spirit of the present invention from the viewpoint of those skilled in the art, as well as other equivalent embodiments, which may be possible. It is within the technical idea of In this embodiment, more specific experimental examples will be shown for the compound of
일반 사항General Information
모든 용매는 ‘무수’ 또는 ‘스펙트로스코피 등급’으로 Aldrich Chemical Co.로부터 구입하였다. 화학식 1로 표시한 로다민 B 하이드라지드는 보고된 절차(Yang, X.-F.; Guo, X.-Q.; Zhao, Y.-B. Anal. Chim . Acta 2002, 456, 121)를 따라 제조하였고, 믿을만한 시료는 Aldrich Chemical Co.로부터 구입하여 추가적인 정제없이 사용되었다. 1H NMR(300 MHz) 및 13C NMR(75 MHz) 스펙트럼은 Varian Gemini-2000 spectrometer에서 얻어졌고 잔여 용매 신호를 기준으로 하였다. 매스 스펙트럼은 전자충격 이온화 모드에서 작동하는 직접적 삽입 프로브를 사용한 Micromass Autospec mass spectrometer를 사용하여 얻어졌다. UV-Vis 스펙트럼은 Peltier 온도조절기를 장비한 Jasco V-550 spectrophotometer를 사용하여 기록되었다. 형광스펙트럼은 Aminco-Bowman Series 2 Spectrophotometer에서 측정되었다.All solvents were purchased from Aldrich Chemical Co. in 'anhydrous' or 'spectroscopy grade'. Rhodamine B hydrazide represented by
UV-UV- VisVis 및 형광 스펙트럼 측정 And fluorescence spectrum measurement
화학식 1로 표시되는 화합물의 스톡용액을 메탄올(1.0 × 10-3 M)에서 제조하였고, 금속이온(과염소산염(perchlorate)내 Na+, K+, Ca2 +, Mg2 +, Ni2 +, Cu2 +, Zn2 + Cd2+, Pb2 +, Ag+ 및 Hg2 +)의 스톡용액(0.01 M)을 아세테이트 버퍼된(pH 5.0) 수용성 용액에서 제조하였다. 화학식 1의 스톡용액(0.03 ㎖)에 금속 이온의 스톡용액(0.03 ㎖)을 첨가하고, 이어서 메탄올 및 물의 정량화된 양으로 희석시켜 수용성 10% 메탄올 용액을 얻었다. 화학식 1, 금속 이온 및 버퍼의 최종 농도는 각각 5.0 × 10-6 M, 5.0 × 10-4 M, 및 10 mM이었다. 최소한 시료제조 10분 이후에 UV-Vis 및 형광 측정을 수행하였다.The stock solution of the compound represented by
시간 경과 측정(Time Course Measurements)Time Course Measurements
pH 5.0(10 mM 아세테이트 버퍼)에서 버퍼된 수용성 10% 메탄올 용액에서 시간 경과 신호 실험을 수행하였다. 신선하게 제조된 화학식 1의 스톡용액과 Hg(OAc)2 또는 Cu(OAc)2 용액을 혼합함에 의하여 큐벳(cuvette)내에서 측정 용액(1.0 × 10-6 M)을 제조하였다. 실온에서 556 ㎚에서 흡수변화 또는 578 ㎚에서 형광 강도를 측정하였다.Time course signal experiments were performed in an aqueous 10% methanol solution buffered at pH 5.0 (10 mM acetate buffer). A measurement solution (1.0 × 10 −6 M) was prepared in a cuvette by mixing a freshly prepared stock solution of
도 4에 기재한 바와 같이, 화학식 1의 형광강도는 Hg2 + 이온과 반응시에 빠 르게 증가하였고, 시료의 제조후 10분 이내에 일정한 수치에 도달하였으며, 그 후에는 평탄하게 유지되었다. 그러나, Cu2 + 이온의 경우에는 상기 신호화는 매우 느리게 전개되었고, 10분 이후에 화학식 1-Hg2 + 시스템의 단지 1% 이하로, 측정의 48시간 이후에조차 3% 이하로 관찰되었으며, 이것은 Hg2 + 이온의 경우와 비교하여 매우 비효율적이다. 다른 금속 이온은 측정의 48시간 후에 형광스펙트럼에서 거의 변화를 나타내지 않았다.Also as described in 4, the fluorescence intensity of the formula (1) is increased rapidly during the Hg + 2 ions and the reaction was reached the constant value within 10 minutes after preparation of the sample, after which was kept flat. However, in the case of Cu 2 + ions, the signaling has been developed very slowly, with only 1% or less of the formula 1-Hg 2 + system after 10 min, and even after the measurement 48 hours was observed to not more than 3%, This is very inefficient compared with the case of Hg 2 + ions. The other metal ions showed little change in the fluorescence spectrum after 48 hours of measurement.
수은에 대한 경쟁실험Competitive Experiments on Mercury
화학식 1의 Hg2 +-선택적 신호 특성을 추가적으로 경쟁조건하에서 연구하였다. 통상 함께 존재하는 금속 이온의 100 당량의 존재하에서 Hg2 + 이온의 10 당량의 처리시 화학식 1의 (5.0 × 10-6 M)의 형광 강도를 측정하여 이를 막대그래프로 나타내었다(도 5). 비록 화학식 1의 형광 강도에서 약간의 변동이 관찰되기는 하지만, 화학식 1-Hg2 + 시스템의 신호 특성은 함께 존재하는 금속 이온에 의하여 그다지 크게 영향받지는 않았다. 그러므로, 화학식 1은 전형적 알칼리, 알칼리토류 및 전이금소 이온 등의 다른 흔한 방해하는 금속 이온의 존재하에서조차 효과적으로 Hg2+ 이온을 탐지할 수 있다.Of
용매의 영향Solvent effect
아세토나이트릴, 다이옥세인, 메탄올, 아세톤, THF, 및 DMSO 등의 물과 잘 섞이는 다양한 용매 중에서 신호화가 가능하나 도 6a 내지 도 6c에서 보는 바와 같이 다이옥세인 용매 중에서 가장 선택성이 뛰어나다. Signaling is possible among various solvents mixed well with water such as acetonitrile, dioxane, methanol, acetone, THF, and DMSO, but as shown in FIGS. 6A to 6C, the selectivity is excellent among dioxane solvents.
화합물의 농도는 10-7 M부터 10-4 M 정도를 사용할 수 있으나 재현성 및 발생되는 형광 신호의 세기 등을 고려하였을 때 마이크로 몰 영역이 가장 적절하다고 생각된다. The concentration of the compound may be in the range of 10 −7 M to 10 −4 M, but the micromolar region is considered to be the most appropriate considering the reproducibility and the intensity of the generated fluorescent signal.
pH에 따른 영향pH effect
용액의 pH 조건을 pH 5 아세테이트, pH 7 HEPES, pH 8.1 Tris 등으로 변화시켰을 때 역시 신호화가 가능하며, 선택성은 pH 5 의 아세테이트 버퍼 용액이 가장 좋았다. 이러한 pH 조건은 다소의 변화가 가능할 것이다. Signaling was also possible when the pH conditions of the solution were changed to
사용되는 버퍼의 농도는 10 mM 이하도 사용가능하나 바람직하게는 10 - 100 mM을 사용할 수 있다. 즉, 용액 중에 존재하는 다양한 matrix에 의한 가능한 pH 변화를 막기 위하여 10 mM 이상을 사용하는 것이 적절하며 필요 이상으로 높을 필요도 없다. 물론 더 낮은 농도의 것을 사용하는 것도 가능하지만 이보다 낮은 농도를 사용할 경우 pH 의 변화에 저항하는 버퍼 용량(buffer capacity)이 작아지므로 10 mM이상을 사용하는 것이 바람직한 것이다. The concentration of the buffer used may be 10 mM or less but preferably 10-100 mM. In other words, it is appropriate to use more than 10 mM to avoid possible pH changes caused by the various matrices present in the solution and need not be higher than necessary. Of course, it is possible to use a lower concentration, but using a lower concentration is less than the buffer capacity (buffer capacity) to resist changes in pH is preferable to use more than 10 mM.
용액의 물 함량Water content of the solution
용액의 물 함량은 100% 수용액부터 0% 수용액 (100% 유기 용매)까지 가능하지만 신호화 속도 및 선택성을 고려하였을 때 90 - 100 % 수용액에서 최적의 거동을 보이는 것으로 파악된다. The water content of the solution can be from 100% aqueous solution to 0% aqueous solution (100% organic solvent), but considering the signaling rate and selectivity, it is understood that the optimum behavior is shown in 90-100% aqueous solution.
도 1은 pH 5.0(아세테이트 버퍼, 10 mM)에서 버퍼화시킨 수용성 10% 메탄올 용액(H2O:CH3OH = 90:10, v/v)에서 다양한 금속이온들의 존재하에 화학식 1의 UV-Vis 특성을 측정한 것으로, [화학식 1]= 5.0*10-6 M, 금속이온의 농도 [Mn +] = 5.0*10-4 M 이다. Figure 1 shows the UV- of
도 2는 pH 5.0(아세테이트 버퍼, 10 mM)에서 버퍼화시킨 수용성 10% 메탄올 용액(H2O:CH3OH = 90:10, v/v)에서 다양한 금속이온들의 존재하에 화학식 1의 형광 신호 특성을 조사한 것을 나타내었다([화학식 1]= 5.0*10-6 M, 금속이온의 농도 [Mn+] = 5.0*10-4 M ).FIG. 2 shows the fluorescence signal of
도 3은 pH 5에서 (H2O:CH3OH = 90:10, v/v)하의 [화학식 1]= 2.0*10-5 M에 대하여 Hg2 + 이온의 농도의 함수로서 화학식 1의 형광스펙트럼을 나타내었다. 3 is at pH 5 (H 2 O: CH 3 OH = 90:10, v / v) under the [formula 1] = 2.0 * 10 -5 fluorescence of the formula (1) with respect to the M as a function of the concentration of Hg 2 + ions The spectrum is shown.
도 4는 pH 5.0(아세테이트 버퍼, 10 mM)에서 버퍼화시킨 수용성 10% 메탄올 용액(H2O:CH3OH = 90:10, v/v)에서 Hg2 + 이온과 Cu2 + 이온의 존재하에 시간의 함수로서 578 nm에서 화학식 1의 화합물의 형광 강도를 나타낸 것이다(([화학식 1]= 5.0*10-6 M, 금속이온의 농도 [Mn +] = 5.0*10-4 M ).The presence of Hg 2 + ions and Cu 2 + ions from: (CH 3 OH = 90:10, v / v H 2 O) 4 pH 5.0 (acetate buffer, 10 mM) in the buffer-treated aqueous 10% methanol solution The fluorescence intensity of the compound of
도 5는 pH 5.0(아세테이트 버퍼, 10 mM)에서 버퍼화시킨 수용성 10% 메탄올 용액(H2O:CH3OH = 90:10, v/v)에서 통상의 간섭 금속이온의 존재하에 화학식 1에 의한 Hg2 + 이온의 선택적 신호 특성을 보여준다(([화학식 1]= 5.0*10-6 M, 통상의 간섭 금속이온의 농도 [Mn +] = 5.0*10-4 M , [ Hg2 +]= 5.0*10-5 M).5 is shown in
도 6(a,b,c)은 아세토니트릴, 다이옥세인, 메탄올 용매를 사용한 경우의 다양한 금속이온들의 존재하에 화학식 1의 형광 신호 특성을 각각 나타낸 것이다.Figure 6 (a, b, c) shows the fluorescence signal characteristics of
도 7(a,b,c)은 아세테이트 버퍼, HEPES 버퍼, Tris 버퍼를 사용하여 pH에 따른 다양한 금속이온들의 존재하에 화학식 1의 형광 신호 특성을 각각 나타낸 것이다.Figure 7 (a, b, c) shows the fluorescence signal characteristics of
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