KR20110027405A

KR20110027405A - 금 이온 선택성을 갖는 로다민 유도체를 포함하는 형광 센서 및 이를 이용한 금 이온 검출방법

Info

Publication number: KR20110027405A
Application number: KR1020090085481A
Authority: KR
Inventors: 윤주영; 쿠네마디할리 마트하다 코트라이아 스와미; 이상기; 조민정; 첸샤오창
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-03-16
Also published as: KR101136002B1

Abstract

본 발명은 금 이온 선택성을 갖는 로다민 유도체를 포함하는 형광 센서 및 이를 이용한 금 이온 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로다민 유도체와 금 이온이 선택적으로 결합하여 발생하는 형광 강도의 증가를 측정함으로써 금 이온을 용이하고 신속하게 검출할 수 있다. 또한, 상기 로다민 유도체와 금 이온의 선택적 결합은 무색이 분홍색으로 변하는 비색변화를 나타내므로 육안으로도 금 이온의 유무를 검출할 수 있다.

금 이온, 로다민 B 알킨 유도체, 센서

Description

금 이온 선택성을 갖는 로다민 유도체를 포함하는 형광 센서 및 이를 이용한 금 이온 검출방법{Rhodamine derivatives having selectivity for Au3+ and method for monitoring Au3+ using the same}

본 발명은 금 이온 선택성을 갖는 로다민 유도체를 포함하는 형광 센서 및 이를 이용한 금 이온 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로다민 유도체와 금 이온이 선택적으로 결합하여 발생하는 형광 강도의 증가를 측정하거나, 무색이 분홍색으로 변하는 비색변화를 통해 육안으로 금 이온의 유무를 검출할 수 있는 금 이온 선택성을 갖는 로다민 유도체를 포함하는 형광 센서 및 이를 이용한 금 이온 검출방법에 관한 것이다.

다양한 금속 이온에 대한 많은 형광 센서들이 보고된 바 있으나, 지금까지 금 이온(Au³⁺)을 감지할 수 있는 센서는 전례가 없다. 50년 이상 금의 치료적 용도, 특히 항류마티스 약물에 대한 보다 이론적인 기초를 연구해 왔으나, 유익한 효과를 위한 과학적 설명은 여전히 부족한 실정이다. 예를 들어, 금 이온은 대식세포 및 핵다형성 백혈구의 억제제로 알려져 있고, 비록 세포성 면역반응에 대한 금 이온의 효과가 드물긴 해도 류마티스 관절염에서 염증을 억제하는 것으로 알려져 있다. 따라서, Au³⁺선택적 감지는 세포 이미지화를 위한 프로브 개발 및 다른 목적에도 매우 유용할 것이다.

최근에, 금속 이온 및 활성산소종을 감지하는데 있어 로다민 유도체들을 사용하는데, 이때 스피로락탐(비형광성)의 개환과정을 통해 형광을 볼 수 있게 된다. 이들 변화들이 가역성 개환 과정때문일 수 있으나, 화학선량계의 예시는 거의 없다.

본 발명의 목적은 검출감도가 세고 금 이온 만을 선택적으로 검출할 수 있는 로다민 B 알킨 유도체를 이용한 형광센서 및 이를 이용한 금 이온 검출방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다:

[화학식 1]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원(ring member)의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₁₀ 및 R₁₁은 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타낸다.

본 발명은 또한

하기 화학식 3의 화합물과 POCl₃를 반응시키는 단계; 및

상기 반응물에 하기 화학식 4의 화합물을 첨가하는 단계를 포함하는 하기 화학식 1의 화합물의 제조방법을 제공한다:

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 1]

상기 식에서,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형 성하며,

본 발명은 또한 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 금 이온 검출용 센서 또는 조성물을 제공한다:

[화학식 1]

상기 식에서,

본 발명은 또한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물과 금 이온을 반응시키는 단계를 포함하는 금 이온의 검출방법을 제공한다.

본 발명의 로다민 B 알킨 유도체는 금 이온과 선택적으로 결합하여 형광 세기가 증가하므로 금 이온에 대한 선택적 형광센서로 사용할 수 있다.

또한, 상기 로다민 B 알킨 유도체와 금 이온의 반응 시 수용액 내 색깔이 무색에서 분홍색으로 변하므로 육안으로 금 이온을 검출할 수 있다.

이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물에 관한 것이다:

[화학식 1]

상기 식에서,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거 나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

본 발명의 화합물의 치환체 정의에 사용된 용어는 하기와 같다.

"알킬"은 다른 기재가 없는 한, 탄소수 1 내지 6, 예를 들어 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄 또는 고리형의 포화 탄화수소를 가리킨다. C_1-4 알킬기의 예는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸, 또는 tert-부틸 등이 포함되나, 이들에 제한되지 않는다.

"헤테로고리"는 다른 기재가 없는 한, 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 비방향족 포화 탄화 수소환, 또는 방향족 환으로서 단일환 및 융합환을 포함한다.

아릴은 다른 기재가 없는 한, 5 내지 12-환원의 방향족 고리화합물을 가리킨다. 아릴기의 예로는 페닐, 비페닐, 나프틸 및 안트라세닐을 포함하나, 이들에 제한되지 않는다.

상기 화학식 1의 화합물은 구체적으로는,

R은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 6 내지 10 환원의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내거 나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성할 수 있다.

보다 구체적으로는, 화학식 1의 화합물은

R₁ 및 R₃는 각각 독립적으로 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내고,

R₂, R₄, R₅, 및 R₇은 각각 독립적으로 수소, 메틸, 에틸, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 메틸, 또는 에틸을 나타낼 수 있다.

상기 구체예는 하기 화학식 1a 내지 1f로 표시되는 화합물 중 어느 하나를 포함한다:

[화학식 1a]

[화학식 1b]

[화학식 1c]

[화학식 1d]

[화학식 1e]

[화학식 1f]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원의 아릴을 나타낸다.

본 발명은 또한

하기 화학식 3의 화합물과 POCl₃를 반응시키는 단계; 및

상기 반응물에 하기 화학식 4의 화합물을 첨가하는 단계를 포함하는 하기 화학식 1의 화합물의 제조방법에 관한 것이다:

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 1]

상기 식에서,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나 타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

상기 화학식 1의 화합물은 하기 반응식 1에 도시한 바와 같이 유기용매 하에서 화학식 3의 화합물 및 POCl₃와 반응시키는 단계 및 상기 반응물과 과량의 화학식 4의 화합물을 반응시키는 단계를 거쳐 제조할 수 있다:

[반응식 1]

상기 화학식 1의 화합물의 제조방법에서, 제1단계는 rodamine B acid chloride를 제조하는 단계로, 화학식 3의 화합물 용액에 POCl₃를 첨가하여 실온에서 혼합 후 환류시켜 얻을 수 있다.

제2단계는 용매 하에서 상기 rodamine B acid chloride에 과량의 화학식 4의 화합물을 첨가하여 실온에서 혼합 후 환류시켜 화학식 1의 화합물을 수득하는 단계 이다.

상기 용매로 아세토나이트릴, 에탄올, 메탄올, CHCl₃등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하지는 않는다.

상기 화학식 4의 화합물로 프로파길 아민 등을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

상기 제1, 또는 제2단계에서 반응물의 혼합 및 환류 조건은 첨가하는 화합물의 종류에 따라 적절히 선택할 수 있어 특별히 제한하지는 않는다.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 금 이온 검출용 센서에 관한 것이다:

[화학식 1]

상기 식에서,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리 를 형성하며,

구체적으로, 상기 화학식 1의 화합물은 전술한 바와 같다.

상기 화학식 1의 로다민 B 알킨 유도체는 수용액 하에서, 금 이온과 선택적으로 결합하여 형광 강도가 100 배 이상 증가를 나타내어 금 이온을 선택적으로 검출하기 위한 형광센서로 사용할 수 있다.

하기 반응식 2의 메커니즘에 따르면, 화학식 1의 로다민 B 알킨 유도체의 Au³⁺에 의해 스피로락탐의 개환(ring-opening)이 유도되고, 분자 내 고리형성(cyclization)을 통해 화학식 2의 화합물을 형성하면서, 형광 강도가 100 배 이상 세지고, 수용액 내 무색의 분홍색으로의 비색변화가 관찰된다:

[반응식 2]

본 발명에 따른 화학식 1의 로다민 B 알킨 유도체는 수용액에서 Au³⁺ 첨가에 따라 농도 의존적으로 558 nm 파장에서 선택적인 형광 증가를 나타내므로 상기 로다민 B 알킨 유도체를 "Off-On" 타입의 형광 프로브로 사용하여 금 이온을 검출할 수 있다.

일 구체예에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 금 이온과 반응하여 분홍색의 발색과 밝은 형광을 나타낸다. Ag⁺, Al³⁺, Au⁺, Au³⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Hg²⁺, K⁺, Li⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Pd²⁺, Pt²⁺, 또는 Zn²⁺ 등의 금속 이온들에 대해서는 이러한 발색 반응 및 형광 발광을 나타내지 않고 오로지 금 이온에 대해서만 높은 선택성과 민감성을 나타낸다. 본 발명의 로다민 유도체는 금 이온의 농도에 의존적으로 발색 반응 및 형광 발광의 강도가 강해지므로 정량적 검출 또한 가능하다. 뿐만 아니라 본 발명의 로다민 유도체는 나노몰 수준의 미량의 금 이온의 존재까지도 탐지 가능하다. 또한 본 발명의 화학식 1의 화합물을 살아있는 세포에 도입할 경우, 강한 형광이 세포에서 발광하는 것을 가시적으로 확인할 수 있다. 따라서 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 환경 또는 생체 내 금 이온 검출을 위한 화학센서로서 매우 유용하게 이용될 수 있다.

본 발명은 또한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 금 이온 검출용 조성물에 관한 것이다.

상기의 금 이온 검출용 조성물 또는 센서는 화학식 1로 표시되는 화합물 외에 완충용액을 포함할 수 있다. 완충용액의 종류 및 농도는 특별히 제한되지 아니하나, 상기 금 이온 검출용 조성물 또는 센서의 적용 용도에 따라 적절히 변경할 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명의 금 이온 검출용 센서를 생체 내 금 이온의 검출을 위해 사용하고자 하는 경우 상기 완충용액은 생체 내 pH 농도에 상응하는 완충범위를 갖는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 또한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물과 금 이온을 반응시키는 단계를 포함하는 금 이온의 검출방법에 관한 것이다.

본 발명의 상기 화학식 1의 로다민 B 알킨 유도체는 금 이온을 수용액 상태에서 검출할 수 있는 "OFF-ON" 타입의 센서로서 형광의 세기가 낮은 상태(OFF)에서 금 이온을 감지하면 형광의 세기가 매우 커지는(ON) 형광센서로 사용할 수 있고, 상기 로다민 유도체와 금 이온의 반응속도가 매우 빨라 신속하게 금 이온 검출이 가능하다.

하기 실시예에서 확인할 수 있는 바와 같이, 생체 또는 환경으로부터 수득한 시료 내에 금 이온의 존재 유무는 화학식 1로 표시되는 로다민 유도체를 시료와 반응시킨 후 분홍색의 발색 변화 또는 형광 발광 여부를 관찰함으로써 쉽게 탐지할 수 있으며, 금 이온의 농도에 의존적으로 형광 발광 및 분홍색으로의 발색 현상이 강해지므로 시료 내 금 이온의 정량 분석 또한 가능하다.

또한, 본 발명의 화학식 1의 로다민 유도체는 살아있는 세포에서 금 이온을 선택적으로 검출할 수 있다.

따라서, 상기 시료는 금 이온의 존재 검출이 요구되는 생체 또는 환경으로부터 얻은 시료이면 어떠한 것이든 가능하다. 예를 들어, 상기 시료는 동물 또는 사람의 세포일 수 있다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1> 로다민 B 알킨 유도체의 제조

로다민 B base (1.0 g, 2.3 mmol)를 1,2-디클로로에탄(12mL)에 넣고 교반한 다음, phosphorus oxychloride (0.6 mL)를 5분 간 한 방울씩 첨가하였다. 상기 용액을 4시간 동안 환류시키고, 반응 혼합물을 냉각시킨 다음 진공증발하여 로다민 B 산 클로라이드를 수득하였으며, 별도로 정제하지 않고 ¹H NMR(Bruker 250 or Varian 500)을 통해 확인하였다.

상기 조 추출물을 아세토나이트릴(125mL)에 녹인 다음 아세토나이트릴(50mL)에 녹인 프로파길 아민(propargyl amine, 0.65 g, 9.03 mmol) 용액을 실온에서 5시간 동안 한 방울씩 첨가하였다. 상기 반응 혼합물을 1시간 동안 환류시켰다. 상기 용매를 감압 하에서 증발시키고, 조 추출물은 실리카겔 컬럼 크로마토그래 피(Hexane:EtOAc = 7:3, v/v; silica gel 60, 230-400 mesh ASTM; Merck)를 통해 분리 정제하여 화학식 1의 화합물을 수득하였다(1.1g; 수율 92%):

mp 191-193?; ¹H NMR (CDCl3, 250 MHz) δ(ppm): 7.94 (m, 1H), 7.45 (m, 1H), 7.12 (m, 1H), 6.49 (d, 2H, J=8.9 Hz), 6.39 (d, 2H, J=2.5 Hz), 6.28 (dd, 2H, J=2.6 Hz), 3.95 (d, 2H, J=2.5 Hz), 3.38 (d, 2H, J=2.5 Hz), 1.77 (t, 1H, J=2.5 Hz), 1.25 (t, 12H, J=7.0 Hz); ¹³C NMR (CDCl₃, 62.5 MHz) δ(ppm): 167.4, 153.8, 153.5, 148.8, 132.6, 130.4, 129.1, 128.0, 123.8, 123.0, 108.0, 105.0, 97.7, 78.3, 70.0, 64.8, 44.4, 28.5, 12.6. FAB MS m/z =479.2577 [M + H]⁺, calc. for C₃₁H₃₃ N₃O₂.=479.2573.

다음으로, AuCl₃ (126 mg, 0.42 mmol)를 20 mL의 에탄올에서 녹이고, 150 mL의 에탄올 수용액에 녹인 상기 화학식 1의 화합물(200 mg, 0.42 mmol)의 용액에 한 방울씩 첨가하였다. 실온에서 대기 중에서 교반한 후, 반응용액을 여과하였다. 용매를 증발시킨 후, 침전물은 역상 컬럼 크로마토그래피(reverse-phase column chromatography, YMC*GEL polymerC18; CH₃OH : H₂O = 50:50, v/v)를 통해 분리 정제하여 화학식 2의 화합물을 수득하였다(17 mg; 수율 8.2%).

¹H NMR (CDCl3, 500 MHz) δ(ppm): 9.62 (s, 1H), 8.40 (br, 1H), 7.79-7.68 (m, 3H), 7.35 (br, 1H), 7.03 (d, 2H, J = 9.5 Hz), 6.84 (s, 2H), 6.78 (d, 2H, J = 9.5 Hz), 3.57 (q, 8H, J = 6.5 Hz), 1.25 (t, 12H, J = 6.5 Hz); ¹³C NMR (CDCl₃, 125 MHz) δ(ppm): 176.8, 158.2, 157.1, 155.9, 132.4, 132.2, 131.3, 131.0, 130.9, 130.2, 125.4, 114.6, 114.1, 97.0, 46.4, 12.9. FAB MS m/z = 494.2448 [M + H]⁺, calc. for C₃₁H₃₂N₃O₃ = 494.2444.

<실험예 1> 금속 이온에 대한 형광 측정

금속 이온, Ag⁺, Al³⁺, Ca²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Hg²⁺, K⁺, Li⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Na⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ 이온의 과염소산염의 스톡 용액(10mM)은 증류수에 녹여 제조하였고, Pd²⁺, Pt²⁺및 Au⁺이온의 염소염의 스톡용액(10mM)은 DMSO에 녹여 제조하였다. Au³⁺ 이온의 염소염의 스톡용액(10mM)은 에탄올에 녹여 제조하였다.

호스트의 스톡용액(300 mM)은 에탄올에 녹여 제조하였다.

통상의 실험에서와 같이, 실험용액은 50㎕의 프로브 스톡용액을 시험관에 넣고, 각 금속 이온의 스톡용액의 적당한 앨리쿼트(10 당량)를 첨가하고, 0.01M HEPES (pH 7.4) 및 에탄올의 혼합용액(1:1, v/v) 3mL로 상기 용액을 희석하여 제조하였다. 보통, 여기 파장은 558 nm이었다. 여기 및 방출 슬릿너비는 3nm/5 nm였다. 형광 스펙트럼(RF-5301/PC Spectrofluorophotometer, Shimadzu)은 Au³⁺첨가 후 10 분 동안 반응시킨 다음 측정하였다. Au³⁺의 저농도 적정을 위해서는 Au³⁺첨가 후 30분 동안 반응시킨 다음 측정하였다. 여기 및 방출 슬릿은 각각 5nm/5nm 또는 5 nm/10nm로 하였다.

도 1은 에탄올-HEPES 완충용액(0.01M, pH7.4, 1:1(v/v))에서 금속 이온(10 당량)과 화학식 1의 화합물(5μM)의 형광 스펙트럼을 나타낸 것으로, Au³⁺에서만 형광 증가가 관찰되었다.

또한, Au³⁺의 첨가는 비색변화를 유도하였다. 즉, 무색에서 분홍색으로의 비색변화가 관찰되어 Au³⁺를 육안으로도 검출이 가능하다(도 2).

또한, Au³⁺첨가로 인한 화학식 1의 화합물의 562 nm에서의 UV 흡수 스펙트럼(UVIKON 933 Double Beam UV/VIS Spectrometer)은 약 6배 정도의 형광 증가가 관찰되었다(도 3).

또한, 도 4a는 에탄올-HEPES 완충용액(0.01M, pH7.4, 1:1(v/v))에서 Au³⁺의 농도별(0-20 당량)로 화학식 1의 화합물(3μM)의 형광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 농도 의존적으로 형광 세기가 증가하였다.

도 4b는 에탄올-HEPES 완충용액(0.01M, pH7.4, 1:1(v/v))에서 Au³⁺의 농도별로 화학식 1의 화합물(1μM)의 형광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 화학식 1의 화합물은 0.50μM의 낮은 농도의 Au³⁺를 검출할 수 있다. 이에 따라 화학식 1의 화합물의 Au³⁺검출 한도는 0.20 ppm인 것으로 평가하였다.

또한, 에탄올-물 완충용액(1:1, v/v)에서 보다 낮은 Au³⁺의 농도별로 화학식 1의 화합물(1μM)의 형광 스펙트럼을 조사한 결과, 도 4c에 나타난 바와 같이 농도 의존적으로 직선 방식으로 형광 세기가 증가하였고, 검출 한도는 63ppb 정도였다.

상기 결과로부터, Au³⁺의 첨가 시 "Off-On" 타입의 형광 증가는 250배 정도로 증가함이 관찰되었다.

<실험예 2> 화학식 1의 화합물의 Au³⁺의 선택성 형광 증가 메커니즘

무색의 분홍색으로의 비색변화 및 형광 증가는 화학식 1의 화합물에서 Au³⁺에 의한 스피로락탐의 개환 후 분자 내 고리형성을 통해 화학식 2의 화합물(옥사졸카바알데히드)이 형성되는 과정을 통해 일어날 수 있다.

역상-컬럼 크로마토그래피를 통해 강한 형광성을 띠는 화학식 2의 화합물을 수득하였고, ¹H-NMR, ¹³C-NMR 및 질량 스펙트럼을 통해 옥사졸카바알데히드 구조를 확인하였다.

상기 결과로부터, Au³⁺은 산화제 없이도 프로파길아마이드에서 옥사졸카바알데히드로의 고리형성을 유도함을 알 수 있었고, 프로파길아마이드가 옥사졸카바알데히드로의 전환을 Au³⁺가 촉매한다는 사실은 본 발명자들이 최초로 보고하는 것이 다.

또한, 에탄올-HEPES 완충용액(0.01M, pH7.4, 1:1(v/v)) 하에서 금 이온(10 당량) 첨가 시 상기 화학식 1의 화합물의 전환 시 반응속도 상수를 측정한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이 초기 동력학적 분석을 바탕으로 kobs = 4.5 (±0.20)×10^-4 s^-1인 것으로 평가되었다.

<실험예 3> 살아있는 세포에서 Au³⁺의 검출

상기 화학식 1의 화합물이 살아있는 세포의 이미지화에 적용할 수 있는 지를 확인하였다. 살아있는 세포에서 Au³⁺를 검출하기 위해, 사람 케라티노사이트 세포주 HaCaT를 100 units/mL의 페니실린, 100 ㎍/mL의 스트렙토마이신 및 10% 열처리된 우태아혈청이 첨가된 RPMI 1640에서 배양하였다. 상기 세포를 배양배지에서 웰 당 4 × 10⁴ cells의 밀도로 6-웰 크기의 커버글라스 바텀 디쉬에 씨딩하고 밤새도록 배양하였다. HaCaT 세포에 20 mM의 상기 화학식 1의 화합물을 2시간 동안 처리하고, PBS로 3회 세척하였다. 그 후, 세포를 10 mM AuCl₃ 과 1시간 동안 배양하고, 세포 배양액은 PBS로 세척하여 남아있는 수은 이온을 제거하였다. HaCaT 세포의 이미지는 공초점 레이저 현미경(confocal laser scanning microscope) 하에서 얻었다. 도 6은 상기 화학식 1의 화합물과 Au³⁺를 처리한 HaCaT 세포의 이미지를 나타낸 것이다.

도 6에 나타난 바와 같이, Au³⁺를 처리한 경우, 형광 세기의 증가를 살아있는 세포 상에서 확인할 수 있었다.

도 1은 에탄올-HEPES 완충용액 하에서 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물과 금속 이온의 형광 스펙트럼을 측정한 결과이다.

도 2는 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물(a) 과 금 이온 하에서(b)의 비색 변화를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물과 금속 이온의 흡수 스펙트럼을 측정한 결과이다.

도 4는 에탄올-HEPES 완충용액 하에서 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물과 농도별 금 이온의 형광변화를 나타낸 것으로, a)는 0 내지 20 당량의 금 이온 하에서, b)는 마이크로몰 농도 수준의 금 이온 하에서, c)는 나노몰 농도 수준의 금 이온 하에서의 형광변화이다.

도 5는 에탄올-HEPES 완충용액 하에서 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물과 10 당량의 금 이온의 동력학적 분석 결과이다.

도 6은 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물과 금 이온을 처리한 HaCaT 세포의 이미지를 나타낸 것으로, a)는 형광 이미지, b)는 광학 이미지, c)는 형광 이미지와 광학 이미지를 합친 것이다.

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 화합물:

[화학식 1]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원(ring member)의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 6 의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₁₀ 및 R₁₁은 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타낸다.
제1항에 있어서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 6 내지 10 환원의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하는 화합물.
제1항에 있어서,

R₁ 및 R₃는 각각 독립적으로 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내고,

R₂, R₄, R₅, 및 R₇은 각각 독립적으로 수소, 메틸, 에틸, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 메틸, 또는 에틸을 나타내는 화합물.
제1항에 있어서,

하기 화학식 1a 내지 1e 중 어느 하나로 표시되는 화합물:

[화학식 1a]

[화학식 1b]

[화학식 1c]

[화학식 1d]

[화학식 1e]

[화학식 1f]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원의 아릴을 나타낸다.
하기 화학식 3의 화합물과 POCl₃를 반응시키는 단계; 및

상기 반응물에 하기 화학식 4의 화합물을 첨가하는 단계를 포함하는 하기 화학식 1의 화합물의 제조방법:

[화학식 3]

[화학식 4]

[화학식 1]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원(ring member)의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형 성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₁₀ 및 R₁₁은 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타낸다.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 금 이온 검출용 센서:

[화학식 1]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원(ring member)의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형 성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₁₀ 및 R₁₁은 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타낸다.
제6항에 있어서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 6 내지 10 환원의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내거 나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 4의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 6 환원의 헤테로 고리를 형성하는 금 이온 검출용 센서.
제6항에 있어서,

R₁ 및 R₃는 각각 독립적으로 수소, 메틸, 또는 에틸을 나타내고,

R₂, R₄, R₅, 및 R₇은 각각 독립적으로 수소, 메틸, 에틸, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 메틸, 또는 에틸을 나타내는 금 이온 검출용 센서.
제6항에 있어서,

금 이온이 Au³⁺인 금 이온 검출용 센서.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 금 이온 검출용 조성물:

[화학식 1]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원(ring member)의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리 를 형성하며,

R₁₀ 및 R₁₁은 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타낸다.
하기 화학식 1로 표시되는 화합물과 금 이온을 반응시키는 단계를 포함하는 금 이온을 검출하는 방법:

[화학식 1]

상기 식에서,

R은 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬, 또는 5 내지 12 환원(ring member)의 아릴이고,

R₁은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₂는 수소, 탄소수 1 내지 6 의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₁ 및 R₂는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₃는 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬이고, R₄는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₃ 및 R₄는 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₅는 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₆은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₅ 및 R₆은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₇은 수소, 탄소수 1 내지 6의 알킬, 또는 C(O)R₉를 나타내고, 여기서 R₉는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내고, R₈은 수소, 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬을 나타내거나, 상기 R₇ 및 R₈은 함께 질소원자를 포함하는 3 내지 8 환원의 헤테로 고리를 형성하며,

R₁₀ 및 R₁₁은 각각 독립적으로 수소, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬을 나타낸 다.
제11항에 있어서,

생체 내에서 금 이온을 검출하는 방법.
제12항에 있어서,

생체는 사람 케라티노사이트인 금 이온을 검출하는 방법.