KR20210094893A - 신규한 유기 형광 화합물 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신규한 유기 형광 화합물 및 이를 포함하는 바이오센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 신규한 유기 형광 화합물 및 이를 포함하는 바이오센서에 관한 것이다.
최근, 영양 과잉 섭취나 운동 부족 등의 원인에 의해, 당뇨병 또는 기타 대사 장애 관련 질병의 발병이 증가하고 있다.
이러한 당뇨병 또는 대사 장애 관련 질병의 진단과 치료, 및 사후 관리를 위해서는, 혈액 중 글루코스 농도를 모니터링할 필요가 있다. 이와 관련하여 혈 중 글루코스 농도를 실시간으로 정확히 모니터링하기 위하여, 인체 침습을 최소화 하기 위해 많은 연구가 진행된 바 있다.
예를 들어, 글루코스를 포함하는 탄수화물과 페닐 보론 산과의 배위 결합 반응(complexation)의 비가역성과 크로마토그래피를 이용한 당류 화합물의 분리 방법은 오래 전부터 알려져 왔다.
그리고 미국특허 5,503,770호 등에는, 글루코스를 포함하는 사카라이드에 결합 시, 높은 강도의 형광을 방출하는 형광성 보론 산-함유 화합물이 개시되어 있다. 이러한 형광 화합물은 상술한 당류와의 상호작용을 위한 리셉터(Recepter), 이러한 결합으로부터 형광 현상을 일으키는 형광 발생 그룹(형광단, 혹은 리포터, Fluorophore, or Reporter), 및 화합물 전체의 성질을 조절하여 센싱 효율을 증가시킬 수 있게 하는 보조 그룹(링커, 혹은 스페이서, Linker, or spacer)을 포함하며, 페닐 보론 산의 이웃 자리에 질소 원자를 포함하는 분자 구조를 가지는 것이 일반적이다.
상기 질소 원자는 페닐 보론 산 부분의 이웃자리에 위치하며, 당류가 페닐 보론 산과 결합을 형성하는 경우, 보론 산 부분 및 형광 발생 그룹과의 분자 내 상호작용을 통해, 형광을 방출하게 된다.
이와 관련하여, 혈액 내 글루코스를 검출하는데 사용되는, 안트릴-보론 산 함유 화합물이나, 나프탈리미드 계열 화합물 등이 알려져 있다.
그러나, 현재 사용되는 화합물 등은 상대적으로 고가이고, 사용이 번거로운데 비해, 실시간 혈액 글루코스 농도 정보를 정확히 확인하기는 어려운 문제점이 있다.
본 명세서는, 신규한 구조의 유기 형광 화합물 및 이를 포함하는 바이오센서를 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면, 하기 화학식 1의 유기 형광 화합물이 제공된다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는, 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
상기 R1 내지 R7은 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R7 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
상기 R1 내지 R10은 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1에서,
A0 내지 A23은, 각각 독립적으로, 단일 결합, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌이고,
D1 및 D2는 아민 (-NR42-) 또는 아미드 그룹(-CO-NR52-)이고
R11 내지 R52는, 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬이고,
단 R12 및 R22 중 적어도 하나는, 하기 화학식 1-2이고,
[화학식 1-2]
상기 화학식 1-2에서 R31 내지 R35는, 각각 독립적으로, 수소, 탄소 수 1 내지 5의 알킬, 할로겐, 또는 -B(OH)2로,
단 R31 내지 R35 중 적어도 하나는 -B(OH)2이다.
이 때, 상기 화학식 1의 R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R4는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 화학식 2의 경우, R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R7는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 화학식 3의 경우, R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R10는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 화학식 1-1의 A0 내지 A23은 각각 독립적으로, 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌일 수 있다.
그리고, 상기 A1, A2 및 A3는 각각 독립적으로, 단일 결합 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌인 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 D1 및 D2는, 각각 독립적으로, 아미드(-CO-NR23-)이고, R23은, 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인 것이 바람직할 수 있다.
발명의 다른 일 측면에 따르면, 상술한 유기 형광 화합물을 포함하는 장치가 제공될 수 있다.
그리고, 상기 장치는, 바이오센서일 수 있으며, 구체적으로, 당 검출용 바이오센서일 수 있다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합을 설명하기 위한 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 이들의 조합 또는 부가 가능성을 배제하는 것은 아니다.
또한 본 명세서에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에” 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 하기 화학식 1의 유기 형광 화합물이 제공된다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는, 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
상기 R1 내지 R7은 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R7 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
상기 R1 내지 R10은 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1에서,
A0 내지 A23은, 각각 독립적으로, 단일 결합, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌이고,
D1 및 D2는 아민 (-NR42-) 또는 아미드 그룹(-CO-NR52-)이고
R11 내지 R52는, 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬이고,
단 R12 및 R22 중 적어도 하나는, 하기 화학식 1-2이고,
[화학식 1-2]
상기 화학식 1-2에서 R31 내지 R35는, 각각 독립적으로, 수소, 탄소 수 1 내지 5의 알킬, 할로겐, 또는 -B(OH)2로,
단 R31 내지 R35 중 적어도 하나는 -B(OH)2이다.
본 발명의 발명자들은, 기존에 당 검출을 위해 사용되던 화합물에서 리포터 부분으로 안트릴, 나프탈리미드, 또는 디케토피롤로피롤 그룹을 채용하고, 리포터와 리셉터를 연결하는 연결기로, 화학식 1-1의 구조를 가지는 덴드리머 그룹을 도입하는 경우, 이러한 화합물이 당류 화합물과 결합하여 강한 형광을 방출하여, 당류 검출을 위한 바이오센서 등에 사용될 수 있으며, 이러한 바이오센서를 이용하면, 피 검사자에 대한 침습 행위를 최소화하면서, 혈중 글루코스 농도 정보를 실시간으로 정확히 확인할 수 있다는 점을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
글루코스 검출을 위해 사용되는 유기 형광 화합물은, 글루코스를 포함하는 시료에 노출되었을 때, 농도-의존적으로 변하는 검출 가능한 특성을 보인다. 그러한 특성들은 다수의 문헌을 통해 이미 공지된 바 있다.
이러한 유기 형광 화합물은, 당류와의 상호작용을 위한 리셉터(Recepter), 당류 및 페닐 보론산 그룹의 상호 작용으로부터 형광 현상을 일으키는 형광 발생 그룹(형광단, 혹은 리포터, Fluorophore, or Reporter), 및 화합물 전체의 성질을 조절하여 센싱 효율을 증가시킬 수 있게 하는 보조 그룹을 포함할 수 있다.
상술한 검출 가능한 특성은, 예를 들면, 시료 내 글루코스의 존부에 따라 형광 혹은 소광(quenching)이 발생하여 발광의 세기가 달라지는 특성 등을 들 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 측면에 따른 상기 화학식 1의 유기 형광 화합물에 있어서, 화학식 1-1의 말단에 연결된 페닐 그룹의 보론 산(-B(OH2)이 글루코스와의 상호작용을 위한 리셉터의 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 보론 산은 글루코스 분자의 히드록시 기와 반응하여, 고리 형태의 보론-글루코스 에스터를 형성할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 유기 형광 화합물의 보론 산은, 이러한 보론 산과 글루코스의 상호 작용으로 인하여, 글루코스의 존부를 확인하는 리셉터의 역할을 할 수 있다.
본 발명의 유기 형광 화합물은, 글루코스 부재 시 형광 발생 그룹이 소광자에 의해 소광되는 구조를 갖는 형광 발생 그룹 및 소광자(quencher)를 포함할 수 있다.
소광자는, 형광 발생 그룹과의 상호 작용에 의해 형광을 소광(quenching)시키는 역할을 하는 부분으로, 소광자가 제 역할(quenching)을 다하는 경우, 소광이 발생하여, 형광이 외부로 방출되지 않으며, 소광제가 제 역할(quenching)을 다하지 못하는 경우에는, 형광이 외부로 방출되어, 검출 가능한 특성을 가지게 된다.
본 발명의 유기 형광 화합물의 경우, 다음과 같은 두 종류의 소광 메커니즘에 의해 작동할 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 구현 예에 따른 유기 형광 화합물에 있어서, 형광 발생 그룹의 이웃한 아민 그룹에 의한 소광 메커니즘이다. 이 경우, 아민 그룹의 질소 원자와, 형광 발생 그룹의 들뜬 전자 사이에서 광 유발 전자 전달(Photoinduced Electron Transfer, PET)이 일어나면서 소광되어, 형광이 외부로 방출되지 않는다.
구체적으로 검사 대상 시료 내에 글루코스 부재시에는, i) 보론 산(B-OH) 형태가 유지되고, ii)형광 발생 그룹 및 소광자가 충분히 근접하게 이동함으로써 소광을 일으키며, iii) 따라서, 형광이 외부로 방출되지 않는다.
반대로 검사 대상 시료 내에 글루코스가 존재할 때는, i) 보론 산과 글루코스가 보론-글루코스 에스터를 형성하고, ii) 이에 따라 분자 내 구조적 변화가 생기게 되어, 소광자가 형광 발생 그룹으로부터 충분한 거리를 두고 이격되며, iii) 따라서 형광 발생 그룹으로부터 그대로 형광이 방출된다.
이러한 광 유발 전자 이동에 의한 소광 메커니즘은, Acc. Chem. Res. 1994, 27, 10, 302-308, (Chemical Communication in Water Using Fluorescent Chemosensors; Anthony W. Czarnik) 등의 참고 문헌에 구체적으로 설명되어 있다.
또 하나는, 분자 내 보론 산 그룹에 있어서, B-OH 결합의 진동에 의한 소광이다(vibrational quenching). 이 경우, B-OH 결합의 유무가 소광에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 상기 PET에 의한 메커니즘보다 더 즉각적이고 높은 감도로 글루코스의 존부를 확인할 수 있다. B-OH 결합의 진동에 의한 소광 (vibrational quenching) 메커니즘에 대해서는, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6, 2348-2354(Arresting “Loose Bolt” Internal Conversion from B(OH)2 Groups is the Mechanism for Emission Turn-On in ortho-Aminomethylphenylboronic Acid-Based Saccharide Sensors; Xiaolong Sun)이나, Nature Chemistry volume 11, pages768-778(2019)( The mechanisms of boronate ester formation and fluorescent turn-on in ortho-aminomethylphenylboronic acids; Xiaolong Sun) 등에 구체적으로 설명되어 있다.
이 경우, 형광 발생 그룹과 질소 원자, 및 보론 산 등 각 그룹 간의 거리에 구애받지 않아, 분자 구조를 더 자유롭게 설계할 수 있는 장점이 있지만, B-OH 결합을 위해, 물질 자체의 수용성이 향상되어야 할 필요가 있다. 수용성이 좋지 못한 경우, B-OH 결합의 진동에 의한 소광 메커니즘이 효율적으로 작동하지 못해, 형광과 소광 시 외부로 방출되는 형광의 차이가 크지 않아, 포도당의 존재와 부재를 구분하기 어려워지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 유기 형광 화합물의 경우, 상술한 바와 같이, 화학식 1-1 구조의 덴드리머를 포함하여, 우수한 수용성을 가질 수 있으며, 이에 따라 상술한 형광-소광 메커니즘이 효율적으로 작동할 수 있고, 포도당의 존재와 부재를 더욱 쉽게 구분할 수 있게 된다.
한편, 당 분자 검출에 사용되는 형광성 인디케이터 화합물은, 혈 중에서 당 분자와 선택적으로 결합해야 하는데, 특히, 최근에 사용되는 형광 센서의 경우, 인체 내에 삽입된 후에는, 별도의 침습 처치를 하지 않으면서도 실시간으로 혈당 체크가 가능하도록 제조되는 경우가 많다.
이러한 경우, 형광성 인디케이터 화합물은, 충분한 수용성을 가져야 하고, 동시에, 인체에 무해한 플라스틱 등 고분자 물질의 불용성 표면이나, 매트릭스 등의 내부 또는 외부에 고정될 필요가 있으며, 이를 위해 관능기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 따른 유기 형광 화합물은, 상술한 바와 같이 안트릴, 안트릴, 나프탈리미드, 또는 디케토피롤로피롤 그룹을 리포터 겸 중심 구조로 포함하고, 여기에 연결된 각 치환기 R 중, 적어도 하나는 리셉터 및 링커의 역할을 하는 화학식 1-1의 구조를 포함하며, 화학식 1-1 의 그룹이 아닌 나머지는, 각각 독립적으로, 수소, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있다.
이 중, 할로겐 원자가 치환된 알킬 기, 혹은 할로겐 원자가 치환된 아릴 기 등은, 화합물의 물리적, 화학적 성질을 개질할 수 있는 다른 관능기, 예를 들어, 에틸렌성 혹은 아크릴레이트성 불포화 기, 실란기, 아민기 등 도입을 위한 전구 부분으로 작용할 수 있다.
이러한 다른 관능기들이 도입되는 경우, 유리나 다른 고분자 등과 같은 불용성 표면 또는 매트릭스 고정화를 위해 사용될 수도 있고, 다른 유기 형광 화합물은 분자나, 다른 인디케이터 화합물, 혹은 다른 친수성 모노머 등과 공중합되어서 친수성 거대 분자를 형성하는 데에도 사용될 수 있으며, 수용성, pKa 등을 조절하기 위한 작용기 도입에도 사용될 수 있다.
그리고, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기는, 분자 전체의 수용성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 이러한 옥시알킬 기나 옥시아릴 기는, 알킬렌 옥사이드 반복 단위(-[O-Alkylene]-), 혹은 아릴렌 옥사이드 반복 단위-[O-Arylene]-가 반복된, 폴리옥시알킬렌, 혹은 폴리옥시아릴렌 형태일 수도 있으며, 구체적으로는, 폴리에틸렌글리콜 등의 형태일 수도 있다.
이 때, 상기 화학식 1의 R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R4는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인 것이 바람직할 수 있다. 상기 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기는, 구체적으로, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 또는 펜틸기로, 탄소 수 3 이상인 경우, 직쇄 혹은 분지쇄 형태일 수 있다.
그리고, 상기 화학식 2의 경우, R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R7는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인 것이 바람직할 수 있다. 상기 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기는, 구체적으로, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 또는 펜틸기로, 탄소 수 3 이상인 경우, 직쇄 혹은 분지쇄 형태일 수 있다.
그리고, 상기 화학식 3의 경우, R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R10는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인 것이 바람직할 수 있다. 상기 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기는, 구체적으로, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 또는 펜틸기로, 탄소 수 3 이상인 경우, 직쇄 혹은 분지쇄 형태일 수 있다.
한편, 화학식 1-1의 그룹은, 분자 내에 적어도 5개의 질소 원자를 포함하며, 말단에 적어도 2 개의 보론 산 기를 포함한다. 이러한 특징적인 구조로 인해, 본 발명의 일 측면에 따른 유기 형광 화합물 분자 전체의 수용성이 크게 증가할 수 있으며, 분자 내 두 개의 페닐 보론 산이 존재하게 되어, 글루코스 등 당 분자에 대한 선택성이 증가할 수 있다.
발명의 다른 일 측면에 따르면, 상술한 유기 형광 화합물을 포함하는 장치가 제공될 수 있다.
이러한 유기 형광 화합물이 사용되는 경우, 글루코스 검출을 위한 다양한 검출 기술이 본 발명이 속하는 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 본 발명의 화합물은 형광 감지 기기에 사용될 수도 있고, 또는 육안 검사를 위한 테스트 종이와 같은 고분자 물질에 결합된 형태로 사용될 수도 있으며, 형광분광계 또는 임상 분석기와 같은 표준 분석 장치에 단순 시약으로 이용될 수도 있다.
형광 감지 장치의 경우, 적층된 유기 형광 화합물 분자를 포함하는 매트릭스 고역 통과 필터 및 광 검출기를 포함하는 형태일 수 있다. 이 장치에서, 유기 형광 화합물 내에, 또는 매트릭스가 위에 위치하는 도파관 내에, 광원, 예를 들어, 특정 파장의 발광 다이오드("LED")가 위치함으로써, 유기 형광 화합물 분자에 형광을 유도할 수 있다. 고역 통과 필터는, 광원으로부터의 분산된 입사광을 걸러내면서, 방출된 빛이 광검출기에 도달하도록 하는 역할을 할 수 있다.
이러한 장치는, 예를 들면 생체 내 혈당 레벨을 계속적으로 모니터링하기 위한 이식용 기기로 사용될 수도 있다.
본 발명의 화합물은, 예를 들면, 하기하는 일반적인 과정과 일치하는 반응 메카니즘을 포함하여, 공지된 반응 메카니즘 및 시약을 이용하여, 많은 시행착오 없이도 통상의 기술자에 의해 용이하게 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 유기 형광 화합물은, 당류 검출을 위한 바이오센서 등에 사용될 수 있으며, 이러한 바이오센서를 이용하면, 피 검사자에 대한 침습 행위를 최소화하면서, 혈중 글루코스 농도 정보를 실시간으로 정확히 확인할 수 있다.
도 1은, 상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 물질에서 소광 현상이 제대로 구현되는지 확인한 사진 이다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기 형광 화합물의 발광 스펙트럼을, 포도당 농도 변화에 따라 도시한 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기 형광 화합물의 약 530 nm 파장 대에서의 발광 세기 값을, 포도당 농도 변화에 따라 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기 형광 화합물의 발광 스펙트럼을, 포도당 농도 변화에 따라 도시한 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기 형광 화합물의 약 530 nm 파장 대에서의 발광 세기 값을, 포도당 농도 변화에 따라 도시한 그래프이다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
실시예: 
비교예: 
[실시예 1]
질소 분위기 하에서, 무수 에탄올에 4-브로모-나프틸 무수물을 녹이고, 여기에 4-bromo-naphthalic anhydride 대비 1.1 당량의 에틸렌디아민을 첨가하였다. 이 혼합물을 환류(reflux) 조건에서 가열한 후, 실리카 겔 크로마토그래피(Hex:EA=5:1; v/v 전개액 사용)로 분리하여, 베이지 색 파우더인 중간체 1을 얻었다.
상기 중간체 1을 무수 메탄올에 용해시키고(1eq), 질소 분위기 하에서 메틸 아크릴레이트(2.5eq)를 첨가하였다. 이 혼합물을 최초 0 ℃ 온도 조건에서 서서히 상온으로 승온시키면서 교반하여 반응을 진행시켰다.
남아있는 액체를 제거한 후, 하기 중간체 2 화합물을 얻었다.
0 ℃에서 상기 중간체 2 화합물을 무수 메탄올에 용해시키고, N-메틸-에틸렌디아민(2.5eq)를 첨가하였다. 시작 물질의 에스터 그룹이 모두 아미드로 전환될 때까지 상온에서 반응을 진행하였다. 반응 종결 후, 액체를 제거한 후, 침전을 잡아, 하기 중간체 3을 얻었다.
무수 THF에 상기 중간체 3을 녹이고(1eq), 2-브로모메틸페닐보론산 피나콜 에스터(2.66eq)을 혼합하였다. 이 혼합물을 환류(reflux) 조건에서 가열한 후, 실리카 겔 크로마토그래피(MC:MeOH=10:1; v/v 전개액 사용)로 분리하여, 노란 색의 고체인 중간체 4를 얻었다. (수율: 66%)
상기 중간체 4를 MC에 녹이고(0.3M), 0℃ 온도 조건 하에 트리플루오로아세트산(10 eq)을 첨가하였다. 상온에서 반응을 진행하고, 반응 생성물을 0 ℃로 다시 냉각시킨 후, NaHCO3 포화 수용액으로 중화시켰다. 그 후 유기층을 분리하고, Na2SO4로 건조시켜, 하기 물질 1을 얻었다.
[비교예 1]
질소 분위기 하에서, 무수 에탄올에 4-브로모-나프틸 무수물을 녹이고, 여기에 4-bromo-naphthalic anhydride 대비 1.1 당량의 2-(2-아미노에톡시)에탄올을 첨가하였다. 이 혼합물을 환류(reflux) 조건에서 가열한 후, 실리카 겔 크로마토그래피(Hex:EA=5:1; v/v 전개액 사용)로 분리하여, 하기 중간체 1-1을 얻었다.
질소 분위기 하에서 무수 2-메톡시에탄올에 상기 중간체 1-1(1eq)을 녹이고, N-메틸에틸렌디아민(3eq)을 혼합하였다. 이 혼합물을 환류(reflux) 조건에서 가열한 후, 실리카 겔 크로마토그래피(메틸렌클로라이드(이하, MC):MeOH=5:1; v/v 전개액 사용)로 분리하여, 중간체 2-1을 얻었다. (수율: 64%)
무수 THF에 상기 중간체 2-1을 녹이고(1eq), 2-브로모메틸페닐보론산 피나콜 에스터(1.33eq)을 혼합하였다. 이 혼합물을 환류(reflux) 조건에서 가열한 후, 실리카 겔 크로마토그래피(MC:MeOH=10:1; v/v 전개액 사용)로 분리하여, 중간체 3-1을 얻었다. (수율: 66%)
상기 중간체 3-1을 MC에 녹이고(0.3M), 0℃ 온도 조건 하에 트리플루오로아세트산(10 eq)을 첨가하였다. 상온에서 반응을 진행하고, 반응 생성물을 0 ℃로 다시 냉각시킨 후, NaHCO3 포화 수용액으로 중화시켰다. 그 후 유기층을 분리하고, Na2SO4로 건조시켜, 하기 물질 2를 얻었다.
수용성 평가
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 물질을 이용하여, 수성 상태에서 소광 현상이 제대로 구현되는지 수용성 평가를 실시하였다.
PBS 버퍼 수용액(pH=7.4)를 준비하고, 여기에 상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 물질을 각각 50 마이크로 몰로 샘플링하여, 상기 버퍼 용액에 첨가하였다.
실시예 물질의 경우, 버퍼 수용액에 완전히 녹는 것을 관찰할 수 있었으나, 비교예 물질의 경우, 완전히 대부분이 완전히 녹지 않는 것을 확인할 수 있었다.
여기에 365nm의 자외선을 조사하여, 소광 현상을 관찰하였다.
도 1은, 상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 물질에서 소광 현상이 제대로 구현되는지 확인한 사진 이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 물질은, 완전히 소광되어, 형광이 거의 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있지만, 비교예 물질의 경우, 형광이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이는, 본 명세서에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 형광 물질의 경우, 화학식 1-1로 표시되는 덴드리머 구조를 포함하여, 수용성이 매우 크고, 이에 따라, B-OH의 진동에 의한 소광이 효과적으로 발현되는 것에 비해, 비교예 물질의 경우, 수용성이 낮아, B-OH의 진동에 의한 형광의 소광이 거의 발현되지 않기 때문인 것으로 생각된다.
글루코스 센싱 평가
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 물질을 이용하여, 수성 상태에서 글루코스 농도에 대한 형광이 제대로 구현되는지 글루코스 센싱 평가를 실시하였다.
PBS 버퍼 수용액(pH=7.4)를 준비하고, 여기에 상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 물질을 각각 40 μM 농도가 되도록 상기 버퍼 용액에 첨가하였다.
상기 버퍼 용액 각 1 ml에 포도당 용액 1 ml를 혼합하여, 각 샘플에서 최종 포도당의 농도가 각 0 mM, 1.5 mM, 4mM, 5 mM, 10 mM이 되도록 샘플을 준비하였다.
각 샘플에 대해 발광 스펙트럼을 측정하여 도 2(비교예) 및 도 3(실시예)에 도시하였다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기 형광 화합물의 발광 스펙트럼을, 포도당 농도 변화에 따라 도시한 그래프이다.
한편, 상기 실험에서 발광 세기가 최대로 나타나는 약 530 nm 파장 대에서의 포도당 농도 별 상대적인 발광 세기 값을 측정하여, 도 4에 도시하였다.
도 4는, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기 형광 화합물의 약 530 nm 파장 대에서의 발광 세기 값을, 포도당 농도 변화에 따라 도시한 그래프이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 비교예의 유기 형광 화합물은, 포도당 부재 시 발광 세기가 약 678, 포도당 존재 시 최대 발광 세기가 약 725 정도로, 그 차이가 약 50 정도에 불과하고, 특히, 포도당 부재 시와 최소 농도의 포도당 존재 시(0.1 mM) 발광 세기의 차이가 약 20 정도에 불과한 것을 확인할 수 있다.
이에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 유기 형광 화합물은, 전체적으로 발광 세기가 비교예에 비해 매우 크고, 포도당 부재 시 발광 세기가 약 1490, 포도당 존재 시 최대 발광 세기가 약 1570 정도로, 그 차이가 약 80 정도로, 농도에 따른 발광 세기의 변화율이 크며, 특히, 포도당 부재 시와 최소 농도의 포도당 존재 시(0.1 mM) 발광 세기의 차이가 약 70 정도에 달하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 형광 화합물은, 포도당 존재 시와 부재 시의 발광 스펙트럼에 큰 차이가 있어, On-Off 효과를 확실히 구현할 수 있는 것으로 보이며, 이는, 유기 형광 화합물 내 덴드리머 구조 도입으로 인해, 수용성이 증가한 것에서 기인하는 것으로 생각된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 형광 화합물은, 포도당 검출을 위한 센서 등에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
Claims (8)
- 하기 화학식 1 내지 3의 유기 형광 화합물:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 내지 R4는, 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R4 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
상기 R1 내지 R7은 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R7 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
상기 R1 내지 R10은 각각 독립적으로, 하기 화학식 1-1의 그룹, 수소, 할로겐, 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기, 탄소 수 6 내지 20의 아릴 기, 탄소 수 2 내지 20의 옥시알킬 기, 또는 탄소 수 6 내지 20의 옥시아릴 기로, 상기 알킬 기, 아릴 기, 옥시알킬 기, 또는 옥시아릴 기는 각각 독립적으로, 할로겐 원자, 히드록시 기, 아민 기 또는 아미노 기로 치환되거나, 치환되지 않을 수 있고,
단, 상기 R1 내지 R10 중 적어도 하나는 하기 화학식 1-1의 그룹이고,
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1에서,
A0 내지 A23은, 각각 독립적으로, 단일 결합, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌이고,
D1 및 D2는 아민 (-NR42-) 또는 아미드 그룹(-CO-NR52-)이고
R11 내지 R52는, 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬이고,
단 R12 및 R22 중 적어도 하나는, 하기 화학식 1-2이고,
[화학식 1-2]
상기 화학식 1-2에서 R31 내지 R35는, 각각 독립적으로, 수소, 탄소 수 1 내지 5의 알킬, 할로겐, 또는 -B(OH)2로,
단 R31 내지 R35 중 적어도 하나는 -B(OH)2이다.
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 1의 R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R4는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인, 유기 형광 화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 2의 R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R7는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인, 유기 형광 화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 3의 R1은 화학식 1-1의 그룹이고, R2 내지 R10는, 각각 독립적으로, 수소, 할로겐, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인, 유기 형광 화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 1-1의 A0 내지 A23은 각각 독립적으로, 탄소 수 1 내지 5의 알킬렌인, 유기 형광 화합물 유기 형광 화합물.
- 제1항에 있어서,
상기 D1 및 D2는, 각각 독립적으로, 아미드(-CO-NR23-)이고, R23은, 각각 독립적으로, 수소, 또는 탄소 수 1 내지 5의 알킬 기인, 유기 형광 화합물.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 유기 형광 화합물을 포함하는 장치.
- 제7항에 있어서, 바이오센서인, 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200008695A KR20210094893A (ko) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | 신규한 유기 형광 화합물 및 이를 포함하는 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200008695A KR20210094893A (ko) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | 신규한 유기 형광 화합물 및 이를 포함하는 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210094893A true KR20210094893A (ko) | 2021-07-30 |
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ID=77148447
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200008695A KR20210094893A (ko) | 2020-01-22 | 2020-01-22 | 신규한 유기 형광 화합물 및 이를 포함하는 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210094893A (ko) |
-
2020
- 2020-01-22 KR KR1020200008695A patent/KR20210094893A/ko active Search and Examination
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