KR20210123069A - Dual-mode chemosensor and heavy metal detection method using thereof - Google Patents

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KR20210123069A
KR20210123069A KR1020200040338A KR20200040338A KR20210123069A KR 20210123069 A KR20210123069 A KR 20210123069A KR 1020200040338 A KR1020200040338 A KR 1020200040338A KR 20200040338 A KR20200040338 A KR 20200040338A KR 20210123069 A KR20210123069 A KR 20210123069A
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이기환
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닐람 찬드라칸트 디게
발라사헵 다니엘 반자레
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a composition for detecting heavy metal ions, containing a novel Schiff base, and the like. A chemical sensor using the Schiff base is convenient because it is possible to determine whether a sample contains heavy metals with the naked eye. Since the chemical sensor is less affected by metal ions other than heavy metal ions to be detected, and the limit of detection (LOD) for metal ions is very low, selective and precise detection is possible.

Description

듀얼 모드 화학센서 및 이를 이용한 중금속 검출방법{Dual-mode chemosensor and heavy metal detection method using thereof}Dual-mode chemosensor and heavy metal detection method using thereof

본 발명은 신규한 Schiff base를 포함하는 중금속 이온 검출을 위한 조성물 등에 관한 것이다.The present invention relates to a composition and the like for detecting heavy metal ions including a novel Schiff base.

급속한 산업화로 인하여 전세계적으로 Ni2+, Cu2+, Cd2+, Co2+ 등과 같은 중금속의 독성 문제가 대두되고 있다. 이러한 독성 금속은 자연환경에 오랜 기간 노출시 인체에 각종 질병을 초래하며, 산업적으로 사용되었을 때에 생태환경의 주 오염원으로 작용하게 된다. 이에 따라, 인류의 건강을 지키기 위하여 자연에 존재하는 중금속 및 이들의 함량을 모니터링하는 것이 중요시 되고 있다. 이에, 오늘날 수용액에서 중금속 이온을 검출하기 위해 여러 가지 분석 방법과 다양한 분자 프로브 등이 널리 사용되고 있으나 이러한 방법 각각은 고유한 장단점을 가지고 있어 아직 연구 여지가 많은 분야이다. Due to rapid industrialization, the toxicity of heavy metals such as Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ , Co 2+ is emerging worldwide. When these toxic metals are exposed to the natural environment for a long period of time, they cause various diseases in the human body, and when used industrially, they act as a major source of pollution in the ecological environment. Accordingly, it is important to monitor heavy metals and their content in nature in order to protect human health. Accordingly, various analytical methods and various molecular probes are widely used today to detect heavy metal ions in aqueous solutions, but each of these methods has unique advantages and disadvantages, so it is still a field with a lot of room for research.

한편, 하나 이상의 중금속 이온을 육안으로 비색 검출을 제공하는 형광 기반 분석 프로브의 개발은 생물학, 환경 샘플링 및 제약 화학 분야에서 열광적인 연구 과제로 남아 있다. 다만, 이러한 광학적 접근을 통한 수용액에서의 다중 이온 인식이 가능한 선택적이고 민감한 프로브에 대한 연구는 미흡한 상황이다.Meanwhile, the development of fluorescence-based analytical probes that provide colorimetric detection of one or more heavy metal ions with the naked eye remains an enthusiastic research task in biology, environmental sampling, and pharmaceutical chemistry. However, studies on selective and sensitive probes capable of recognizing multiple ions in aqueous solution through such an optical approach are insufficient.

대한민국 등록특허 10-2053750Republic of Korea Patent Registration 10-2053750

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.The present invention provides a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출용 조성물을 제공한다.The present invention provides a composition for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ , including the compound represented by Formula 1 above.

본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 검체와 반응시키는 단계를 포함하는 Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출 방법을 제공한다.The present invention provides a method for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ , comprising reacting the compound represented by Formula 1 with a sample.

본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for preparing a compound represented by Formula 1 above.

상기 본 발명의 목적을 해결하기 위해 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.In order to solve the above object of the present invention, the present invention provides a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ , including the compound represented by Formula 1 above.

본 발명의 일 구현예로 상기 조성물의 pH는 6 내지 8일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the pH of the composition may be 6 to 8.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 검체와 반응시키는 단계를 포함하는 Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ , comprising reacting the compound represented by Formula 1 with a sample.

또한 본 발명은 (a) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 및In addition, the present invention comprises the steps of (a) reacting a compound represented by the following formula (2) and a compound represented by the following formula (3) to prepare a compound represented by the following formula (4);

(b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 화학식 4로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 반응시켜 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계를 포함하는, 화학식 1로 표시되는 화합물의 제조방법을 제공한다.(b) reacting the compound represented by Formula 4 obtained in step (a) and the compound represented by Formula 5 below to prepare a compound represented by Formula 1, a method for producing a compound represented by Formula 1 provides

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00005
Figure pat00005

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00006
Figure pat00006

[화학식 5][Formula 5]

Figure pat00007
Figure pat00007

본 발명의 신규한 Schiff base를 이용한 화학센서는 육안으로도 검체에 중금속 함유 여부를 판별할 수 있어 이용이 편리하고, 검출하고자 하는 중금속 이온 이외의 금속 이온에 의한 영향을 적게 받으며, 금속 이온에 대한 검출 한계 (limit of detection, LOD)가 매우 낮으므로 중금속 이온의 선택적이고 정밀한 검출이 가능한 장점이 있다.The chemical sensor using the novel Schiff base of the present invention is convenient to use because it can determine whether a sample contains heavy metals with the naked eye, is less affected by metal ions other than heavy metal ions to be detected, and Since the limit of detection (LOD) is very low, it has the advantage of enabling selective and precise detection of heavy metal ions.

도 1은 상이한 pH 용액에서 화학센서 SB의 형광 강도 반응을 나타낸 것이다.
도 2는 화학센서 SB을 포함하는 용액에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우 디지털 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 화학센서 SB을 포함하는 용액에 다양한 금속 이온을 첨가한 경우 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 Ni2+ (a), Cd2+ (b), Cu2+ (c) 및 Co2+ (d)를 다양한 농도에서 화학센서 SB에 처리한 경우 흡수 적정 프로파일을 나타낸 것이다.
도 5는 다양한 양의 금속 이온 용액을 화학 센서 SB에 추가한 경우 디지털 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 다양한 금속 이온 용액(10 nM)를 화학 센서 SB에 처리시 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 것이다(λex = 340 nm에서 측정).
도 7은 Cd2+ (a), Co2+ (b), Ni2+ (c) 및 Cu2+ (d) 각각의 금속 이온 검출에 대한 외부 금속 이온의 영향을 나타낸 것이다.
도 8은 각 금속 이온에 대한 형광 및 흡수 출력에서 파생된 Job’s plot을 나타낸 것이다.
도 9는 대표적인 금속 이온에 대한 변형된 Benesi-Hildebrand (B-H) plot을 나타낸 것이다.
도 10은 각각의 금속 이온 (1 : 1 당량)을 첨가하거나 첨가하지 않은 화학센서 SB의 IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 11은 DMSO-d6에서 각각의 금속 이온 (1 : 1 당량)을 갖는 화학 센서 SB의 1H NMR 적정 결과이다.
도 12는 0-10 nM의 농도 범위의 Ni2+ (a), Cu2+ (b), Co2+ (c) 및 Cd2+ (d)를 첨가하여 화학센서 SB의 형광 소광을 관찰한 것이다.
도 13은 화학센서 SB로 연구된 각 금속 이온에 대한 Stern-Volmer plot을 나타낸 것이다.
도 14는 화학센서 SB의 HOMO 및 LUMO의 전자 분포 및 각 금속 이온과의 착물화를 나타낸 것이다.
도 15는 SB의 IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 16은 SB의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 17은 SB의 13C-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 18은 SB의 Mass 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 19는 10 nM의 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 금속 이온의 존재 하에서 화학센서 SB의 형광 강도에 대한 pH의 영향을 나타낸 것이다.
도 20은 화학센서 SB에 Cu2+ 처리시(1 : 1 당량) 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 21은 화학센서 SB에 Ni2+ 처리시(1 : 1 당량) 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 22는 화학센서 SB에 Co2+ 처리시(1 : 1 당량) 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 23은 화학센서 SB에 Cd2+ 처리시(1 : 1 당량) 1H NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 24는 Ni2+ (a), Cd2+ (b), Cu2+ (c) 및 Co2+ (d)가 첨가된 화학센서 SB의 흡수 적정에 기반한 보정 plot을 나타낸 것이다.
1 shows the fluorescence intensity response of chemical sensor SB in different pH solutions.
2 shows a digital photograph when various metal ions are added to a solution containing the chemical sensor SB.
3 shows absorption spectra when various metal ions are added to a solution containing the chemical sensor SB.
FIG. 4 shows absorption titration profiles when Ni 2+ (a), Cd 2+ (b), Cu 2+ (c) and Co 2+ (d) were treated in chemical sensor SB at various concentrations.
Figure 5 shows a digital photograph when various amounts of metal ion solutions are added to the chemical sensor SB.
6 shows fluorescence emission spectra when various metal ion solutions (10 nM) were treated on the chemical sensor SB ( measured at λ ex = 340 nm).
7 shows the effect of external metal ions on the detection of metal ions of Cd 2+ (a), Co 2+ (b), Ni 2+ (c) and Cu 2+ (d), respectively.
8 shows Job's plots derived from fluorescence and absorption outputs for each metal ion.
9 shows a modified Benesi-Hildebrand (BH) plot for a representative metal ion.
10 shows the IR spectrum of the chemical sensor SB with or without addition of each metal ion (1 : 1 equivalent).
11 is a 1 H NMR titration result of a chemical sensor SB with each metal ion (1 : 1 equivalent) in DMSO-d 6 .
12 shows the observation of fluorescence quenching of the chemical sensor SB by adding Ni 2+ (a), Cu 2+ (b), Co 2+ (c) and Cd 2+ (d) in a concentration range of 0-10 nM. will be.
13 shows a Stern-Volmer plot for each metal ion studied with the chemical sensor SB.
14 shows electron distribution and complexation with each metal ion of HOMO and LUMO of chemical sensor SB.
15 shows the IR spectrum of SB.
16 shows a 1 H-NMR spectrum of SB.
17 shows the 13 C-NMR spectrum of SB.
18 shows the mass spectrum of SB.
19 shows the effect of pH on the fluorescence intensity of the chemical sensor SB in the presence of 10 nM of Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ metal ions.
20 shows a 1 H NMR spectrum when Cu 2+ is treated (1: 1 equivalent) in the chemical sensor SB.
21 shows a 1 H NMR spectrum when the chemical sensor SB is treated with Ni 2+ (1 : 1 equivalent).
Figure 22 shows the 1 H NMR spectrum when the chemical sensor SB is treated with Co 2+ (1: 1 equivalent).
23 shows a 1 H NMR spectrum when the chemical sensor SB is treated with Cd 2+ (1 : 1 equivalent).
24 shows a calibration plot based on absorption titration of chemical sensor SB to which Ni 2+ (a), Cd 2+ (b), Cu 2+ (c) and Co 2+ (d) are added.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.The present invention provides a compound represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 신규 화합물로, 명칭은 (2E,NE)-N-(2,4-dihydroxybenzylidene)-2-The compound represented by Formula 1 is a novel compound, and the name is (2E,NE)-N-(2,4-dihydroxybenzylidene)-2-

(quinolin-2-ylmethylene)hydrazinecarbothioamide 이고, 본 명세서에서는 이하 SB라고 지칭된다.(quinolin-2-ylmethylene)hydrazinecarbothioamide, and hereinafter referred to as SB in the present specification.

SB는 아래와 같은 2단계 합성을 통해 제조할 수 있다.SB can be prepared through the following two-step synthesis.

Figure pat00009
Figure pat00009

또한, SB의 물리 화학적 특성은 아래와 같다.In addition, the physicochemical properties of SB are as follows.

M.P.: 247-249 ℃M.P.: 247-249 ℃

IR: 3750, 3393, 2969, 1738, 1606, 1526, 1501, 1360, 1322, 1260, 1230, 925, 902, 866, 838, 769, 749 cm-1 IR: 3750, 3393, 2969, 1738, 1606, 1526, 1501, 1360, 1322, 1260, 1230, 925, 902, 866, 838, 769, 749 cm -1

1H-NMR(400 MHz, DMSO-d6): δ 11.80 (s, 1H, -NH), 8.47 (s, 1H, -OH), 8.45 (s, 1H,=CH), 8.44 (s, 1H, -OH), 8.37-8.36 (s, 2H, Ar-H, J = 4 Hz), 8.32 (s, 1H, Ar-H), 8.24 (s, 1H,=CH), 7.98-8.02 (q, 2H, Ar-H), 7.76-7.79 (t, 2H, Ar-H, J=4 & 8 Hz), 7.61-7.64 (t, 2H, Ar-H, J=8 & 4 Hz) ppm 1 H-NMR (400 MHz, DMSO-d 6 ): δ 11.80 (s, 1H, -NH), 8.47 (s, 1H, -OH), 8.45 (s, 1H,=CH), 8.44 (s, 1H) , -OH), 8.37-8.36 (s, 2H, Ar-H, J = 4 Hz), 8.32 (s, 1H, Ar-H), 8.24 (s, 1H,=CH), 7.98-8.02 (q, 2H, Ar-H), 7.76-7.79 (t, 2H, Ar-H, J=4 & 8 Hz), 7.61-7.64 (t, 2H, Ar-H, J=8 & 4 Hz) ppm

13C-NMR(100 MHz, DMSO-d6) : δ 179.11, 153.98, 147.98, 143.27, 136.46, 130.60, 129.25, 128.44, 127.70, 118.34 ppm 13 C-NMR (100 MHz, DMSO-d 6 ): δ 179.11, 153.98, 147.98, 143.27, 136.46, 130.60, 129.25, 128.44, 127.70, 118.34 ppm

MS: 351 (M+1) m/z. Elemental analysis calcd (%) for C18H14N4O2S: C 61.70; H 4.03; N 15.99; O 9.13; S 9.15; found: C 61.68; H 4.04; N 15.99; O 9.14; S 9.15.MS: 351 (M+1) m/z. Elemental analysis calcd (%) for C 18 H 14 N 4 O 2 S: C 61.70; H 4.03; N 15.99; O 9.13; S 9.15; found: C 61.68; H 4.04; N 15.99; O 9.14; S 9.15.

본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출용 조성물을 제공한다. 상기 4가지 중금속 이온은 SB와 반응시 형광소광(fluorescent quenching)을 유도하므로 SB를 이용해 검출할 수 있다.The present invention provides a composition for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ , including the compound represented by Formula 1 above. Since the four heavy metal ions induce fluorescent quenching upon reaction with SB, they can be detected using SB.

상기 조성물의 pH는 6 내지 8인 것일 수 있으며 바람직하게는 pH 7일 수 있다. 이는 상기 pH에서 최대 형광 강도를 나타내기 때문이다.The pH of the composition may be 6 to 8, preferably pH 7. This is because it shows the maximum fluorescence intensity at the above pH.

본 발명은 화학식 1로 표시되는 화합물을 검체와 반응시키는 단계를 포함하는 Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출 방법을 제공한다. 검출 방법은 육안으로 비색을 검출하는 방법, 흡광도의 변화를 측정하는 방법, 형광 소광을 관찰하는 방법이 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. The present invention provides a method for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ , comprising reacting the compound represented by Formula 1 with a sample. The detection method may include, but is not limited to, a method of detecting colorimetric with the naked eye, a method of measuring a change in absorbance, and a method of observing fluorescence extinction.

예를들어, 화학센서 SB에 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 또는 Co2+를 첨가하는 경우 SB의 흡수 스펙트럼이 이동하며 첨가되는 중금속 이온의 종류에 따라 스펙트럼 이동 정도가 다르므로 특정 중금속 이온의 검출이 가능하다. 또한 화학센서 SB에 상기 중금속 이온을 첨가하는 경우 화학센서 SB의 원래 형광 강도에서 소광이 유도되며 중금속 이온의 종류에 따라 소광 정도가 다르므로 특정 중금속 이온의 검출이 가능하다.For example, when Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ , or Co 2+ is added to the chemical sensor SB, the absorption spectrum of the SB shifts and the degree of spectrum shift varies depending on the type of heavy metal ion added. Ions can be detected. In addition, when the heavy metal ion is added to the chemical sensor SB, quenching is induced from the original fluorescence intensity of the chemical sensor SB, and the degree of quenching is different depending on the type of heavy metal ion, so that a specific heavy metal ion can be detected.

한편, 상기 흡광도 및 형광 소광을 관찰하는 것은 당업계의 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다.Meanwhile, observing the absorbance and fluorescence quenching may be performed by a conventional method in the art.

본 발명은 (a) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 및The present invention comprises the steps of (a) reacting a compound represented by the following formula (2) and a compound represented by the following formula (3) to prepare a compound represented by the following formula (4);

(b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 화학식 4로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 반응시켜 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계를 포함하는, 화학식 1로 표시되는 화합물의 제조방법을 제공한다.(b) reacting the compound represented by Formula 4 obtained in step (a) and the compound represented by Formula 5 below to prepare a compound represented by Formula 1, a method for producing a compound represented by Formula 1 provides

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00010
Figure pat00010

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00012
Figure pat00012

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00013
Figure pat00013

[화학식 5][Formula 5]

Figure pat00014
Figure pat00014

이하, 본 발명을 실시예 및 시험예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Test Examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 1: 재료 및 준비><Example 1: Materials and Preparation>

실시예 1-1. 재료Example 1-1. ingredient

SB 합성을 위한 전구체는 상업적 공급 업체에서 구입하였으며, Thiosemicarbazide, quinoline 2-carboxaldehyde 및 2,4-dihydroxy benzaldehyde 는 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. 에탄올 및 메탄올과 같은 용매는 Samchun Chemical에서 구입하였으며, 모든 실험에서 이차 증류수를 사용하였다.Precursors for SB synthesis were purchased from commercial suppliers, and Thiosemicarbazide, quinoline 2-carboxaldehyde and 2,4-dihydroxy benzaldehyde were purchased from Sigma-Aldrich. Solvents such as ethanol and methanol were purchased from Samchun Chemical, and secondary distilled water was used in all experiments.

실시예 1-2. 실험방법Example 1-2. Experimental method

합성된 화합물 SB의 스펙트럼 특성화는 FT-IR(Frontier IR, Perkin Elmer), NMR(Bruker Avance 400 MHz spectrometer, Germany and DMSO-d6 solvent) 및 GC-MS(2795/ZQ2000, waters) 와 같은 분석 기술을 사용하여 수행되었다. UV-Vis 분광 광도계 (UV-2600, Shimadzu, Japan) 및 형광 분광 광도계 (FS-2, Scinco, Korea)를 사용하여 특정 금속 이온의 존재 및 특정 금속 이온 존재 하에 SB의 광학 특성을 조사하였다. 형광 라이프타임 값은 여기 파장에서 작동하는 나노초 다이오드 레이저를 사용하는 time-correlated single photon counting(TCSPC) 분광 광도계 (HORIBA-iHR320, 일본)를 사용하여 구했다. SB의 구조 및 각각의 금속 이온, 즉 Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+ 와의 복합체는 Gaussian 09 소프트웨어를 사용하여 TD-DFT에 의해 최적화 되었다.Spectral characterization of the synthesized compound SB was performed using analytical techniques such as FT-IR (Frontier IR, Perkin Elmer), NMR (Bruker Avance 400 MHz spectrometer, Germany and DMSO-d 6 solvent) and GC-MS (2795/ZQ2000, waters). was performed using The optical properties of SBs were investigated in the presence of specific metal ions and in the presence of specific metal ions using a UV-Vis spectrophotometer (UV-2600, Shimadzu, Japan) and a fluorescence spectrophotometer (FS-2, Scinco, Korea). Fluorescence lifetime values were obtained using a time-correlated single photon counting (TCSPC) spectrophotometer (HORIBA-iHR320, Japan) using a nanosecond diode laser operating at the excitation wavelength. The structure of SB and its complexes with respective metal ions, namely Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ were optimized by TD-DFT using Gaussian 09 software.

실시예 1-3. (2E,NE)-N-(2,4-dihydroxybenzylidene)-2-Examples 1-3. (2E,NE)-N-(2,4-dihydroxybenzylidene)-2-

(quinolin-2-ylmethylene)hydrazinecarbothioamide (SB)의 합성 및 스펙트럼 특성Synthesis and spectral characterization of (quinolin-2-ylmethylene)hydrazinecarbothioamide (SB)

축합 경로를 사용하여 화합물 SB를 합성 하였다. 하기 반응식 1은 화합물 SB의 합성을 위한 2 단계 합성 접근법을 보여준다.Compound SB was synthesized using the condensation route. Scheme 1 below shows a two-step synthetic approach for the synthesis of compound SB.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure pat00015
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제 1 단계는 quinoline 2-carboxaldehyde(6.3mmol, 1g) 및 thiosemicarbazide(6.3mmol, 0.58g) 사이의 반응을 포함한다 (에탄올에서 4 시간 동안 환류 조건). TLC 기술을 사용하여 반응 진행을 모니터링 하였으며, 반응 완료 후 혼합물을 주위 온도에서 냉각시켰다. 여기에 증류수를 첨가하고 quinoline thiosemicarbazone (QTS)을 여과 하였으며, 제 1 단계 화합물의 실제 수율은 88.12 % 임을 확인하였다.The first step involves a reaction between quinoline 2-carboxaldehyde (6.3 mmol, 1 g) and thiosemicarbazide (6.3 mmol, 0.58 g) (reflux conditions for 4 h in ethanol). The reaction progress was monitored using TLC technique, and after reaction completion the mixture was cooled to ambient temperature. Distilled water was added thereto and quinoline thiosemicarbazone (QTS) was filtered, and it was confirmed that the actual yield of the first-stage compound was 88.12%.

목표 화합물인 SB의 합성을 위해, 제 2 단계는 quinoline thiosemicarbazone (3.03 mmol, 0.7 g) 및 2,4-dihydroxybenzaldehyde (3.03 mmol, 0.42 g)의 반응시켜 5 시간 에탄올 환류를 통해 수행되었다. 이어 반응이 완료 될 때까지 TLC를 모니터링 하였다. 수득된 고온 용액을 냉각시키고 격렬하게 교반 하면서 차가운 물에 부었었으며 목적하는 SB인 황색을 띤 고체가 79.68 % 수율로 수득 되었다.For the synthesis of the target compound, SB, the second step was performed by reacting quinoline thiosemicarbazone (3.03 mmol, 0.7 g) and 2,4-dihydroxybenzaldehyde (3.03 mmol, 0.42 g) through ethanol reflux for 5 hours. TLC was then monitored until the reaction was complete. The obtained hot solution was cooled and poured into cold water with vigorous stirring to obtain the desired SB, a yellowish solid in 79.68 % yield.

실시예 1-4. 흡수 및 형광 측정Examples 1-4. Absorption and Fluorescence Measurements

SB를 사용하여 각각의 금속 이온의 특징적인 비색 및 형광 측정을 조사하기 위해, 7 : 3 비의 메탄올 및 물을 사용하는 용매 혼합물을 제조하였다. 구체적으로, 메탄올 : 물 (7 : 3 v/v)에 SB (5 x 10-5 M)가 함유된 용액 및 다양한 금속 이온 (100 nM) 함유하는 2차 증류수를 제조하였다. 1mL 의 SB 저장액을 10mL 부피 플라스크에 첨가한 후, 각각의 금속 이온 용액 1mL 및 pH 7 용액을 1mL를 첨가하였다. 이어서, 일련의 용액을 금속 이온의 유효 농도가 10 nM이 되도록 10 mL로 희석시켰다. 그 다음, 이들 용액을 완전히 진탕 시키고 혼합하여 실온에서 10 분 동안 유지시켰다. 이들 모든 용액의 흡수 및 형광 방출 스펙트럼을 기록하여 SB의 스펙트럼과 비교 하였다. To investigate the characteristic colorimetric and fluorescence measurements of each metal ion using SB, solvent mixtures using a 7:3 ratio of methanol and water were prepared. Specifically, a solution containing SB (5 x 10 -5 M) in methanol:water (7:3 v/v) and secondary distilled water containing various metal ions (100 nM) were prepared. 1 mL of the SB stock solution was added to a 10 mL volumetric flask, followed by 1 mL of each metal ion solution and 1 mL of a pH 7 solution. The series of solutions was then diluted to 10 mL to an effective concentration of metal ions of 10 nM. Then, these solutions were shaken thoroughly, mixed and kept at room temperature for 10 minutes. The absorption and fluorescence emission spectra of all these solutions were recorded and compared with the spectra of SB.

그 결과, 각각의 금속 이온을 첨가에 의해 즉각적인 육안 비색 변경이 관찰되었다. 즉, 매우 짧은 시간 내 Ni2+ (노란색), Cu2+ (노란색), Cd2+ (연한 노랑색) 및 Co2+ (진한 노랑색)이 관찰되었다.As a result, an immediate macroscopic colorimetric change was observed by adding each metal ion. That is, Ni 2+ (yellow), Cu 2+ (yellow), Cd 2+ (light yellow) and Co 2+ (dark yellow) were observed within a very short time.

<실시예 2: pH에 따른 효과 관찰><Example 2: Observation of effects according to pH>

용액의 pH는 수용액에서 분석물의 검출에 사용되는 모든 형광 화학 측정에서 중추적 역할을 한다. 본 발명의 형광 기반 분석을 위한 pH를 최적화하기 위해, 1-12 범위의 상이한 pH 용액에서 실험을 수행하였다. 화학센서 SB를 각각의 pH 용액에 처리하고 형광 방출 강도 아웃풋을 스캔하였다. 그 결과 도 1에 나타난 바와 같이 상이한 pH 용액에서 화학센서 SB의 형광 강도 반응을 확인하였으며, pH 6 내지 8에서 최대 형광 강도가 관찰되었다. 일관성을 위해 실험은 3회 반복하였으며, 이를 통해 pH 7이 실험을 수행하기 위한 이상적인 조건임을 확인하였다.The pH of a solution plays a pivotal role in all fluorescence chemical measurements used for the detection of analytes in aqueous solutions. To optimize the pH for the fluorescence-based assay of the present invention, experiments were performed in different pH solutions ranging from 1-12. Chemistry sensor SB was treated with each pH solution and the fluorescence emission intensity output was scanned. As a result, as shown in FIG. 1 , the fluorescence intensity response of the chemical sensor SB was confirmed in different pH solutions, and the maximum fluorescence intensity was observed at pH 6 to 8. For consistency, the experiment was repeated three times, and it was confirmed that pH 7 was an ideal condition for performing the experiment.

매우 낮거나 및 높은 pH 값은 메탄올 : 물 시스템에서 화학센서의 안정성을 방해하여 형광 강도를 감소시킬 수 있다. 10 nM 농도의 Cd2+, Co2+, Ni2+ 및 Cu2+ 와 같은 금속 이온의 존재 하에서 화학센서 SB의 형광 강도에 대한 pH 용액의 효과를 조사하고 결과를 도 19에 나타내었다.Very low and high pH values can interfere with the stability of the chemosensor in methanol:water systems, thereby reducing the fluorescence intensity. The effect of the pH solution on the fluorescence intensity of the chemical sensor SB in the presence of metal ions such as Cd 2+ , Co 2+ , Ni 2+ and Cu 2+ at a concentration of 10 nM was investigated, and the results are shown in FIG. 19 .

상기 실험을 통해 화학센서 SB와 각각의 금속 이온 사이의 착물화 관련 형광 강도가 pH 6-8의 범위에서 최대이며, 중성 pH에서 금속 이온과 화학센서 SB 사이의 착물이 안정적이고 가장 생체 적합성인 것을 확인하였다.Through the above experiment, it was found that the complexation-related fluorescence intensity between the chemical sensor SB and each metal ion was maximum in the range of pH 6-8, and that the complex between the metal ion and the chemical sensor SB at neutral pH was stable and most biocompatible. Confirmed.

<실시예 3: 각 금속 이온의 육안 비색 검출><Example 3: Visual colorimetric detection of each metal ion>

메탄올 : 물 (7 : 3, v/v) 중 화학센서 SB는 무색 상태이다. In methanol: water (7: 3, v/v), the chemical sensor SB is colorless.

1mL (100 nM) 다양한 금속 이온 용액, 즉. 10 nM의 Ag+, Na+, Fe2+, Ni2+, Pb2+, Al3+, Hg2+, Zn2+, Ba2+, Mn2+, Cu2+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+, Cd2+, Cr3+, Co2+ 및 Cr6+ 가 화학센서 SB(5 × 10-5 M, 1 mL)에 추가되었으며 상기 용액을 주위 온도로 유지시켰다 (금속 이온의 유효 농도는 10 nM 임). 그 결과 용액의 색 변화를 육안으로 쉽게 식별할 수 있었으며, Ni2+ 및 Cu2+의 경우 무색에서 노란색으로, Cd2+의 경우 옅은 노란색으로, Co2+는 짙은 노란색으로 짧은 반응 시간(3-5 분 내)에 색 변화를 나타냈다. 도 2는 다양한 금속 이온의 존재 및 부재하에 화학센서 SB를 갖는 용액의 색 변화 디지털 사진을 도시한다. 따라서, 본 발명은 수용액에서 다중 이온 검출을 위한 민감하고 선택적인 색 변화를 제공하며, 이는 하기 실시예에 의해 추가로 뒷받침된다.1 mL (100 nM) solution of various metal ions, ie. 10 nM Ag + , Na + , Fe 2+ , Ni 2+ , Pb 2+ , Al 3+ , Hg 2+ , Zn 2+ , Ba 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , NH 4+ , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cd 2+ , Cr 3+ , Co 2+ and Cr 6+ were added to the chemical sensor SB (5 × 10 -5 M, 1 mL) and the solution was kept at ambient temperature. (effective concentration of metal ions is 10 nM). As a result, we were able to identify easily a change in color of the solution to the naked eye, to yellow in the case of Ni 2+ and Cu 2+ colorless, in the case of Cd 2+ as a pale yellow, Co 2+ has a short reaction time to dark yellow (3 -5 min) showed a color change. 2 shows digital photographs of color change of solutions with chemosensor SB in the presence and absence of various metal ions. Accordingly, the present invention provides a sensitive and selective color change for the detection of multiple ions in aqueous solution, which is further supported by the following examples.

<실시예 4: 흡수 적정 분석><Example 4: Absorption Titration Analysis>

수용액에서의 특정 금속 이온 감지를 조사하기 위해, 화학센서 SB (5 x 10-6 M)의 흡수 스펙트럼을 10 nM 농도의 각 금속 용액의 존재하에 측정하였다. 다른 금속 이온 용액, 즉 Ag+, Na+, Fe2+, Ni2+, Pb2+, Al3+, Hg2+, Zn2+, Ba2+, Mn2+, Cu2+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+, Cd2+, Cr3+, Co2+ 및 Cr6+ 를 사용하여 화학센서 SB의 흡수 특성이 분석되었다. 금속 이온 중 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+를 제외하고는 화학센서 SB에 대한 유의미한 흡광도 변화 및 스펙트럼 이동을 나타내지 않았다. 도 3은 다양한 금속 이온 용액의 유무에 따른 화학센서 SB의 흡수 스펙트럼을 보여준다.To investigate the detection of specific metal ions in aqueous solution, the absorption spectrum of a chemical sensor SB (5 x 10 -6 M) was measured in the presence of each metal solution at a concentration of 10 nM. Different metal ion solutions, i.e. Ag + , Na + , Fe 2+ , Ni 2+ , Pb 2+ , Al 3+ , Hg 2+ , Zn 2+ , Ba 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , NH 4 The absorption characteristics of the chemical sensor SB were analyzed using + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cd 2+ , Cr 3+ , Co 2+ and Cr 6+ . Among the metal ions , except for Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ , there was no significant change in absorbance and spectral shift for the chemical sensor SB. 3 shows the absorption spectrum of the chemical sensor SB in the presence or absence of various metal ion solutions.

화학 센서 SB의 흡수 특성은 흡수 강도 및 스펙트럼 이동 측면에서 상당히 변화되었다. 화학 센서 SB는 처음에 338 nm에서의 흡수 스펙트럼을 나타내며, 이는 화학 센서 구조에 존재하는 컨쥬게이션 π 결합 시스템에 의한 것일 수 있다.The absorption characteristics of the chemical sensor SB were significantly changed in terms of absorption intensity and spectral shift. The chemical sensor SB initially exhibits an absorption spectrum at 338 nm, which may be due to the conjugated π binding system present in the chemical sensor structure.

Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+의 첨가시 화학센서 SB의 흡수 스펙트럼은 각각 84, 61, 86 및 58 nm의 bathochromic 스펙트럼 이동으로 흡광도 값이 변화한다. 놀랍게도, 흡수 스펙트럼에서 4개 금속 이온의 bathochromic 스펙트럼 이동은 서로 및 다른 금속 이온과도 구별되는 것으로 관찰되었다. 화학센서 SB의 분광 광도 적정은 상응하는 금속 이온 (Ni2+, Cd2+, Cu2+, 및 Co2+)과 독립적으로 수행되어 화학센서 SB의 흡수 특성에 대한 금속 이온의 영향을 조사하였다. When Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ are added, the absorption spectrum of the chemical sensor SB changes with bathochromic spectrum shifts of 84, 61, 86 and 58 nm, respectively. Surprisingly, the bathochromic spectral shifts of the four metal ions in the absorption spectrum were observed to be distinct from each other and also from other metal ions. The spectrophotometric titration of the chemical sensor SB was performed independently of the corresponding metal ions (Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ , and Co 2+ ) to investigate the effect of metal ions on the absorption properties of the chemical sensor SB. .

그 결과 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+의 존재 하에서의 화학센서 SB의 흡수 스펙트럼은 각각 도 4의 a 내지 d와 같이 나타났다. 상기 결과는 338 nm에서의 화학 센서 SB의 흡수 스펙트럼이 상기 금속 이온 즉, Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 에 의해 새로운 bathochromic shift 흡수 밴드의 출현과 함께 감소됨을 나타낸다. 금속 이온 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+의 양이 증가하면 화학센서 SB의 흡수 대역이 각각 338에서 422nm, 399nm, 424nm 및 396nm로 이동한다.As a result , the absorption spectra of the chemical sensor SB in the presence of Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ were shown as shown in a to d of FIG. 4 , respectively. The results indicate that the absorption spectrum of the chemical sensor SB at 338 nm is decreased with the appearance of a new bathochromic shift absorption band by the metal ions, ie, Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ . When the amounts of metal ions Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ are increased, the absorption bands of the chemical sensor SB shift from 338 to 422 nm, 399 nm, 424 nm and 396 nm, respectively.

금속 이온 용액의 추가 첨가에 따른 흡수 값의 변화 또한 유의미하였다. 이러한 관찰은 각각의 금속 이온 (Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+)과 화학 센서 SB에서 황 (-S) 및 하이드록실 (-OH) 그룹과 같은 작용기 사이에 강한 상호 작용이 존재할 수 있음을 의미한다. The change in the absorption value with the further addition of the metal ion solution was also significant. These observations suggest strong interactions between the respective metal ions (Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ ) and functional groups such as sulfur (-S) and hydroxyl (-OH) groups in the chemical sensor SB. This means that it may exist.

화학센서 SB에 다양한 양의 금속 이온 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 용액을 개별적으로 첨가한 결과가 도 5의 a 내지 d에 제시되어 있다. 이러한 모든 비색 및 분광 광도 결과는 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 가 다른 금속 이온 용액과 비교해 화학 센서 SB와 접촉할 때 구별되는 특성을 나타낸다. 따라서, 이러한 특성은 특정 농도 수준에서 상기 4개의 금속 이온과 타 금속 이온 용액을 구별하는데 유용하게 이용할 수 있다.The results of individually adding various amounts of metal ion Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ solutions to the chemical sensor SB are shown in FIGS. 5A to 5D . All these colorimetric and spectrophotometric results show distinct properties of Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ when in contact with chemical sensor SB compared to other metal ion solutions. Therefore, this property can be usefully used to distinguish the four metal ions from other metal ion solutions at a specific concentration level.

<실시예 5: 형광 적정 분석><Example 5: Fluorescence titration analysis>

형광 반응과 관련된 각 금속 이온의 효과는 분광 형광 적정을 통해 연구되었다. Ag+, Na+, Fe2+, Ni2+, Pb2+, Al3+, Hg2+, Zn2+, Ba2+, Mn2+, Cu2+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+, Cd2+, Cr3+, Co2+ 및 Cr6+ 와 같은 금속 이온 (10nM)을 첨가하거나 첨가하지 않은 화학센서 SB를 포함하는 일련의 용액의 형광 특성의 변화에 대해 조사하였다.The effect of each metal ion on the fluorescence response was studied through spectrofluorescence titration. Ag + , Na + , Fe 2+ , Ni 2+ , Pb 2+ , Al 3+ , Hg 2+ , Zn 2+ , Ba 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ , NH 4+ , K+, Ca 2 Changes in fluorescence properties of a series of solutions containing chemosensor SB with and without addition of metal ions (10 nM) such as + , Mg 2+ , Cd 2+ , Cr 3+ , Co 2+ and Cr 6+ investigated.

도 6은 여기 파장 340 nm 및 10 nM 농도를 갖는 다양한 금속 이온 용액에서 측정된 화학센서 SB의 형광 방출 스펙트럼을 보여주며, Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 만이 화학센서 SB의 형광 강도를 소광(quenching) 시킨다는 점을 나타내며, 다른 금속 이온은 유의미한 변화를 일으키지 않음을 확인하였다. Cu2+는 화학센서 SB의 초기 형광 강도에 대해 10.5 배 소광을 유도하였으나 다른 금속 이온인 Ni2+, Co2+ 및 Cd2+는 각각 화학 센서 SB의 원래 값에 대해 9.2, 8.6 및 8.1 배 형광 소광을 유도하였다. 이러한 결과는 화학 센서 SB와 -S (황) 및 -O (산소)와 금속 이온 사이의 강한 착물화가 형광 소광 프로세스의 원인임을 의미한다. 또한, 화학센서와 금속 이온의 결합을 통한 강한 착물 형성 능력은 SB-Cu2+ > SB-Ni2+ > SB-Co2+ > SB-Cd2+의 순서임을 확인하였다.6 shows fluorescence emission spectra of chemical sensor SB measured in various metal ion solutions with excitation wavelength 340 nm and 10 nM concentration, and only Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ chemical sensor SB It was confirmed that the fluorescence intensity was quenched, and other metal ions did not cause a significant change. Cu 2+ induced a 10.5 fold quenching with respect to the initial fluorescence intensity of the chemical sensor SB, whereas other metal ions, Ni 2+ , Co 2+ and Cd 2+ , respectively, 9.2, 8.6, and 8.1 times the original value of the chemical sensor SB. Fluorescence quenching was induced. These results imply that strong complexation between the chemical sensor SB and -S (sulfur) and -O (oxygen) and metal ions is responsible for the fluorescence quenching process. In addition, it was confirmed that the strong complex formation ability through the combination of the chemical sensor and metal ions was in the order of SB-Cu 2+ > SB-Ni 2+ > SB-Co 2+ > SB-Cd 2+.

<실시예 6: 이물질 이온의 영향 확인><Example 6: Confirmation of the influence of foreign material ions>

형광 화학센서를 성공적으로 이용하기 위해서는 아쿠아 시스템에 존재하는 외부 금속 이온의 영향을 최소화하거나 제거해야 한다. 따라서, 결합능 및 형광 반응에 대한 외부 금속 이온의 영향을 조사하기 위해, 간단한 분광 형광 적정을 수행한 다음, 각 대역 용액의 방출 스펙트럼을 기록 하였다. 화학센서 SB의 형광 방출 스펙트럼은 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ (10 nM)의 존재 하에서 별도로 기록되었다. 등몰(equimolar) 농도(10 nM)의 Ag+, Na+, Fe2+, Pb2+, Al3+, Hg2+, Zn2+, Ba2+, Mn2+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+, Cr3+ 및 Cr6+ 를 화학센서 SB를 포함하는 합성물에 처리한 다음, 각 금속 용액에 의한 형광 반응 변화를 측정하였다.In order to successfully use fluorescent chemical sensors, the influence of foreign metal ions present in the aqua system must be minimized or eliminated. Therefore, to investigate the influence of foreign metal ions on binding capacity and fluorescence response, a simple spectrofluorescence titration was performed, and then the emission spectra of each band solution were recorded. The fluorescence emission spectra of the chemical sensor SB were recorded separately in the presence of Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ (10 nM). Ag + , Na + , Fe 2+ , Pb 2+ , Al 3+ , Hg 2+ , Zn 2+ , Ba 2+ , Mn 2+ , NH 4+ , K + at equimolar concentrations (10 nM) , Ca 2+ , Mg 2+ , Cr 3+ , and Cr 6+ were treated with a compound including a chemical sensor SB, and then the change in fluorescence response by each metal solution was measured.

도 7의 a는 Cd2+의 첨가에 의한 형광 소광이 Co2+, Ni2+ 및 Cu2+의 첨가에 의해 영향을 받는 반면, 나머지 금속 이온은 결과에 영향을 미치지 않음을 나타낸다. 형광 강도에 대한 가장 현저한 효과는 Co2+ 약 8.5 배, Ni2+ 약 9.1 배 및 Cu2+ 약 10.4 배 였고, 이는 독립적인 형광 적정에 노출될 때 각각의 금속 이온의 중요한 특징이었다. 또한, 도 7의 b는 Ni2+ 및 Cu2+ 이온만이 Co2+에 의해 소광된 화학센서 SB의 형광 강도에 영향을 준다는 것을 나타낸다. 화학센서 SB 및 Co2+ 가 포함된 용액에 Ni2+ 및 Cu2+ 이온을 첨가한 경우에 9.2 배 및 10.4 배 소광이 관찰되었다. 그럼에도 불구하고, Cu2+ 를 제외한 거의 모든 금속 이온은 도 7의 c에 제시된 바와 같이 Ni2+에 의해 소광된 화학 센서 SB의 형광 강도에 거의 영향을 미치지 않는다. 화학센서 SB 및 Ni2+ 를 함유하는 동일한 용액에 Cu2+ 를 동몰 첨가하면 초기값에서 10.5 배 형광 소광이 유도되는데, 이는 형광 적정 실험 동안 보이는 Cu2+ 이온에 의해 유도되는 특성이다. 대조적으로, 도 7의 d는 모든 금속 이온 용액이 화학 센서 SB에 Cu2+의 첨가에 의해 유도된 형광 강도에 영향을 미치지 않았다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 화학 센서 SB가 Cd2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ 와 같이 오름차순으로 금속 이온에 대한 강한 결합 친화도를 갖는다는 것을 보여준다. 이는 Cu2+ 가 화학센서 SB 복합체로부터 다른 금속 이온을 방출할 수 있음을 의미한다. 또한, Ni2+ 는 SB와의 복합체에서 Co2+ 및 Cd2+ 를 제거할 수 있다. 또한 Co2+ 는 SB를 포함하는 복합체에서 Cd2+ 금속 이온만 제거할 수 있다. 이러한 선택적이고 민감한 반응은 수용액에서 이들 4개의 금속 이온 구별 및 정량적 분석을 위해 이용될 수 있다.Fig. 7a shows that the fluorescence quenching by the addition of Cd 2+ was affected by the addition of Co 2+ , Ni 2+ and Cu 2+ , while the remaining metal ions did not affect the results. The most prominent effects on fluorescence intensity were Co 2+ about 8.5 times, Ni 2+ about 9.1 times and Cu 2+ about 10.4 times, which were important features of each metal ion when exposed to independent fluorescence titration. In addition, Fig. 7b shows that only Ni 2+ and Cu 2+ ions affect the fluorescence intensity of the chemical sensor SB quenched by Co 2+ . When Ni 2+ and Cu 2+ ions were added to a solution containing chemical sensors SB and Co 2+ , 9.2-fold and 10.4-fold quenching was observed. Nevertheless, almost all metal ions except Cu 2+ have little effect on the fluorescence intensity of the chemical sensor SB quenched by Ni 2+ as shown in Fig. 7c. The equimolar addition of Cu 2+ to the same solution containing the chemical sensor SB and Ni 2+ induced fluorescence quenching 10.5 times the initial value, a characteristic induced by Cu 2+ ions seen during fluorescence titration experiments. In contrast, Fig. 7d shows that all metal ion solutions did not affect the fluorescence intensity induced by the addition of Cu 2+ to the chemical sensor SB. These results show that chemical sensor SB has strong binding affinity for metal ions in ascending order, such as Cd 2+ < Co 2+ < Ni 2+ < Cu 2+ . This means that Cu 2+ can release other metal ions from the chemical sensor SB complex. Also, Ni 2+ can remove Co 2+ and Cd 2+ from the complex with SB. In addition, Co 2+ can only remove Cd 2+ metal ions from a complex including SB. This selective and sensitive reaction can be used for the differentiation and quantitative analysis of these four metal ions in aqueous solution.

상기 결과는 화학센서 SB를 갖는 각각의 금속 이온의 안정성 순서가 SB-Cu2+ > SB-Ni2+ > SB-Co2+ > SB-Cd2+ 임을 나타내며, 이는 시간에 따른 밀도 함수 이론을 통한 결합 파라미터의 평가 및 계산 분석에 의해 추가로 뒷받침된다(time-dependent density functional theory, TD-DFT).The above results indicate that the stability order of each metal ion with the chemical sensor SB is SB-Cu 2+ > SB-Ni 2+ > SB-Co 2+ > SB-Cd 2+ , which supports the density functional theory over time. It is further supported by computational analysis and evaluation of binding parameters via time-dependent density functional theory (TD-DFT).

하기 반응식 2는 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 이온 타겟을 위해 설계된 화학센서 SB의 경쟁 감지 반응에 대한 개략적인 내용을 보여준다.Scheme 2 below shows a schematic of the competitive sensing reaction of the chemical sensor SB designed for Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ ion targets.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure pat00016
Figure pat00016

또한, 이러한 모든 실험적 관찰은 divalent first-row 전이 금속 이온을 다루는 Irving William 안정성 순서에 의할 때 화학 센서 SB를 갖는 복합체에 대한 최대 안정성을 암시한다. Irving William 안정성 순서에 따르면, divalent first-row 전이 금속 이온에 의해 형성된 복합체의 안정성은 일반적으로 주기에 걸쳐 증가하고, SB-Cd2+ 를 제외하고 SB-Cu2+ > SB-Ni2+ > SB-Co2+ 와 같이 앞선 실험과 유사함을 확인하였다.Moreover, all these experimental observations imply maximum stability for the composite with chemical sensor SB as per the Irving William stability sequence dealing with divalent first-row transition metal ions. According to the Irving William stability sequence, the stability of complexes formed by divalent first-row transition metal ions generally increases over cycles, with the exception of SB-Cd 2+ , SB-Cu 2+ > SB-Ni 2+ > SB -Co 2+ was confirmed to be similar to the previous experiment.

<실시예 7: 결합 파라미터의 평가><Example 7: Evaluation of binding parameters>

화학 센서 SB와 대표적인 금속 이온 사이의 결합 화학량론을 조사하기 위해 Job’s method를 이용하였다. 특정 금속 이온 및 화학 센서 SB의 농도의 합은 일정하게 유지되었으며, 금속 이온의 몰 분율을 0.1 내지 0.9로 변동시켰다. 각각의 금속 이온에 대한 형광 및 흡광 아웃풋으로부터 유도된 Job’s 플롯을 도 8의 a 내지 d에 나타내었다. 이로부터 각 금속 이온의 몰 분율이 0.5 일 때 흡광도 및 형광 방출 강도가 최대에 도달한 것으로 확인하였다. 상기 결과는 특정 금속 이온, 즉 화학센서 SB와 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 는 화학량론 측면에서 1 : 1 로 결합한다는 것을 의미한다.The Job's method was used to investigate the binding stoichiometry between the chemical sensor SB and a representative metal ion. The sum of the concentrations of the specific metal ion and the chemical sensor SB was kept constant, and the mole fraction of the metal ion was varied from 0.1 to 0.9. Job's plots derived from the fluorescence and absorption outputs for each metal ion are shown in FIGS. 8A to 8D . From this, it was confirmed that the absorbance and fluorescence emission intensity reached the maximum when the mole fraction of each metal ion was 0.5. The above result means that specific metal ions, ie, chemical sensor SB and Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ are bound in a stoichiometric ratio 1:1.

또한, 결합 상수는 형광 아웃풋에 기초하여 변형된 Benesi-Hilderbrand (B-H) 방정식을 통해 평가되었다. 아래 주어진 등식 (1)은 화학 센서 SB와 특정 금속 이온 사이의 결합 상수 (KB)를 추정하는데 사용되는 변형된 Benesi-Hildebrand (B-H) 방정식으로 알려져 있다.In addition, the binding constant was evaluated through a modified Benesi-Hilderbrand (BH) equation based on the fluorescence output. Equation (1) given below is known as a modified Benesi-Hildebrand (BH) equation used to estimate the binding constant (K B ) between the chemical sensor SB and a specific metal ion.

[등식 1][Equation 1]

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서, Fm, F0 및 F는 각각 금속 이온에 대한 화학센서 SB의 최소 형광 강도, 초기 형광 강도 및 각각의 금속 농도에서 형광 광도를 의미한다. 화학센서 SB 유닛당 결합된 금속 이온의 수는 'n'으로 표시된다. 변형된 Benesi-Hildebrand (BH) 플롯은 대표적인 금속 이온에 대해 도 9의 a 내지 d와 같이 나타나며 도면은 각각 기울기 값이 있는 직선을 보여준다.Here, F m , F 0 and F mean the minimum fluorescence intensity, initial fluorescence intensity, and fluorescence intensity at each metal concentration of the chemical sensor SB for metal ions, respectively. The number of bound metal ions per chemical sensor SB unit is indicated by 'n'. Modified Benesi-Hildebrand (BH) plots are shown for representative metal ions as shown in FIGS. 9 a to d, and the figures show straight lines with slope values, respectively.

화학센서 SB와 각 금속 이온 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 에 대한 결합 상수의 추정값을 계산하여 아래 표 1에 기재하였다.Estimated values of binding constants for the chemical sensor SB and each metal ion Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ were calculated and shown in Table 1 below.

Figure pat00018
Figure pat00018

결합 상수 값이 높다는 것은 표적 금속 이온과 화학 센서 SB 사이의 강력하고 효율적인 결합을 의미한다. 이러한 계산으로부터, 화학센서 SB가 Cu2+와 가장 안정한 착물을 형성함을 확인하였다. A high binding constant value indicates a strong and efficient binding between the target metal ion and the chemical sensor SB. From these calculations, it was confirmed that the chemical sensor SB forms the most stable complex with Cu 2+ .

IR 및 1H NMR 분석을 통해 화학센서 SB의 -S 및 -O 원자를 갖는 작용기 사이에서 각각의 금속 이온과 결합을 조사하였다. 도 10 및 11은 각각 화학센서 SB와 금속 이온 (1 : 1 당량) 사이의 IR 및 1H NMR 적정 결과를 나타낸다. IR 적정에 대한 실험 (도 10)은 각각의 금속 이온이 화학 센서 SB와 접촉할 때 -OH (3750 cm-1) 및 -C = S (1225 cm-1) 작용기의 stretching 주파수의 소멸을 명확하게 나타낸다. 상기 결과는 화학센서 SB의 -S와 -O 원자와 금속 이온의 상호 작용이 있음을 의미한다.Through IR and 1 H NMR analysis, each metal ion and bonding between functional groups having -S and -O atoms of the chemical sensor SB was investigated. 10 and 11 show the IR and 1 H NMR titration results between the chemical sensor SB and the metal ion (1 : 1 equivalent), respectively. Experiments on IR titration (Fig. 10) clearly show the disappearance of the stretching frequencies of -OH (3750 cm -1 ) and -C = S (1225 cm -1 ) functional groups when each metal ion is in contact with the chemical sensor SB. indicates. The above result means that there is an interaction between -S and -O atoms of the chemical sensor SB and metal ions.

또한, 1H NMR 적정은 또한 화학센서 SB의 -S 및 -O 에서의 상호 작용 패턴을 뒷받침한다. 도 11은 각각의 금속 이온의 첨가와 함께 화학센서 SB의 부분적으로 확장된 1H NMR 스펙트럼을 보여준다. 화학센서 SB의 1H NMR 스펙트럼에서 δ 8.44 및 8.47에서 2개의 singlet(도 11의 a)은 페닐 고리 ortho 위치 (*)의 -OH, para 위치 (**)의 -OH에 속하는 양성자에 해당한다. 동등한 양의 화학센서 SB에 금속 이온 Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Cd2+ (도 11의 b 내지 e)를 첨가하면 방향족 및 기타 양성자에 대한 δ 값의 변화와 함께 δ 8.47에서 하나의 -OH 피크가 없어짐이 명확히 나타난다. 화학센서 SB와 금속 이온 사이의 1H NMR 적정에 대한 전체 및 부분 확장 스펙트럼은 도 20 내지 도 23에 나타난다.In addition, 1 H NMR titration also supports the interaction pattern at -S and -O of the chemosensor SB. 11 shows a partially expanded 1 H NMR spectrum of the chemical sensor SB with the addition of each metal ion. In the 1 H NMR spectrum of the chemical sensor SB, two singlets at δ 8.44 and 8.47 (FIG. 11 a) correspond to protons belonging to -OH at the ortho position (*) of the phenyl ring and -OH at the para position (**) . Addition of metal ions Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ and Cd 2+ (Fig. 11 b to e) to the chemical sensor SB in equal amounts resulted in a change in δ values for aromatics and other protons at δ 8.47. It is clearly seen that one -OH peak is missing. Full and partial extended spectra for 1 H NMR titration between chemosensor SB and metal ions are shown in FIGS. 20 to 23 .

<실시예 8: Stern-Volmer plot 및 검출한계 확인><Example 8: Stern-Volmer plot and detection limit confirmation>

형광 측정 적정은 0-10 nM 범위 내에서 특정 금속 이온 용액의 추가 첨가시 화학센서 SB의 형광 강도의 변화를 조사하기 위해 수행되었다. 도 12의 a 내지 d는 각각 0-10 nM의 농도의 Ni2+, Cu2+, Co2+ 및 Cd2+ 를 첨가한 화학센서 SB의 형광 소광을 보여준다. 이는 화학센서 SB의 형광 강도가 표적 금속 이온과 접촉할 때 스펙트럼 이동 없이 규칙적으로 감소한다는 것을 나타낸다. 형광 소광 데이터를 종래의 Stern-Volmer 방정식을 통해 형광 소광 효율 평가를 수행하였으며, 하기 등식 2를 이용하였다.Fluorometric titration was performed to investigate the change in fluorescence intensity of the chemical sensor SB upon further addition of a specific metal ion solution within the range of 0-10 nM. 12A to 12D show fluorescence quenching of the chemical sensor SB to which Ni 2+ , Cu 2+ , Co 2+ and Cd 2+ concentrations of 0-10 nM are added, respectively. This indicates that the fluorescence intensity of the chemical sensor SB decreases regularly without spectral shift when in contact with the target metal ion. The fluorescence quenching data was evaluated for fluorescence quenching efficiency through the conventional Stern-Volmer equation, and Equation 2 below was used.

[등식 2][Equation 2]

Figure pat00019
Figure pat00019

여기서, F0, F 및 KSV는 화학센서 SB의 초기 형광 강도, 특정 농도의 소광제[Q]를 추가했을 때 화학센서 SB의 형광 광도 및 Stern-Volmer 상수를 의미한다. 도 13의 a 내지 d는 화학센서 SB를 갖는 각각의 금속 이온에 대한 Stern-Volmer plot을 도시한다. 화학센서 SB를 갖는 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 와 같은 금속 이온에 대한 Stern-Volmer 상수 값은 상기 표 1에 기재되어있다.Here, F 0 , F and K SV denote the initial fluorescence intensity of the chemical sensor SB, the fluorescence intensity of the chemical sensor SB when a specific concentration of a quencher [Q] is added, and the Stern-Volmer constant. 13A to 13D show Stern-Volmer plots for each metal ion having a chemical sensor SB. The Stern-Volmer constant values for metal ions such as Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ with the chemical sensor SB are shown in Table 1 above.

또한, 화학센서 SB를 함유하는 용액에 금속 이온을 증가 시키거나(0-10 nM) 첨가하지 않고 흡광 적정을 수행하였다. 도 4의 a 내지 d는 각각 0-10 nM의 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+가 첨가된 화학센서 SB의 흡수 값이 일관되게 증가함을 보여준다.In addition, absorption titration was performed with or without the addition of metal ions (0-10 nM) to the solution containing the chemical sensor SB. 4a to 4d show that the absorption values of the chemical sensor SB to which 0-10 nM of Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ are added consistently increase.

흡수 적정 프로파일을 사용하여 금속 이온의 특정 농도에 대한 흡광도 값의 변화를 플롯팅 하였다. 도 24는 각각 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+가 첨가된 화학센서 SB에 대한 흡수 적정에 기반한 보정 플롯으로 사용되었다. 도 13 및 도 24는 각각 형광 및 흡수 방법에 기초한 금속 이온에 대한 검출 한계 (limit of detection, LOD)의 추정을 위한 교정 플롯으로서 사용되었다. 상기 금속 이온에 대한 검출 한계는 하기 등식 3을 사용하여 계산되었으며 상기 표 1에 기재되어있다.Absorption titration profiles were used to plot the change in absorbance values for specific concentrations of metal ions. FIG. 24 was used as a calibration plot based on absorption titration for the chemical sensor SB to which Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ were added, respectively. 13 and 24 were used as calibration plots for estimation of the limit of detection (LOD) for metal ions based on fluorescence and absorption methods, respectively. The detection limits for the metal ions were calculated using Equation 3 below and are listed in Table 1 above.

[등식 3][Equation 3]

Figure pat00020
Figure pat00020

여기서 교정 곡선의 표준 편차와 기울기는 각각 σ와 K로 표시된다.Here, the standard deviation and slope of the calibration curve are denoted by σ and K, respectively.

형광 및 흡수를 통한 Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 금속 이온에 대한 비교적 유사한 LOD 값은 검출 방식에 대한 선택성과 감도를 나타낸다. 얻어진 LOD 값은 상기 금속 이온에 대해 다른 방법에 의해 연구된 LOD 값보다 극히 낮았다. 본 발명을 통해 얻은 LOD 값과 Cd2+, Co2+, Ni2+ 및 Cu2+에 대해 종래 연구를 통해 알려진 LOD 값을 아래 표 2 내지 5에서 비교하였다(표 2는 Cd2+, 표 3은 Co2+, 표 4는 Ni2+, 표 5는 Cu2+에 대한 것이다). Relatively similar LOD values for Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ metal ions via fluorescence and absorption indicate selectivity and sensitivity for the detection scheme. The LOD values obtained were extremely lower than the LOD values studied by other methods for this metal ion. The LOD values obtained through the present invention and LOD values known through prior studies for Cd 2+ , Co 2+ , Ni 2+ and Cu 2+ were compared in Tables 2 to 5 below (Table 2 is Cd 2+ , Table 2 3 is for Co 2+ , Table 4 is for Ni 2+ , and Table 5 is for Cu 2+ ).

Figure pat00021
Figure pat00021

(상기 표 2에서 8, 9가 SB를 이용한 경우임)(In Table 2 above, 8 and 9 are cases using SB)

Figure pat00022
Figure pat00022

(상기 표 3에서 9, 10이 SB를 이용한 경우임)(In Table 3 above, 9 and 10 are cases using SB)

Figure pat00023
Figure pat00023

(상기 표 4에서 9, 10이 SB를 이용한 경우임 )(In Table 4 above, 9 and 10 are cases using SB)

Figure pat00024
Figure pat00024

(상기 표 5에서 9, 10이 SB를 이용한 경우임)(In Table 5, 9 and 10 are the cases using SB)

<실시예 9: 각 금속 이온에 의한 SB의 형광 소광 메커니즘 확인><Example 9: Confirmation of fluorescence quenching mechanism of SB by each metal ion>

헤테로 원자 -S 및 -O를 갖는 작용기는 각각의 금속 이온과 상호 작용하여 화학센서 SB의 흡수 및 형광 특성의 변화를 초래한다. 앞선 화학센서 SB 및 특정 금속 이온을 포함하는 용액에 이물질 첨가시 효과에 대한 연구에 따르면 Cu2+ 는 화학센서 SB와 강한 상호 작용을 나타냄을 확인하였다. 금속 이온과 화학 센서 SB의 상호 작용은 여기된 상태에서 복사 경로를 감소시키고 형광을 더 소광 시킨다. 상기 반응식 2는 형광 소광 프로세스를 담당하는 표적 금속 이온과 화학센서 SB의 결합 특성을 예시한다.A functional group having heteroatoms -S and -O interacts with the respective metal ions, resulting in changes in absorption and fluorescence properties of the chemical sensor SB. According to the previous study on the effect of adding foreign substances to the chemical sensor SB and a solution containing specific metal ions, it was confirmed that Cu 2+ exhibits a strong interaction with the chemical sensor SB. The interaction of the metal ion with the chemical sensor SB reduces the radiation path in the excited state and further quenches the fluorescence. Scheme 2 illustrates the binding properties of the chemical sensor SB and the target metal ion responsible for the fluorescence quenching process.

형광 소광 프로세스는 화학센서 SB의 용액에서 금속 이온의 존재 및 부재시 흡수 적정, Stern-Volmer 플롯 및 형광 수명 값의 추정에 대한 실험적 관찰에 의해 조사되었다. 흡수 적정 프로파일(도 4)은 다양한 농도의 금속 이온을 첨가하여 최대 흡수 파장이 더 긴 파장으로 변경되었음을 나타낸다. 또한, 각 금속 이온 연구에 대한 선형 Stern-Volmer 플롯 (도 13)을 관찰하면 형광 소광 프로세스의 특성은 동적이 아니라 정적일 수 있다. 화학센서와 분석물 간의 상호 작용이 바닥 상태에서 발생해야 하는 경우 형광 소광 프로세스는 정적이다. 정적 타입의 형광 소광 프로세스의 결과을 뒷받침하기 위해, 형광 수명 추정을 이용하였다. 화학 센서와 분석 물질 사이의 상호 작용이 정적인 경우, 분석 물질 분자의 농도 변화가 역동적이라도 형광 수명은 일정하게 유지된다. 이는 분석물 분자와 접촉한 비연관 형광 프로브만 수명에 기여하기 때문이다. 특정 농도를 갖는 특정 금속 이온 용액의 첨가 유무에 따른 화학 센서 SB의 평균 형광 수명 값은 하기 표 6에 주어진다.The fluorescence quenching process was investigated by absorption titration in the presence and absence of metal ions in solution of chemosensor SB, Stern-Volmer plots and experimental observations for estimation of fluorescence lifetime values. The absorption titration profile (FIG. 4) shows that the maximum absorption wavelength was changed to a longer wavelength with the addition of various concentrations of metal ions. Furthermore, observing the linear Stern-Volmer plot (Fig. 13) for each metal ion study, the nature of the fluorescence quenching process could be static rather than dynamic. The fluorescence quenching process is static when the interaction between the chemosensor and the analyte must occur in the ground state. To support the results of the static type of fluorescence quenching process, fluorescence lifetime estimation was used. If the interaction between the chemical sensor and the analyte is static, the fluorescence lifetime remains constant even if the concentration of the analyte molecule changes dynamically. This is because only unassociated fluorescent probes in contact with analyte molecules contribute to lifetime. The average fluorescence lifetime values of the chemical sensor SB with or without the addition of a specific metal ion solution having a specific concentration are given in Table 6 below.

Figure pat00025
Figure pat00025

본 연구에서, 표적 분자를 첨가하거나 첨가하지 않은 화학 센서 SB의 형광 수명 값은 변하지 않고 유지되며, 이는 형광 소광 프로세스의 성질이 순수하게 정적임을 의미한다. In this study, the fluorescence lifetime values of the chemical sensor SB with and without the addition of target molecules remain unchanged, meaning that the nature of the fluorescence quenching process is purely static.

바닥 상태에서 화학센서 SB와 금속 이온 사이의 비형광 복합체의 형성은 정적 소광 프로세스를 따른다. 이 프로세스에서, 금속 이온과 화학센서 SB 복합체는 빛으로부터 에너지를 흡수한 다음 광자 방출 없이 즉시 바닥 상태로 되돌아가 형광 소광을 초래한다. 하기 반응식 3은 특정 금속 이온을 갖는 화학 센서 SB의 정적 형광 소광을 예시한다.The formation of a non-fluorescent complex between the chemosensor SB and the metal ion in the ground state follows a static quenching process. In this process, the metal ion and the chemosensor SB complex absorb energy from the light and then immediately return to the ground state without emission of a photon, resulting in fluorescence quenching. Scheme 3 below illustrates the static fluorescence quenching of a chemical sensor SB with specific metal ions.

[반응식 3][Scheme 3]

Figure pat00026
Figure pat00026

<실시예 10: TD-DFT(Time-dependent density functional theory)를 통한 전산 분석><Example 10: Computational analysis through TD-DFT (Time-dependent density functional theory)>

이론적 계산에 대한 연구는 Gaussian 09 프로그램을 사용하여 시간에 따른 밀도 함수 이론 (TD-DFT)을 기반으로 한 계산법을 통해 수행되었다. 이 연구는 협조 행동을 결정하고, 화학센서 SB의 이론적 특성을 조사하고, Ni2+, Cd2+, Cu2+ 및 Co2+ 와 같은 금속 이온과의 복합체화를 조사하기 위해 수행되었다. Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP) 기능성 및 lanl2dz 기본 세트를 사용하여 화합물 SB와 금속 이온의 표적 착물의 구조를 최적화했다. The study of theoretical calculation was carried out through a calculation method based on the time-dependent density functional theory (TD-DFT) using the Gaussian 09 program. This study was carried out to determine the cooperative behavior, to investigate the theoretical properties of the chemical sensor SB, and to investigate its complexation with metal ions such as Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ and Co 2+ . Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP) functionality and the lanl2dz base set were used to optimize the structure of the target complex of compound SB with a metal ion.

화학센서 SB와 각각의 금속 이온 사이의 결합 상호 작용 모드와 함께 계산된 에너지적으로 최적화된 안정된 구조는 도 14에 도시되어 있으며, 화학센서 SB의 highest occupied molecular orbital(HOMO) 및 lowest unoccupied molecular orbital(LUMO) 에너지 준위의 전자 분포 및 각 금속 이온과의 착물화를 특징으로 한다. 도 14는 HOMO의 전자 분포가 주로 dihydroxybenzylthiosemicarbazone 백본에 걸쳐 있고, LUMO가 주로 퀴놀린 부분에 있는 화학센서 SB의 HOMO-LUMO 다이어그램을 보여준다.The calculated energetically optimized stable structure along with the binding interaction mode between the chemical sensor SB and each metal ion is shown in FIG. 14, and the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (HOMO) of the chemical sensor SB are shown in LUMO) energy level electron distribution and complexation with each metal ion. 14 shows a HOMO-LUMO diagram of a chemical sensor SB in which the electron distribution of HOMO mainly spans the dihydroxybenzylthiosemicarbazone backbone, and the LUMO is predominantly in the quinoline moiety.

화학센서 SB의 HOMO 쪽은 금속 이온에 가장 큰 영향을 준다. HOMO-LUMO 에너지의 변화는 화학센서 SB와 각각의 금속 이온 사이의 복합체화로 인해 발생했다. 화학센서 SB의 -S 및 -O와 같은 헤테로 원자를 갖는 작용기를 통한 강한 정전기적 상호 작용은 금속 이온과 착물을 형성하는 것으로 설명되었다. 상응하는 복합 및 유리(free) 화학 센서 SB에 대한 HOMO 및 LUMO의 에너지 값은 하기 표 7에 제공된다.The HOMO side of the chemical sensor SB has the greatest influence on metal ions. The change in HOMO-LUMO energy occurred due to complexation between the chemical sensor SB and each metal ion. Strong electrostatic interactions through functional groups with heteroatoms such as -S and -O of the chemical sensor SB have been described to form complexes with metal ions. The energy values of HOMO and LUMO for the corresponding composite and free chemical sensors SB are provided in Table 7 below.

Figure pat00027
Figure pat00027

복합체에 대한 HOMO 및 LUMO의 에너지 값은 화학센서 SB의 에너지 값보다 낮다는 것이 밝혀졌다. 금속 이온을 갖는 복합체 화학센서 SB의 높은 안정성은 유리 SB보다 복합 형태의 총 에너지의 낮은 값을 통해 확인했다. 따라서 TD-DFT 계산은 안정화 에너지가 낮은 복합물이 더 높은 안정성을 갖음을 의미한다. 이 경우, 화학센서 SB와 금속 이온의 착물에 대한 안정화 에너지의 감소 순서는 SB-Cd2+ > SB-Co2+ > SB-Ni2+ > SB-Cu2+ 인 것으로 밝혀졌다. 한편, 복합체의 증가된 안정성 순서는 SBCd2+ < SB-Co2+ < SB-Ni2+ < SB-Cu2+ 의 순서인 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이러한 내용은 흡수 및 형광 연구 동안 실험적 관찰을 뒷받침한다.It was found that the energy values of HOMO and LUMO for the composite were lower than those of the chemical sensor SB. The high stability of the composite chemical sensor SB with metal ions was confirmed by the lower value of the total energy of the composite form than that of the glass SB. Therefore, the TD-DFT calculation implies that the composite with lower stabilization energy has higher stability. In this case, it was found that the decreasing order of stabilization energy for the complex of the chemical sensor SB and the metal ion was SB-Cd 2+ > SB-Co 2+ > SB-Ni 2+ > SB-Cu 2+ . On the other hand, the order of increased stability of the complex was found to be that of SBCd 2+ < SB-Co 2+ < SB-Ni 2+ < SB-Cu 2+ . Therefore, these findings support experimental observations during absorption and fluorescence studies.

<실시예 11: 하천 시료 분석을 통한 형광 소광 방법의 적용><Example 11: Application of fluorescence quenching method through river sample analysis>

물 샘플은 본 발명의 중금속 검출 방법을 적용하기 위해 대학 근처의 강에서 수집되었다. 수집된 샘플을 여과하고 끓여서 고체 불순물 및 용해된 가스를 제거하였다. 목표 용액은 특정 농도의 표준 금속 이온(Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+) 각각을 화학센서 SB의 용액에 스파이킹(spiking)하고 수집된 물 샘플에 희석시킴으로써 제조되었다. 도 13의 a 내지 d는 각각의 금속 이온의 스파이크된 양을 추정하기 위한 교정 곡선으로서 사용되었다. 각각의 금속 이온에 대해 조사된 결과는 아래 표 8 및 9에 제시되어 있다.A water sample was collected from a river near the university to apply the heavy metal detection method of the present invention. The collected sample was filtered and boiled to remove solid impurities and dissolved gases. The target solution was prepared by spiking each of the standard metal ions (Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ ) at specific concentrations into the solution of the chemical sensor SB and diluting it in the collected water sample. 13A to 13D were used as calibration curves for estimating the spiked amount of each metal ion. The results investigated for each metal ion are presented in Tables 8 and 9 below.

Figure pat00028
Figure pat00028

Figure pat00029
Figure pat00029

상기 결과를 통해, 관찰된 실험값이 예상 값에 매우 가깝다는 것을 확인하였다. Through the above results, it was confirmed that the observed experimental value was very close to the expected value.

이와 같이 본 발명의 화학센서 SB를 이용하는 경우 수용액에서 4개의 중금속 이온(Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+)을 신속하고 정확하게 측정 가능하다.As such, when the chemical sensor SB of the present invention is used, four heavy metal ions (Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ ) can be quickly and accurately measured in aqueous solution.

Claims (5)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물.
[화학식 1]
Figure pat00030
A compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure pat00030
제1항의 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출용 조성물.A composition for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ , comprising the compound represented by Formula 1 of claim 1 . 제2항에 있어서, 상기 조성물의 pH는 6 내지 8인 것인, 중금속 검출용 조성물.The composition for detecting heavy metals according to claim 2, wherein the composition has a pH of 6 to 8. 제1항의 화학식 1로 표시되는 화합물을 검체와 반응시키는 단계를 포함하는 Ni2+, Cu2+, Cd2+ 및 Co2+로 구성된 군으로부터 선택되는 중금속 이온 검출 방법.A method for detecting heavy metal ions selected from the group consisting of Ni 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ and Co 2+ comprising reacting the compound represented by Formula 1 of claim 1 with a sample. (a) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 및
(b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 화학식 4로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 5로 표시되는 화합물을 반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계를 포함하는, 화학식 1 화합물의 제조방법.
[화학식 1]
Figure pat00031

[화학식 2]
Figure pat00032

[화학식 3]
Figure pat00033

[화학식 4]
Figure pat00034

[화학식 5]
Figure pat00035
(a) reacting a compound represented by the following formula (2) and a compound represented by the following formula (3) to prepare a compound represented by the following formula (4);
(b) reacting the compound represented by Formula 4 obtained in step (a) and the compound represented by Formula 5 below to prepare a compound represented by Formula 1 below.
[Formula 1]
Figure pat00031

[Formula 2]
Figure pat00032

[Formula 3]
Figure pat00033

[Formula 4]
Figure pat00034

[Formula 5]
Figure pat00035
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