KR20220124953A - Rhodamine-based novel compound and its use for detecting mercury ions - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a novel rhodamine-based compound and a composition for detecting mercury ions using the same. Probe PS, which is a novel compound, can selectively discriminate mercury ions (Hg^(2+)) among various metal ions, has a significantly lower detection limit (3.0375 × 10^(-8)M, 30.37 nM) than existing compounds, and thus can detect not only mercury ions contained in drinking water or tap water, but also mercury ions in cells without cytotoxicity, so that it is possible to be usefully used in various fields for confirming the presence of Hg^(2+) metal ions.

Description

로다민 기반 신규 화합물 및 이의 수은 이온 검출 용도{Rhodamine-based novel compound and its use for detecting mercury ions}Rhodamine-based novel compound and its use for detecting mercury ions

본 발명은 로다민 기반의 신규 화합물 및 이를 이용한 수은 이온 검출용 조성물 등에 관한 것이다.The present invention relates to a novel compound based on rhodamine and a composition for detecting mercury ions using the same.

현대의 산업 발전과 함께 산업 폐수 및 폐기물 등에 의한 환경오염으로 인류는 다양한 중금속의 중독 위험에 노출되어 있다. 특히, 그 중 수은은 중독되면 신경계에 이상이 생겨 언어장애, 운동 장애 등이 나타나고 심하면 사지가 마비될 수 있는 치명적인 물질이다. 이처럼 수은 이온은 인간의 건강에 유해한 영향을 끼치기 때문에 생물학적으로 중요한 중금속이다. 따라서 수용액 상에 존재하는 Hg(II) 이온의 고감도 및 선택적 검출 및 측정은 인간 건강, 분자 생물학 및 환경 안전에 필수적이다.With the development of modern industry, human beings are exposed to the risk of poisoning of various heavy metals due to environmental pollution caused by industrial wastewater and waste. In particular, mercury is a deadly substance that, when poisoned, causes abnormalities in the nervous system, resulting in speech and movement disorders and, in severe cases, paralysis of the limbs. As such, mercury ions are biologically important heavy metals because they have a detrimental effect on human health. Therefore, highly sensitive and selective detection and measurement of Hg(II) ions present in aqueous solutions are essential for human health, molecular biology and environmental safety.

이에, 화학적 또는 생화학적으로 중요한 이온성 물질에 대한 선택적이고 민감한 센서를 개발하기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근 초분자(supramolecule) 화학에 대한 이해와 연구는 선택적으로 이온 혹은 여러 가지 다른 종류의 게스트 화합물들과 결합할 수 있는 호스트 화합물의 설계에 큰 가능성을 보여왔으며, 최근 이러한 초분자 화합물을 형광 물질에 연결시킴으로써, 게스트 화합물과의 선택적 결합을 형광 변화를 이용하여 보다 손쉽게 관찰할 수 있는 형광화학센서(fluorescent chemosensor)의 개발에 대한 연구에 큰 도움을 주고 있다. 금속 이온-유발 형광 변화에 기초한 센서들은 단순함과 형광의 높은 검출 한계로 인해 금속 이온의 검출에 있어 특히 유용한 수단을 제공해 왔다.Accordingly, many studies have been conducted to develop a selective and sensitive sensor for chemically or biochemically important ionic substances. Recent research and understanding of supramolecule chemistry has shown great promise in the design of host compounds that can selectively bind ions or various other types of guest compounds. , which is of great help in research on the development of fluorescent chemosensors that can more easily observe selective binding with guest compounds using fluorescence changes. Sensors based on metal ion-induced fluorescence changes have provided a particularly useful means for the detection of metal ions due to their simplicity and high detection limit of fluorescence.

최근, 금속 이온에 대한 화학 센서를 디자인함에 있어서 로다민 유도체들에 대한 관심이 증대되고 있다. 로다민 유도체들은 무형광 무색임에 반하여 스파이로락탐(spirolactam)의 개환은 강한 형광을 발생시킨다. 이러한 특성에 착안하여, 로다민 유도체들을 금속 이온의 검출을 위해 사용하고자 하는 시도가 있었다. 그럼에도 불구하고, 수은 선택성과 감도가 우수한 효율적인 화학센서의 개발에 대한 필요성은 여전히 남아있다.Recently, interest in rhodamine derivatives has increased in designing chemical sensors for metal ions. While rhodamine derivatives are colorless and non-fluorescent, ring opening of spirolactam generates strong fluorescence. Based on these characteristics, attempts have been made to use rhodamine derivatives for the detection of metal ions. Nevertheless, there remains a need for the development of an efficient chemical sensor with excellent mercury selectivity and sensitivity.

대한민국 공개특허 공보 10-2010-0019906Korean Patent Publication No. 10-2010-0019906

본 발명의 목적은 신규한 로다민 기반 화합물을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide novel rhodamine based compounds.

본 발명의 다른 목적은 상기 화합물을 포함하는 수은 이온(Hg2+) 검출용 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composition for detecting mercury ions (Hg 2+ ) including the compound.

본 발명의 다른 목적은 상기 화합물을 이용한 수은 이온(Hg2+) 검출방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for detecting mercury ions (Hg 2+ ) using the compound.

본 발명의 다른 목적은 상기 신규 화합물의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing the novel compound.

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

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 수은 이온(Hg2+) 검출용 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a composition for detecting mercury ions (Hg 2+ ), comprising the compound represented by Formula 1 above.

본 발명의 일 구현예로, 상기 수은 이온(Hg2+)은 세포 내 존재하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the mercury ion (Hg 2+ ) may be present in the cell.

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 수은 이온(Hg2+) 검출 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for detecting mercury ions (Hg 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 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계를 포함하는, 화학식 1 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 below, providing a method for preparing the compound of Formula 1 do.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

[화학식 5][Formula 5]

Figure pat00006
Figure pat00006

본 발명의 신규한 화합물인 프로브 PS는 다양한 금속 이온 중에서도 수은 이온(Hg2+)을 선택적으로 구별할 수 있으며, 기존의 화합물에 비해 현저히 낮은 검출한계(3.0375 × 10-8M, 30.37 nM)를 가지며, 음용수나 수돗물에 포함된 수은 이온은 물론이고, 세포 독성이 없어 세포 내의 수은 이온도 검출할 수 있으므로, Hg2+ 금속 이온 존재 확인을 위한 다양한 분야에 유용하게 이용될 수 있다.Probe PS, a novel compound of the present invention, can selectively discriminate mercury ions (Hg 2+ ) among various metal ions, and has a significantly lower detection limit (3.0375 × 10 -8 M, 30.37 nM) compared to conventional compounds. Since it can detect not only mercury ions contained in drinking water or tap water, but also mercury ions in cells without cytotoxicity, it can be usefully used in various fields for confirming the presence of Hg 2+ metal ions.

도 1은 Hg2+(50μM)의 부재 및 존재시 화학 센서 PS (10μM)의 흡광도에 대한 pH의 영향을 나타낸 것이다.
도 2는 다양한 금속 이온 존재시 프로브 PS의 흡수 스펙트럼(A) 및 형광방출 스펙트럼(B)을 나타낸 것이다.
도 3은 Hg2+(50 μM)에 대한 프로브 PS (10 μM)의 선택성 및 경쟁을 나타낸 것이다. 앞줄의 기둥은 조사된 금속 이온에 대한 프로브 PS (10μM)의 형광 반응을 나타내며, 뒷줄의 기둥은 각각 PS (10μM) 및 다른 금속 이온 (50μM) (λex = 530nm)을 포함하는 용액에 Hg2+(50μM)를 연속적으로 추가하는 경우를 나타낸다.
도 4는 THF에서 PS (10 μM)의 형광 강도 (λex = 530 nm) 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 558 nm에서 PS(10 μM)의 방출 강도 대 Hg2+(0-10 μM)의 농도에 대한 플롯을 나타낸 것이다.
도 6은 화학 센서 PS 및 Hg2+의 1:1 화학 양론을 제안하는 Jobs 플롯을 나타낸 것이다.
도 7은 화학 센서 PS-Hg2+ 복합체의 수정된 Benesi-Hildebrand 플롯을 나타낸 것이다.
도 8은 1H NMR 스펙트럼으로, (A)는 DMSO-d6에 1.0 당량의 화학 센서 PS가 있는 경우, (B)는 DMSO-d6에 화학 센서 PS 및 0.5 당량의 Hg2+가 있는 경우, (C)는 화학 센서 PS 및 1.0 당량의 Hg2+가 있는 경우를 나타낸다.
도 9의 (A) 내지 (D)는 살아있는 MDA-MB-231 세포의 명시야 이미지를 나타낸 것으로, (A)는 대조군, (B)는 DMSO 내의 프로브(PS), (C)는 PS 및 5 μM의 Hg2+, (D)는 PS 및 10 μM의 Hg2+ 가 처리된 것이고, (E) 내지 (H)는 살아있는 MDA-MB-231 세포의 형광 이미지를 나타낸 것으로, (E)는 대조군, (F)는 DMSO 내의 프로브(PS), (G)는 PS 및 5 μM의 Hg2+, (H)는 PS 및 10 μM의 Hg2+ 가 처리된 것이다.
도 10의 (A) 내지 (D)는 살아있는 A375 세포의 명시야 이미지를 나타낸 것으로, (A)는 대조군, (B)는 DMSO 내의 프로브(PS), (C)는 PS 및 5 μM의 Hg2+, (D)는 PS 및 10 μM의 Hg2+ 가 처리된 것이고, (E) 내지 (H)는 살아있는 A375 세포의 형광 이미지를 나타낸 것으로, (E)는 대조군, (F)는 DMSO 내의 프로브(PS), (G)는 PS 및 5 μM의 Hg2+, (H)는 PS 및 10 μM의 Hg2+ 가 처리된 것이다.
도 11은 MTT 분석을 이용한 세포 생존력 측정 결과를 나타낸 것이다. (1)은 MDA-MB-231 세포에 관한 것으로, 대조군은 미처리, Hg(II)는 10 μM의 Hg2+, B1은 프로브 PS, B2는 PS 및 5 μM의 Hg2+, B3는 PS 및 10 μM의 Hg2+ 가 24시간 처리된 것이다. (2)는 A-375 세포에 관한 것으로, 대조군은 미처리, Hg(II)는 10 μM의 Hg2+, M1은 프로브 PS, M2는 PS 및 5 μM의 Hg2+, M3는 PS 및 10 μM의 Hg2+ 가 24시간 처리된 것이다.
도 12는 화학 센서 PS의 1H NMR 데이터를 나타낸 것이다.
도 13은 화학 센서 PS의 13C NMR 데이터를 나타낸 것이다.
도 14는 화학 센서 PS의 IR 스펙트럼 데이터를 나타낸 것이다.
도 15는 화학 센서 PS의 LCMS 스펙트럼 데이터를 나타낸 것이다.
도 16은 화학 센서 PS의 GC-MS 스펙트럼 데이터를 나타낸 것이다.
1 shows the effect of pH on the absorbance of a chemical sensor PS (10 μM) in the absence and presence of Hg 2+ (50 μM).
2 shows an absorption spectrum (A) and a fluorescence emission spectrum (B) of the probe PS in the presence of various metal ions.
3 shows the selectivity and competition of probe PS (10 μM) against Hg 2+ (50 μM). The column in the front row shows the fluorescence response of the probe PS (10 μM) to the irradiated metal ion, and the column in the back row is Hg 2 in a solution containing PS (10 μM) and another metal ion (50 μM) (λ ex = 530 nm), respectively. A case in which + (50 μM) is continuously added is shown.
4 shows the change in fluorescence intensity (λ ex = 530 nm) of PS (10 μM) in THF.
5 shows a plot of the emission intensity of PS (10 μM) versus the concentration of Hg 2+ (0-10 μM) at 558 nm.
6 shows a Jobs plot suggesting a 1:1 stoichiometry of chemical sensors PS and Hg 2+ .
7 shows a modified Benesi-Hildebrand plot of the chemical sensor PS-Hg 2+ complex.
Figure 8 is a 1 H NMR spectrum, (A) in DMSO-d 6 with 1.0 equivalent of chemical sensor PS, (B) DMSO-d 6 with chemical sensor PS and 0.5 equivalent of Hg 2+ , (C) shows the case with the chemical sensor PS and 1.0 equivalent of Hg 2+ .
9 (A) to (D) show bright field images of live MDA-MB-231 cells, (A) is a control, (B) is a probe in DMSO (PS), (C) is a PS and 5 μM Hg 2+ , (D) is PS and 10 μM Hg 2+ treated, (E) to (H) show fluorescence images of live MDA-MB-231 cells, (E) is control , (F) is a probe (PS) in DMSO, (G) is PS and 5 μM Hg 2+ , (H) is PS and 10 μM Hg 2+ treated.
10 (A) to (D) show bright field images of live A375 cells, (A) is control, (B) is probe in DMSO (PS), (C) is PS and 5 μM Hg 2 + , (D) are PS and 10 μM Hg 2+ treated, (E) to (H) show fluorescence images of live A375 cells, (E) control, (F) probe in DMSO (PS), (G) is PS and 5 μM Hg 2+ , (H) is PS and 10 μM Hg 2+ treated.
11 shows the results of cell viability measurement using the MTT assay. (1) relates to MDA-MB-231 cells, control is untreated, Hg(II) is 10 μM Hg 2+ , B1 is probe PS, B2 is PS and 5 μM Hg 2+ , B3 is PS and 10 μM of Hg 2+ was treated for 24 hours. (2) relates to A-375 cells, control is untreated, Hg(II) is 10 μM Hg 2+ , M1 is probe PS, M2 is PS and 5 μM Hg 2+ , M3 is PS and 10 μM of Hg 2+ was treated for 24 hours.
12 shows 1 H NMR data of the chemical sensor PS.
13 shows 13 C NMR data of the chemical sensor PS.
14 shows IR spectrum data of the chemical sensor PS.
15 shows LCMS spectral data of the chemical sensor PS.
16 shows GC-MS spectral data of the chemical sensor PS.

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 pat00007
Figure pat00007

상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 신규 화합물로, 명칭은 2-(5-(4-bromophenyl)-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-3',6'-bis(ethylamino)-2',7'-dimethylspiro [isoindoline-1,9′-xanthen]-3-one이고, 본 명세서에서는 이하 PS라고 지칭된다.The compound represented by Formula 1 is a novel compound, and the name is 2-(5-(4-bromophenyl)-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-3',6'-bis(ethylamino)-2 ',7'-dimethylspiro [isoindoline-1,9'-xanthen]-3-one, which is hereinafter referred to as PS in the present specification.

PS는 아래와 같이 2단계 합성을 통해 제조될 수 있다.PS can be prepared through two-step synthesis as follows.

Figure pat00008
Figure pat00008

다른 양태로서, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 수은 이온(Hg2+) 검출용 조성물을 제공한다. 상기 수은은 PS와 반응시 스피로락탐 고리가 열리면서 형광 반응을 일으키므로 PS를 이용하여 수은 이온을 검출할 수 있다.In another aspect, the present invention provides a composition for detecting mercury ions (Hg 2+ ), comprising the compound represented by Formula 1 above. When mercury reacts with PS, the spirolactam ring opens and causes a fluorescence reaction, so that mercury ions can be detected using PS.

상기 수은 이온(Hg2+)은 세포 내 존재하는 것일 수 있다. 본 발명의 PS는 세포 독성을 나타내지 않고 세포 내 Hg2+를 효과적으로 검출 가능함을 실험적으로 확인하였는 바, 세포 내 Hg2+ 금속 이온 존재 확인을 위한 효과적인 화합물이 될 수 있다.The mercury ion (Hg 2+ ) may be present in the cell. As it has been experimentally confirmed that the PS of the present invention can effectively detect Hg 2+ in cells without cytotoxicity, it can be an effective compound for confirming the presence of Hg 2+ metal ions in cells.

상기 조성물의 pH는 6 내지 8인 것일 수 있으며 바람직하게는 pH 7일 수 있다. 이는 상기 pH에서 높은 흡광도를 나타내기 때문이다.The composition may have a pH of 6 to 8, preferably pH 7. This is because it exhibits high absorbance at the above pH.

다른 양태로서, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 검체와 반응시키는 단계를 포함하는 수은 이온(Hg2+) 검출 방법을 제공한다. 상기 검출은 UV-vis 흡수, 형광 강도의 관찰 등을 통해 확인할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고 당해 분야에 통상적으로 사용되는 방법에 의할 수 있다.In another aspect, the present invention provides a method for detecting mercury ions (Hg 2+ ) comprising reacting the compound represented by Formula 1 with a sample. The detection may be confirmed through UV-vis absorption, observation of fluorescence intensity, etc., but is not limited thereto, and may be performed by a method commonly used in the art.

다른 양태로서 본 발명은 (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 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention relates to (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) and (b) the formula obtained in step (a) It provides a method for preparing a compound of Formula 1, comprising the step of reacting a compound represented by 4 and a compound represented by Formula 5 to prepare a compound represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

[화학식 2][Formula 2]

Figure pat00010
Figure pat00010

[화학식 3][Formula 3]

Figure pat00011
Figure pat00011

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00012
Figure pat00012

[화학식 5][Formula 5]

Figure pat00013
Figure pat00013

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: 실험 방법><Example 1: Experimental method>

실시예 1-1. 재료 및 방법Example 1-1. Materials and Methods

로다민 6G, Thiosemicarbazide, 4-bromo benzoic acid 및 potassium tert-butoxide는 Sigma Aldrich에서 구입했다. Tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate (EtOAc), dichloromethane, 및 methanol은 시판업체(삼천 케미칼 코리아)에서 구매했다. 모든 화학 물질은 정제하지 않고 사용되었다. 흡수 스펙트럼은 Shimadzu 분광 광도계 (Scinco, Korea)를 사용하였고, 형광 연구에는 FS-2 형광 분광계 (Scinco, Korea)를 사용하였다. 모든 샘플에 대해, 흡수 및 형광 분석은 실온에서 수행되었으며, 형광 연구에서 샘플은 530 nm에서 여기되었다. LC-MS는 2795 / ZQ2000 (waters) 분광계로 검사하였다. FT-IR 스펙트럼은 KBr 펠릿을 사용하여 Frontier IR (Perkin Elmer) 분광계에서 기록되었다. 1H NMR 및 13C NMR 스펙트럼은 TMS가 내부 표준으로 사용되는 Bruker Avance 400MHz 분광 광도계 (양성자 및 탄소 NMR의 경우 400 및 100MHz)에서 기록되었다. 융점은 Fisher Scientific(미국)의 MPA 160 기기를 사용하여 측정하였다. Hg2+의 존재 유무에서 프로브 PS의 형광시간 감쇠성능은 time-correlated single photon counting(TCSPC) 분광 광도계 (HORIBA-Ihr320, 일본)를 이용하여 각 파장에서 측정되었으며, 얻은 아웃풋(output)은 Hg2+의 존재 및 부재 하에서 프로브 PS의 형광 수명 값을 평가하기 위해 기기와 함께 제공된 데이터 스테이션 소프트웨어에서 조사되었다.Rhodamine 6G, Thiosemicarbazide, 4-bromo benzoic acid and potassium tert-butoxide were purchased from Sigma Aldrich. Tetrahydrofuran (THF), ethyl acetate (EtOAc), dichloromethane, and methanol were purchased from a commercial company (Samcheon Chemical Korea). All chemicals were used without purification. For absorption spectra, Shimadzu spectrophotometer (Scinco, Korea) was used, and FS-2 fluorescence spectrometer (Scinco, Korea) was used for fluorescence study. For all samples, absorption and fluorescence analyzes were performed at room temperature, and in fluorescence studies the samples were excited at 530 nm. LC-MS was checked with a 2795 / ZQ2000 (waters) spectrometer. FT-IR spectra were recorded on a Frontier IR (Perkin Elmer) spectrometer using KBr pellets. 1 H NMR and 13 C NMR spectra were recorded on a Bruker Avance 400 MHz spectrophotometer (400 and 100 MHz for proton and carbon NMR) with TMS as internal standard. Melting points were measured using a Fisher Scientific (USA) MPA 160 instrument. The fluorescence time attenuation performance of the probe PS in the presence or absence of Hg 2+ was measured at each wavelength using a time-correlated single photon counting (TCSPC) spectrophotometer (HORIBA-Ihr320, Japan), and the obtained output was Hg 2 To evaluate the fluorescence lifetime values of the probe PS in the presence and absence of + were investigated in the data station software provided with the instrument.

실시예 1-2. 광학 연구를 위한 금속 이온 용액 준비Example 1-2. Preparation of Metal Ion Solutions for Optical Studies

프로브 PS (1mM)의 저장 용액은 tetrahydrofuran (THF) 용매에 준비하였다. 그리고 Hg2+, Ba2+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Cu2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+, Al3+, Cr3+, Fe3+, Na+, K+, Cu+ 및 Ca+ 등의 금속 이온(1mM) 저장 용액은 해당 염을 2차 증류수에 녹여 준비하였다. 분광 측정 전에 알려진 양의 프로브 PS 저장 용액을 10 mL 부피 플라스크에 첨가한 다음, 알려진 부피의 상응하는 금속 이온 및 pH 7 용액을 첨가하고, 마지막으로 THF : 물 (8 : 2, v / v) 시스템을 사용하여 동등한 농도로 희석하였다. 이후 모든 샘플에 대하여 10분 후 흡수 및 형광 강도를 기록하였다. 형광 측정을 위해 모든 샘플은 530 nm에서 여기되었다. 여기 및 방출 슬릿은 모두 5nm로 설정되었다.A stock solution of probe PS (1 mM) was prepared in tetrahydrofuran (THF) solvent. and Hg 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ , Al Metal ions (1 mM) stock solutions such as 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Na + , K + , Cu + and Ca + were prepared by dissolving the corresponding salt in distilled water. Before the spectroscopic measurement, a known amount of probe PS stock solution is added to a 10 mL volumetric flask, followed by addition of a known volume of the corresponding metal ion and pH 7 solution, and finally a THF:water (8:2, v/v) system was used to dilute to the same concentration. Absorption and fluorescence intensity were recorded after 10 min for all samples. All samples were excited at 530 nm for fluorescence measurements. Both the excitation and emission slits were set to 5 nm.

실시예 1-3. 합성Examples 1-3. synthesis

Step 1) 5-(4-bromophenyl)-1,3,4-thiadiazol-2-amine의 합성 (1A)Step 1) Synthesis of 5-(4-bromophenyl)-1,3,4-thiadiazol-2-amine (1A)

반응식 1에 설명된 바와 같이, 중간체 1A는 종래 알려진 방법(L. Yan, M. Yang, X. Leng, M. Zhang, Y. Long, B. Yang, A new dual-function fluorescent probe of Fe3+ for bioimaging and probe-Fe3+ complex for selective detection of CN-, Tetrahedron. 72 (2016) 4361-4367)에 따라 합성되었다.As described in Scheme 1, Intermediate 1A was prepared by conventionally known methods (L. Yan, M. Yang, X. Leng, M. Zhang, Y. Long, B. Yang, A new dual-function fluorescent probe of Fe3+ for bioimaging). and probe-Fe3+ complex for selective detection of CN-, Tetrahedron. 72 (2016) 4361-4367).

[반응식 1][Scheme 1]

Figure pat00014
Figure pat00014

i) POCl3, 1 h 환류; H2O 및 5 h 환류 ii) Potassium tert-butoxide, ethanol, RT, 12 h. Potassium tert-butoxide.i) POCl 3 , 1 h reflux; H 2 O and reflux for 5 h ii) Potassium tert-butoxide, ethanol, RT, 12 h. Potassium tert-butoxide.

100 ml 라운드 바텀 플라스크 (round bottom flask, RBF)에 POCl3 (3mL) 와 4-Bromo-Benzoic acid(0.5gm, 2.4mmol) 및 thiosemicarbazide(0.24gm, 2.73mmol)를 첨가하였다. 반응 혼합물을 75-80 ℃로 가열하였다. 1 시간 후, 가열을 중단하고 반응물을 점차적으로 실온으로 냉각시켰다. 또한, 반응물을 0-5 ℃로 냉각하고 증류수로 천천히 급냉시킨 후 다시 5 시간 동안 환류시켰다. 그 후 반응 혼합물을 주위 온도로 서서히 냉각시킨 후 0-5 ℃로 냉각하고 50 % NaOH로 염기성화 (pH = 8) 하였다. 현탁된 고체 물질을 0-5 ℃에서 추가로 1 시간 교반한 다음 여과 및 건조하고, 무수 에탄올에서 재결정하여 화합물 1A를 얻었으며, 다음 단계에 추가로 사용되었다.POCl 3 (3mL), 4-Bromo-Benzoic acid (0.5gm, 2.4mmol) and thiosemicarbazide (0.24gm, 2.73mmol) were added to a 100 ml round bottom flask (RBF). The reaction mixture was heated to 75-80 °C. After 1 h, the heating was stopped and the reaction was gradually cooled to room temperature. In addition, the reactant was cooled to 0-5 °C, quenched slowly with distilled water, and then refluxed again for 5 hours. The reaction mixture was then cooled slowly to ambient temperature and then to 0-5 °C and basified (pH = 8) with 50% NaOH. The suspended solid material was stirred at 0-5° C. for an additional 1 hour, then filtered and dried, and recrystallized from absolute ethanol to obtain compound 1A, which was further used in the next step.

Step 2) 2-(5-(4-bromophenyl)-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-3′,6′-bis (ethylamino)-2′,7′-dimethylspiro[isoindoline-1,9′-xanthen]-3-one (PS)의 합성Step 2) 2-(5-(4-bromophenyl)-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-3′,6′-bis (ethylamino)-2′,7′-dimethylspiro[isoindoline-1, Synthesis of 9′-xanthen]-3-one (PS)

주위 온도의 질소 분위기에서 로다민 6G (0.5gm, 1.042mmol) 및 2-Amino-5-{4-bromophenyl}-1,3,4-thiadiazole(0.32gm, 1.042mmol)을 에탄올(5ml) 내에서 혼합하였다. 반응 혼합물을 주위 온도에서 10 분 동안 교반한 다음 potassium tert-butoxide (0.14 gm, 1.252 mmol)를 천천히 첨가하고 질소분위기에서 반응이 완료될 때까지 (12 시간) 반응을 계속하였다. 반응 완료 후 (TLC로 모니터링), 반응 혼합물을 냉수 (15 mL)로 급냉시키고 에틸 아세테이트 (3 x 15 mL)로 추출하였다. 에틸 아세테이트 층을 물 (10 mL)에 이어 염수(brine solution, 15 mL)로 세척하였다. 유기층을 무수 황산나트륨상에서 건조시키고 진공하에 증류하고 용리액으로 (디클로로메탄 / 메탄올)을 사용하는 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 분홍색 고체를 수득하였다. Rhodamine 6G (0.5 gm, 1.042 mmol) and 2-Amino-5-{4-bromophenyl}-1,3,4-thiadiazole (0.32 gm, 1.042 mmol) in ethanol (5 ml) in a nitrogen atmosphere at ambient temperature. mixed. The reaction mixture was stirred at ambient temperature for 10 minutes, then potassium tert-butoxide (0.14 gm, 1.252 mmol) was slowly added thereto, and the reaction was continued in a nitrogen atmosphere until the reaction was completed (12 hours). After completion of the reaction (monitored by TLC), the reaction mixture was quenched with cold water (15 mL) and extracted with ethyl acetate (3×15 mL). The ethyl acetate layer was washed with water (10 mL) followed by brine solution (15 mL). The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate, distilled under vacuum and purified by column chromatography using (dichloromethane/methanol) as eluent to give a pink solid.

수율: 85 %, M. P :> 260 ℃;Yield: 85%, M.P: >260 °C;

1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ (ppm): δ 8.58 - 6.78 (m, 8 H), 6.25 (m, 4 H), 5.76 (s, 2 H), 3.19 - 3.09 (q, 4 H), 1.82 (s, 6H), 1.20 (t, 6 H) (도 12 참조). 1 H NMR (DMSO-d 6 , 400 MHz) δ (ppm): δ 8.58 - 6.78 (m, 8 H), 6.25 (m, 4 H), 5.76 (s, 2 H), 3.19 - 3.09 (q, 4 H), 1.82 (s, 6H), 1.20 (t, 6 H) (see Fig. 12).

13C NMR (101 MHz, DMSO) δ 167.25, 147.77, 135.44, 132.63, 132.22, 131.52, 129.22, 128.90, 104.44, 37.39, 14.20 (도 13 참조) 13 C NMR (101 MHz, DMSO) δ 167.25, 147.77, 135.44, 132.63, 132.22, 131.52, 129.22, 128.90, 104.44, 37.39, 14.20 (see FIG. 13)

IR (KBr) v/cm-1: 3022.19, 2889.70, 2299.44, 1946.44, 1693.56, 967.13, 903.90 (도 14 참조) IR (KBr) v /cm -1 : 3022.19, 2889.70, 2299.44, 1946.44, 1693.56, 967.13, 903.90 (see Fig. 14)

LC-MS: 654.4 m/z. (M+2) (도 15 참조)LC-MS: 654.4 m/z . (M+2) (see FIG. 15)

GCMS: 653 m/z. (도 16 참조)GCMS: 653 m/z . (See Fig. 16)

실시예 1-4. 세포 이미징Examples 1-4. cell imaging

세포 배양 및 처리Cell culture and processing

본 연구에 사용된 인간 흑색종 암 세포주 A375와 유방암 세포주 MDA-MB-231은 KCLB (한국 세포주 은행)에서 입수하였다. A375 세포는 Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM; Gibco; Thermo Fisher Scientific, Inc.,)에서 배양되었고 MDA-MB-231 세포는 RPMI-1640 (Gibco; Thermo Fisher Scientific, Inc.,)에서 배양되었다. 양 배지는 모두 10 % 열-불활성화 소태아 혈청 (FBS; Tissue Culture Biologicals. Long Beach, CA, USA), 스트렙토 마이신 (50 μg / mL; Sigma-Aldrich, Merck KGaA, Darmstadt, Germany) 및 페니실린 ( 50 unit / mL; Sigma-Aldrich)을 포함한다. 상기 세포들은 5 % CO2로 가습된 인큐베이터에서 37 ℃로 성장되었다.Human melanoma cancer cell line A375 and breast cancer cell line MDA-MB-231 used in this study were obtained from KCLB (Korea Cell Line Bank). A375 cells were cultured in Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM; Gibco; Thermo Fisher Scientific, Inc.,) and MDA-MB-231 cells were cultured in RPMI-1640 (Gibco; Thermo Fisher Scientific, Inc.,). Both media contained 10% heat-inactivated fetal bovine serum (FBS; Tissue Culture Biologicals. Long Beach, CA, USA), streptomycin (50 μg/mL; Sigma-Aldrich, Merck KGaA, Darmstadt, Germany) and penicillin ( 50 units/mL; Sigma-Aldrich). The cells were grown at 37° C. in an incubator humidified with 5% CO 2 .

프로브(10μM)를 dimethyl sulfoxide(DMSO)에 용해시키고 Hg2+ 용액을 증류수에 준비하였다. 이 실험에서 이미 성장한 세포 (MDA-MB-231 및 A375)를 처리하지 않거나(대조군) 성장 배지에서 프로브 PS (10 μM)로 3 시간 동안 처리한 다음, PBS로 2 회 세척하였다. 이후, 세포를 다른 농도의 Hg2+ (5 및 10 μM)로 3 시간 동안 배양한 다음 37 ℃에서 PBS로 두 번 세척하였다. 두 세포의 이미지는 형광 현미경을 사용하여 관찰되었다.The probe (10 μM) was dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO), and a Hg 2+ solution was prepared in distilled water. Cells already grown in this experiment (MDA-MB-231 and A375) were either untreated (control) or treated with probe PS (10 μM) in growth medium for 3 hours, and then washed twice with PBS. Thereafter, the cells were incubated with different concentrations of Hg 2+ (5 and 10 μM) for 3 hours and then washed twice with PBS at 37°C. Images of both cells were observed using a fluorescence microscope.

세포 생존력 확인Check cell viability

프로브 PS 및 PS-Hg2+ 복합체가 세포 생존력에 미치는 결과는 MTT(3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2-5diphenyl tetrazolium bromide) 분석에 의해 수행되었다. A375 흑색종 및 MDA-MB-231 세포를 96-웰 플레이트의 각 웰에 각각 0.4 x 105 및 0.2 x 105 세포 밀도로 접종하였다. 세포를 10 μM의 프로브 PS 및 10 μM의 Hg2+에서 처리하였고, 24 시간 동안 다양한 농도의 프로브(5 및 10 μM)로 공동 처리했다. 세포 생존력의 억제는 MTT 분석 (10 μL MTT / 100 μL 세포)에 의해 면밀히 조사되었으며, 광학 흡광도는 마이크로 플레이트 리더를 사용하여 570 nm에서 측정되었다.The results of probe PS and PS-Hg 2+ complex on cell viability were analyzed by MTT (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2-5diphenyl tetrazolium bromide) assay. A375 melanoma and MDA-MB-231 cells were seeded into each well of a 96-well plate at a density of 0.4 x 10 5 and 0.2 x 10 5 cells, respectively. Cells were treated with 10 μM of probe PS and 10 μM of Hg 2+ , and co-treated with various concentrations of probe (5 and 10 μM) for 24 h. Inhibition of cell viability was scrutinized by MTT assay (10 μL MTT/100 μL cells), and optical absorbance was measured at 570 nm using a microplate reader.

In vitro 형광 이미지 관찰In vitro fluorescence image observation

A375 및 MDA-MB-231 세포의 형광 강도는 앞에서 설명한 바와 같이 형광 현미경 (BX51, Olympus, Tokyo, Japan)에 의해 확인되었다. 간단히 말해서, MDA-MB-231 및 A375 세포를 35mm 배양 플레이트에 1.5x105 세포로 시드한 다음, 녹색광 (파장 532nm) 하에서 세포를 조사하였다.The fluorescence intensity of A375 and MDA-MB-231 cells was confirmed by fluorescence microscopy (BX51, Olympus, Tokyo, Japan) as previously described. Briefly, MDA-MB-231 and A375 cells were seeded in 35 mm culture plates at 1.5× 10 5 cells, and then the cells were irradiated under green light (wavelength 532 nm).

<실시예 2: pH에 따른 효과 확인><Example 2: Confirmation of effect according to pH>

pH 범위에 따른 프로브 PS의 아웃풋을 확인하기 위해 UV-vis 흡수 실험을 수행하였다. pH 3-10에서 다양한 pH 용액을 준비하고 화학 센서 PS에 대한 최상의 작동 범위를 확인하였다. pH 적정 실험에서 금속이 없는 화학 센서 PS는 pH 8-10에서 낮은 흡광도 값을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 양성자화가 고리 열림 현상을 유발하기 때문에 흡광도 값은 낮은 pH에서 증가한다. 그러나 Hg2+ 금속을 화학 센서 PS에 혼합한 후 흡광도는 pH 범위 6-8에서 더 높았고, 그 후 도 1에서 볼 수 있듯이 pH 9-10과 같이 매우 큰 염기성 조건에서 흡광도는 즉시 감소하였다. 높은 pH 값에서 얻은 낮은 흡광도 값은 Hg2+ 금속 이온이 수산화물 형태로 가수 분해될 수 있으며 화학 센서 PS와 복합체를 형성할 수 없음을 시사한다. 따라서 본 발명의 전체 실험은 pH를 7.0으로 하여 수행하였다.A UV-vis absorption experiment was performed to confirm the output of the probe PS according to the pH range. Various pH solutions at pH 3-10 were prepared and the best working range for the chemical sensor PS was identified. In a pH titration experiment, the metal-free chemical sensor PS was found to exhibit low absorbance values at pH 8-10. Absorbance values increase at lower pH because protonation causes ring opening. However, after Hg 2+ metal was mixed with the chemical sensor PS, the absorbance was higher in the pH range of 6-8, and then, as shown in FIG. 1, the absorbance immediately decreased under very large basic conditions such as pH 9-10. The low absorbance values obtained at high pH values suggest that the Hg 2+ metal ions can be hydrolyzed to the hydroxide form and cannot form a complex with the chemical sensor PS. Therefore, the entire experiment of the present invention was performed at a pH of 7.0.

<실시예 3: 분광학적 특성 확인><Example 3: Confirmation of spectroscopic properties>

실시예 3-1. 흡수 및 형광 연구를 통한 프로브 PS의 선택성Example 3-1. Selectivity of probe PS through absorption and fluorescence studies

Ba2+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Cu2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+, Al3+, Cr3+, Fe3+, Na+, K+, Cu+ 및 Ca+ 등과 같은 다양한 금속 이온에 대한 프로브 PS의 감도를 탐색하기 위해 THF : 물 시스템 (8 : 2, v/v, pH = 7.0)에서 UV-vis 흡광도 및 형광 연구를 수행하였다.Ba 2+ , Ca 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ , Al 3+ , Cr 3 To explore the sensitivity of the probe PS to various metal ions such as + , Fe 3+ , Na + , K + , Cu + and Ca + etc. in a THF:water system (8:2, v/v, pH = 7.0) UV-vis absorbance and fluorescence studies were performed.

UV-vis 흡수 실험에 있어서, 혼합 유기 및 수성 시스템에서 프로브 PS (10μM)의 흡수 스펙트럼은 500nm를 초과하는 응답을 나타내지 않았다(도 2의 A). 이는 프로브 PS가 혼합된 유기 및 수성 용매상에서 개방고리(형광)가 아닌 폐쇄 스피로사이클릭 형태(비형광)로 존재함을 보여준다.In the UV-vis absorption experiment, the absorption spectrum of the probe PS (10 μM) in the mixed organic and aqueous systems did not show a response exceeding 500 nm (Fig. 2A). This shows that the probe PS exists in a closed spirocyclic form (non-fluorescence) rather than an open ring (fluorescence) in the mixed organic and aqueous solvent phases.

또한 Hg2+를 제외한 다양한 금속 이온(알칼리, 알칼리토금속 그룹, 전이, 비전이 금속 등) 5.0 당량 첨가로 인한 실질적인 변화는 없었다. 그러나 Hg2+를 첨가한 후 흡수 스펙트럼에서 큰 변형이 관찰되었으며 이는 프로브 PS가 Hg2+ 금속 이온을 선택적으로 구별할 수 있음을 나타낸다.In addition, there was no substantial change due to the addition of 5.0 equivalents of various metal ions (alkali, alkaline earth metal group, transition, non-transition metal, etc.) except Hg 2+ . However, a large deformation was observed in the absorption spectrum after addition of Hg 2+ , indicating that the probe PS can selectively discriminate Hg 2+ metal ions.

마찬가지로, Hg2+ 금속 이온에 대한 프로브 PS의 선택성을 혼합 유기 및 수성 시스템 (THF : 물, 8 : 2, V/V, pH = 7)에서 형광 분광법을 사용하여 추가로 검사하였다. 도 2의 B에 표시된 것처럼 프로브 PS는 폐쇄된 5원 스피로락탐 프레임 워크로 인해 비형광이다. 프로브 PS가 Ba2+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Cu2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+, Al3+, Cr3+, Fe3+, Na+, K+, Cu+ 및 Ca+ 등과 같은 일련의 수많은 금속염(5.0 당량)과 합쳐졌을 때 방출 스펙트럼은 실질적인 변화를 일으키지 않았다. 그러나 프로브 PS를 Hg2+ 금속 이온과 합친 후 558nm의 방출 스펙트럼에서 현저한 형광 향상이 관찰되었다. 이것은 프로브 PS를 Hg2+ 금속 이온의 검출을 위한 "켜짐" 형광 화학 센서로 만든다 (도 2의 B). Hg2+ 와의 상호 작용 후 프로브 PS는 스피로락탐 개방 고리 형태 (형광)로 존재하여 눈에 띄는 변화가 관찰되었다.Likewise, the selectivity of the probe PS for Hg 2+ metal ions was further examined using fluorescence spectroscopy in mixed organic and aqueous systems (THF:water, 8:2, V/V, pH=7). As indicated in Fig. 2B, the probe PS is non-fluorescent due to the closed five-membered spirolactam framework. Probe PS is Ba 2+ , Ca 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ , Al 3+ When combined with a series of numerous metal salts (5.0 equivalents) such as , Cr 3+ , Fe 3+ , Na + , K + , Cu + and Ca + , the emission spectrum did not change substantially. However, a significant fluorescence enhancement was observed in the emission spectrum at 558 nm after combining the probe PS with Hg 2+ metal ions. This makes the probe PS an “on” fluorescent chemical sensor for the detection of Hg 2+ metal ions ( FIG. 2B ). After interaction with Hg 2+ , the probe PS existed in the form of spirolactam open ring (fluorescence), and a noticeable change was observed.

실시예 3-2. PS-Hg2+에 다른 금속 이온이 미치는 영향 확인Example 3-2. Confirm the effect of different metal ions on PS-Hg2+

공존하는 다른 금속 이온이 방출 강도에 미치는 영향을 조사하기 위해 경쟁 금속 이온 실험을 수행하였다.Competitive metal ion experiments were performed to investigate the effect of coexisting other metal ions on emission intensity.

Hg2+(50μM)에 의해 유도된 프로브 PS(10μM)가 형광 강도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Ba2+, Ca2+, Cd2+, Co2+, Cu2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+, Al3+, Cr3+, Fe3+, Na+, K+, Cu+ 및 Ca+ (50 μM)를 포함하는 다른 금속 이온을 PS와 Hg2+가 조합된 유기 및 수성 시스템에 통합하였다.To investigate the effect of Hg 2+ (50 μM)-induced probe PS (10 μM) on fluorescence intensity, Ba 2+ , Ca 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Ni 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ , Al 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Na + , K + , Cu + and others including Ca + (50 μM) Metal ions were incorporated into organic and aqueous systems combined with PS and Hg 2+ .

각 금속 이온(빨간색 기둥)이 있는 프로브 PS와 다른 금속 이온(녹색 기둥)이 있는 프로브 PS+Hg2+ 이온의 형광 방출 강도 결과가 도 3에 나와 있다. 조사된 백그라운드 금속 이온은 Hg2+ 금속 이온 인식에 간섭을 나타내지 않았다. 그에 비해, 도 3 (빨간색 기둥)에 제시된 바와 같이, Co2+는 다른 금속 이온에 비해 약간 더 많은 형광 반응을 나타내었다. 그러나 동일한 용액에 Co2+ 금속 이온이 존재하더라도 PS+Hg2+ 복합체의 형광 강도는 크게 영향을 받지 않았다. 위 결과는 프로브 PS가 Hg2+에 대하여 선택성과 민감도가 있음을 의미한다.The results of the fluorescence emission intensity of the probe PS with each metal ion (red pillars) and the probe PS+Hg 2+ ions with other metal ions (green pillars) are shown in FIG. 3 . The irradiated background metal ions did not interfere with Hg 2+ metal ion recognition. In comparison, as shown in FIG. 3 (red column), Co 2+ showed slightly more fluorescence response than other metal ions. However, even in the presence of Co 2+ metal ions in the same solution, the fluorescence intensity of the PS+Hg 2+ complex was not significantly affected. The above result means that the probe PS has selectivity and sensitivity to Hg 2+ .

<실시예 4: 통계 데이터 분석><Example 4: Statistical Data Analysis>

실시예 4-1. 형광 적정 및 검출 한계(LOD) 확인Example 4-1. Fluorescence titration and limit of detection (LOD) determination

0-10 μM 농도 범위 내에서 Hg2+ 금속 이온이 존재하거나 존재하지 않는 프로브 PS의 형광 강도는 도 4에 제시되어 있다. 프로브 PS의 형광 방출 강도는 0-10 μM 범위 내에서 Hg2+ 금속 이온 추가에 따라 선형적으로 급증하는 것으로 밝혀졌다. 위 결과를 통해 작성한 [Hg2+]에 대한 형광 강도 그래프는 도 5에 나타난 바와 같이 직선 방정식을 따른다. 상기 직선 방정식은 0-10 μM 범위의 형광 추가 향상 결과와 잘 맞는다. 검출한계 (limit of the detection, LOD)는 아래 식 1을 사용하여 계산되었으며, 3.0375 × 10-8M (30.37 nM) 인 것으로 관찰되었다.The fluorescence intensity of the probe PS with and without Hg 2+ metal ions within the 0-10 μM concentration range is presented in FIG. 4 . The fluorescence emission intensity of the probe PS was found to increase linearly with Hg 2+ metal ion addition within the 0-10 μM range. The fluorescence intensity graph for [Hg 2+ ] prepared through the above results follows a linear equation as shown in FIG. 5 . The linear equation above fits well with fluorescence further enhancement results in the 0-10 μM range. The limit of the detection (LOD) was calculated using Equation 1 below, and was observed to be 3.0375 × 10 −8 M (30.37 nM).

[식 1][Equation 1]

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서 σ 및 K는 블랭크 측정의 표준 편차와 Hg2+ 금속 이온 농도에 대한 형광 강도 사이의 기울기를 나타낸다.where σ and K represent the slope between the standard deviation of the blank measurement and the fluorescence intensity with respect to the Hg 2+ metal ion concentration.

본 발명에서 계산된 LOD는 이전에 보고된 방법보다 훨씬 낮다. Hg2+ 금속 이온 검출에 대한 보고된 다른 방법과 본 발명을 비교하기 위한 비교표는 아래와 같다 (표 1).The calculated LOD in the present invention is much lower than previously reported methods. A comparison table for comparing the present invention with other reported methods for Hg 2+ metal ion detection is as follows (Table 1).

[표 1][Table 1]

Figure pat00016
Figure pat00016

실시예 4-2. 결합 화학량론 및 복합체의 결합 상수 결정Example 4-2. Determination of binding stoichiometry and binding constants of complexes

화학 센서 PS-Hg2+ 복합체 간의 결합 화학 양론을 결정하기 위해 Job's plot 실험을 수행하였다. 이 실험에서 리간드(PS)와 금속(Hg2+)의 몰분율의 최종합은 단순히 리간드 (Hg2+)의 몰 분율을 변경하며 일정하게 유지되었다. 도 6은 Job's plot을 나타내며 Hg2+ 금속 이온에 대한 몰 분율이 0.1-0.9 인 모든 용액의 해당 흡수 값을 보여준다. 이 실험에서 최대 흡광도는 Hg2+ 금속 이온의 경우 약 0.5 몰 분율에서 발견되었다. 위 결과는 화학센서 PS와 Hg2+ 금속 이온이 1:1 복합체를 형성한다는 것을 의미한다. 더불어, 형광광도 데이터(558nm)로부터 프로브 PS 및 Hg2+ 사이의 결합상수는 아래의 식 2로 표시된다.A Job's plot experiment was performed to determine the binding stoichiometry between the chemical sensor PS-Hg 2+ complexes. In this experiment, the final sum of the mole fractions of the ligand (PS) and the metal (Hg 2+ ) was kept constant by simply changing the mole fraction of the ligand (Hg 2+ ). 6 shows a Job's plot and shows the corresponding absorption values for all solutions with a mole fraction of 0.1-0.9 for Hg 2+ metal ions. In this experiment, the maximum absorbance was found at about 0.5 mole fraction for Hg 2+ metal ions. The above result means that the chemical sensor PS and Hg 2+ metal ion form a 1:1 complex. In addition, the binding constant between the probe PS and Hg 2+ from the fluorescence intensity data (558 nm) is expressed by Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서, F0, F 및 Fmax는 각각, Hg2+가 없는 경우, 상이한 농도의 Hg2+가 존재하는 경우 및 Hg2+ 존재하 최대 형광 광도를 나타낸다. KB는 결합 상수이고 n은 화학 센서 PS 및 Hg2+ 복합체에 결합된 Hg2+ 금속 이온의 수이다(여기서, n = 1). 또한, 수정된 Benesi-Hildebrand (B-H) 그래프는 도 7과 같다. 선형 B-H 플롯에서 얻은 기울기 값은 결합 상수를 계산하는데 사용되었으며, 프로브 PS 및 Hg2+ 사이에서 1 : 1 복합화에 대해 KB = 6 × 104 M-1의 높은 결합 상수 값을 확인하였다.Here, F 0 , F and F max represent the maximum fluorescence intensity in the absence of Hg 2+ , in the presence of different concentrations of Hg 2+ and in the presence of Hg 2+ , respectively. K B is the binding constant and n is the number of Hg 2+ metal ions bound to the chemical sensor PS and the Hg 2+ complex (where n = 1). In addition, the modified Benesi-Hildebrand (BH) graph is shown in FIG. 7 . The slope value obtained from the linear BH plot was used to calculate the binding constant, confirming a high binding constant value of K B = 6 × 10 4 M −1 for 1:1 complexation between the probes PS and Hg 2+ .

실시예 4-3. 센싱 메커니즘Example 4-3. sensing mechanism

로다민 또는 그 유도체는 고유한 구조적 특성으로 인해 화학 센서 연구에서 궁극적인 모델이다. 폐쇄형 5원 고리형 아미드 기능(spirolactum)은 비형광성 거동을 나타내며, 개방형 고리 형태의 스피로락탐(spirolactum)은 강력한 형광 방출 강도를 유도한다. 더욱이, 중금속 이온이나 양이온이 없는 경우 이러한 프로브는 무색 및 비형광인 스피로사이클릭 형태를 유지한다. 그러나 금속 양이온이 존재하면 스피로사이클릭 고리가 열리게 되며, 결과적으로 이러한 프로브는 형광 연구에서 더 많은 형광을 나타내거나 강한 형광 방출 강도를 나타낸다. 따라서 스피로사이클릭 고리열림 메커니즘은 킬레이트화를 통해 작동한다고 제안될 수 있다. 킬레이트화는 프로브 PS에 존재하는 아미드 작용기의 산소 원자와 배위된 복합체에서 나온 Hg2+ 금속 이온이다. 로다민 기반 스피로락탐 화학센서에 대한 많은 연구가 존재하며, 화학 센서 PS의 Hg2+ 자극 형광 향상은 스피로락탐 고리열림 메커니즘의 매우 기대되는 결과이다. 따라서, 킬레이트화 메커니즘을 면밀히 조사하기 위해 스피로사이클릭 고리열림 접근법을 통해 작동되는 Hg2+ 금속 이온을 추가하여 프로브 PS의 형광을 강화하였다.Rhodamine or its derivatives are the ultimate model in chemical sensor research due to their unique structural properties. The closed 5-membered cyclic amide function (spirolactum) exhibits non-fluorescence behavior, and the open-ring form of spirolactum induces strong fluorescence emission intensity. Moreover, in the absence of heavy metal ions or cations, these probes retain their colorless and non-fluorescent spirocyclic conformation. However, the presence of metal cations opens the spirocyclic ring, and as a result, these probes show more fluorescence in fluorescence studies or strong fluorescence emission intensity. Therefore, it can be suggested that the spirocyclic ring opening mechanism operates through chelation. The chelation is an Hg 2+ metal ion from the complex coordinated with the oxygen atom of the amide functional group present in the probe PS. There are many studies on the rhodamine-based spirolactam chemical sensor, and the Hg 2+ -stimulated fluorescence enhancement of the chemical sensor PS is a very promising result of the spirolactam ring opening mechanism. Therefore, to closely examine the chelation mechanism, the fluorescence of the probe PS was enhanced by the addition of Hg 2+ metal ions actuated via a spirocyclic ring opening approach.

구체적으로, Jobs plot, 1H NMR 적정 및 형광 수명을 포함한 여러 실험을 수행하였다. Jobs plot 실험(도 6)에서 적정용액의 흡광도 값은 약 0.5에서 변곡점을 나타내며, 이는 혼합 유기 및 수성 시스템 (8:2, THF : 물)에서 프로브 PS와 Hg2+ 금속 이온(예 : PS-Hg2+) 사이에 1:1 배위 등급이 형성됨을 의미한다. 마찬가지로, 프로브 PS와 Hg2+ 금속 이온 사이의 화학 양론과 배위는 1H NMR 적정 실험에 의해 확인되었다. 여기에서 프로브 PS (1.0 당량)는 0.5 및 1.0 당량과 같은 다양한 농도의 Hg2+ 금속 이온과 결합되었다. 도 8은 3개의 별개 1H NMR 스펙트럼 (A / B & C)으로 구성되며, 스펙트럼 A는 프로브 PS에 대해서만 기록된 반면 스펙트럼 B 및 C는 각각 0.5 및 1.0 당량의 Hg2+를 갖는 프로브 PS(1.0 당량)를 포함한다.Specifically, several experiments including Jobs plot, 1 H NMR titration and fluorescence lifetime were performed. In the Jobs plot experiment (Fig. 6), the absorbance value of the titration solution shows an inflection point at about 0.5, which is the probe PS and Hg 2+ metal ions (eg PS-) in mixed organic and aqueous systems (8:2, THF: water). It means that a 1:1 coordination class is formed between Hg2+). Likewise, the stoichiometry and coordination between probe PS and Hg 2+ metal ions were confirmed by 1 H NMR titration experiments. Here, the probe PS (1.0 equiv.) was coupled with various concentrations of Hg 2+ metal ions, such as 0.5 and 1.0 equiv. Figure 8 consists of three distinct 1 H NMR spectra (A/B & C), with spectrum A recorded only for probe PS whereas spectra B and C are probe PS with 0.5 and 1.0 equivalents of Hg 2+ , respectively (Fig. 1.0 equivalent).

도 8의 A와 B에서 볼 수 있듯이 N-H 양성자에 대한 화학적 이동 값이 5.04 ppm 인 피크가 나타났는데 이는 5원 스피로사이클릭 고리가 여전히 닫힌 형태로 존재함을 시사한다. 이는 0.5 당량의 Hg2+ 금속 이온 함유 프로브 PS를 첨가한 후 복합체를 형성하지 않음을 의미한다. 그러나 N-H 양성자는 1.0 당량의 Hg2+를 첨가시 금속 이온이 프로브 PS와 결합하고 복합체 (PS-Hg2+)를 형성하여 고리가 열린 후 사라졌다. Hg2+ 금속 이온과 프로브 PS의 결합 모드는 반응식 2에 나와 있다.As can be seen from A and B of FIG. 8, a peak with a chemical shift value of 5.04 ppm for NH protons appeared, suggesting that the 5-membered spirocyclic ring still exists in a closed form. This means that no complex is formed after the addition of 0.5 equivalents of Hg 2+ metal ion-containing probe PS. However, when 1.0 equivalent of Hg 2+ was added, the metal ion combined with the probe PS to form a complex (PS-Hg 2+ ) and disappeared after the ring was opened. The binding mode between the Hg 2+ metal ion and the probe PS is shown in Scheme 2.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure pat00018
Figure pat00018

프로브 PS-Hg2+의 여기된 상태 복합체화는 혼합 THF : 물 (V / V, 8 : 2, pH = 7) 시스템에서 프로브 PS에 대한 Hg2+ 금속 이온의 존재 및 부재하에 형광 수명 값을 검사함으로써 추가로 인증되었으며, 표 2에 나타나 있다.Excited state complexation of probe PS-Hg 2+ yielded fluorescence lifetime values in the presence and absence of Hg 2+ metal ions for probe PS in a mixed THF:water (V/V, 8:2, pH = 7) system. It was further certified by inspection and is shown in Table 2.

[표 2][Table 2]

Figure pat00019
Figure pat00019

우선, 1.63ns로 검출된 프로브 PS에 대해 형광 수명을 계산하였다. 그 다음, 0-10 μM의 농도 범위 내에서 Hg2+ 금속 이온을 첨가한 후 형광 수명 값은 Hg2+ 금속 이온의 첨가에 따라 증가하며 각각 3.13, 3.53, 3.91로 나타났다.First, the fluorescence lifetime was calculated for the probe PS detected at 1.63 ns. Then, after the addition of Hg 2+ metal ions within the concentration range of 0-10 μM, the fluorescence lifetime values increased with the addition of Hg 2+ metal ions, respectively, to 3.13, 3.53, and 3.91.

상기 결과는 상대적으로 유연한 프로브 PS 보다 비유연한 PS-Hg2+ 복합체에 의해 생성된 비복사 경로의 동결에 의한 복합화를 통해 형광 강도 및 여기된 단일상태 수명의 향상을 나타낸다.The above results indicate improvements in fluorescence intensity and excited single-state lifetime through complexation by freezing of the non-radiative pathway generated by the non-flexible PS-Hg 2+ complex rather than the relatively flexible probe PS.

<실시예 5: 형광 방법의 적용><Example 5: Application of the fluorescence method>

실시예 5-1. 화학 센서 PS를 사용하여 환경 샘플에서 HgExample 5-1. Hg in environmental samples using chemical sensor PS 2+2+ 의 정량적 측정quantitative measurement of

본 발명 화학 센서 PS의 실제 적용 가능성은 스파이크 및 회복 접근법을 사용하여 평가되었다. 음용수와 수돗물에서 Hg2+ 오염이 밝혀졌다. 샘플은 대학 지역 캠퍼스에서 수집되었다. 이 실험을 수행하기 위해 Hg2+ 금속 이온의 표준 용액을 스파이킹 하여 Hg2+ 금속 이온을 세 가지 다른 농도 용액을 준비하였다. 테스트는 알려진 양의 표준 Hg2+ 금속 이온 용액을 스파이킹하여 수행되었다. 이 세 테스터의 형광 방출 강도가 평가되었고, 도 4에 제시된 0-10 μM 범위 내에서 형광 방출 강도와 상관 관계를 가졌다. 실제 용수 샘플 분석 데이터는 표 3에 나와있다.The practical applicability of the present chemical sensor PS was evaluated using a spike and recovery approach. Hg 2+ contamination was found in drinking and tap water. Samples were collected at university regional campuses. To carry out this experiment, three different concentration solutions of Hg 2+ metal ions were prepared by spiking a standard solution of Hg 2+ metal ions. The test was performed by spiking a known amount of a standard Hg 2+ metal ion solution. The fluorescence emission intensities of these three testers were evaluated and correlated with the fluorescence emission intensities within the 0-10 μM range shown in FIG. 4 . Actual water sample analysis data are shown in Table 3.

[표 3][Table 3]

Figure pat00020
Figure pat00020

실제 용수 샘플 분석의 경우 추가된 Hg2+의 알려진 양에 대해 계산된 회수율은 96-100 % 사이였다. 위 결과는 실제 물 샘플 평가에 본 발명을 적용할 수 있음을 보여준다.For real water sample analysis, the calculated recovery for a known amount of added Hg 2+ was between 96-100 %. The above results show that the present invention can be applied to actual water sample evaluation.

실시예 5-2. 화학 센서 (PS) 및 세포 독성 연구를 활용한 HgExample 5-2. Hg Utilizing Chemical Sensors (PS) and Cytotoxicity Studies 2+2+ 의 세포 내 이미징Intracellular imaging of

세포 이미징cell imaging

수은은 공기, 토양 및 물에서 발견되는 자연 발생 요소이다. 수은은 WHO에 따라 상위 10 대 화학 물질 중 가장 위험한 물질 중 하나이다. 수은 흡입은 신경계, 면역계, 소화계, 신장 및 폐에 대한 치명성과 같은 인체 건강에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 이러한 우려를 극복하기 위해 본 발명자는 Hg2+ 금속 이온에 대한 민감도뿐만 아니라 높은 선택성을 가진 화학 센서를 합성하고 개발하였다.Mercury is a naturally occurring element found in air, soil and water. Mercury is one of the top 10 most dangerous substances according to the WHO. Inhalation of mercury can cause serious health problems, including lethality to the nervous system, immune system, digestive system, kidneys and lungs. Therefore, in order to overcome these concerns, the present inventors synthesized and developed a chemical sensor having high selectivity as well as sensitivity to Hg 2+ metal ions.

현재 화학 센서의 신뢰성과 기능성을 검증하기 위해 바이오 이미징 연구를 수행하였다. 합성된 화학 센서 PS는 Hg2+로 처리하거나 처리하지 않고 각각 MDA-MB-231 및 A375와 같은 두 개의 암 세포주에서 탐색되었다. 이 실험에서 배양된 세포는 다양한 농도의 프로브 PS, Hg2+ 금속 이온으로 처리되었으며 다양한 모델에 대해 획득된 형광 이미지가 도 9 및 10에 나타나 있다. 도 9에 나타난 형광 이미지는 DMSO 내 프로브 PS (10 μM) (B1), PS (10 μM) + 5 μM의 Hg2+ (B2), 및 PS (10 μM) +10 μM의 Hg2+ (B3) 처리된 MDA-MB-231 cell을 나타낸다. Bioimaging research was conducted to verify the reliability and functionality of the current chemical sensor. The synthesized chemical sensor PS was detected in two cancer cell lines, MDA-MB-231 and A375, respectively, with or without Hg 2+ . Cells cultured in this experiment were treated with various concentrations of probe PS and Hg 2+ metal ions, and fluorescence images obtained for various models are shown in FIGS. 9 and 10 . The fluorescence images shown in FIG. 9 are the probes PS (10 μM) (B1), PS (10 μM) + 5 μM Hg 2+ (B2), and PS (10 μM) +10 μM Hg 2+ (B3) in DMSO. ) shows the treated MDA-MB-231 cells.

532 nm의 여기 파장 (녹색광)에서 형광 현미경 측정을 사용하여 형광 이미지를 평가하였다. 테스트 샘플의 형광 및 명시야 투과 이미지는 도 9 및 10과 같이 살아있는 MDA-MB-231 및 A375 세포에 대한 대조군과 동일하였다. 실험 결과 프로브 PS와 Hg2+ 금속 이온이 서로 상호 작용할 때 모두 높은 형광을 나타냄을 확인하였다. 구체적으로, 두 암세포주 모두 이미 성장한 암세포를 프로브 PS로 처리한 경우 형광을 표시하지 않거나(MDA-MB-231) 매우 낮았다(A375). 게다가, 다른 농도 (5 & 10 μM)의 프로브 PS (10 μM)와 Hg2+는 성장된 MDA-MB-231 및 A375 세포에 집합적으로 처리되었다. 프로브 PS는 Hg2+ 금속 이온과 강하게 배위하며 Hg2+ 금속 이온의 농도를 증가시키면서 강한 형광을 나타냄을 발견하였다. 따라서 이러한 실험 결과와 관찰을 바탕으로 프로브 PS는 세포 내 Hg2+ 금속 이온 존재 확인을 위한 최상의 제품이 될 수 있다.Fluorescence images were evaluated using fluorescence microscopy measurements at an excitation wavelength of 532 nm (green light). The fluorescence and brightfield transmission images of the test sample were the same as those of the control for live MDA-MB-231 and A375 cells as shown in FIGS. 9 and 10 . As a result of the experiment, it was confirmed that the probe PS and Hg 2+ metal ions both exhibit high fluorescence when they interact with each other. Specifically, both cancer cell lines did not display fluorescence (MDA-MB-231) or showed very low fluorescence when already grown cancer cells were treated with the probe PS (A375). In addition, different concentrations (5 & 10 μM) of probe PS (10 μM) and Hg 2+ were collectively treated on grown MDA-MB-231 and A375 cells. It was found that the probe PS strongly coordinated with Hg 2+ metal ions and exhibited strong fluorescence while increasing the concentration of Hg 2+ metal ions. Therefore, based on these experimental results and observations, probe PS can be the best product for checking the presence of Hg 2+ metal ions in cells.

세포독성cytotoxicity

Hg2+ 금속 이온 유무에서 프로브 PS의 세포 독성 영향은 MTT 분석법을 사용하여 각각 MDA-MB-231 및 A375와 같은 두 개의 암세포를 사용하여 조사되었다. 세포 표면에 대한 무독성 특성을 가지는 dimethyl sulfoxide (DMSO)는 전체 실험에서 용매로 사용되었다. 또한, 프로브 PS (10μM), Hg2+ (10μM) 및 프로브 PS (10μM)에 대한 서로 다른 농도의 Hg2+ (5 및 10μM)를 두 암세포에 24시간 동안 처리하였다. 암세포 모두에 대해 수행된 세포 생존력 측정은 도 11 (1 & 2)에 제시되어 있다. 테스트된 모든 샘플의 무독성 정도는 통제 가능한 범위 내에 있었다. PS 프로브와 PS-Hg2+ 복합체를 포함한 모든 샘플은 유방암 세포 MDA-MB-231과 인간 흑색 종 A375 세포에 무독성인 것으로 밝혀졌다. 위의 결과로부터 프로브 PS와 Hg2+ 이온과의 복합체는 Hg2+ 금속 이온의 세포 내 검출에 유용할 수 있음을 유추할 수 있다.The cytotoxic effect of probe PS in the presence or absence of Hg 2+ metal ions was investigated using two cancer cells, MDA-MB-231 and A375, respectively, using the MTT assay. Dimethyl sulfoxide (DMSO), which has non-toxic properties on the cell surface, was used as a solvent in the entire experiment. In addition, two cancer cells were treated with different concentrations of Hg 2+ (5 and 10 μM) for probe PS (10 μM), Hg 2+ (10 μM) and probe PS (10 μM) for 24 hours. Cell viability measurements performed on both cancer cells are presented in Figure 11 (1 & 2). The degree of non-toxicity of all samples tested was within the controllable range. All samples containing the PS probe and PS-Hg 2+ complex were found to be non-toxic to breast cancer cells MDA-MB-231 and human melanoma A375 cells. From the above results, it can be inferred that the complex of the probe PS and Hg 2+ ions may be useful for intracellular detection of Hg 2+ metal ions.

Claims (6)

하기 화학식 1로 표시되는 화합물.
[화학식 1]
Figure pat00021

A compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure pat00021

제1항의 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 수은 이온(Hg2+) 검출용 조성물.
A composition for detecting mercury ions (Hg 2+ ), comprising the compound represented by Formula 1 of claim 1 .
제2항에 있어서, 상기 수은 이온(Hg2+)은 세포 내 존재하는 것인, 조성물.
The composition of claim 2, wherein the mercury ions (Hg 2+ ) are present in cells.
제2항에 있어서, 상기 조성물의 pH는 6 내지 8인 것인, 조성물.
The composition of claim 2, wherein the pH of the composition is 6 to 8.
제1항의 화학식 1로 표시되는 화합물을 검체와 반응시키는 단계를 포함하는 수은 이온(Hg2+) 검출 방법.
A method for detecting mercury ions (Hg 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 pat00022

[화학식 2]
Figure pat00023

[화학식 3]
Figure pat00024

[화학식 4]
Figure pat00025

[화학식 5]
Figure pat00026
(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 pat00022

[Formula 2]
Figure pat00023

[Formula 3]
Figure pat00024

[Formula 4]
Figure pat00025

[Formula 5]
Figure pat00026
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