KR101466800B1 - 방향족을 포함하는 아미노산에서 유래되는 수은 이온 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 수은 이온 검출방법 - Google Patents

방향족을 포함하는 아미노산에서 유래되는 수은 이온 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 수은 이온 검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서는 100 % 수용액 및 수용액-유기용액의 혼합용액에서 종래의 형광 감응 화학센서에 비해 수은 이온(Hg2 +)과의 결합성이 우수하고, 다른 전이금속 이온의 존재 하에서도, 선택적으로 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 형성하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출이 가능하다. 또한, 농도에 따라 비례적으로 검출함으로써, 수은 이온(Hg2+)의 정량 분석이 가능할 뿐만 아니라, 생체시료에 침투성이 뛰어나고, 생체 시료의 pH 범위에서 수은 이온(Hg2+) 검출능이 우수하여, 생체시료 내에서의 수은 이온(Hg2+) 검출이 가능하므로, 지하수, 하천과 같은 수계 환경 및 생체시료 등의 낮은 농도의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 요구되는 전반적인 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

방향족을 포함하는 아미노산에서 유래되는 수은 이온 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서, 이의 제조방법 및 이를 이용한 수은 이온 검출방법{Mercury ion selective, ratiometric fluorescent chemosensor derived from aromatic amino acid, preparation method thereof and detection method of mercury ion using the same}
본 발명은 방향족을 포함하는 아미노산에서 유래되고 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로, 비례적으로 형광 감응하는 화학센서, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출하는 방법에 관한 것이다.
생체 내 주요 물질과 이온들에 대한 새로운 센서의 설계와 연구는 그 동안 활발히 진행되어 왔다. 그 중에서도 최근 초분자(supramolecule) 화학에 대한 이해와 연구는 선택적으로 이온 또는 여러 가지 다른 종류의 게스트 화합물들과 결합할 수 있는 호스트 화합물의 설계에 대하여 큰 가능성을 보여 왔으며, 이러한 초분자 화합물에 형광물질을 도입함으로써 게스트 화합물과의 결합 시 발생되는 형광변화를 이용하여 보다 손쉽게 검출할 수 있는 형광 화학센서(fluorescent chemosensor)의 개발에 대한 연구에 큰 도움을 주고 있다.
형광이란 특정한 광파장(여기파장)을 갖는 광자가 표지분자(indicator molecule)와 충돌하고, 충돌의 결과로 전자가 고에너지 준위로 여기되면서 일어나는 광화학적 현상이다. 여러 분석방법 중에서 형광을 이용하는 방법은 매우 뛰어난 감도로 인해 10-9 M 농도에서도 신호를 관찰할 수 있는 큰 장점을 가지고 있어 많이 활용되고 있는 방법이며, 최근에는 이러한 성질을 이용하여 양이온, 음이온 그리고 중성 유기 분자들의 검출용 형광 화학 센서에 응용되는 연구들이 발표되고 있다(비특허문헌 1).
근래에, 대양과 화산에 의한 방출(비특허문헌 2), 금채광(비특허문헌 3), 또는 고체 폐기물 소각에 의한 수은 오염은 면역계, 유전자, 신경계에 대한 극심한 독성 때문에 큰 이슈가 되고 있으며, 이러한 수은은 실제로 매우 위험한 맹독성 오염물질로서 주변 환경 속에 많이 존재하고 있다. 수은은 주로 물에 잘 용해되는 이온형태(Hg2+)로 전환되어 수질 오염을 일으키며, 이렇게 오염된 수질에 생존하는 어류, 또는 수질을 이용하여 생산되는 농산물에 쉽게 축적된다. 수은 이온은 먹이 사슬을 통해 인간에게까지 축적이 이루어지며, 먹이사슬의 마지막 단계인 인간에게 축적되는 오염량은 상당히 높은 수준이다. 그러므로 수용액 상에 존재하는 수은의 함량을 잘 모니터링 하는 것이 인류의 건강을 지키는 중요한 활동 중 하나가 될 수 있다. 따라서, 수용액에서 잘 녹고 수은 이온(Hg2 +)에 대해서 강한 결합력과 선택성을 갖는 새로운 수은 화학센서의 개발에 큰 관심이 모아지고 있다.
종래, 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로 인식하는 다양한 화학센서들이 보고되었다. 예를 들면, 레이시오메트라이(ratiometry) 방법을 이용하여 선택적인 형광 변화를 관찰하는 방법이 발표된 바 있으며(비특허문헌 4), 인광을 이용한 수은 이온(Hg2 +) 검출센서가 보고된 바 있다(특허문헌 1). 또한, 형광 화학센서를 이용한 수은 이온(Hg2 +) 검출방법이 알려져 있다(특허문헌 2 내지 7, 비특허문헌 5).
그러나 상기 방법들은 수은 이온(Hg2 +)의 검출은 가능하나, 레이시오메트라이 방법을 이용한 경우, 수은 이온(Hg2 +)에 대한 선택성이 있다고 보고되었으나, 약 4배의 정도의 경미한 레이시오메트라이 거동을 나타내며, 화합물의 제조과정이 매우 복잡하고, 또한 니켈 및 구리 이온에 많은 영향을 받는 문제점이 있다. 또한, 인광을 이용한 수은 이온(Hg2 +) 검출센서는 ppm 단위 미만의 낮은 농도로 수은 이온(Hg2 +)에 오염된 시료의 경우, 수은 이온(Hg2 +) 검출하지 못하는 문제가 있다. 나아가, 종래의 알려져 있는 형광 화학센서 또한 인광을 이용한 수은 이온(Hg2 +) 검출센서와 마찬가지로, ppm 단위 미만의 낮은 농도의 수은 이온(Hg2 +)을 검출하지 못하는 경우가 대부분이며, 유기용매를 사용해야 하거나, 다른 금속이온의 간섭을 받는 등의 문제로 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로 검출하지 못하는 경우가 많다.
한편, 아미노산을 이용한 중금속 형광 센서를 합성하여 여러 종류의 전이금속을 검출하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 형광 아미노산 센서는 아래에 나와 있는 몇 가지 측면에서 많은 관심을 받고 있다. 천연 아미노산을 포함하는 형광 센서는 고체상 합성법을 이용하여 빠른 시간 내에 비교적 손쉽게 합성을 할 수 있으며, 여러 가지 아미노산의 조합을 이용하여, 원하는 금속 이온에 대한 선택성과 감도를 조절할 수 있다. 또한, 생리적 조건과 유사한 수용액에 잘 녹기 때문에 유기 용매를 쓰지 않아도 사용이 용이하므로 환경 친화적이며, 그 결합능력이 매우 우수한 점이 기존 형광 화학 센서와 차별화된 점이라 할 수 있다. 나아가, 합성된 형광 아미노산 센서를 고체상 장치에 손쉽게 결합시킬 수 있고, 중금속 흡착 센싱 등의 응용이 가능하다.
이에, 본 발명자들은 금속 이온 중 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로 검출할 수 있는 센서를 개발하던 중, 방향족을 포함하는 아미노산으로부터 유래된 화합물이 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 수은 이온(Hg2 +) 농도에 따라 비례 검출되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 제10-1031314호; 대한민국 등록특허 제10-0862606호; 대한민국 등록특허 제10-0816200호; 대한민국 등록특허 제10-0930969호; 대한민국 등록특허 제10-0028274호; 대한민국 등록특허 제10-0007112호; 대한민국 등록특허 제10-0007113호.
A. P. de Silva., et al., Chem. Rev. 97,(1997), 1515; Renzoni, A., et al., Environ. Res. 77,(1998), 68; Malm, O., et al., Environ. Res. 77,(1998), 73; Elizabeth. M., et al., J. Materials. Chem. 15,(2005), 2778; Pil Seung. K., et al., J. Kor. Chem. Soc. 54,(2010), 451.
본 발명의 목적은 방향족을 포함하는 아미노산에서 유래되는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서를 이용한 수은 이온(Hg2 +) 형광 검출방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서를 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112013062346548-pat00001
(상기 화학식 1에 있어서, R1, R2 및 R3은 본 명세서에서 정의한 바와 같다).
또한, 본 발명은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이,
화학식 3으로 표시되는 아미노산 화합물을 화학식 2로 표시되는 고체상 화합물에 도입하여 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 (단계 1);
상기 단계 1에서 제조된 화학식 4의 화합물을 피페리딘과 반응시켜 Fmoc-기가 제거된 화학식 5로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 제조된 화학식 5의 화합물을 화학식 6으로 표시되는 화합물과 반응시켜 화학식 7로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 화학식 7의 화합물을 무기산과 반응시켜 고체상이 제거된 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서의 제조방법을 제공한다:
[반응식 1]
Figure 112013062346548-pat00002
(상기 반응식 1에 있어서, R1, R2, R3, R3', Fmoc 및
Figure 112013062346548-pat00003
은 본 명세서에서 정의한 바와 같다).
나아가, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로 검출하는 형광 감응 화학센서를 수은 이온(Hg2 +) 유무를 판별하고자 하는 대상시료에 투입시키는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 대상시료 내에 존재하는 수은 이온(Hg2 +)과 화학식 1의 화합물의 반응 생성물이 발생시키는 형광 신호를 측정하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출하는 단계(단계 2)를 포함하는 수은 이온(Hg2 +) 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서는 100 % 수용액 및 수용액-유기용액의 혼합용액에서 종래의 형광 감응 화학센서에 비해 수은 이온(Hg2 +)과의 결합성이 우수하고, 다른 전이금속 이온의 존재 하에서도 선택적으로 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 형성하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출이 가능하다. 또한, 농도에 따라 비례적으로 검출함으로써, 수은 이온(Hg2 +)의 정량 분석이 가능할 뿐만 아니라, 생체시료에 침투성이 뛰어나고 생체 시료의 pH 범위에서 수은 이온(Hg2 +) 검출능이 우수하여 생체시료 내에서의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 가능하므로, 지하수, 하천과 같은 수계 환경 및 생체시료 등의 낮은 농도의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 요구되는 전반적인 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 실시예 1 화합물의 수은 이온(Hg2 +) 복합체의 ESI-MS 스펙트럼이다.
도 2는 전이 금속 이온 종류에 따른 실시예 1 화합물-금속 이온 복합체의 형광 변화를 나타낸 형광 스펙트럼이다.
도 3은 전이 금속 이온 종류에 따른 실시예 2 화합물-수은 이온 복합체의 형광 변화를 나타낸 형광 스펙트럼이다.
도 4는 전이 금속 이온 종류에 따른 실시예 4의 화합물-금속 이온 복합체의 형광 변화를 나타낸 형광 스펙트럼이다.
도 5는 전이금속 이온 종류별 각 테스트 용액의 형광 스펙트럼에 있어서 실시예 1에서 제조된 화합물의 383 nm 파장의 형광 변화에 대한 480 nm 파장의 형광 변화의 비율을 계산한 그래프이며, 도 3에서 나타내는 부호는 하기와 같다.
Figure 112013062346548-pat00004
: 실시예 1 화합물의 형광 변화 비율값;
Figure 112013062346548-pat00005
: 실시예 1 화합물과 수은 이온의 혼합시료의 형광 변화 비율값;
Figure 112013062346548-pat00006
: 실시예 1 화합물과 금속 이온의 혼합시료의 형광 변화 비율값; 및
Figure 112013062346548-pat00007
: 실시예 1 화합물, 금속 이온 및 수은 이온의 혼합시료의 형광 변화 비율값.
도 6은 수은 이온(Hg2 +) 농도 변화에 따른 실시예 1 화합물-수은 이온 복합체의 형광 변화를 나타낸 형광 스펙트럼이다.
도 7은 수은 이온(Hg2 +) 농도 변화에 따른 실시예 4 화합물-수은 이온 복합체의 형광 변화를 나타낸 형광 스펙트럼이다.
도 8은 수은 이온(Hg2 +)에 따른 몰분율을 이용한 실시예 1 화합물과 수은 이온(Hg2 +)에 대한 Job's plot 그래프이다.
도 9는 수은 이온(Hg2 +)의 농도 변화에 따른 실시예 1 화합물의 384 nm의 형광 변화를 나타낸 형광 스펙트럼이다.
도 10은 pH 변화에 따른 실시예 1 화합물-수은 이온(Hg2 +) 복합체의 형광 변화를 나타낸 형광 스펙트럼이다.
도 11은 HeLa 세포 내에서의 실시예 1 화합물의 침투 및 세포 내에서 형성된 수은 이온(Hg2 +)과의 복합체를 공초점 현미경(confocal microscopy) 촬영 사진이며, 도 8에서 나타내는 부호는 하기와 같다.
(A): HeLa 세포의 사진;
(B): 실시예 1의 화합물이 침투한 HeLa 세포의 사진; 및
(C): 세포 내에서 침투한 실시예 1 화합물과 수은 이온(Hg2 +)이 복합체를 형성한 HeLa 세포의 사진.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서를 제공한다:
Figure 112013062346548-pat00008
상기 화학식 1에 있어서,
R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 하이드록시 또는 C1-C4의 직쇄 또는 측쇄 알콕시이고;
R3은 수소, -NR4R5 또는 -OR6이고, 이때, 상기 R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소; C1-C4의 직쇄 또는 측쇄 알킬; 할로겐; 비치환 또는 아민으로 치환된 아릴이거나, 또는 이들이 결합되어 있는 N과 함께 N, O 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 헤테로원자를 포함하는 5원 내지 6원의 헤테로아릴을 형성할 수 있고; 및
R6은 수소 또는 C1-C4의 직쇄 또는 측쇄 알킬이다.
바람직하게는,
상기 R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 하이드록시, 메톡시, 에톡시 또는 프로폭시이고;
R3은 수소, -NR4R5 또는 -OR6이고, 이때, 상기 R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 플루오로, 클로로, 브로모 또는 페닐이거나, 또는 이들이 결합되어 있는 N과 함께 피리디닐을 형성할 수 있고; 및
R6은 수소, 메틸 또는 에틸이다.
보다 바람직하게는,
상기 R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 하이드록시 또는 메톡시이고;
R3은 수소, -NR4R5 또는 -OR6이고, 이때, 상기 R4 및 R5는 서로 독립적으로, 수소, 메틸, 에틸, 클로로 또는 페닐이거나, 또는 이들이 결합되어 있는 N과 함께 피리디닐을 형성할 수 있고; 및
R6은 수소 또는 메틸이다.
가장 바람직하게는, 상기 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서는 다음과 같다:
(1) (S)-3-(4-하이드록시페닐)-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드;
(2) (S)-3-페닐-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드;
(3) (S)-3-(3,4-다이하이드록시페닐)-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드; 또는
(4) (S)-3-(3,4-다이메톡시페닐)-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드.
본 발명은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이,
화학식 3으로 표시되는 아미노산 화합물을 화학식 2로 표시되는 고체상 화합물에 도입하여 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 (단계 1);
상기 단계 1에서 제조된 화학식 4의 화합물을 피페리딘과 반응시켜 Fmoc-기가 제거된 화학식 5로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 제조된 화학식 5의 화합물을 화학식 6으로 표시되는 화합물과 반응시켜 화학식 7로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 화학식 7의 화합물을 무기산과 반응시켜 고체상이 제거된 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서의 제조방법을 제공한다:
[반응식 1]
Figure 112013062346548-pat00009
(상기 반응식 1에 있어서, R3'은 -NR4- 또는 -O-이고;
R1, R2, R3 및 R4는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같고;
Fmoc는 플루오레닐메틸옥시카보닐(Fluorenylmethyloxycarbonyl)이고; 및
Figure 112013062346548-pat00010
은 고체상이다).
이하, 본 발명에 따른 상기 화학센서의 제조방법을 각 단계별로 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 상기 단계 1은 화학식 3으로 표시되는 아미노산 화합물을 화학식 2로 표시되는 고체상 화합물에 도입하여 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계이다. 보다 구체적으로는 고체상을 포함하는 화학식 2의 화합물과 화학식 3으로 표시되는 방향족을 포함하는 아미노산 화합물의 커플링 반응을 수행하여 고체상 화합물이 도입된 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계이다.
이때, 상기 단계 1의 화학식 2로 표시되는 고체상 화합물의 고체상으로는 예를 들면, 아마이드가 연결된 메틸벤조하이드릴아민(MBHA) 수지, 왕(Wang) 수지, 폴리에틸렌글리콜-폴리스틸렌(PEG-PS) 수지, 실리카 나노입자, 티타늄옥사이드 나노 입자, 키토산 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 커플링 반응은 벤조트리아졸-1-일-옥시-트리스(다이메틸아미노)-포스포니움 헥사플루오로포스페이트(Py-BOP), 1-하이드록시-벤조트리아졸(HBTU), 1-하이드록시-7-아자-벤조트리아졸(HATU), 하이드록시 벤조트리아졸(HOBt), 디사이클로헥실카르보디이미드(DCC), 다이이소프로필카르보디이미드(DIC), 1-에틸-3-(3-다이메틸아미노프로필)카르보이이미드(EDC), 카르보닐디이미다졸(CDI) 등을 커플링 시약으로 사용할 수 있으며, 바람직하게는 다이이소프로필카르보디이미드(DIC)와 하이드록시 벤조트라이아졸(HOBt)을 함께 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 화학식 4의 화합물을 피페리딘과 반응시켜 Fmoc-기가 제거된 화학식 5로 표시되는 화합물을 제조하는 단계이다.
다음으로, 본 발명에 따른 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 화학식 5의 화합물을 화학식 6으로 표시되는 화합물과 반응시켜 화학식 7로 표시되는 화합물을 제조하는 단계이다. 보다 구체적으로, 상기 단계 2에서 제조된 화학식 5의 화합물과 화학식 6의 화합물을 상온, 아민 염기 존재 하에서 반응시켜 화학식 7로 표시되는 화합물을 제조하는 단계이다.
이때, 상기 아민 염기로는 예를 들면, 트라이에틸아민, 다이이소프로필에틸아민, 피리딘, N,N-다이메틸아미노피리딘 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명에 따른 단계 4는 상기 단계 3에서 제조된 화학식 7의 화합물을 무기산과 반응시켜 고체상이 제거된 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계이다.
이때, 상기 무기산으로는 예를 들면, 염산, 불산, 포름산, 트라이플루오로아세트산 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 트라이플루오로아세트산과 증류수를 부피 대비 85-99 : 1-15로 혼합한 무기산 수용액을 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로 검출하는 형광 감응 화학센서를 수은 이온(Hg2 +) 유무를 판별하고자 하는 대상시료에 투입시키는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 대상시료 내에 존재하는 수은 이온(Hg2 +)과 상기 화학식 1의 화합물의 반응 생성물이 발생시키는 형광 신호를 측정하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출하는 단계(단계 2)를 포함하는 수은 이온(Hg2 +) 검출 방법을 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112013062346548-pat00011
(상기 화학식 1에 있어서, R1, R2 및 R3은 상기 화힉식 1에서 정의한 바와 같다).
이하, 상기 검출방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 상기 단계 1은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 수은 이온(Hg2+) 유무를 판별하고자 하는 대상시료에 투입하여 반응시키는 단계로서, 보다 상세하게는 수은 이온(Hg2+) 유무를 판별하고자 하는 대상시료에 형광 감응 화학센서인 상기 화학식 1의 화합물을 투입한 다음, 대상시료 상에 존재하는 수은 이온(Hg2 +)과 화학식 1의 화합물이 반응하여 복합체를 이루는 단계이다.
본 발명에 따른 상기 단계 1의 대상시료는 수용액상 또는 유기용액을 함유한 수용액상이다.
본 발명에 따른 화학식 1의 형광 감응 화학센서는 물에 대한 용해도가 높으며, 상기 화학식 1의 화합물과 수은 이온(Hg2 +)의 복합체 형성 여부를 확인한 실험결과를 참조하면, 수용액 상태의 수은 이온(Hg2 +) 시료와 약산의 형광 감응 화학센서 수용액을 혼합하여 반응시킴으로써, 형광 화학센서인 상기 화학식 1의 화합물과 수은 이온(Hg2+)의 복합체가 형성됨을 확인할 수 있다(실험예 1 및 도 1 참조).
따라서, 본 발명에 따른 형광 감응 화학센서는 물에 대한 용해도가 높고, 수용액상 또는 유기용액을 함유한 수용액 상에서, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물과 수은 이온(Hg2 +)의 결합성이 우수하므로, 수용액상 또는 유기용액을 함유한 수용액 상에서 수은 이온(Hg2 +) 검출이 용이하다.
이때, 상기 유기용액으로는 예를 들면, 다이메틸포름아마이드, 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
수은 이온(Hg2 +)을 측정해야 할 상기 대상시료에 유기용매를 혼합하는 경우, 메탄올, 에탄올, 다이메틸포름아마이드 또는 아세토니트릴 등의 유기 용매들은 물에 용해도가 높아 단일상을 이루므로, 형광 검출 감도의 변화없이 정확히 수은 이온(Hg2 +)을 검출할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 상기 단계 1의 상기 대상시료는 생체시료를 포함한다.
형광 감응 화학센서인 상기 화학식 1의 화합물의 동물세포 내로의 침투 능력 및 세포 내의 수은 이온(Hg2+) 검출능을 확인한 실험결과를 참조하면, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 HeLa 세포 내로 완전히 침투 가능하고, 세포 내의 수은 이온(Hg2 +)을 높은 감도로 효과적으로 검출하는 것을 알 수 있다(실험예 5 및 도 11 참조).
따라서, 본 발명에 따른 형광 감응 화학센서는 동물세포 내로의 침투력이 우수하고, 세포 내의 수은 이온(Hg2 +) 검출 능력 또한 상당히 뛰어나므로, 동물 또는 사람의 수은 중독을 평가하기 위한 체액 또는 혈액 등의 생체시료 내의 수은 이온(Hg2 +) 검출에 유용하게 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 단계 2는 대상시료 내에 존재하는 수은 이온(Hg2 +)과 화학식 1 화합물의 반응 생성물이 발생시키는 형광 신호를 측정하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출하는 단계로서, 보다 상세하게는 상기 단계 1에서 형성된 수은 이온(Hg2 +)과 형광 감응 화학센서인 화학식 1 화합물의 복합체가 방출하는 형광 신호를 형광 스펙트럼으로 측정하여 시료 내의 수은 이온(Hg2 +)을 검출하는 단계이다.
이때, 상기 수은 이온의 검출은 형광 감응 화학센서와 수은 이온(Hg2+)의 복합체를 여기시켜 킬레이트 증폭형광(CHEF) 효과를 확인함으로써 수행될 수 있으며, 상기 킬레이트 증폭을 위한 여기파장은 330 내지 380 nm 인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 수은 검출 방법은 수은 이온(Hg2 +)을 선택적, 비례적으로 검출한다.
본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 형광 감응 화학센서인 화합물의 수은 이온(Hg2+) 선택적 및 비례적 검출을 확인한 실험 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 형광 감응 화학센서인 화합물은 낮은 농도의 수은 이온(Hg2+)이 높은 농도의 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온과 시료 내에 함께 존재하여도 높은 감도로 오직 수은 이온(Hg2 +)에 대해서만 선택적으로 반응하여 복합체를 형성하였으며, 이때 형성된 복합체에 의한 큰 형광 변화를 보였다(실험예 2, 도 2 내지 도 5 참조). 또한, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 수은 이온(Hg2 +)의 농도에 의존적하여 비례적으로 형광 변화의 정도가 달라지는 것으로 관찰되었다(실험예 3 및 도 6 내지 9 참조). 따라서, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 다른 전이금속 이온 존재 하에서도 수은 이온(Hg2 +)과 높은 결합력으로 반응하여 복합체를 형성하는 높은 선택성을 가지며, 농도에 따른 비례 검출(ratiometric sensing)이 가능하여, 시료 내의 수은 이온(Hg2+)의 정량분석이 가능하고, 수은 이온(Hg2+) 검출시 외부의 형광 방해요인에 의한 형광 검출 문제를 최소화할 수 있는 장점을 가진다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> (S)-3-(4- 하이드록시페닐 )-2-( 파이렌 -1- 설폰아미도 ) 프로판아마이 드의 제조
Figure 112013062346548-pat00012
단계 1: (S)-(9H- 플루오렌 -9-일) 메틸 2-아미노-3-(4- 하이드록시페닐 ) 프로파 노일카바메이트- 메틸벤조하이드릴아민 수지의 제조
먼저, 리브라 튜브(Ribra Tube)에 말단 아민이 Fmoc-기로 보호화된 링크 아마이드 메틸벤조하이드릴아민 수지(Rink amide MBHA resin, 200 mg, 0.1 mmol)를 무수 다이메틸포름아마이드(3 ml)와 함께 주입하여 약 15분간 미리 팽윤시켰다. 그 후, 상기 수지에 25 %의 피페리딘/다이메틸포름아마이드 용액(3 ml)을 첨가하고 15분간 반응시켜 용해된 수지의 아미노 말단 Fmoc-기를 제거된 활성화 용액을 제조하였다. 무수 다이메틸포름아마이드(1.5 ml)에 Fmoc-Tyr(tBu)-OH(137.9 mg, 0.3 mmol), 다이이소프로필카르보디이미드(DIC, 47 μl) 및 하이드록시 벤조트라이아졸(HOBt, 40 mg)을 첨가하고, 상기에서 아미노 말단의 Fmoc-기가 제거된 링크 아마이드 메틸벤조하이드릴아민 수지 용액(활성화 용액)과 약 4시간 정도 반응시켰다. 반응 후 용액을 걸러내고, 수지를 다이메틸포름아마이드와 메탄올로 수차례 세척한 다음, 카이저(kaiser) 테스트를 수행하였다. 카이저(kaiser) 테스트가 양성으로 나오면, 테스트 결과가 음성으로 나올 때까지 상기의 활성화 용액을 다시 첨가하고 반응시켜 목적화합물을 제조하였다.
단계 2: (S)-3-(4- 하이드록시페닐 )-2-( 파이렌 -1- 설폰아미도 ) 프로판아마이드 의 제조
상기 단계 1에서 제조된 (S)-(9H-플루오렌-9-일)메틸 2-아미노-3-(4-하이드록시페닐)프로파노일카바메이트-메틸벤조하이드릴아민 수지를 50 %의 피페리딘/다이메틸포름아마이드 용액(3 ml)을 이용해 아미노 말단의 Fmoc-기를 제거하고, 무수 다이메틸포름아마이드(1.5 ml)에 파이렌설포닐클로라이드(60.2 mg, 0.2 mmol) 및 트라이에틸아민(0.4 mmol)가 용해된 용액을 상기의 수지와 혼합한 후, 상온에서 하루 동안 적절한 속도로 교반시켰다. 그 후, 수지에 붙어 있는 형광 아미노산은 트라이플루오로아세트산:증류수(95:5, v/v) 용액과 상온에서 12 시간 반응시켜 수지로부터 형광 아미노산을 떼어낸 다음, 반응혼합물을 여과하여 수지와 용액에 녹아있는 형광 아미노산을 분리하고, 여과된 형광 아미노산 분리 용액 내의 트라이플루오르아세트산은 질소 기체를 통과시켜 제거하였다. 이렇게 얻어진 형광 아미노산 혼합물을 역상 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC, C-18 칼럼 delta pak C18-300A, 1.9 × 30 cm)로 정제하여(용출용매: 증류수/아세토니트릴, 0.1 % 트라이플루오로아세트산(TFA)(농도구배), 유속: 3.0 mL/min) 목적화합물(33 mg, 75%)을 얻었다. 상기에서 얻은 형광 아미노산의 분자량은 ESI 질량분석기를 이용하여 확인하였다.
1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6): δ 8.69 (d, J = 8.6 Hz, 1 H), 8.54-8.50 (m, 3H), 8.44-8.37 (m, 2H), 8.35-8.27 (m, 3H), 6.56 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 5.74 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 3.99-3.96 (m, 1H), 2.93 (dd, J = 13.2, 8.7 Hz, 1H), 2.53 (dd, J = 13.2, 11 Hz, 1H);
13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6): δ 172.9, 156.3, 134.5, 133.8, 131.2, 130.7, 130.5, 130.4, 129.7, 127.9, 127.7, 127.6, 127.4, 127.3, 127.1, 124.9, 124.6, 124.4, 123.9, 115.2, 58.6, 38.5;
ESI-Mass(m/z) (구조식 C25H21O4N2S1): 계산값 445.11, 측정값 445.04 [M+H]+.
< 실시예 2> (S)-3- 페닐 -2-( 파이렌 -1- 설폰아미도 ) 프로판아마이드의 제조
Figure 112013062346548-pat00013
상기 실시예 1의 단계 1에서 Fmoc-Tyr(tBu)-OH(137.9 mg)을 사용하는 대신에 Fmoc-Phe-OH(116mg)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 목적화합물(30 mg, 70%)을 얻었다.
1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6): δ 8.69 (d, J = 8.6 Hz, 1 H), 8.54-8.50 (m, 3H), 8.44-8.37 (m, 2H), 8.35-8.27 (m, 3H), 7.06 (m, 2H), 6.97 (m, 2H), 6.95 (m, 1H), 3.99-3.96 (m, 1H), 2.93 (dd, J = 13.2, 8.7 Hz, 1H), 2.53 (dd, J = 13.2, 11 Hz, 1H);
ESI-MS(m/z) (구조식 C25H21O4N2S1): 계산값 429.12, 측정값 429.11 [M+H]+.
< 실시예 3> (S)-3-(3,4- 다이하이드록시페닐 )-2-( 파이렌 -1- 설폰아미도 ) 프로판아마이드의 제조
Figure 112013062346548-pat00014
상기 실시예 1의 단계 1에서 Fmoc-Tyr(tBu)-OH(137.9 mg)을 사용하는 대신에 Fmoc-3,4-다이하이드록시-L-페닐알라닌(126mg)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 목적화합물(32 mg, 70%)을 얻었다.
1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6): δ 8.69 (d, J = 8.6 Hz, 1 H), 8.54-8.50 (m, 3H), 8.44-8.37 (m, 2H), 8.35-8.27 (m, 3H), 6.32 (d, J = 6.0 Hz, 1H), 6.27 (d, J = 8.4 Hz, 1H), 6.16 (dd, J = 13.4, 7.3 Hz, 1H), 3.99-3.96 (m, 1H), 2.93 (dd, J = 13.2, 8.7 Hz, 1H), 2.53 (dd, J = 13.2, 11 Hz, 1H);
ESI-MS(m/z) (구조식 C25H21O5N2S1): 계산값 460.11, 측정값 460.04 [M+H]+.
< 실시예 4> (S)-3-(3,4- 다이메톡시페닐 )-2-( 파이렌 -1- 설폰아미도 ) 프로판아마이드의 제조
Figure 112013062346548-pat00015
상기 실시예 1의 단계 1에서 Fmoc-Tyr(tBu)-OH(137.9 mg)을 사용하는 대신에 Fmoc-3,4-다이메톡시-L-페닐알라닌(126mg)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 목적화합물(29 mg, 60%)을 얻었다.
1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6): δ 8.69 (d, J = 8.6 Hz, 1 H), 8.54-8.50 (m, 3H), 8.44-8.37 (m, 2H), 8.35-8.27 (m, 3H), 6.40 (d, J = 6.7 Hz, 1H), 6.35 (d, J = 7.8 Hz, 1H), 6.32 (dd, J = 12.3, 7.1 Hz, 1H), 3.99-3.96 (m, 1H), 3.67 (m, 6H), 2.93 (dd, J = 13.2, 8.7 Hz, 1H), 2.53 (dd, J = 13.2, 11 Hz, 1H);
ESI-MS(m/z) (구조식 C27H25O5N2S1): 계산값 488.14, 측정값 488.24 [M+H]+.
< 실험예 1> 형광 감응 화학센서-수은 이온( Hg 2 + ) 복합체의 제조
본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서와 수은 이온(Hg2 +)의 결합 여부 및 화합물 상태를 분석하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 화합물을 메탄올에 녹여 1.8 mM의 형광 감응 화학센서 시약을 제조하였다. 수은 이온(Hg2 +) 기준용액은 퍼클로레이트 염을 증류수에 용해시켜 5 mM로 제조하였다. 또한, 테스트 튜브에 상기에서 제조한 형광 감응 화학센서의 농도는 540 μM, 수은 이온은 540 μM이 되도록 증류수와 메탄올(7:3, v/v)에 희석하여 테스트 용액을 제조하였다. 상기에서 제조된 테스트 용액을 ESI-MS 측정하여 화학식 1로 표시되는 화합물과 수은 이온(Hg2 +)의 복합체 형성 여부를 확인하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타난 바와 같이, ESI-MS 스펙트럼에서 445.07 m/e 및 1088.32 m/e가 관찰되었다. 이때, 445.07 m/e는 실시예 1에서 제조된 화합물이 양성자와 결합된 형태로서, 실시예 1 화합물이 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 형성하지 않은 상태의 값이고, 1088.32 m/e는 실시예 1 화합물 1이 수은 이온(Hg2 +)과 결합된 형태로서, 실시예 1 화합물이 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 형성한 상태의 값이다. 이로부터 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 수은 이온(Hg2 +)과의 결합성이 우수하여 안정한 복합체를 형성할 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서는 수용액 상에서 수은 이온(Hg2 +)과의 결합성이 우수하므로, 지하수, 하천과 같은 수계 환경 등의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 요구되는 전반적인 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.
< 실험예 2> 형광 감응 화학센서의 금속이온 선택성 평가
본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서의 수은 이온(Hg2 +)에 대한 선택성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
본 발명에 따른 실시예 1, 2 및 4에서 제조된 화합물들의 수은 이온(Hg2 +)에 대한 선택성을 평가하기 위하여 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온을 대상으로 실험하였다. 실험에 사용된 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온은 은 이온(Ag+), 알루미늄 이온(Al3 +), 칼슘 이온(Ca2 +), 카드뮴 이온(Cd2 +), 코발트 이온(Co3 +), 크롬 이온(Cr3 +), 구리 이온(Cu2+), 칼륨 이온(K+), 수은 이온(Hg2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 망간 이온(Mn2+), 나트륨 이온(Na+), 니켈 이온(Ni2 +) 및 아연 이온(Zn2 +)으로 상기 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온들의 퍼클로레이트 염을 증류수에 각각 용해시켜 10 mM의 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온 기준용액을 제조하였다. 또한, Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온과 수은 이온(Hg2 +)을 함께 포함하는 10 mM의 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온-수은 이온(Hg2 +) 기준 용액도 제조하였다.
테스트 튜브에 20 mM HEPES 버퍼용액(pH 7.4, 1 ml)을 주입한 후, 상기 실시예에서 제조된 화합물을 다이메틸포름아마이드에 녹여 2 mM의 형광 감응 화학센서 시약을 제조하였다. Ⅰ족 및 Ⅱ족 전이금속 기준용액 또는 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 기준용액-수은 이온(Hg2 +) 기준용액을 각 6 μl씩 첨가한 후, 전체 용액의 양이 2 ml가 되도록 증류수를 주입하였다. 이때, 제조된 테스트 용액에서 화학센서, 전이금속 이온, HEPES 완충용액의 각 농도는 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이 되도록 제조하였다. 제조된 테스트 용액을 여기파장은 342 nm, 여기 슬릿과 방출 슬릿의 폭은 각각 15 nm 및 10 nm가 되도록 조절하여 형광 스펙트럼을 측정하였으며, 그 결과를 도 2 내지 도 5에 나타내었다.
실시예 1 화합물 실시예 2 화합물 실시예 4 화합물
화학센서 10 μM 10 μM 30 μM
전이금속 이온 30 μM 10 μM 60 μM
HEPES 완충용액 10 mM 10 mM 10 mM
도 2 내지 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 다른 Ⅰ족 및 Ⅱ족 전이금속 이온의 존재 하에서도 수은 이온(Hg2 +)에 대하여 선택적으로 결합하는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 먼저, 본 발명에 따른 실시예 1, 실시예 2 또는 실시예 4에서 제조된 화합물과 각각의 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온이 혼합된 테스트 용액을 형광 스펙트럼을 측정한 결과, 수은 이온(Hg2 +)에 대해서만 480 nm의 큰 형광 변화가 일어난 것을 알 수 있다(도 2 내지 도 4 참조). 또한, 실시예 1에서 제조된 화합물과 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온과 수은 이온(Hg2 +)을 함께 포함하는 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온-수은 이온(Hg2 +) 기준용액이 혼합된 테스트 용액의 경우, 혼합되어 있는 다른 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온(Hg2 +)의 영향을 받지 않고 선택적으로 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 이루어 형광 변화를 일으키는 것을 알 수 있다(도 5 참조). 이로부터, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 Ⅰ족 및 Ⅱ족의 전이금속 이온 존재 하에서도 수은 이온(Hg2 +)과 선택적으로 결합하여 복합체를 형성함으로써 형광 변화를 일으키는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서는 다른 전이금속 이온의 존재 하에서도, 선택적으로 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 형성하며 이로 인한 수은 이온(Hg2 +)에 대한 선택적 검출능이 현저히 우수하므로, 지하수, 하천과 같은 수계 환경 등의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 요구되는 전반적인 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.
< 실험예 3> 형광 감응 화학센서의 수은 이온( Hg 2 + ) 농도에 따른 검출능 평가
본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서의 수은 이온(Hg2 +) 농도에 따른 검출능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
먼저, 수은 이온(Hg2 +)의 퍼클로레이트 염을 증류수에 용해시켜 1 mM의 수은 이온(Hg2 +) 기준용액을 제조하였다. 테스트 튜브에 10 mM의 HEPES 완충용액(pH 7.4, 2 ml)을 주입하고, 상기 실시예 1 또는 4에서 제조한 화합물을 메탄올에 녹여 제조된 1.8 mM의 형광 감응 화학센서 시약을 각각 5 μM, 10 μM이 되도록 첨가하였다. 그 후, 상기 혼합용액에 존재하는 형광 감응 화학센서인 실시예 1 또는 실시예 4 화합물에 대하여 0 당량, 0.2 당량, 0.25 당량, 0.4 당량, 0.5 당량, 0.6 당량, 0.75 당량, 0.8 당량, 1.0 당량, 1.25 당량, 1.50 당량, 1.75 당량, 2.0 당량, 2.25 당량 및 2.50 당량이 되도록 수은 이온(Hg2 +) 기준용액을 각각의 반응용액에 첨가하여 테스트 용액을 제조하였다. 상기 테스트 용액을 실험예 2와 같은 조건에서 형광 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과를 도 6 내지 도 9에 나타내었다.
도 6 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 수은 이온(Hg2 +) 농도에 따라 비례적으로 형광을 발하는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물에 대하여 수은 이온(Hg2 +) 농도에 따른 형광 스펙트럼을 측정한 결과, 0 당량을 시작으로 수은 이온(Hg2 +)의 당량이 높아짐에 따라 형광의 세기 및 파장이 서서히 변화하는 것으로 확인되었다(도 6 및 도 7 참조). 또한, 수은 이온(Hg2 +)에 대한 몰분율을 이용하여 실시예 1 화합물과 수은 이온(Hg2 +)에 대한 Job's plot 그래프를 도시한 결과, 실시예 1 화합물과 수은 이온(Hg2 +)은 1 대 2 비율로 복합체를 형성하는 것으로 나타났다(도 8 참조). 나아가, 본 발명에 따른 실시예 1 화합물의 수은 이온(Hg2 +)의 농도 변화에 따른 480 nm의 형광 변화를 통하여 수은 이온(Hg2 +) 검출 한계를 계산한 결과, 실시예 1 화합물의 수은 이온(Hg2 +) 검출 한계는 11.15 nM인 것으로 확인되었다(도 9 참조). 이로부터, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 수은 이온(Hg2 +)의 농도에 따라 형광세기의 변화 정도가 커지므로, 본 발명에 따른 화학식 1 화합물은 수은 이온(Hg2 +)에 대하여 비례적으로 감응하는 것을 알 수 있다. 또한, 수은 이온(Hg2 +)에 대한 해리 상수는 0.169 pM이고, 수은 이온(Hg2+) 검출 한계는 11.15 nM로서, 종래에 알려진 형광 감응 화학센서 중 수은 이온(Hg2 +)과의 결합력이 가장 뛰어나 감도가 현저히 뛰어나며, 그 검출 한계 역시 종래의 것보다 현저히 우수하다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서는 수용액 상에서 종래의 형광 감응 화학센서에 비해 수은 이온(Hg2 +)과의 결합성이 현저히 우수하고, 다른 전이금속 이온의 존재 하에서도, 선택적으로 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 형성하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출함은 물론, 농도에 따라 비례적으로 검출함으로써, 수은 이온(Hg2 +)의 정량 분석이 가능하므로, 지하수, 하천과 같은 수계 환경 등의 낮은 농도의 수은 이온(Hg2+) 검출이 요구되는 전반적인 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.
< 실험예 4> 형광 감응 화학센서의 시료 내의 pH 에 따른 검출능 평가
본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서의 시료 내 pH에 따른 수은 이온(Hg2 +) 검출능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
pH에 따른 수은 이온(Hg2 +) 검출능을 평가하기 위하여 pH 4.5의 20 mM MES 버퍼용액, pH 7.4의 20 mM HEPES 버퍼용액, pH 10.5 및 11.5의 20 mM CHES 버퍼용액을 사용하였다. 테스트 튜브에 각각의 pH에 해당하는 20 mM 완충용액(1 ml)을 넣고, 실험예 1에서 제조된 형광 감응 화학센서 시약 2 mM 용액을 30 μl 첨가한 다음, 10 mM의 수은 이온(Hg2 +) 용액(6 μl)을 첨가하고, 증류수로 전체 용액의 양이 2 ml가 되도록 각각의 테스트 용액을 희석하였다. 이때, 테스트 용액은 센서의 농도가 30 μM, 금속도 30 μM, HEPES 완충용액의 농도는 10 mM이 되도록 농도 조절하였다. 이후, 상기 제조된 테스트 용액을 여기파장은 342 nm, 여기 슬릿과 방출 슬릿의 폭은 각각 10 nm, 5 nm으로 조절하여 형광 스펙트럼을 측정하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 pH 4.5 내지 11.5 범위 내에서 수은 이온(Hg2 +)을 검출하는 검출능이 우수한 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 실시예 1 화합물에 대하여 시료 내의 다양한 pH에서 수은 이온(Hg2 +)을 측정한 결과, pH 4.5 내지 pH 11.5의 범위에서 실시예 1 화합물은 수은 이온(Hg2 +)과의 복합체를 형성하여 형광 세기 변화를 가지는 것을 관찰할 수 있다. 이로부터, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 pH 4.5 내지 pH 11.5의 범위에서 수은 이온(Hg2 +)의 농도에 따른 비례 검출이 용이하다는 것을 알 수 있다. 또한, 생체 내의 pH는 6.5 내지 7.5로서, 화학식 1 화합물이 수은 이온(Hg2 +)을 검출할 수 있는 pH 범위 내에 포함이 되므로, 세포에도 적용 가능하다는 것을 짐작할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서는 수용액 상에서 종래의 형광 감응 화학센서에 비해 수은 이온(Hg2 +)과의 결합성이 현저히 우수하고, pH 4.5 내지 11.5의 넓은 pH 범위에서 수은 이온(Hg2 +)을 검출이 가능하여 생체시료 등의 시료에 적용 가능하므로, 지하수, 하천과 같은 수계 환경 및 생체시료 등의 낮은 농도의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 요구되는 전반적인 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.
< 실험예 5> 생체시료에서의 수은 이온( Hg 2 + ) 검출능 평가
본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서의 생체시료 내로의 침투력 및 시료 내의 수은 이온(Hg2 +) 검출능을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
상기 실험예 1에서 제조된 형광 감응 화학센서 시약을 HEPES 완충용액을 이용하여 pH 7.4 용액에서 10 μM의 농도가 되도록 형광 감응 화학센서 시약을 제조하였다. 제조된 형광 감응 화학센서 시약을 동물세포인 HeLa 세포에 처리한 후, 약 30분간 37℃에서 배양하고, 배양된 세포를 PBS 완충 용액으로 세척하였다. 그 후, 1 당량의 수은 이온(Hg2 +)을 처리하고, 세포 내의 형광 변화를 공초점 현미경(confocal microscopy)을 이용하여 촬영하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 화합물은 세포 내로의 투과율이 뛰어나며, 세포로 투과된 이후에도 수은 이온(Hg2 +)에 대한 검출능이 우수한 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 형광 발색을 하지 않던 동물세포에 본 발명에 따른 실시예 1 화합물을 처리한 결과, 처리된 세포가 형광 발색하여 짙은 푸른색을 띄는 것을 확인되었다. 또한, 수은 이온(Hg2 +)을 처리한 이후, 세포의 형광 색깔이 짙은 푸른색에서 하늘색으로 변화한 것을 관찰되었다. 이로부터 본 발명에 따른 화학식 1 화합물은 세포 내로의 침투력이 뛰어나다는 것을 알 수 있으며, 세포 내에서도 세포 내에 침투된 화학식 1 화합물과 수은 이온(Hg2 +)의 결합력이 뛰어나 복합체를 이룸으로써 형광 발색이 변화한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 형광 감응 화학센서는 수용액 상에서 종래의 형광 감응 화학센서에 비해 수은 이온(Hg2 +)과의 결합성이 현저히 우수하고(실험예 1), 다른 전이금속 이온의 존재 하에서도 선택적으로 수은 이온(Hg2 +)과 복합체를 형성하여 수은 이온(Hg2 +)을 검출이 가능하다(실험예 2). 또한, 농도에 따라 비례적으로 검출함으로써, 수은 이온(Hg2 +)의 정량 분석이 가능할 뿐만 아니라(실험예 3), pH 4.5 내지 11.5의 넓은 pH 범위에서 수은 이온(Hg2 +)의 검출이 가능하고(실험예 4), 생체시료 내에서의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 가능하므로(실험예 5), 지하수, 하천과 같은 수계 환경 및 생체시료 등의 낮은 농도의 수은 이온(Hg2 +) 검출이 요구되는 전반적인 산업분야에서 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서:
    [화학식 1]
    Figure 112013062346548-pat00016

    (상기 화학식 1에 있어서,
    R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 하이드록시 또는 C1-C4의 직쇄 또는 측쇄 알콕시이고;
    R3은 수소, -NR4R5 또는 -OR6이고, 이때, 상기 R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소; C1-C4의 직쇄 또는 측쇄 알킬; 할로겐; 비치환 또는 아민으로 치환된 아릴이거나, 또는 이들이 결합되어 있는 N과 함께 N, O 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 헤테로원자를 포함하는 5원 내지 6원의 헤테로아릴을 형성할 수 있고; 및
    R6은 수소 또는 C1-C4의 직쇄 또는 측쇄 알킬이다).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 하이드록시, 메톡시, 에톡시 또는 프로폭시이고;
    R3은 수소, -NR4R5 또는 -OR6이고, 이때, 상기 R4 및 R5는 서로 독립적으로 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 플루오로, 클로로, 브로모 또는 페닐이거나, 또는 이들이 결합되어 있는 N과 함께 피리디닐을 형성할 수 있고; 및
    R6은 수소, 메틸 또는 에틸인 것을 특징으로 하는 형광 감응 화학센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 하이드록시 또는 메톡시이고;
    R3은 수소, -NR4R5 또는 -OR6이고, 이때, 상기 R4 및 R5는 서로 독립적으로, 수소, 메틸, 에틸, 클로로 또는 페닐이거나, 또는 이들이 결합되어 있는 N과 함께 피리디닐을 형성할 수 있고; 및
    R6은 수소 또는 메틸인 것을 특징으로 하는 형광 감응 화학센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서는:
    (1) (S)-3-(4-하이드록시페닐)-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드;
    (2) (S)-3-페닐-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드;
    (3) (S)-3-(3,4-다이하이드록시페닐)-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드; 및
    (4) (S)-3-(3,4-다이메톡시페닐)-2-(파이렌-1-설폰아미도)프로판아마이드;로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 형광 감응 화학센서.
  5. 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이,
    화학식 3으로 표시되는 아미노산 화합물을 화학식 2로 표시되는 고체상 화합물에 도입하여 화학식 4로 표시되는 화합물을 제조하는 단계 (단계 1);
    상기 단계 1에서 제조된 화학식 4의 화합물을 피페리딘과 반응시켜 Fmoc-기가 제거된 화학식 5로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 제조된 화학식 5의 화합물을 화학식 6으로 표시되는 화합물과 반응시켜 화학식 7로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3에서 제조된 화학식 7의 화합물을 무기산과 반응시켜 고체상이 제거된 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계(단계 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서의 제조방법:
    [반응식 1]
    Figure 112013062346548-pat00017

    (상기 반응식 1에 있어서, R3'은 -NR4- 또는 -O-이고;
    R1, R2, R3 및 R4는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같고;
    Fmoc는 플루오레닐메틸옥시카보닐(Fluorenylmethyloxycarbonyl)이고; 및
    Figure 112013062346548-pat00018
    은 고체상이다).

  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 1의 화학식 2로 표시되는 고체상 화합물의 고체상은 아마이드가 연결된 메틸벤조하이드릴아민(MBHA) 수지, 왕(Wang) 수지, 폴리에틸렌글리콜-폴리스틸렌(PEG-PS) 수지, 실리카 나노입자, 티타늄옥사이드 나노 입자 및 키토산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 단계 4의 무기산은 트라이플루오로아세트산과 증류수를 부피 대비 85-99 : 1-15로 혼합한 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 선택적, 비례적 형광 감응 화학센서의 제조방법.
  8. 제1항의 화학식 1로 표시되는 수은 이온(Hg2 +)을 선택적으로 검출하는 형광 감응 화학센서를 수은 이온(Hg2 +) 유무를 판별하고자 하는 대상시료에 투입시키는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1의 대상시료 내에 존재하는 수은 이온(Hg2+)과 상기 화학식 1의 화합물의 반응 생성물이 발생시키는 형광 신호를 측정하여 수은 이온(Hg2+)을 검출하는 단계(단계 2)를 포함하는 수은 이온(Hg2+) 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 대상시료는 수용액상 또는 유기용액을 함유한 수용액상인 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유기용액은 다이메틸포름아마이드, 아세토니트릴, 메탄올 및 에탄올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 검출 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 대상시료는 생체시료를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 이온(Hg2 +) 검출 방법.
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