Fluorescence studies of inorganic phosphor Y2O3:Eu and bio-molecule caspase-3

Abstract

본 연구의 전반부에서는, Y_2 O_3:Eu의 발광 성질에 대해 조사하였다. Y_2 O_3:Eu는 발광 효율이 높으며, 포화 전류 또한 높고, 화학적으로도 안정하기때문에, FED(field-emission display)에 적용될 수 있는 적색 발광체 중 하나이다. 하지만, FED의 낮은 전압에서 Y_2 O_3:Eu는 충분한 휘도를 나타내지 않으며, 또한, 순수한 적색이 아니라 붉은 오렌지색을 나타내기 때문에 색순도가 떨어진다. 이러한 낮은 휘도와 색순도를 개선하기 위하여, Eu^3+ 함량 변화, 소결 온도 변화, 소결 환경 변화, 다른 종류의 이온(Al^3+, Ca^2+, Cu^2+, Cr, In^3+) 첨가 등의 다양한 조건에서 Y_2 O_3:Eu를 합성하여, 광발광, 음극발광, X-선 회절, 전자 주사 현미경, 전류-전압 특성 등을 통해 Y_2 O_3:Eu의 특성을 조사하였다. 4 wt%의 Eu^3+를 EuF_3의 형태로 넣어 전도도를 향상시키고, 되도록 고온에서(여기서는 최대 1600℃), 그리고 아르곤 대기에서 소결시켜 산소 오염에 의한 결정 결함을 줄이는 조건에서 최대의 휘도를 얻을 수 있다. 또, Cu^2+, In^3+, Cr 등은 소량이 첨가되어도 휘도를 감소시키는 반면에, Al^3+가 소량 첨가되었을 때는 모체 구조가 바뀌면서 휘도가 증가하였고, Ca^2+ 또한 일정 농도에서 격자간 산소를 감소시켜 이에 의한 결정의 결함을 줄여 휘도를 증가시키는 결과를 얻었다. 또한, 소결 온도의 증가만으로도 불필요한 S_6 구조 비율을 낮춰 최고 발광파장의 효율을 높힘으로써 색순도도 어느 정도 개선됨을 확인할 수 있었다. 본 연구의 후반부에서는, 세포사멸에 관련된 주요 효소의 일종인 Caspase-3에 대해 연구하였다. 시스테인 단백질가수분해효소이며, 크게 세 부분으로 구성된 선구효소의 형태로 존재한다. 특정 부위의 절단에 의해 선구효소의 앞쪽부분은 제거 되고, 그리고 큰 단위체와 작은 단위체로 나뉘어진다. 결과적으로, 두 개의 촉매 이합체를 가진 사합체(이형이합체의 이합체)가 만들어 진다. Caspase-3가 활성화될 때, 특정 부위 절단에 의해 생성된 큰 단위체와 작은 단위체가 같은 이형이합체를 만드는지 아니면 다른 이형이합체를 만드는지가 의문으로 제기된다. 같은 이형이합체를 구성할 때는 상대적으로 큰 구조 변화가 결정 구조로부터 예상된다. 이를 밝히기 위해, 우선, procaspase-3와 caspase-3의 활성 자리에 있는 두 트립토판 W206, W214의 형광 수명 및 형광 비등방성 완화시간을 측정, 분석하였고, 이 들을 돌연변이에 의해 타이로신으로 대치하여 형광수명을 측정하였다. 실험 결과, procaspase-3와 caspase-3의 형광 수명은 서로 다른 값을 가지지만, procaspase-3가 caspase-3에 의해 절단되면 caspase-3의 형광 수명과 유사하게 나타난다. W206, W214를 하나씩 타이로신으로 대치한 돌연변이 단백질들의 경우에는, 다소 낮아지기는 하지만, 둘 다 caspase-3와 약간 다른 활성을 나타내고, 서로 다른 형광 수명 값을 가지면서, caspase-8에 의해 절단될 때 형광 수명이 비교적 큰 변화를 나타낸다. 이러한 결과로 볼 때 활성화 자리는 활성화 동안 재배열되며, caspase-3 활성에 대해서 같은 이형이합체를 구성하는 경우와 일치한다.

; Part I. The Luminescent Properties of Y_2 O_3:Eu Phosphors Due to the high luminescence efficiency, high saturation current, and chemical stability, Y_2 O_3:Eu is one of the red phosphor candidates for field-emission displays(FED). However, Y_2 O_3:Eu doesn’t have enough brightness at low voltage and the color is not a pure red.. In order to enhance the brightness and the color purity, we studied the photoluminescence, cathodoluminescence, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and current-voltage characteristics of Y_2 O_3:Eu for various Eu^3+ concentrations and sintering temperatures at surrounding atmospheres, with Al^3+ addition and Ca^2+, Cu^2+, Cr or In^3+ codopings. The brightness was improved when the dopant was added in the form of Eu^3+ with Al^3+ rather than Eu^3+ only. With Ca^2+, the brightness was also enhanced. The increase in the brightness could be understood in terms of the decrease of oxygen in interstitial position or host lattice. Adding other codopants generally decreases the brightness without the changing the normalized emission spectra.

Part II. Rearrangement of Tryptophan Residue on the Caspase-3 Active Site during Activation Caspase-3, one of major apoptotic proteins, is a cysteine protease and exists as a proenzyme that contains three major domains. The prodomain of the proenzyme is removed and the large and the small subunits are produced by cleavage at the specific site. As a result, a tetramer (a dimer of a heterodimer) with two catalytic dimer is formed. One question regarding the activation is whether large and small subunits resulted in by the specific cleavage belong to the same or different catalytic heterodimer of the active caspase-3. In the former scheme relatively large conformation change is predicted from the crystal structure. In an attempt to address this question we analyzed the possible changes in two tryptophan residues (W 206 and W 214) on active sites of procaspase-3 and caspase-3 by measuring the fluorescence lifetimes. We observed differences in the fluorescence lifetimes of two tryptophan residues on active sites of procaspase-3 and caspase-3. Furthermore, the specific digestion of procaspase-3 by caspase-8, its upstream caspase, resulted in the similar fluorescence lifetime as caspase-3. While two mutant protein that has tyrosine at the site of W206 or W214 produced active enzyme that also produced some change in the fluorescence lifetime. All together these data indicate that the active site would be rearranged during activation and especially, reorganization of site around W206 and W214 are essential for the activity of the enzyme.