Synthetic Control of Energy and Electron Transfer in Photoluminescence Sensors for Biological Zinc Ion

Abstract

본 연구에서는 생리학적으로 중요한 아연이온에 대하여 형광 및 인광 센서로서의 적합한 선택성 및 가역성을 가지고 있는지에 대한 연구와 이 때 나오는 형광 및 인광에 대한 메커니즘에 대한 이해에 대한 연구를 진행하지 위하여 배위자의 전자밀도에 변화를 주어 그 배위 분위기에 따른 센서 화합물을 합성하고 그 특성을 연구하였다. 세부적인 연구 내용 및 결과는 다음과 같다. 1장에서는 아연이온을 효과적으로 검출하는 형광센서를 개발하였다. 각 센서물질 내에서의 에너지 이동에 대한 조절을 통하여 아연이온에 대하여 각각 다른 ratiometric 타입의 형광신호를 보이는 HN1 과 HN2를 합성하였다. 수용액에서 아연이온이 첨가되었을 때 에너지 주개 영역의 전자이동이 가리워짐에 따라 형광신호가 증가 되면서, 에너지 받개와의 스펙트럼이 겹쳐지는 양이 달라지게 된다. HN1과 HN2 모두의 경우에서 에너지 주개로는 알려진 물질인 CM1을 이용하였으며, 각각 적합한 에너지받개로 Coumarin343(HN1) 과 resourfin(HN2)를 사용하였다. HN1의 경우에는 아연이온의 첨가도 스펙트럼이 겹쳐지는 정도가 커짐에 따라 에너지 받개의 아연이온이 첨가면서 Comarin343의 형광과 CM1의 형광이 커지게 되어 ratiometric 한 신호 기작을 보이고 HN2에서는 스펙트럼의 겹침에는 큰 변화가 없고 CM1의 형광 신호만 증가하게 되고 resourfin의 형광이 기준신호로써 작용하여 ratiometric 한 신호 기작을 보인다. 시간분해 광분광법 측정과 분광학적 방법을 통해 밝혀내었다. 또한 HeLa세포에 적용하여 실제 세포 내에서도 두 센서 모두 ratiometric한 신호를 나타냄을 확인하였다. 2장에서는 이리듐(III) 고리 금속 착화합물을 이용하여 인광 아연센서로써 활용하였다. 이 때 이리듐 착화합물 내에서 cyclometalating 배위자의 전자밀도를 변화시켜 들뜬 상태의 환원전위를 조절하였다. 이것을 통하여 PeT의 자유깁스에너지를 조절하였고, 그 결과 중요한 발광센서 체제로 이용되는 PeT (Photoinduced electron transfer)의 정도를 성공적으로 조절할 수 있었다. 또한 이때 PeT(Photoinduced electron transfer)내에서 일어나는 Coulombic barrier의 영향이 무시할만 하다는 것을 증명할 수 있었다. 뿐만 아니라 ZIrdCF3를 HeLa세포에 주입하여 세포내에서 아연에 대한 신호기작을 확인하였고, 이것을 시간분해 광분광법 측정을 통해 세포내에서도 성공적으로 아연이온을 검출할 수 있다는 것을 확인하였다.;[Part 1] Fluorescence Ratiometric Zinc Sensors Based on Controlled Energy Transfer The high-fidelity detection of labile zinc is of central importance for understanding the molecular mechanisms that link zinc homeostasis and human pathophysiology. Fluorescence ratiometric sensors are most suitable for the detection and trafficking of intracellular zinc ions. Here, we report the development of fluorescence ratiometric zinc sensors (HN1 and HN2) based on two-fluorophore platforms. The sensor constructs include blue fluorescent umbelliferone and an energy-accepting chromophore that absorbs the blue fluorescence. Zinc binding was found to promote fluorescence turnon of the umbelliferone emission by suppression of intramolecular photoinduced electron transfer, thereby facilitating resonance energy transfer to the energy acceptors. The net observables were the fluorescence ratiometric changes, the extent of which depended strongly on the chemical structures of the acceptors. Photophysical investigations, including steady-state and transient photoluminescence spectroscopy, suggested a mechanism for the fluorescent zinc response that involved a combination of the intramolecular electron transfer and the interchromophoric energy transfer. The zinc probes displayed sensing capability that is suitable for the detection of biological zinc ions, with good selectivity, pH tolerance, and appropriate Kd values. Finally, zinc detection was demonstrated by fluorescence ratiometric visualization of exogenously supplied zinc ions in live HeLa cells. The probes enabled the reliable monitoring of zinc equilibration across the cell membrane. [Part2] Synthetic Control of Photoinduced Electron Transfer in Phosphorescence Zinc Sensors Photoinduced electron transfer (PeT) has been successful in the creation of a variety of molecular sensors for the detection of diamagnetic metal ions, such as labile zinc. We previously reported the development of a phosphorescent zinc sensor based on a cyclometalated Ir(III) complex scaffold, and revealed that zinc-induced modulation of PeT was responsible for its phosphorescence response. This finding prompted us to investigate structural effects in PeT between the Ir(III) complex chromophore and a zinc-chelating di(2-picolyl)amino group. Photophysical and electrochemical properties of a series of cationic Ir(III) complexes with various cyclometalating ligands were investigated. The studies established that phosphorescence modulation by the excited-state PeT, thus zinc response, was governed by the classical Rehm-Weller theory. Furthermore, a Coulombic barrier located as a part of cyclometalating ligand had negligible influence in PeT. These finding provide an important guidance to improving phosphorescence response, which involves use of cyclometalating ligands with wide band gap energy and deep oxidation potentials. Zinc detection ability of the new phosphorescence sensor has been evaluated in buffered aqueous solutions at pH 7.4. As a useful demonstration, intracellular zinc ions in HeLa cells were visualized by phosphorescence sensor by employing confocal laser scanning microscope and photoluminescence lifetime imaging microscope techniques.