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The Development of Colorimetric and Fluorescent Chemosensors for Toxic Gas and Reactive Small Molecules (RSMs)

Title
The Development of Colorimetric and Fluorescent Chemosensors for Toxic Gas and Reactive Small Molecules (RSMs)
Authors
CHEN, LIYAN
Issue Date
2018
Department/Major
대학원 화학·나노과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
윤주영
Abstract
형광 프로브는 쉬운 조작, 실시간 검출 기능으로 인해 표적 분자를 표지하기 위해 가장 자주 사용되는 변형 제제 중 하나로 개발되었습니다. 이 논문에서는 신경 작용제, 포스겐, 반응성 산소 종 (차아 염소산염), 반응성 질소 종 (산화 질소), 반응성 황 종 (황화수소 및 글루타티온) 및 독성 금속 종 (수은 이온)을 비롯한 다양한 분석 물을 대상으로하는 여러 가지 형광 탐침이 소개되었습니다. 이러한 형광 프로브는 또한 바이오 이미징 또는 가스 / 고체 검출에 활용되었습니다. 1 장에서, DECP와 phosgene을 모방 한 nerva gas를 포함한 독성 가스를 선택적으로 검출하기위한 세 가지 형광 탐침이 개발되었다. 그들의 접근 용이성과 결합 된 신경제 및 포스 젠의 극단적 인 독성은 이들 분석 물의 검출을위한 효과적인 감지 시스템을 개발하는 긴급한 요구를 불러 일으켰다. 사용되는 기존의 방법과 비교하여, 작은 분자 기반 형광 프로브는 우수한 선택 성과 민감성, 쉬운 작동 및 간단한 합성 절차로 인해 주목을 끌고 있습니다. I-A 장에서는 잘 알려진 신경 작용제 인 DECP의 선택적 검출을위한 ESIPT 기반의 HBT-1 프로브를 설계하고 합성 하였다. 이소옥 사졸의 형성을 통한 옥심에서 니트릴로의 캐스케이드 반응이 현저한 형광 증대를 유도하는 프로브 HBT-1과 DECP 사이에서 발생했다고 믿어진다. 또한, 프로브 HBT-1의 값은 활성 부위로서 살리 실 알데히드 옥심을 또한 이용하는 다른 형광 프로브보다 월등히 탁월한 1.3 nM의 낮은 검출 한계에 의해 입증되었다. 특히, 프로브 HBT-1을 포함하는 스핀 코터 스트립 및 여과지는 기체 DECP에 노출시 극적인 형광 변화를 나타냈다. 상대적으로 저농도의 probe HBT-1 embedded nanofibers의 고효율 감지 활동은 실용화 된 방법으로 신경제를 감지하는 데 유망한 것으로 입증되었다. I-B 장에서는, 포스겐 (phosgene) 검출을위한 naphthalimide 기반의 probe NAP-1을 도입했다. 포스겐과의 반응 후, 반응성 오르토 페닐 렌 디아민 부분은 벤즈 이미 다 졸론 유도체로 이동되어 형광 세기를 크게 증가시켰다. 이 메커니즘을 확인하기 위해 최종 생성물 인 NAP-BI가 순전히 분리되었으며 1H 및 13C NMR 및 고해상도 질량 스펙트럼 특성화로 NAP-BI의 정확한 구조가 확인되었습니다. 또한, 휴대 성 및 실용적인 가치를 고려하여 상대적으로 저농도의 NAP-1 이 봉입 된 여과지를 사용하여 육안으로 관찰 할 수있는 비색 및 형광 변화에 의한 가스 성 포스겐 검출이 가능합니다. 장 IC에서, 2- (2- 아미노 페닐) 벤조 티아 졸 (ABT)을 활용하면 ESIPT 과정을 통해 포스 젠의 이중 반응 부위 (케토 형태)를 생성 할 수 있으며, 효율적으로 비례 측정 및 비색 형광 프로브 ABT-1을 사용하여 용액 및 기체 상을 설계하고 합성 하였다. 무색 및 에미 션 컬러에서 핸드 헬드 UV 램프 (365 nm)의 도움으로 청색으로부터 녹색으로의 황색에 대한 명백한 비색계 반응이 용액 및 시험 종이 모두에서 육안으로 관찰되었다. 또한 0.16 ppm의 낮은 검출 한계와 포름 알데히드, 산화 질소 및 다른 반응성 독성 분석 물질을 넘어선 포스겐에 대한 탁월한 특이성으로 우수한 감도를 나타냈다. 모든 종류의 형광 프로브가 매우 제한적이기 때문에 모든 결과는 ABT-1 프로브가 포스겐에 대한 비율 측정 형광 프로브의 보충제가 될 수 있음을 나타냅니다. Ⅱ 장에서는 반응성 산소 종 (HOCl, 차아 염소산 수소)과 반응성 질소 종 (NO, 산화 질소)의 선택적 검출을위한 두 개의 형광 탐침이 개발되었다. HOCl과 NO는 모두 생리 학적 중요성이 있으며 낮은 농도에서도 세포 내 신호 전달의 동일한 단계를 통해 세포 기능을 중재 할 수 있습니다. 또한, 다양한 자연적 자극은 ROS / RNS의 세포 내 형성을 매개하여 세포 내 산화 환원 상태 (산화 - 환원)를 조절합니다. 따라서, 이러한 반응성 종의 실시간 검출을위한 효율적인 형광 탐침의 설계 및 합성은 본질적으로 의미가 있습니다. II-A 장에서 HOIP를 선택적으로 민감하게 감지하기위한 친숙한 ESIPT 형광체 HBO 기반 형광 프로브 HBO가 2 광자 현미경으로 성공적으로 개발되었다. 또한, 프로브 HBO는 ONOO-, NO, ROO•,•OH, H2O2, NO2-, 1O2 및 O2•-와 같은 다른 관련 반응 종을 넘어서는 HOCl의 검출에 대해 높은 특이성을 보였다. 또한, 프로브 HBO는 큰 Stokes 이동과 빠른 반응 속도로 HOCl을 모니터링 할 수있는 능력이있었습니다. 또한, 프로브 HBO의 귀중한 생물학적 응용은 프로브 HBO가 2- 광자 현미경을 통해 살아있는 생체 조직 및 RAW 264.7 세포에서 내인성 및 외인성 HOCl을 성공적으로 감지한다는 결과에 의해 더욱 입증되었습니다. II-B 장에서는 익숙한 ESIPT 형광 단을 기반으로 한 새로운 ratiometric 형광 프로브 ABT-2가 설계되고 합성되었습니다. 탐침 ABT-2의 용액에 다른 양의 NO를 첨가하면, 벤조 [c] 신 놀린 유도체의 형성으로 인해 황색 및 청색의 스펙트럼 창에서 관측 가능한 이중 방출 신호 변화가 유발되었다. 또한, 프로브 ABT-2는 다른 RNS, ROS 및 생물학적 관련 종을 넘어 NO에 대해 높은 특이성을 나타냈다. 더욱이, 프로브 ABT-2는 생체 내에서 비 등방성 방식으로 NO를 검출하는 데 사용될 수있는 우수한 능력을 보유하고 있었으며, 이는 우수한 생물학적 가치를 입증 해주었습니다. 3 장에서 반응성 황 종 (H2S, 황화수소 및 GSH, 글루타티온)의 선택적 검출을위한 두 가지 형광 탐침이 개발되었다. 반응성 산소 / 질소 종과 유사하게, 반응성 황 종 (RSS)은 신체의 자연 방어 시스템에 필수적인 구성 요소로 여겨지는 또 다른 중요한 반응 물질입니다. 지금까지는 HPLC, 전기 화학 등 RSS 탐지를위한 몇 가지 방법이있었습니다. 그러나 형광 프로브는 높은 선택성, 빠른 반응 속도 및 실시간 감지 능력으로 인해 훨씬 더 매력적입니다. Ⅲ-A 장에서 익숙한 ESIPT 형광 단 HBT를 기반으로 H2S를 선택적으로 민감하게 모니터링하기위한 새로운 형광 프로브 HBT-2가 설계되고 합성되었다. 프로브는 biothiols, ion, RNS 및 ROS와 같은 다른 반응성 종들보다 우수한 H2S에 대한 우수한 선택 성과 민감성을 보였다. 또한, H2S와 프로브 HBT-2의 생성물은 PBS 완충액 (DMF : PBS 완충액 = 9 : 1)의 낮은 분획에서 480 nm에서 ESIPT 방출을 나타내지 만, 높은 분획에서는 약 540 nm에서 최대 방출을 갖는 AIE 특성을 나타내었다 의 PBS 완충액. 뿐만 아니라, 프로브 HBT-2는 1 광자 및 2 광자 현미경으로 살아있는 HeLa 세포에서 H2S를 모니터링하는 데에도 성공적으로 사용되었습니다. III-B 장에서, GSH 로다 민 B 검출을 이용하여 Rho-1을 구상했다. Rho-1은 pH 값 범위의 다른 반응성을 가지고 있으며 GSH는 선택성을 고사 하였다. Rho-1의 생체 시스템과 GSH의 감각은 수분과 함께 존재하며 침습성과 생체 적합성을 지닌다. 또한 Rho-1은 H2O2 또는 LPS에 의해 GSH의 농도 수준에 민감한 수단으로 이용 될 수 있습니다. Rho-1은 GSH를 매개로 세포 사멸을 막고 세포 사멸을 촉진한다. IV 장에서는 수은의 비색계와 계량 적 (ratiometric) 검출을위한 형광 프로브 NAP-2가 개발되었다. 프로브 NAP-2의 레티 메트릭 형광 응답은 4- 히드 록시 나 프탈이 미드 형광 단의 형광을 회복하기 위해 H2O2를 주성분으로하는 티오 포스 핀 화 그룹의 절단을 통해 분자 내 전하 이동 (ICT) 시스템을 구축함으로써 달성되었다. 그 외에, 프로브 NAP-2는 다른 관련 금속 이온에 비해 Hg2+ 에 대해 우수한 특이성을 보였다. 더 중요한 것은, 이 프로브의 실용적인 잠재력은 살아있는 세포와 고체상에서 Hg2+ 이온을 감지하는 이중 채널의 능력을 보유한다는 사실에 의해 더욱 입증됩니다. ;In chapter I, three fluorescent chemosensors were developed to selectively sense of phosgene and nerve gas mimic, respectively. Because these toxic substrates have become the potential threats to public health, developments of efficient methods to monitor phosgene or nerve agents (mimic) are of great demand. First, an ESIPT based probe HBT-1 was succefully synthesized to efficiently monitor DECP, a well-known nerve gas mimic, in a selective, sensitive and simple manner. The interations occurred between DECP and HBT-1 led to the transformation of the oxime group into a nitrile, resulting in a remarkable fluorescence enhancement. Moreover, spin coaters and filter papers which were embedded in solutions of HBT-1 exhibited significant emission changes after the exposure of the resultant filter papers/spin coaters to gaseous DECP. Besides that, HBT-1-composited nanofibers also displayed a high sensitivity in monitoring nerve gas mimic in the compact and simple manner. Second, a naphthalimide derivative NAP-1 functionalized by o-phenylenediamine was designed and developed as an “off-on” fluorescence probe to sense phosgene with great performance. The evaluations in solutions indicated that NAP-1 exhibited a rapid and obvious fluorescence enhancement via the cyclization reaction of o-phenylenediamine induced by phosgene. More importantly, NAP-1 was also successfully applied to detect phosgene in the gas phase by aid of the portable filter papers and silica gel. Third, a ratiometric and colorimetric fluorescence probe ABT-1 was developed based on 2-(2- aminophenyl)benzothiazole (ABT) fluorophore for the detection of phosgene. Under the excitation, ABT could undergo an intramolecular proton transfer process, leading to the formation of dual sites to react with phosgene. ABT-1 possessed the potential to sense phosgene in both the gas phase and in solutions, in ratiometric (blue to green) and colorimetric (colorless to yellow) manner. In addition, the detection limit was determined to be as low as 0.14 ppm which demonstrated the high sensitivity of probe ABT-1. Finally, an excellent selectivity towards phosgene beyond other relevant toxic species was confirmed. In chapter II, two fluorescence probes were developed for the selective sensing of hypochlorite and nitric oxide, respectively. These reactive species are involved in different biological functions and are considered to be essential to life. Thus, developments of the efficient strategy to monitor these species in vivo are of great importance in order for the deeper understanding of their bioactivities at the cellular level. First, a familiar ESIPT fluorophore based probe HBO was designed and synthesized for the selective and sensitive detection of hypochlorite (HOCl) with a large Stokes shift, a high sensitivity, and rapid response rate. Moreover, HBO showed a high specificity for monitoring HOCl beyond other related reactive substances. More interestingly, probe HBO has the capability of sensing endogenous and exogenous HOCl in the living cells and tissues under two-photon microscopy. Second, a colorimetric and ratiometric fluorescence probe ABT-2 was synthesized and exploited for the detection of nitric oxide (NO). The probe ABT-2 was easily synthesized based on the familiar ESIPT fluorophore, 2-(2-aminophenyl)benzothiazole. Upon the addition of nitric oxide, a clearly observable dual-emission change in the yellow and blue regions was induced due to the formation of benzo[c]cinnoline derivative. Probe ABT-2 displayed high specificity to NO beyond other reactive species including other RNS/ROS and reactively biological substances. More importantly, this probe possessed the ability for the ratiometric detection of NO in the living cells. In chapter III, two fluorescence probes for the detection of hydrogen sulfide and glutathione, respectively, were developed since the determinations of reactive sulfur species is highly required to understand their functional roles in biological samples and to study the diseases related to them. First, a new fluorescence probe HBT-2 based on a familiar ESIPT fluorophore HBT was synthesized and employed for selective detection of hydrogen sulfide (H2S) in solutions and in living cells. HBT-2 in physiological condition (pH = 7.4) exhibited significant enhancement of fluorescence in the presence of hydrogen sulfide. More interestingly, an ESIPT emission at 480 nm was observed when the product of the reaction of the probe was dissolved in low vol% fractions of PBS buffer, while an emission wavelength centered at 540 nm was observed when higher vol% fractions of PBS buffer was used. Second, a colorimetric and off/on fluorescence probe Rho-1 was exploited for the selective detection of glutathione (GSH). Upon the addition of GSH to the solution of probe Rho-1, a significant fluorescence enhancement was displayed because of the ring opening of the rhodamine structure. Besides that, Rho-1 possessed the ability to detect the concentrarion changes of GSH in living cells that are mediated by H2O2 and LPS. Importantly, the value of Rho-1 was demonstrated by the fact that it can detect GSH in zebrafish in a highly, olfactory cilia cell specific manner. In the last chapter IV, a new naphthalimide derivative NAP-2 which contained the phenyphosphinothioic group, was developed for the selective recognition of Hg2+. The response of NAP-2 to Hg2+ ion was selectively examined over other relevant metal ions by both the colorimetric (from colorless to yellow) and fluorescence intensity change (from blue to green under UV lamp (365 nm)). More importantly, probe NAP-2 displayed a good solid state response by simple grinding method. A colorimetric transformation of solid probe NAP-2 from white to yellow was observed upon the simple grinding with mercury perchlorate. Moreover, it possessed the capability of the ratiometric sensing of Hg2+ in the living cells.
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