The Development of Highly Selective Fluorescent Chemosensors for Metal Ions and Thiols

Abstract

In chapter I, new sensors based on rhodamine hydrazone bearing multiple ether units or phenol group are designed, which have selectivity and sensitivity toward the Hg2+ and Cu2+. Monomeric derivative containing additional ether moieties and a dimeric system displayed excellent fluorescence and colorimetric selectivity for Hg2+ in aqueous solution. Monomeric derivative displayed much lower detection limit compared to dimeric derivative and both of these new hydrazone derivatives act as chemodosimeters for Hg2+. On the other hand, dimeric system containing an additional phenol group showed a highly selective and reversible colorimetric change with Cu2+ in CH3CN–HEPES buffer. The detection limit was calculated as 0.15 M with the linear range of 280–800 nM. Finally, monomeric derivative was further applied to the cell-imaging of Hg2+ using HeLa cells. In chapter II, new pyrene-based sensors are described, which show a selective “off-on” fluorescence enhancement with homocysteine (Hcy) and cysteine (Cys). Two of them displayed excellent fluorescence selectivity for Hcy, in which ortho-hydroxy group can make efficient hydrogen bonding with nitrogen’s lone pair electrons of the thiazolidine ring and thiazolidine formation can be attributed to the Hcy selectivity of sensors. Two controlled compounds ortho-hydroxyl derivative and non carbonyl derivative were also examined for these biothiols. Ortho-hydroxyl derivative displayed Hcy selectivity via thiazolidine formation. On the other hand, non carbonyl derivative showed a nice selectivity for Cys via kinetically favored seven-membered ring formation. Furthermore, one of Hcy probes was successfully applied to imaging of Hcy in the HeLa cell and the reaction of Hcy probe with Hcy calculated by the density functional theory (DFT) calculations. ;1 장에서는 multiple ether 또는 phenol 그룹을 가지고 있는 로다민 하이드라존 유도체를 기반으로 하여 Hg2+ 이온 및 Cu2+이온에 선택적인 형광화학센서들을 디자인하였다. Ether moiety를 포함하는 단량체 유도체와 이합체 유도체는 수용액 상태하에 Hg2+ 이온에 대한 형광 및 색 변화에 대한 선택성을 보인다. 단량체 유도체는 이합체 유도체와 비교했을 때, 더 낮은 검출한계를 보이고, 또한 두 센서 모두 Hg2+ 이온에 대해 chemodosimeter로 작용한다. 반면 phenol 그룹을 포함하는 이합체 유도체는 CH3CN–HEPES 완충용액 하에 Cu2+이온에 대해 선택적이고 가역적인 색 변화를 보여준다. 검출한계는 0.15 M이고, linear range는 280–800 nM이다. 더 나아가 단량체 유도체는 헬라 세포 내의 Hg2+ 이온에 대한 cell-imaging을 확인하였다. 2 장에서는 호모시스테인과 시스테인에 대해 선택적인 “off-on” 형광 증가를 보여주고 파이렌을 기반으로 하는 센서들을 소개하고 있다. 그 중 2개의 센서는 호모시스테인에 대해 선택적인 형광을 보인다. 이 센서들은 ortho-hydroxy 그룹이 thiazolidine ring내 질소의 비 공유 전자쌍과 수소결합을 할 수 있고, thiazolidine의 형성은 센서의 호모시스테인에 대한 선택성에 기여하게 된다. 또한 두 개의control 물질인 ortho-hydroxyl 유도체non carbonyl 유도체의 바이오싸이올에 대한 반응도 확인하였다. Ortho-hydroxyl 유도체는 thiazolidine 형성으로 인해 호모시스테인에 대해 선택성을 가진다. 반면 non carbonyl 유도체는 7각형 고리 형성이 kinetically 선호적이기 때문에 시스테인에 대해 선택성을 보인다. 더불어 한 개의 호모시스테인 센서는 헬라 세포 내 호모시스테인의 cell imaging을 확인하였고, Density Functional Theory (DFT) 계산 방법을 통해 호모시스테인 센서와 호모시스테인의 반응에 대해 계산하였다.