Binding sites of biomaterials e.g., protein or enzyme with Eu(Ⅲ) ion were Investigated using Eu(Ⅲ) excitation spectroscopy having useful property ($^7F_0 → ^5D_0$ transition). Eu(Ⅲ) excitation spectra of Eu(Ⅲ) ion as substitutional probe ion and various ligands complexes were obtained in order to investigate binding sites of biomaterials-Ca(Ⅱ) or Mg(Ⅱ) which it do not exhibit useful spectroscopic or magnetic probe properties. In addition, crystal structure of those complexes and Eu(Ⅲ) excitation spectra of these crystals were obtained and relationship between metal coordination structure and Eu(Ⅲ) excitation spectroscopy was studied.
Eu(Ⅲ) excitation spectra of Eu(Ⅲ) with various ligand complexes were obatined for basic spectroscopic interpretation as a preliminary research for model ligand of biomaterials. Eu(Ⅲ) exciation spectra were obtained as a number of carbon in dicarboxylic acids. With dicarboxylic acid ligands $HO_2C(CH_2)_nCO_2H$(n=0~3), the complexes show less stable trend as n increased: oxalate ＞ malonate ≫succinate ~ glutarate. In case of oxalic acid, the three proposed structures were suggested from data obtained Eu(Ⅲ) excitation spectra, the hydration numbers, which are the number of coordinated water molecules, of Eu(Ⅲ) coordinated to oxalate were obtained form the lifetime measurements of luminescence decay, and element analysis. Peaks of Eu(Ⅲ) excitation spectra of Eu(Ⅲ) ion and malonate complexes showed blue shift which is abnormal shift compared with red shift shown those of Eu(Ⅲ) ion and other lignads complexes. However, according to X-ray crystal analysis, malonate seems to behave as chelate ligands to form ring with Eu(Ⅲ) ion. The Eu(Ⅲ) excitation spectroscopy studies were extended to single crystals of Eu(Ⅲ)-glutarate complexes formed in aqueous solution. Three identifiable peaks (579.01, 579.24, and 579.52 nm) seen in the Eu(Ⅲ) excitation spectra of Eu(Ⅲ)-glutaric acid system indicate the formation of at least three species in aqueous solution. To identify these species, three Eu(Ⅲ)-glutarate complexes, $[Eu_2(C_5H_6O_4)_2(H_2O)_8]Cl_2$ ; 1D, $[Eu(C_5H_6O_4)(H_2O)_3]·ClO_4$; 2D, and $[Eu_2(C_5H_6O_4)_3(H_2O)_2 ]·4H_2O$; 3D, were isolated and studied by X-ray diffraction and Eu(Ⅲ) excitation spectroscopy. Even though these compounds adopt the same coordination number of 9, they exhibit different crystal structures and slightly different coordination environment. Nonetheless, the Eu(Ⅲ) excitation spectra show that the excitation peaks of 1D and 2D appear at the same position of 579.23nm while 3D has the peak at 579.54nm. These results indicate that the peak shift in the excitation spectrum is correlated to the total charge of the ligand coordinated to europium(Ⅲ), not to the geometry of the complex.
Coordination studies of Eu(Ⅲ) ion and various ligand including hetero atoms(e.g., O, N, S) as model ligand of biomatrials were done. Polyfunctional ligands that contain "hard" base neutral donors, such as ODA(diglycolic acid) and IMDA(iminodiacetic acid), showed greater shift in the peak positions due to the increase in the overall charge on the ligands. By contrast no such effect was shown by the S-ODA (thiodiglycolic acid) having "soft" base donor neutral S group that are known to coordinate poorly with Eu(Ⅲ) ion. In order to investigate neutral N donor effect, the complexation studies of pyridinecarboxylic acids with Eu(Ⅲ) in aqueous solution were carried out. Various pyridinecarboxylic acids [mono: picolinic, nicotinic, and isonicotinic acid; di: i,j- pyridinedicarboxylic acid(i=2, 3; j=3, 4, 5, 6)] were used. And to compare pyridinecarboxylic acids with other carboxylic acids, an additional study was performed with simple dicarboxylic acids [aliphatic: succinic, glutaric, adipic acid, and i,j-cyclohexanedicarboxylic acid (i=1; j= 2, 3, 4); aromatic: phthalic, isophthalic, and terephthalic acid]. From the analysis of experimental data, it is suggested picolinic acid derivatives [picolinic acid, and i,j-pyridinedicarboxylic acid(i=2; j=3, 4, 5, 6)] were complexed with Eu(Ⅲ) ion through both the nitrogen atom of pyridine and the carboxylate group. Other pyridinecarboxylic acids, However, were observed quite similar to the cases of acetic or benzoic acid.
The Eu(Ⅲ) excitation spectra and absorption spectra of Eu(Ⅲ) ion and glucose-1-phosphate known basic monomer of biomaterials were obtained. Peaks of the Eu(Ⅲ) excitation spectra show blue shift. In previous studies, this blue shift were shown in the Eu(Ⅲ) excitation spectra of Eu(Ⅲ) ion and biomaterial complexes. This result shows biomaterials have many phosphate binding sites.
Crystals of Eu(Ⅲ) ion and diglycolate and dipicolate were obtained using sodium and cesium counter cations. According to comparison between Eu(Ⅲ) excitation spectra obtained, sodium cation can shift ~0.1 nm and cesium cation can do ~0.16 nm longer than original peak position of solution state.
Using peak shift and position, total ligand charge coordinated on Eu(Ⅲ) ion and coordination number of Eu(Ⅲ) ion could be calculated by previous studies. In this thesis, possible binding ligand types, which is obtained from Eu(Ⅲ) ion and various ligand complexation studies, of Eu(Ⅲ) ion and biomaterial complexes of which binding sites were unknown were suggested .'
Eu(Ⅲ) 여기 분광법의 독특한 특징 ($^7F_0 → ^5D_0$ 전이)을 이용하여 생체 물질에서의 칼슘(Ⅱ) 이온 결합 자리의 특성을 살펴보고자 하였다. 분광학적 성질을 가지지 않는 칼슘(Ⅱ)이나 마그네슘(Ⅱ)의 생체 물질내의 결합 자리 규명을 위해 대체 금속으로 사용된 유로퓸(Ⅲ)과 여러 가지 리간드의 착화합물의 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼을 수용액상에서 얻었다. 또한, 이 착화합물의 결정 구조와 그 결정의 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼을 얻어 금속 배위 구조와 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼과의 상관 관계를 규명하였다.
생체 물질의 모델 리간드에 대한 연구 이전에 기본적인 분광학적인 해석을 위해 여러 가지 리간드들과 유로퓸(Ⅲ) 이온과의 화합물의 여기 스펙트럼이 얻어졌다. 디카르복실산의 탄소원자의 수가 증가함에 따라 스펙트럼에 어떠한 영향이 있는지 관찰하였다. 리간드의 탄소수가 많아수록 안정성이 떨어지는 것으로 나타났다: oxalate ＞ malonate ≫ succinate ~ glutarate. 유로퓸과(Ⅲ)과 Oxalate의 착화합물은 수용액상에서 얻은 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼과 $H_2O$와 $D_2O$ 용매하에서 얻어진 Eu(Ⅲ) 발광 붕괴 상수를 통하여 얻어진 Eu(Ⅲ)착화합물의 수화수(q값: Eu(Ⅲ) 착화합물에 배위된 물분자 수), 그리고, 원소분석을 통하여 3가지 종이 존재하며 그 구조가 제안되었다. Malonate와 유로퓸(Ⅲ) 이온 착화합물의 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼은 다른 리간드와는 다른 단파장 이동을 보여 주었으나 X-ray 결정 실험을 통해서 6-membered ring을 이루어 안정한 구조를 이루고 있었다. Eu(Ⅲ) 여기 분광법을 수용액에서 얻어진 Eu(Ⅲ)-glutarate 결정의 결합 자리 연구에도 확장되었다. 3개의 다른 결정이 얻어졌으며 이들은 각각 1D ($[Eu_2(C_5H_6O_4)_2(H_2O)_8]·Cl_2$), 2D ($[Eu(C_5H_6O_4)(H_2O)_3]·ClO_4$), 그리고 3D ($[Eu_2(C_5H_6O_4)_3(H_2O)_2]·4H_2O$) 구조를 보이고 있었다. 1D와 2D 구조의 Eu(Ⅲ)) 여기 스펙트럼에서 피크가 579.24 nm에서 나타났고 3D는 579.54 nm에서 나타났다. 1D와 2D는 수용액에서의 농도 실험에서 나타난 $EuL_2^+$의 여기 스펙트럼 피크 위치와, 3D는 EuL3의 피크 위치와 유사하였다. Eu(Ⅲ)여기 스펙트럼의 피크 이동은 Eu(Ⅲ)에 배위된 리간드의 구조의 영향보다 전체 전하에 영향을 받는 경향을 보여 주고 있었다.
생체 물질에 대한 모델 리간드 연구로 이종 원자(O, N, S등)를 포함하는 리간드와 유로퓸(Ⅲ)과의 화합물 배위 실험이 진행되었다. Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼을 통해 hard한 이종분자를 포함하는 ODA(diglycolic acid)와 IMDA(iminodiacetic acid)는 이종 분자가 착화합에 참여하여 킬레이트를 형성하는 경향을 보였다. 그러나 soft한 이종원자를 포함하는 S-ODA(thiodiglycolic acid)는 acetic acid와 비슷하게 카르복실기만이 착화합에 참여하는 경향을 보여준다. 중성 N 주게 영향을 좀 더 관찰하기 위해 Eu(Ⅲ)과 다양한 pyridinecarboxylic acid [mono: picolinic, nicotinic, and isonicotinic acid; di: i,j-pyridinedicarboxylic acid(i=2, 3; j=3, 4, 5, 6)]의 착화합 연구가 수용액상에서 진행되었고 비교를 위해 N을 포함하지 않은 리간드 dicarboxylic acids [aliphatic: succinic, glutaric, adipic acid, and i,j-cyclohexanedicarboxylic acid (i=1; j= 2, 3, 4); aromatic: phthalic, isophthalic, and terephthalic acid]와의 착화합 연구가 병행되었다. Picolinic acid 유도체 [picolinic acid, and i,j-pyridinedicarboxylic acid(i=2; j=3, 4, 5, 6)]의 경우는 pyridine 고리의 N과 카르복실기를 통해 Eu(Ⅲ)과 착화합물을 형성하는 것을 보였지만 그밖의 pyridinecarboxylic acid들은 N 주게가 착화합하지 않고 카르복실기만이 배위하는 경향을 보여 주고 있었다.
생체 물질의 단량체라고 알려진 glucose-1-phosphate와 유로퓸(Ⅲ)과의 착화합물 실험으로 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼과 흡수분광 스펙트럼이 얻어졌다. Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼에서 특이한 단파장 이동을 보여주었다. 이러한 단파장 이동은 생체 물질과 유로퓸(Ⅲ) 이온과의 착화합 실험에서 보여주는 현상과 유사하다. 이는 생체 물질에 phosphate기가 다량 존재함을 보여 주고 있다.
유로퓸(Ⅲ) 이온과 킬레이트 리간드라고 알려진 diglycolate, 그리고 dipicolinate과의 결정을 각각 나트륨과 세슘염으로 얻었다. 이들의 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼에서 얻어진 피크는 수용액상에서 얻어진 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼의 피크보다 나트륨의 경우는 약 ~0.1 nm, 세슘의 경우는 ~0.16 nm의 장파장 이동을 보여 주었다. 이는 counter cation이 $^7F_0 → ^5D_0$ 전이에 영향을 줌을 보여주고 있다.
지금까지 몇몇 연구자에 의해 제안되었던 Eu(Ⅲ) 여기 스펙트럼의 피크 위치를 이용한 배위된 전체 리간드의 전하수와 배위수를 알아내는데 그치지 않고, 여러 가지 리간드와 유로퓸(Ⅲ) 이온과의 착화합물의 연구로부터 얻은 자료를 바탕으로 하여 미지의 생체 물질과 유로퓸(Ⅲ) 이온 착화합물에서 결합하고 있을 가능성을 가진 리간드의 형태가 제시되였다.
