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Reaction-based small-molecule fluorescent probes for the detection of biologically important analytes. = 생물학적 중요 분자 탐지를 위한 화학반응 기반 형광 탐지화합물 연구
서명 / 저자 Reaction-based small-molecule fluorescent probes for the detection of biologically important analytes. = 생물학적 중요 분자 탐지를 위한 화학반응 기반 형광 탐지화합물 연구 / Dhiraj Padmakar Murale.
저자명 Murale, Dhiraj Padmakar ; Dhiraj Murale
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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BODIPY-based dyes for the study of Fenton chemistry: Three novel BODIPY dyes are synthesized where [$O_{phenol}, N_{tert-amine}, N_{py}, X$] (X = S (thienyl), O (furyl), N (pyridyl) one pendent arm of the chelation pocket is hemi-labile and which can be used as a probe for the selective detection of $Fe^{3+}$. Also, $H_2O_2$ can be detected in Fen-ton-like conversions by $Fe^{2+}\cdot$ probe ensemble fluorescence “turn-on” responses that operate in neuronal cells with multiple inputs. A new BODIPY-based probe was synthesised with one pendent arm of the [$O_{phenol}, N_{tert-amine}, N_{py}, Se_2$], which can be used to detect $Fe^{3+}$ via enhancement in fluorescence intensity which can be used as simplistic po-dium to discriminate $Fe^{2+}$ and $Fe^{3+}$ via Fenton Chemistry utilizing hydrogen peroxide. This is the first BODIPY system which works as a 2:1 multiplexer for $Fe^{3+}$, $Fe^{2+}$ and $H_2O_2$. A novel fluorescent difluoroboroazaoxobenzazulene [8a-aza-8-boro-8,8-difluoro-7-oxo-7,8-dihydro(diethylamino)benz(f)azulene] dye has been synthesized from commercially available substrates in “one pot,” and was characterized structurally and spectroscopically, was derivatized and finally compared to a related BODIPY system that demonstrates “turn-on” $H^+$ (42-fold) and $F^-$ (~5-fold) responses. It is the first example of its type. Its 5-7-6 fused structure is unique and has some interesting structural properties that can be compared to few other related dye molecules / organic fragments. Fluorescein-based dyes for detection of biologically important analytes: Here we synthesized four different fluorescein based molecules which can be used as reaction based fluorescent probes for detection reactive oxy-gen species and biothiols. Firstly 3,5-dinitrobenzoyl ester of fluorescein was synthesised which can be used as a chemo-dosimeter for the detection of cysteine and homocysteine (310- and 290-fold) and superoxide inputs (336-fold increase) gives significant fluorescence intensity increases with detection limits of $2.13 \times 10^{-5} M$, $1.37 \times 10^{-5} M$ and $2.71 \times 10^{-5} M$ respectively. “OR” logic gating was constructed where biothiol and superoxide are used as two separate types of inputs. This dye is biorelevant and used to detect intracellular biothiol detection in neu-ronal cells. As per our knowledge, this is the first example of a novel fluorescent probe based on the nucleo-philic substitution reaction of biothiols and superoxide through ester cleavage. Dimethyl-thiocarbamoyl (DMTC) derivative was synthesized by simple DMTC protection of fluroescein. This can be used as new aqueous fluorescein-based chemodosimeter for the detection of $H_2O_2$ in living neuronal cells in the presence of $Hg^{2+}$ concentration. This probe gives “AND” logic gate responses with $Hg^{2+}$ and $H_2O_2$ with 55- and 100-fold, respectively increase in fluorescence intensity. Simple esterification of Fluorescein with vinylacetic acid affords a novel ratiometric, fluores-cent and selective probe for detection of Cys over other thiol-containing amino acids with a detection limit of $11.3 \mu M$ and 1390-fold increase in fluorescence intensity within 20 minutes. This sensing was also confirmed in living neuronal cells and in human blood plasma. Finally a fluorescein chloropropionate ester was synthesized by a simple one-step reaction. The chloropropionate caged fluorescein probe allows for prompt detection of cysteine over other biothiols e.g., ho-mocysteine with a time and limit of detection of $12.8 \mu M$. The detection was confirmed in living neuronal cells and human blood plasma. 2-(benzothiazol-2-yl)-phenol (HBT)-based probes for detection of superoxide: Two novel fluorescent probe conjugates of 2-(benzothiazol-2-yl)-phenol (HBT) (1) phosphinate ester and (2) 4-nitro ether enable ratiometric and selective superoxide detection by an established excited state intramolecular proton transfer (ESIPT) mechanism giving a 60-fold increase in fluorescence intensity and a detection limit of $3.0 × 10^{-3} M$ and $6.38 × 10^{-5} M$, respectively.

2.1단원에서는, BODIPY를 기반으로 하는 새로운 형태의 형광센서 세가지를 합성하였고, $Fe^{2+} 혹은 Fe^{3+}$ 이온과 결합한 상태에서, 과산화수소를 반응시킬 때 형광변화에 대해서 연구하였다. 이 BODIPY형광분자는 광유발 전자이동(PET) 시, 전자 주개-받개의 이합체로 구성된 분자로써, $Fe^{3+}$에 의해서 형광이 발광되는 특성이 있으며, $Fe^{2+}의 경우, $H_2O_2$의 존재 하에서, $Fe^{3+}$로 변환되면서 형광 탐지가 가능하다. 이 탐지화합물을 신경암세포인 SH-SY5Y에서 작용시켰을 때, 철이온 존재하에 과산화수소를 형광 탐지할 수 있으며, 또한 생물학적으로 중요한 제 2, 3 산화철 이온과 과산화수소의 투입에 근거한 형광신호를 이용하여, 분자논리회로를 구성할 수 있었다. 단원 2. 2에서는, $Fe^{3+}$과 결합하는 새로운 분자 탐지화합물을 합성하였고, $Fe^{3+}$과 결합했을 때 15배의 형광의 증가효과를 확인하였고, $9.63 × 10^{-5} M$ 의 검출한계를 측정할 있었다. 이 탐지화합물은 제 2산화철 펜톤 반응을 연구하기 위한, 2:1 molecular multiplexer의 논리회로 구성이 가능함을 알 수 있었다. 마지막으로, DFT 연구를 통해 산화중간체인 페릴 그룹($[Fe^{IV}O]^{2+}$) 의 형성을 확인하였으며 이는Baerends 연구그룹에 의해서 밝힌 결과와, 배위구조나 에너지 측면에서 일치함을 알 수 있었다. 본 형광화합물은2:1 molecular multiplexer 의 기능을 포함하는 최초의 형광 탐지화합물로 사료되며, 펜톤 반응 연구에 있어서 본 연구결과가 도움이 될 것으로 사료된다. 2.3 단원에서는, 8a-aza-8-boro-8,8-difluoro-7-oxo-7,8-dihydro(diethylamino)benz(f)azulene 인, BODIPY 기반의 형광분자를 제시하였다. 이 새로운 센서의 합성은 관련된 염색분자 혹은 유기염료와 비교될 수 있는 흥미로운 구조적 특성을 가지고 있었다. 5-7-6의 결합된 구조는 독특한 구조로써, knoevenagel synthesis를 통해 비대칭적인 화합물을 합성할 수 있었다. 일반 시약을 이용해서 손쉽게1단계 합성이 가능하기 때문에, 본 형광화합물을 다른 많은 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 관련된 BODIPY 시스템을 연구하였으며, $H^+$ 에 대해서는42배의 형광과 F-에 대해서는 약 5배의 형광의 증가하는 것을 확인하였다. 3.1단원에서는, 새로운 fluorescein에 근거한 형광센서를 개발하였고 이 센서는 생물학적으로 중요한 바이오싸이올 분자인, 시스틴과 호모시스틴에 대해 각각310배, 290배 증가된 형광이 탐지가 가능하였고, 동시에 초과산화물($O_2^-$)에 대해서도 336배의 형광이 증가된 탐지가 가능하였으며, 형광 화학정량계로서 역할을 할 수 있는 것으로 사료된다. 이 형광센서가 522 nm에서 형광이 증가되는 반응은, 유리된 fluorescein의 생성 때문으로 사료되며, 두 개의 경로로의 입력신호를 이용하여, 바이오싸이올과 초과산화물($O_2^-$)을 입력단으로 한는 새로운 “OR” 분자논리회로를 구성할 수 있었다. 또한 이 형광화합물은 세포내의 바이오싸이올 탐지에도 유용한 것으로 확인되었으며, ester hydrolysis를 통한 바이오싸이올과 초과산화물($O_2^-$)에 대한 최초의 센서이며, 향후에도 이 센서는 위치 특정 약물전달에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 3.2 단원에서는, fluorescein에 기반으로 하는 수용성의 형광센서에 대해 연구하였다. 수은 이온 (Hg2+)과 과산화수소 ($H_2O_2$)를 차례로 추가하였을 때 수은 이온 ($Hg^{2+}$)에 의하여 타이오카르보닐 그룹의 변형되는 현상을 이용하였다. 은이온 (Ag+)의 간섭에도 불구하고 이 형광센서는 “AND” 분자논리회로를 이루며, 수은 이온($Hg^{2+}$)과 과산화수소 ($H_2O_2$)에 각 55배, 100배의 형광 증가를 보였다. 이 형광센서의 디자인 및 탐지 전략은 생물학 분야에서 수은 이온 ($Hg^{2+}$)과 과산화수소 ($H_2O_2$)를 연구하는데 사용될 수 있을 것이다. 3.3 단원에서는 fluorescein을 기반으로 하는 수용성형광 탐지화합물을 개발하여, 시스틴을 매우 선택적으로 탐지하는 시스템에 대해 연구하였다. Fluorescein과 비닐 아세트산의 간단한 에스테르화 방법을 이용하여, 황(S)을 포함하는 다른 아미노산에 비해 시스틴에 대해서만 선택적으로 형광 센상이 가능함을 확인하였고, $11.3 \mu M$의 검출한계와 20분 이내 1390배의 형광 증가를 관찰하였다. 본 형광 탐지 화합물은 인간혈장과 살아있는 신경세포에서도 형광탐지가 가능함을 확인하였다. 3.4 단원에서는 새로운 형태의 fluorescein 기반의 chloropropionate ester 화학센서를 합성하였으며, 황을 포함하는 다른 아미노산에 비해 시스틴만 선택적으로 형광탐지하는 특성을 보였다. $12.8 \mu M$ 검출한계 나타내었고, 10분이내 250배의 형광의 증가를 나타내었다. 이 프로브 역시 살아있는 신경세포와 인간 혈장에서도 시스틴을 탐지할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 4.1 단원에서는 2-(benzothiazol-2-yl)-phenol (HBT)에 기반을 둔 두 종류의 형광센서를 합성하였다. 프로브 1과 2는 수용성 매질에서 자체 정량적 특성을 보였고, 초과산화물($O_2^-$) 에 대해서 선택성을 갖고서 형광 탐지할 수 있음을 확인하였다. 85 nm의 장파장 이동와 약 60배의 형광 증가를 보였다. 이 센서는 다른 활성산소에 간섭없이 단지 초과산화물($O_2^-$)에 대해서만 선택적 형광의 증가를 보였다; 프로브 1의 세포생존성 테스트는 SH-SY5Y세포와 MTT assay를 통해 신경세포에 유해하지 않는 것으로 증명되었고 ether hydrolysis에 의한 초과산화물($O_2^-$) 센싱은 $6.38 \times 10^{-5} M.$의 검출 한계를 보였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCH 14034
형태사항 xvii, 183 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : Dhiraj Murale
지도교수의 영문표기 : David G. Churchill
지도교수의 한글표기 : 처칠
수록잡지명 : "Highly Selective Excited State Intramolecular Proton Transfer (ESIPT)-Based Superoxide Probing". Organic letters, v.15,no.15, pp.3946-3949(2013)
수록잡지명 : "Highly Fluorescent and Specific Molecular Probing of (Homo)Cysteine or superoxide: Biothiol Detection Confirmed in Living Neuronal Cells". Organic letters, v.15,no.14, pp.3630-3633(2013)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학과,
서지주기 Including references
주제 BODIPY
fluorescein
2-(benzothiazol-2-yl)-phenol (HBT)
biothiols
ROS
chemodosimeter
living neuronal cells
human blood plasma
바디피
플루오레신
2-(벤조타이아졸-2-일)-페놀
생물학적 황
활성산소
화학정량계
생 뉴런 세포
혈장
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