Organic and Polymeric materials for Colorimetric and Fluorescent Sensing of Biomolecules and Metal ions

국문 초록 (Abstract)

형광 센서는 금속, 비금속, 바이오 분자 등 다양한 물질을 분석할 수 있는 수단이다. 빛을 이용해 액상의 샘플을 주로 탐지하기 때문에 극미량의 농도에서도 기기만 준비되면 손쉽게 분석이 가능하다. 형광 센서의 재료로는 유기 및 고분자 재료 등 다양한 물질이 사용되고 있으며, 위 논문에서는 그 중 유기 재료인 로다민 유도체 (rhodamine derivative)와 고분자 재료인 폴리디아세틸렌 유도체 (polydiacetylene derivative)를 활용하여 분석을 하고자 한다. Ⅰ 장에서는 새로운 thiourea 로다민 기반의 화학 센서 인 ThioRh 1과 ThioRh 2를 연구하여 형광 및 비색 변화에 의한 ATP의 선택적 검출 과정을 진행했다. 두 개의 프로브 용액이 590 nm에서 뚜렷한 형광 증가와 명백한 색 변화를 보이는 것을 확인했고, 그 과정에서 프로브 샘플이 ATP를 첨가하면 색상이 무색에서 진한 핑크색으로 변하는 것을 관찰했다. 또한, ThioRh 시리즈는 살아있는 세포에서 ATP 농도를 모니터링 할 수 있는 것이 검증되었다. ATP는 주로 미토콘드리아에 존재하는 화합물로 알려져 있기 때문에 ThioRh 2는 미토콘드리아 ATP를 이미지화하는 데 사용할 수 있는지, ThioRh 1의 경우 lysosome의 ATP를 표시하는 데 사용할 수 있는지 세포 실험을 통해 확인했다. Ⅱ 장에서는 금속 이온 검출을 위한 폴리디아세틸렌 (Polydiacetylenes, PDAs) 기반의 다공성 코어를 포함하는 비색계 화학 센서 PC-PDA-1과 PC-PDA-2를 설계 하였다. 폴리디아세틸렌은 단량체를 자가 조립하여 자외선 조사를 통해 중합되는데, 중합 과정에서 첨가물이 첨가되지 않아 높은 순도의 고분자를 얻을 수 있는 것이 특징이다. 일반적으로 외부 자극에 의해 청색에서 적색, 최대흡수파장 650 nm에서 540 nm로의 비색 및 형광 변화를 보인다. 이러한 폴리디아세틸렌을 기반으로 설계된 두 분자는 각각 포르피린 고리, 크라운 에테르 고리와 같은 다공성 물질을 포함하고 있어 금속 이온을 탐지할 것으로 기대됐다. PC-PDA-1은 5 %의 N, N-dimethylformamide를 포함한 증류수에서 자가 조립되었으며, 자외선에 의해 진한 녹색의 고분자로 중합되었다. 중합된 고분자 용액은 극미량의 수은 이온과 선택적으로 반응하여 형광 연두색으로 변했다. PC-PDA-2의 경우 100 % 증류수에 2 당량의 PCDA를 첨가하여 자가 조립되었고, 자외선을 조사를 통해 청색의 고분자로 중합되었다. 다양한 금속 이온과 반응시키며 선택성을 관찰했지만, 특정 금속 이온에 대해 특이적인 선택성을 나타내지 않았다. 추가 실험으로 음이온 선택성 혹은 바이오 분자 선택성 테스트를 수행할 수 있을 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In Chapter Ⅰ, new thiourea rhodamine based chemosensors, ThioRh 1 and ThioRh 2 was studied, and verified those properties to check whether they display selective sensing process with ATP by fluorescent and colorimetric change. We confirmed that solutions of two probes show distinct fluorescent increase at 590 nm and an obvious color change. The probe samples display no color without ATP and when ATP was added, color changes to dark pink color. Also, ThioRh series are available to monitor ATP concentration in living cells. Since ATP is known as compound that mainly exist in mitochondria, ThioRh 2 is available to image mitochondrial ATP. ThioRh 1 can be used to selectively position the lysosome and display ATP in the lysosome.
In Chapter Ⅱ, Polydiacetylenes (PDAs) based colorimetric chemosensors for the detection of metal ion were designed. The PDA derivatives, which named PC-PDA-1 and PC-PDA-2, both include a porous core, and it is expected to bind with specific metal ion. Each probe possesses porphyrin ring and crown ether ring, respectively. PC-PDA-1 was assemble in distilled water and when UV irradiated, it showed color change to dark green. The polymerized emulsion selectively reacts with Hg2+ ion, with color change to greenish yellow. In case of PC-PDA-2, it was co-assembled in 100% of distilled water with 2 equivalents of PCDA and when UV irradiated, it showed color change to clear blue. The metal selectivity test was done with the emulsion, but the porous core didn’t show specific selectivity to metal ion. For the further experiments, anion selectivity test can be done.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 5
• Chapter Ⅰ. Thiourea Rhodamine based fluorescent chemosensors serve as selective mitochondrial and lysosomal ATP detector 6
• Ⅰ. A. Introduction 7
• Ⅰ. B. Result and Discussion 11
• Ⅰ. C. Conclusions 22
• Ⅰ. D. Experimental Section 23
• Ⅰ. E. References 28
• Ⅰ. F. Appendix 31
• Chapter Ⅱ. Polydiacetylene-Based Chemosensors bearing Porous Chemical Structures 34
• Ⅱ. A. Introduction 35
• Ⅱ. B. Result and Discussion 39
• Ⅱ. C. Conclusions 50
• Ⅱ. D. Experimental Section 51
• Ⅱ. E. References 53
• Ⅱ. F. Appendix 54
• Abstract (Korean) 57