란타니드 프로브

Lanthanide probes

란타니드 탐침은 생물학적, 화학적 용도에 일반적으로 사용되는 비침습적[1] 분석 도구다.란타니드는 4f의 에너지 레벨을 채운 금속 이온이며 일반적으로 주기율표에서 세륨에서 루테튬까지의 원소를 가리킨다.[2]란타니드 염의 형광성은 금속 이온의 에너지 흡수량이 낮기 때문에 약하다. 따라서 란타니드의 킬레이트 복합체가 가장 일반적으로 사용된다.[3]첼레이트(chelate)라는 용어는 그리스어 '클라우(claw)'에서 유래하며, 리간드(ligands)라는 이름에 적용되는데, 리간드(ligand)라는 명칭은 데이터 결합을 통해 둘 이상의 기증 원자를 가진 금속 이온에 붙인다.형광은 금속 이온의 산화 상태가 3+일 때 가장 강하다.란타니드 금속이 모두 사용될 수 있는 것은 아니며 가장 흔한 것은:Sm(III), Eu(III), Tb(III), Dy(III)이다.[3]null

역사

EuFOD, Europium complex의 예

특정 란타니드의 염분이 형광물질이라는 것은 1930년대 초부터 알려져 왔다.[4]란타늄 염과 핵산의 반응에 대해서는 1930년대와 1940년대에 여러 간행물에서 논의되었는데, 란타넘 함유 시약이 핵산 구조물의 고정을 위해 사용되었다.[3]1942년 유러피움, 테르비움, 사마륨 복합체가 발견되어 자외선에 흥분했을 때 특이한 발광 특성을 보였다.[3]그러나 란타니드가 함유된 생물세포의 첫 얼룩은 20년 후 대장균의 박테리아 얼룩을 유러피움 복합체의 수용액으로 처리하면서 발생했는데, 수은등 조명 아래에서 밝은 붉은 반점으로 나타났다.[1]란타니드 탐사에 대한 관심은 1970년대 중반 핀란드 연구진이 시간해방 발광(TRL) 면역측정에서 발광센서로 Eu(III), Sm(III), Tb(III), Dy(III) 폴리아미노카복시레이트를 제안하면서 크게 높아졌다.[1]1970년대 이후 란타니드 첼레이트 및 시간 분해 발광 현미경(TRLM)에 대한 분석 방법의 최적화는 많은 과학, 의료 및 상업 분야에서 란타니드 탐침을 사용하는 결과를 낳았다.[1]null

기술

이질적인 것과 동질적인 것의 두 가지 주요한 검사 기법이 있다.분석에서 두 개의 란타니드 첼레이트를 차례로 사용하는 경우, 이를 이질적인 분석이라고 한다.[4]첫 번째 분석 물질은 폴리머와 같은 고체 지지대의 특정 결합제와 연결되며, 그 후 또 다른 반응은 첫 번째 불량 발광 란타니드 복합체와 새로운 더 나은 복합체를 결합한다.[1][4]이 지루한 방법은 두 번째 더 많은 발광성 화합물이 이미 존재하는 첫 번째 분석 물질이 없이는 결합되지 않기 때문에 사용된다.금속 중심 발광 프로브의 후속 시간 분해 검출은 원하는 신호를 산출한다.항원, 스테로이드, 호르몬은 이질적인 기술로 일상적으로 분석된다.균일한 측정은 유기 수용체와 란타니드 라벨의 직접 결합에 의존한다.[1]null

흥분된 분자 상태의 이완은 종종 형광이라고 불리는 빛의 방출에 의해 일어난다.이 방사선을 측정하는 방법에는 두 가지가 있다: 주파수(파장과 반대) 또는 시간의 함수로서.[4]일반적으로 형광 스펙트럼은 다른 파장에서 형광 강도를 나타내지만 란타니드는 형광 붕괴 시간(1마이크로초에서 1밀리초 범위)이 상대적으로 길기 때문에 시간 0에 주어진 흥분 에너지와 다른 붕괴 시간에서의 형광 방출량을 기록할 수 있다.이것을 시간 해결 형광 분광법이라고 한다.[5]null

메커니즘

란타니데스는 크기가 작은 것(이온반경)으로 칼슘이나 니켈 등 단백질 복합체 내부의 금속 이온을 대체할 수 있는 능력이 있기 때문에 사용할 수 있다.Ln(III)과 같은 란타니드 이온의 광학적 특성은 전자 [Xe]4fn 구성의 특수 특징에서 비롯된다.[4]이러한 구성은 많은 전자적 수준을 생성하며, 그 수는 [14!/n!(14-n)!]이 부여한 것으로 Eu(III)와 Tb(III)에 대한 3003 에너지 수준으로 변환된다.[1]null

이러한 수준의 에너지는 채워진 5s와 5p 서브 쉘에 의한 4f 궤도 차폐로 인해 잘 정의되며,[4] 란타니드 이온이 삽입되는 화학적 환경에는 그다지 민감하지 않다.내부 쉘 4f-4f 전환은 가시적 범위와 근적외선 범위에 모두 해당된다.[1]그들은 날카롭고 쉽게 알아볼 수 있다.이러한 전환이 금지되어 있기 때문에 흥분 상태의 수명은 길기 때문에 생체 측정과 현미경의 최종 자산인 [4]시간 해결된 분광법을 사용할 수 있다.f-f 전환의 유일한 단점은 그들의 희미한 오실레이터 강점이 실제로 장점으로 바뀔 수 있다는 것이다.[1]null

유기 수용체(리간드)에 의해 흡수된 에너지는 Ln(III) 흥분 상태로 전달되며, 금속 이온에서 발원하는 날카로운 방출 밴드가 방출 수준으로 빠른 내부 변환 후 검출된다.[1]이 현상은 금속 중심 복합체의 감작화(안테나 효과라고도 함)라고 불리며 상당히 복잡하다.[4]그러나 에너지 이동 경로는 리간드의 장수 트리플트 상태를 거친다.Ln(III) 이온은 3중주 상태가 양호하여 광 블리딩을 상당히 줄일 수 있다.란타니드 프로브에서 볼 수 있는 세 가지 유형의 전환은 LMCT, 4f-5d 및 구성 내 4f-4f이다.전자의 두 가지는 보통 너무 높은 에너지에서 발생하기 때문에 바이오 애플리케이션과 관련이 없다.[1][4]null

적용들

암 연구

새로운 암 치료법의 개발을 위한 선별 도구는 세계적으로 수요가 높으며 종종 효소 운동학의 결정을 필요로 한다.[1]란타니드 발광의 높은 민감도, 특히 시간이 흐른 발광은 이러한 목적을 위한 이상적인 후보임이 밝혀졌다.형광 유발 효소 기판, 형광 공진 에너지 전달(FRET) 및 면역 측정을 허용하는 기판 결합체/수용체 그룹을 사용하여 이 분석을 수행하는 몇 가지 방법이 있다.예를 들어 구아닌 뉴클레오티드 결합 단백질은 몇 개의 서브유닛으로 구성되며, 그 중 하나는 라스 서브패밀리의 서브유닛으로 구성된다.[1]Ras GTPases는 GTP(Guadenosine triphosphate)를 GGDP(Guadenosine diphosphate)로 변환하여 바이너리 스위치 역할을 한다.노플록사신을 사용한 Tb(III) 복합체의 발광은 GTP가 GDP 변환에 방출하는 인산염 농도를 결정하는 데 민감하다.[1]null

pH 프로브

색소포레와 발광 금속 센터로 구성된 시스템에서 기초 부위의 양성화는 pH 센서의 길을 이끈다.[4]처음에 제안된 일부 시스템은 피리딘 파생상품에 기초했지만 물에서는 안정적이지 않았다.[1]보다 강력한 센서가 제안되었는데, 코어는 보통 인산염, 카르복실산염 또는 4개의 아미드 조정 그룹을 포함하는 대체 매크로 사이클이다.용액의 pH를 6에서 2로 낮출 때 란타늄 발광 프로브 방출량이 약 6배 증가하는 것으로 관찰되었다.[1]null

과산화수소 센서

과산화수소는 란타니드 탐침의 발광에 의해 높은 민감도로 검출될 수 있지만, 상대적으로 높은 pH 값에서만 검출할 수 있다.다양한 테트라사이클린을 가진 유로피움 콤플렉스가 과산화수소를 결합해 발광 콤플렉스를 형성한다는 연구결과에 따라 2002년 란타니드 기반의 분석 절차가 제안됐다.[1]null

분자 크기 및 원자 거리 추정

란타니드 프로브의 FET는 약 15–100 앙스트롬으로 분리된 두 지점 사이의 거리를 측정하는 데 널리 사용되는 기술이다.[6]측정은 유전자 암호화 염료를 사용하여 시험관내 생리학적 조건에서 수행될 수 있으며, 종종 생체내에서도 수행될 수 있다.이 기술은 기증자 불소포자로부터 수용자 염료로의 원거리 에너지 전달에 의존한다.란타니드 탐침은 CAP 단백질에 의해 구부러진 DNA 복합체의 거리를 측정하기 위해 DNA-단백질 상호작용을 연구하기 위해 사용되어 왔다.[6]null

단백질정합

란타니드 탐침은 단백질의 순응적 변화를 감지하기 위해 사용되어 왔다.최근 신경 자극에 관여하는 전압 게이트 [6]채널인 셰이커 칼륨 이온 채널이 이 기술을 사용하여 측정되었다.[7]일부 과학자는 또한 DNA에 결합하고 원핵생물에서 전사를 개시할 때 RNA 중합효소의 순응적 변화를 연구하기 위해 FET와 매우 유사한 란타니드 기반 발광 공진 에너지 전달(LRET)을 사용하였다.또한 LRET는 근육 세포에서 디스트로핀과 액틴의 상호작용을 연구하는데 사용되었다.디스트로핀은 내근 세포막에 존재하며, 실에 작용하는 결합을 통해 근육섬유를 안정화시킨다고 여겨진다.특별히 라벨이 부착된 Tb 라벨의 단클론 항체를 포함한 디스트로핀이 사용되었다.[6]null

바이러스학

전통적인 바이러스 진단 절차는 란타니드를 함유한 민감한 면역측정법으로 대체되고 있다.해결된 형광 기반 기술은 일반적으로 적용 가능하며 그 성능은 임상 검체의 바이러스 항원 검사에서도 시험되었다.[6]null

메디컬 이미징

주요기사 : MRI 조영제

이중 검사에서 MRI 기능과 란타니드 탐침을 결합하는 몇 가지 시스템이 제안되었다.[4]예를 들어 발광 탐침은 MRI 조영제를 국소화하는 역할을 할 수 있다.[8]이것은 배양된 세포로 핵산이 전달되는 것을 시각화하는 데 도움을 주었다.란타니드는 형광에 이용되지 않고 자성에 이용된다.[8][9]null

생물학 - 수용체-리간 상호작용

란타니드 프로브는 형광의 긴 수명, 대형 스톡스 시프트, 좁은 방출 피크 등 독특한 형광 특성을 보여준다.이러한 특성은 수용체-리간 상호작용에 대한 분석 탐침을 개발하는 데 매우 유리하다.CXCR1, [10]인슐린 유사 제품군 펩타이드 수용체 2, [11]프로테아제 활성 수용체 2, [12]β2-아드레날린 수용체[13] 및 C3a 수용체를 포함한 많은 란타니드 기반 형광 연구가 GPCR에 대해 개발되었다.[14]null

계측

흥분한 란타니드에서 방출되는 광자는 단일광자 검출과 같은 매우 민감한 장치와 기법에 의해 검출된다.흥분 방출 레벨의 수명이 충분히 길 경우, 시간 분해 감지(TRD)를 사용하여 신호 대 잡음 비를 향상시킬 수 있다.[5]LRET 수행에 사용되는 계측기는 기존 불소계보다 약간 복잡하지만 비교적 간단하다.일반적인 요건은 펄스 UV 흥분 선원과 시간 분해 검출이다.null

Lanthanide probe 1.jpg

짧은 지속 펄스를 방출하는 광원은 다음과 같은 범주로 나눌 수 있다.[3]

펄스 광원의 선택에서 가장 중요한 요인은 빛의 지속시간과 강도다.[3]300~500nm 범위의 펄스 레이저가 형광 분광학에서 스파크 캡을 대체했다.맥동 레이저에는 일반적으로 펄스 흥분 레이저, G스위치 레이저, 모드 잠금 레이저, 캐비티 덤핑 레이저 등 4가지 종류가 있다.펄스 질소 레이저(337nm)는 형광 측정법을 제때에 해결하는 흥분원으로 자주 사용되어 왔다.[3]null

시간 내에 형광 분석에서 고속 광전자 증배관이 유일한 실용적인 단일 광자 검출기다.좋은 단일 광자 분해능은 또한 란타니드 첼레이트 같은 오랜 부패 형광 탐침으로부터 광자를 계산하는 데 장점이다.[4]null

이러한 상업용 상품들은 현재 시장에서 구입할 수 있다.Perkin-Elmer Micro Filter Fluorometer LS-2, Perkin-Elmer 발광 분광계 모델 LS 5 및 LKB-Wallac Time-Resolved Fluorometer 모델 1230.[3]null

리간즈

란타니드 프로브의 리간드는 프로브가 제대로 작동하려면 몇 가지 화학적 요건을 충족해야 한다.이러한 특성은 물 용해성, 생리학적 pHs에서의 큰 열역학적 안정성, 활성 생물 물질의 파괴를 최소화하기 위한 운동적 불활성성 및 330nm 이상의 흡수가 있다.[1]null

현재까지 연구 및 활용된 킬레이트 항공은 다음과 같은 그룹으로 분류할 수 있다.[3]

  1. 트리스 첼레이트(리간드 3개)
  2. 테트라키스 첼레이트 (4 리간드)
  3. 혼합 리간드 콤플렉스
  4. 중립 기부자가 있는 단지
  5. 프탈레이트, 피크레이트, 살리실산 복합체와 같은 다른 것.

리간드에서 이온으로의 에너지 전달 효율은 리간드-금속 결합으로 결정된다.에너지 전달은 이온 결합을 통한 것보다 공밸런스로 접합했을 때 더 효율적이다.[15]히드록시, 메톡시, 메틸 그룹 등 전자 기부를 하는 리간드의 대체물이 형광을 증가시킨다.[3]전자 밀기군(니트로 등)을 붙이면 반대 효과가 나타난다.[3][4]게다가, 형광 강도는 불소를 리간드로 대체함으로써 증가한다.금속 이온으로의 에너지 전달은 불소 그룹의 전기적응성이 유로피움-산소 결합을 더 공동의 성질을 만들면서 증가한다.페닐을 나프틸 그룹으로 대체하여 방향족 대체제에 의한 결합이 증가하여 형광을 향상시키는 것으로 나타났다.[15]null

참고 항목

참조

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  4. ^ a b c d e f g h i j k l m Bünzli, edited by J.-C.G.; Choppin, G.R. (1989). Lanthanide probes in life, chemical, and earth sciences : theory and practice. Amsterdam: Elsevier. ISBN 978-0444881991. {{cite book}}: first1=일반 이름 포함(도움말)
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