簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 廖君瑋
Liao, Jun-Wei
論文名稱: 鄰位硫脲綠色螢光蛋白發光團類似物:合成、性質及應用
ortho-Thiourea Analogue of Green Fluorescent Protein Chromophore:Synthesis, Properties and Applications
指導教授: 宋光生
Sung, Kuang-Sen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 123
中文關鍵詞: 綠色螢光蛋白金屬離子偵測氫鍵激發態分子內氫轉移超分子結合
外文關鍵詞: GFP, metal ions sensing, hydrogen bonding, ESIPT, supramolecular assembling
相關次數: 點閱:87下載:2
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 近年來有許多關於綠色螢光蛋白發光團的研究,由於其被蛋白包覆進而使得發光團穩定,所以導致它能夠釋放強烈綠色螢光,但是當其離開蛋白的包覆時會使其螢光大幅下降。近年來更是有許多與綠色螢光蛋白發光團類似物合成之探討,不管是機制還是及其應用,利用螢光的特性當作生物感測器、生物標記抑或是化學感測器。因C=S官能基在硫脲基團中對於金屬離子親合的特性,所以將此基團引入我們所合成的鄰位綠色螢光蛋白發光團類似物(o-ABDI),進一步合成化合物o-ECTUBDI,應用於金屬離子偵測。經過實驗研究發現,o-ECTUBDI可以感測到Cr3+、Fe3+、Hg2+及Cu2+,比較與金屬離子結合前後的光物理特性,發現於定量之o-ECTUBDI逐漸滴定四種金屬離子後會在吸收光譜有isosbestic point出現,且螢光光譜皆呈現螢光淬滅,由Benesi-Hildebrand plot計算得與Fe3+之結合常數最大、Hg2+的最小。因此我們可以利用化合物o-ECTUBDI來偵測這些特定的金屬離子。
    此外,在於化學感測器o-ECTUBDI之可逆性研究方面,我們發現這些金屬錯合物在滴定EDTA時,EDTA能進一步地將Cr3+和Hg2+從錯合物中抓出來,然而Fe3+及Cu2+並不會有相同的情況發生。因此,對於Cr3+和Hg2+金屬離子而言,o-ECTUBDI為一可逆的化學感測器;Fe3+及Cu2+之金屬錯合物則為非可逆性的偵測。我們在進行感測器可逆性探討時發現,化合物o-ECTUBDI會與EDTA藉由氫鍵作用,形成一超分子結合的現象,進而導致另一螢光放射峰產生並且隨著EDTA滴定,螢光放射強度隨之增加。我們將EDTA分子結構拆分為另外三者,並從中發現ethylenediamine diacetic acid與EDTA具有相同的效果,藉此推論與o-ECTUBDI產生氫鍵形成堆疊的結構即類似於ethylenediamine diacetic acid,因而觀察到超分子結合的現象。
    從化合物o-ECTUBDI的X-ray單晶結構中觀察得知,其具備不同以往的鄰位綠色螢光蛋白發光團類似物之順式結構,硫脲基團轉至化合物的另一側,藉由Mercury和Diamond軟體發現,o-ECTUBDI分子會利用分子間氫鍵來進行堆疊,以形成一個更為穩定的結構,所以當中的硫脲基團才會轉至化合物的另一側。此外,我們使用不同極性的溶劑來觀察o-ECTUBDI在吸收及螢光光譜的光物理特性,從中發現它在高極性溶劑中會產生另一較長波長的螢光放射峰於550-600 nm的位置,其原因為高極性溶劑改變了化合物o-ECTUBDI的構型使其轉回順式結構,進而產生激發態分子內的氫轉移現象,因此我們才能於長波長的螢光光譜中得其兩性離子異構物的螢光放射峰。

    We design an ortho analogue of GFP chromophore(o-ECTUBDI) which can sense particular metal ions, such as Cu2+, Fe3+, Cr3+and Hg2+, and lead to fluorescence static quenching in fluorescent emission spectrums. Hence, these results could offer an evidence that o-ECTUBDI can be a chemosensor for detection of these four metal ions. And we found that o-ECTUBDI is a reversible chemosensor when it binds with Cr3+and Hg2+ ions. Conversely, the complex of o-ECTUBDI and Cu2+ and Fe3+ makes it be an irreversible sensor. Besides, we observe proof that o-ECTUBDI makes use of hydrogen bonding to have interaction with specific organic molecules, like EDTA and ethylenediamine diacetic acid, with a fluorescence emission intensity increasing in this supramolecular assembling region.
    And the other interesting property of ortho analogues of GFP chromophore is generally shown that they will be a cis form conformation. But, o-ECTUBDI revealed that its X-ray single crystal conformation is not same as other ortho analogues. The thiourea group of o-ECTUBDI rotates to the other side because of the intermolecular hydrogen bonding between two o-ECTUBDI molecules. And this non-covalent force makes it to become a more stable structure in solid state. Further, we use various solvents from polarity to non-polarity to observe the o-ECTUBDI difference in these solvents. In the polarity solvents, such as H2O, MeOH and DMSO, it will create an excited state intramolecular proton transfer(ESIPT) phenomenon and produce a large stoke shift of fluorescence emission. Consequently, we can use solvents polarity to control o-ECTUBDI structure conformation and study its ESIPT mechanism.

    中文摘要 i 英文摘要 ii 誌謝 viii 目錄 ix 表目錄 xi 圖目錄 xii 第I章 緒論 1 I-1 綠色螢光蛋白的發現與發展 1 I-2 綠色螢光蛋白發光團的結構與生物合成機制 2 I-3 綠色螢光蛋白的放光機制與光譜性質 4 I-4 綠色螢光蛋白發光團的有機合成 5 I-5 有機合成綠色螢光蛋白發光團之光譜分析 6 I-6 鄰位取代的綠色螢光蛋白發光團之合成 7 I-7 鄰位取代的綠色螢光蛋白發光團之光譜分析 9 I-8 化學感測器之研究與其辨識原理 11 I-9 螢光化學感測器之相關機制探討 12 I-10 螢光淬滅(quenching)的機制探討 17 I-11 配位基與金屬陽離子之相關計量的計算方法 19 I-12 配位基與金屬陽離子之結合常數計算 20 第II章 結果與討論 22 II-1 利用綠色螢光蛋白發光團類似物o-ECTUBDI偵測金屬離子 22 II-1-1 綠色螢光蛋白發光團類似物之設計與選擇 22 II-1-2 綠色螢光蛋白發光團類似物(o-ECTUBDI)之合成 22 II-1-3 綠色螢光蛋白發光團類似物之合成機構探討 24 II-1-4 化合物o-ECTUBDI之光譜、莫爾吸收係數與螢光量子產率計算 26 II-1-5 化合物o-ECTUBDI滴定不同金屬離子之吸收光譜、螢光光譜變化 27 II-1-6 化合物o-ECTUBDI滴定不同金屬離子之1H NMR圖譜變化 35 II-1-7 化合物o-ECTUBDI與Cr3+、Fe3+、Hg2+及Cu2+的鍵結計量計算 46 II-1-8 化合物o-ECTUBDI與Cr3+、Fe3+、Hg2+及Cu2+之螢光淬滅機制探討 48 II-1-9 化合物o-ECTUBDI與Cr3+、Fe3+、Hg2+及Cu2+之結合常數計算 53 II-1-10 o-ECTUBDI和Cr3+、Fe3+、Hg2+及Cu2+之錯合物與EDTA競爭行為 57 II-2 綠色螢光蛋白發光團類似物o-ECTUBDI之晶體結構解析 71 II-2-1 化合物o-ECTUBDI的X-ray單晶結構 71 II-2-2 化合物o-ECTUBDI與o-AABDI的X-ray單晶結構比較 72 II-2-3 化合物o-ECTUBDI之分子間與分子內氫鍵計算 74 II-3 化合物o-ECTUBDI於不同極性溶劑之光物理現象 78 II-3-1 化合物o-ECTUBDI在不同溶劑下之光譜分析 78 II-3-2 化合物o-ECTUBDI之激發態分子內氫轉移(ESIPT)機制探討 81 II-3-3 化合物o-ECTUBDI於酸性或鹼性溶劑下之光譜分析 83 II-4 利用綠色螢光蛋白發光團類似物o-ECTUBDI偵測有機分子 87 II-4-1 化合物o-ECTUBDI滴定不同有機分子之吸收光譜、螢光光譜變化 87 第III章 實驗儀器與實驗步驟 93 III-1 實驗儀器及測量方法 93 III-2 綠色螢光蛋白發光團類似物(o-ECTUBDI)之合成 94 III-3 可見光光譜儀之測量、莫爾吸收係數計算 100 III-3-1 可見光-紫外光光譜儀之測量 100 III-3-2 綠色螢光蛋白發光團類似物(o-ECTUBDI)之莫爾吸收係數計算 100 III-3-3 金屬離子滴定測量吸收值並觀察吸收圖譜變化 100 III-4 o-ECTUBDI螢光光譜儀之測量、螢光量子產率計算 101 III-4-1 o-ECTUBDI螢光光譜儀之測量 101 III-4-2 螢光量子產率標準液之校正 101 III-4-3 螢光量子產率計算 101 III-4-4 金屬離子滴定測量吸收值、螢光強度 101 III-4-5 o-ECTUBDI與金屬離子之螢光強度計量計算 102 第IV章 參考文獻 103 附錄 106

    [1] Smomura, O.; Johnson, F. H.; Saiga, Y. J. Cell. Comp. Physiol. 1962, 59, 223-229.
    [2] Tsien, R. Y. Annu. Rev. Biochem. 1998, 67, 509-544.
    [3] Chalfie, M.; Tu, Y.; Euskirchen, G., Ward, W. W.; Prasher, D. C. Science. 1994, 263, 802-805.
    [4] Heim R, Prasher DC, Tsien RY. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994, 91, 12501-12504.
    [5] Moberg, A. The Nobel Prize in Chemistry 2008.
    [6] Li, Binsen, Biology Honors Papers. 2013, 4, 1-45.
    [7] Morise, H.; Shimomura, O.; Johnson, F. H.; Winant, J. Biochemistry. 1974, 13, 2656-2662.
    [8] Stafforst, T.; Diederichsen, U. Eur. J. Org. Chem. 2007, 899-911.
    [9] Prachayasittikul, V.; Nantasenamat, C.; Isarankura-Na-Ayudhya, C.; Tansila, N.; Naenna, T. J. Comput. Chem. 2007, 28, 1275.
    [10] Haiech, J.; Follenius-Wund, A.; Bourotte, M.; Schmitt, M.; Iyice, F.; Lami, H.; Bourguignon, J. J.; Pigault, C. Biophys J. 2003, 85, 1839.
    [11] Tonge, P. J.; He, X.; Bell, A. F. Org. Lett. 2002, 4, 1523-1536.
    [12] Heim, R.; Prasher, D. C.; Tsien, R. Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1994, 91, 12501-12504.
    [13] Chattoraj, M.; King, B. A.; Bublitz, G. U.; Boxer, S. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1996, 93, 8362-8367.
    [14] Sung, R.; Sung, K. J. Lumin. 2018, 202, 163-167.
    [15] Chen, Kew-Yu.; Cheng, Yi-Ming.; Lai, Cheng-Hsuan.; Hsu, Cheng-Chih.; Ho, Mei-Lin.; Lee, G ene-Hsiang.; Chou, P i-Tai. J. AM. CHEM. SOC. 2007, 129, 4534-4535.
    [16] Chen, Y.-H.; Lo, W.-J.; Sung, K. J. Org. Chem. 2013, 78, 301-310.
    [17] Hsieh, C.-C.; Chou, P.-T.; Shih, C.-W.; Chuang, W.-T.; Chung, M.-W.; Lee, J.; Joo, T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 2932-2943.
    [18] Darbha, G. K..; Singh, A. K.; Rai, U.S.; Yu, E.; Yu, H.; Ray, P.C. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8038-8043.

    [19] Nguyen Khoa Hien.; Nguyen Chi Bao.; Nguyen Thi Ai Nhung.; Nguyen Tien Trung.; Pham Cam Nam d.; Tran Duong.; Jong Seung Kim.; Duong Tuan Quang. Dyes and Pigments. 2015, 116, 89-96.
    [20] Amit Patil.; Sunita Salunke-Gawali. Inorganica Chimica Acta. 2018, 482, 99-112.
    [21] Xu, Z.; Yoon, J.; Spring, D.R. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 1996-2006.
    [22] Formica, M.; Fusi, V.; Giorgi, L.; Micheloni, M. Coord. Chem. Rev. 2012, 256, 170–192.
    [23] De silva, A. P.; Fox. D. B.; Huxley, A. J. M.; McCoy, C. P. Chem. Rev. 1997, 97, 1515-1566.
    [24] Adam C. Sedgwick, Luling Wu, Hai-Hao Han, Steven D. Bull, Xiao-Peng He, Tony D. James, Jonathan L. Sessler, Ben Zhong Tang, He Tian, Juyoung Yoon. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 8842-8880.
    [25] Bano, Shaista.; Mohd, Ayaz.; Aftab Aslam Parwaz Khan, Siddiqi, K. S. J. Chem. Eng. Data. 2010, 55, 5759-5765.
    [26] Rania El-Shaheny. Microchemical Journal. 2019, 147, 1192-1202.
    [27] Renny, Joseph S.; Tomasevich, Laura L.; Tallmadge, Evan H.; Collum, David B. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2-18.
    [28] Olson, Eric J.; Buhlmann, Philippe. J. Org. Chem. 2011, 76, 8406-8412.
    [29] Yasuhiro Shiraishi, Shigehiro Sumiya, Yoshiko Kohno, Takayuki Hirai. J. Org. Chem. 2008, 73, 8571-8574.
    [30] Benesi, H. A.; Hildebrand, J. H. J. Am. Chem. Soc. 1949, 71, 2703-2707.
    [31] Miguel Morales-Toyo, Christopher Glidewell, Julia Bruno-Colmenares, Néstor Cubillán, Ronald Sánchez-Colls, Ysaias Alvarado, Jelen Restrepo. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2019, 216, 375-384.
    [32] Sartaj Tabassum, Waddhaah M. Al-Asbahy, Mohd. Afzal, Farukh Arjmand. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2012, 114, 132-139.
    [33] Juan Liu, Mei Yua, Xi-Cun Wanga, Zhang Zhanga. Spectrochimica Acta Part A. 2012, 93, 245-249.
    [34] Yongsheng Mia, Zhong Caob, Yating Chena, Shu Longb, Qiufen Xiea, Dongming Lianga, Zhu Wenpinga, Jiannan Xiang. Sensors and Actuators B. 2014, 192, 164-172.
    [35] Arasappan Hemamalini, Sathish Kumar Mudedl, Venkatesan Subramanianb, Thangamuthu Mohan Das. New J. Chem. 2015, 39, 3777-3784.
    [36] Thomas Steiner, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 48-76.
    [37] Yang, J. S., Huang, G. J., Liu, Y. H., Peng, S. M. Chem Commun. 2008, 11, 1344-1346.

    下載圖示 校內:2024-07-01公開
    校外:2024-07-01公開
    QR CODE