형광(fluorescence)이 나타나는 메커니즘 정리

 

 

1. CHEF (Chelation Enhanced Fluorescence)

-CHEF는 형광체를 가진 분자의 구조가 전이금속과 결합하면서 복사성 전이 (radiative transition)에서 비복사성 전이(non-radiative transition)으로 주된 이완 과정이 바뀌게 됨을 통해 형광이 나타난다고 설명한다.

-복사성 전이는 분자의 회전, 진동을 통해 에너지를 방출하는 것을 의미하며, 이들은 보통 열로 방출된다. 즉 분자에 에너지를 가했을 때, 받은 에너지는 들떴다가 열과 같은 복사성 전이를 통해서 바닥상태로 돌아옴을 의미한다.

-이러한 이완 과정이 전이금속과의 결합을 통해서 막히게 되는데, 착물을 형성하게 되면서 리간드 구조의 변화를 방해하기 때문이다. 이 과정에서 에너지를 받은 분자는 이완 과정을 복사성 전이쪽으로 돌리게 되고, 이 복사성 전이의 파장이 가시광선 영역에서 나타나게 되면 (400~700 nm 정도) 우리 눈으로 형광을 관찰할 수 있게 된다.

-많은 수의 형광 turn-on 센서들이 이러한 메커니즘으로 금속 이온과 결합하여 형광을 낸다 (Zn2+, Al3+, Ga3+, In3+, Cd2+ 등)

doi.org/10.1016/j.jphotochem.2019.112184

 

 

2. PET (Photoinduced Electron Transfer)

-PET는 fluorophore와 receptor의 에너지 준위가 변화하면서 형광의 turn-on, 혹은 turn-off의 메커니즘으로 제시된다.

-Analyte가 결합하면서 에너지 준위가 변화한다.

Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 1568--1600

-형광이 turn-on으로 나타나는 경우, Analyte가 결합하면서 Receptor의 에너지 준위가 fluorophore의 ground state보다 낮아진다. 이 경우에, excitation 파장에 의해 들뜬 형광체의 전자는 relaxation 과정에서 receptor의 에너지 준위를 거치지 않고 온전히 형광체의 ground state로 내려오면서 가시광선 영역의 빛을 낸다.

-형광이 turn-off으로 나타나는 경우, Analyte가 결합하면서 Receptor의 에너지 준위가 fluorophore의 excited state와 ground state 사이로 위치하게 된다. 이 경우 excitation 파장에 의해 들뜬 형광체의 전자는 receptor의 에너지 준위를 거쳐서 내려오므로 가시광선 영역의 빛을 방출할 충분한 에너지가 주어지지 않아서 형광이 나타나지 않게 된다.

-흔히 quencher라고 알려져 있는 많은 metal ion들, Cu2+, Fe3+ 등이 센서와 결합해서 형광을 낼 때 이 메커니즘이 많이 제시된다. 대체로 metal이 결합하면서 fluorophore의 excited, ground state 사이에 위치했던 receptor의 에너지 준위가 fluorophore의 ground state 에너지 준위 아래로 내려가게 된다.

 

 

3. FRET (Foster Resonance Energy Transfer)

-FRET의 F는 이를 발견한 Foster라는 과학자의 이름에서 왔으며, 또는 Fluorescence를 사용하기도 한다.

-이 형광 메커니즘의 조건은

 1) 에너지를 주고 받을 두 개의 형광체가 있어야 하며,
 2) 한 형광체의 emission 파장이 다른 형광체의 excitation 파장이 되어야 한다는 것이다.
 3) 또한 두 형광체는 에너지를 주고받을 수 있을 만큼 가까운 거리에 있어야 한다

Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 1568--1600

-이것이 갖는 장점은 앞선 PET 메커니즘을 활용한 센서처럼, Cu, Fe같은 quencher들과 결합 했을 때도 형광을 낼 수 있다는 것이며 심지어 Ratiometric으로 확인할 수 있다는 큰 장점이 있다.

-또한 두 형광체는 에너지를 주고받되, excitation 파장과 emission 파장 사이의 거리 (Stokes shift)가 굉장히 커지게 되며, 독립적인 형광체의 형광만 확인할 수 있다.

-단점은 앞선 조건들을 만족할만한 리간드 구조의 디자인이 제한적이며, 형광체 또한 제한적이라서 센서쪽에서도 이러한 센서들이 다른 메커니즘으로 분석물질을 타겟팅하는 형광 센서들에 비해서 자주 보고되지는 않는다.

 

4. ESIPT (Excited State Intramolecular Photon Transfer)

-ESIPT는 Keto, Enol의 에너지 준위 변화를 통한 형광 센서로 활용할 수 있다. 즉 리간드의 구조가 Tautomer를 형성할 수 있는 구조에서 분석물질을 타겟팅 할 수 있는 형광 메커니즘이라고 할 수 있겠다. 일반적인 pH 조건에서 Keto, Enol 형태 중에 안정한 것은 Keto 형태이다 (C=O 결합에너지가 C=C 결합에너지보다 커서 안정적으로 존재). 

Chem. Soc. Rev. , 2018, 47 , 8842-8880

그래서 평소에 리간드가 keto 형태로 존재하다가, metal과 결합하며 enol 형태로 특수하게 존재하게 되면, 에너지 갭이 커지면서 더 단파장 쪽으로 이동하게 만드는 형광을 관찰할 수 있게 된다. 이를 통해 센서는 더 큰 stokes shift를 일으키게 되므로 스펙트럼상으로나 육안으로나 관찰이 쉬워지는 장점이 있다.

 

5. Etc. enhanced ICT, inhibited ICT

-ICT는 intramolecular charge transfer의 약자로, 분자 내 전하 이동을 뜻한다. 이것 하나만으로는 형광의 turn-on, off를 설명할 수 없다. 다만 이것이 형광 메커니즘으로 사용되는 경우는 ratiometric 변화를 일으킬 때이다. 즉 이미 형광은 turn-on 되어있는 상태에서 metal이 결합하면서, 혹은 anion과의 상호작용으로 구조가 변화하면서 리간드의 ict가 enhanced 되거나 inhibited 되는 경우 기존에 리간드가 보이던 형광 파장과는 다른 파장의 형광을 나타내게 된다. 이 변화가 크게 나타나는 경우는 보통 anion인데, 단순히 metal과의 결합보다 리간드 자체 구조의 변화로 나타나는 ICT의 변화가 대체로 크기 때문이다.

J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1870−1875

-AIE는 Aggregation Induced Emission의 약자이다. 용액에 고르게 녹아있던 리간드가 분석물질과 결합하면서 aggregation, 응집을 일으키게 되고, 이 과정에서 형광이 나타나는 메커니즘이다. 왜 응집이 일어나면서 형광이 나타나는지에 대해서 살펴보면, AIE를 일으키는 분자의 구조는 대체로 많은 benzene ring을 가지고 있다. 이들이 pi-stacking을 하게 되면서 마치 CHEF effect에서 나타나듯 이들의 회전, 진동 등의 복사전이 (radiative transition) 대신 형광체의 형광 (non-radiative transtion)으로 에너지가 전환된다고 한다.

Adv. Mater., 2014, 26, 5429

 

여전히 많은 형광 센서가 개발되고 있고, 이제는 하나의 메커니즘만을 생각하고 센서를 만들지 않고 여러가지 메커니즘을 조합해서 만드는 방법도 제시되고 있다. 앞으로 형광센서가 어떻게까지 나타날지 흥미롭게 지켜볼만하다.

출처

Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 8842-8880
Mater. Chem. Front., 2019,3, 762-781
Chem. Soc. Rev., 2018,47, 8842-8880
Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 7105-7123
Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 1568-1600
J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1870-1875