Design and synthesis of rhodamine based fluorescent and colorimetric sensors for the detection of gold ions

Abstract

The usage of chemosensors for the detection of heavy and transition metal ions is prevalent. Because these metal ions play crucial roles in living systems and have extremely toxic effects on the environment. Among these metal ions, gold species have interesting biological properties and uses. They play important roles in biological systems and often have significant impacts on human health. For instance, gold based drugs have long been used in the treatment of rheumatoid arthritis and other autoimmune diseases. In addition, gold nanoparticles function as carriers for drugs and gene delivery systems. Gold ions, on the other hand, are potentially toxic to humans. Because of their reactive nature, ionic gold species can interact with proteins, DNA and other biomolecules and disturb a series of cellular processes, leading to serious health problems. Detection of gold ions can be performed by spectroscopic methods such as atomic absorption and atomic emission spectroscopy and inductively-coupled plasma spectrometry that required complicated sample preparation steps, and sophisticated instrumentation. In contrast to these highly expensive and time consuming methods, fluorogenic or chromogenic methods can be good alternatives for the detection of these species that provides high analyte sensitivity and selectivity, visual simplicity, instantaneous response, as well as real time monitoring. The rhodamine scaffold is an ideal template for the construction of metal ion chemosensors because they have large molar extinction coefficient, long excitation and emission wavelengths, high fluorescence quantum yields, good water solubility, and the potential for colorimetric and turn-on fluorescent detection. In this thesis work, we focus on design and synthesis of novel rhodamine based molecules for the detection of gold ions. Moreover, we investigate the photophysical properties of synthesized molecules in the absence and presence of gold ions in both synthetic samples and living cells.

Ağır ve geçiş metal iyonlarının tespiti için kemosensörlerin kullanımı yaygın bir yöntemdir. Çünkü bu metal iyonları canlı sistemlerde çok önemli rol oynar ve çevre üzerinde aşırı derecede toksik etkilere sahiptir. Bu metal iyonları arasında altın türleri değişik biyolojik özelliklere ve kullanım alanlarına sahiptir. Biyolojik sistemlerde önemli rollere sahiptirler ve genelde insan sağlığı üzerinde pozitif etkilere sahiptirler. Örneğin, altın bazlı ilaçlar romatoid artrit ve diğer otoimmün hastalıkların tedavisinde uzun süredir kullanılmaktadır. Buna ek olarak, altın nanopartiküller ilaç ve gen dağıtım sistemleri için taşıyıcı olarak işlev görür. Altın iyonları, diğer yandan insanlar için potansiyel olarak toksik etkiye sahiptir. İyonik altın türleri, reaktif özelliklerinden dolayı proteinler, DNA ve diğer biyomoleküller ile etkileşime girebilir ve bir dizi hücresel işlemi sekteye uğratır ve ciddi sağlık sorunlarına yol açabilir. Bu iyonların tayini için atomik absorpsiyon ve atomik emisyon spektroskopisi, indüktif olarak eşleşmiş plazma spektrometresi gibi spektroskopik yöntemler kullanılabilir, ancak bu yöntemler karmaşık örnek hazırlama aşamaları ve sofistike cihazlar gerektirmektedir. Bu son derece pahalı ve zaman alıcı yöntemlerin yerine, yüksek analit duyarlılığı ve seçiciliği olan, kolay gözlemlenebilen, anlık yanıt verme ve gerçek zamanlı izlenebilme sağlayan florojenik ve kromojenik yöntemler bu türlerin saptanması için iyi bir alternatif olabilir. Rodamin iskeleti yüksek molar sönümlenme katsayısı, uzun eksitasyon ve emisyon dalga boyları, yüksek floresan kuantum verimi ve suda iyi çözünebilme gibi özellikleri dolayısıyla altın iyon kemosensörünün oluşturulması için iyi bir örnektir. Bu tez çalışmasında altın iyonlarının saptanması için rodamine bazlı yeni moleküllerin dizaynı ve sentezi üzerinde duruyoruz. Aynı zamanda tasarladığımız sensör moleküllerinin hem sulu çözeltilerde hem de canlı hücre içerisinde analit varlığında ve yokluğunda foto-fiziksel değişimlerini inceliyoruz.