• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Nanoteknologi01. 05. 2015 | Katrine Meyn

Et molekyle med to lanthanidioner

Nanoteknologi01. 05. 2015 By Katrine Meyn

Ved at udnytte lanthanidionernes unikke fysiske egenskaber og koordinationskemi er det lykkedes at fremstille et molekyle, der udsender lys med to forskellige bølgelængder. Intensiteten af henholdsvis rødt og grønt lys informerer direkte om mængden af opløst ilt i det solvent, der omgiver molekylet.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2015 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Anne Kathrine Junker og Thomas Just Sørensen, Nano-Science Center & Kemisk Institut, Københavns Universitet

Ilt er essentielt for liv. Et faktum, der har været kendt, siden grundstoffet blev identificeret. Ilt er ikke kun nødvendigt for, at mennesket kan fungere, for det har vist sig, at niveauet af opløst ilt i celler og væv kan rapportere om alvorlige helbredsproblemer. Kræftknuder vokser fra deres blodforsyning (iskæmi), og resultatet er, at der er stærkt iltfattigt væv selv i små kræftknuder. Iltfattigt væv er også en tidlig indikator, hvis ikke direkte årsag, til hjerteanfald og hjertesygdomme. At kunne bestemme og undersøge effekten af opløst ilt i væv og celler er derfor særdeles vigtigt. Alligevel er iltmangel (hypoksi) og iskæmi og konsekvenserne heraf, ikke fuldstændig kendt. Det skyldes bl.a., at der ikke findes gode kontraststoffer til at bestemme mængden af opløst ilt direkte f.eks. i et mikroskop [1-3].
Derfor arbejder vi mod at udvikle nye molekylære kontraststoffer til undersøgelse af biologisk væv. Her beskriver vi et molekyle, der er udviklet til internt kalibreret optisk bestemmelse af koncentrationen af opløst ilt. Molekylet er designet efter et princip, der vil kunne bruges til at lave kontraststoffer til effektiv bestemmelse af ilt i celler og væv.
Trivalente lanthanidioner har en række interessante egenskaber, hvor især evnen til at udsende lys er meget brugt. Lysstofrør, LED-pærer og internettet (fiberoptisk datatransmission) er alle baseret på lanthanidionernes optiske egenskaber, som også danner grundlag for det diagnostisk vigtige DELFIA® assay.

Stabile lanthanidkomplekser
For at kunne udnytte lanthanidionernes egenskaber i studier, der foregår i opløsning, er det nødvendigt at binde dem i komplekser. Alle trivalente lanthanidioner udviser hurtig udskiftning af ligander, og det er derfor nødvendigt at arbejde med ligander, der danner termodynamisk og yderst kinetisk stabile komplekser [4]. Benyttes denne type ligander, kan lanthanidkomplekserne betragtes som molekylære byggeklodser på lige fod med små organiske forbindelser. En tilgang til kinetisk stabile komplekser er at bruge 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7-triacetic acid (DO3A) som ligand. DO3A har et sekundært nitrogenatom, det fjerde i cyclen-ringen, der kan funktionaliseres med en fjerde ”arm” i en simpel nukleofil substitutionsreaktion (SN2). Den fjerde ”arm” kan enten bære en funktionel gruppe, således at der kan laves kemi på lanthanidkomplekset, eller ”armen” kan indeholde en antenne-kromofor, der gør lanthanidkomplekset kraftigt emitterende.
En generel syntesevej til termodynamisk og kinetisk stabile lanthanidkomplekser af DO3A-typen er vist i figur 1. Tre eksempler på molekyler er inkluderet:
A: Et molekyle, der under UV-belysning vil udsende lys med den valgte lanthanidions unikke farve.
B: Et syrefunktionaliseret kompleks til videre syntese.
C: Et aminofunktionaliseret kompleks til videre syntese.
Oprensningen af den beskyttede ligand og afsaltningen af det endelige produkt er de største udfordringer i denne type kemi.
Med komplekser som B og C i figur 1 kan der udføres mange typer reaktioner, det er f.eks. muligt at bruge Ugi- og peptid-koblinger. ”Click” kemi virker også med lanthanidkomplekserne. Selv de barske reaktionsbetingelser, der skal til for at lave diazotering, har ingen effekt på disse kinetisk stabile lanthanidkomplekser, hvilket retfærdiggør betegnelsen molekylære byggeklodser.
Det molekylære system vi har udviklet til optisk bestemmelse af mængden af opløst ilt, indeholder både en europium- og en terbiumion, figur 2, og er syntetiseret i en Ugi-reaktion mellem Tb.B, Eu.C, naftaldehyd og benzylisocyanid [5]. Systemet virker ved, at naftylkromoforen exciteres, og herved fungerer som antenne for de to lanthanidioner, der kan udsende et rødt (Eu) og grønt (Tb) lys, se figur 2.

Lanthanid-luminescens – antenneprincippet
Fluorescensteknologi er vigtig i både sundhedsvidenskabelig og naturvidenskabelig forskning. Vi arbejder med fluorescerende [6] og luminescerende [7] molekyler, der kan bruges i forskellige aspekter af fluorescensteknologien. Lanthanidionerne er her unikke, da den samme molekylære struktur, den samme ligand, kan bruges til alle de trivalente lanthanidioner. Emissionsfarven afhænger alene af hvilket lanthanid, der vælges, mens molekylet udviser stort set de samme kemiske egenskaber med de forskellige lanthanidioner.
Udfordringen ved at lave et kraftigt lysende lanthanidkompleks er, at lanthanidionerne er meget dårlige til at absorbere lys ( < 3 M-1cm-1). Det er derfor nødvendigt at have en kromofor, der kan absorbere lys og videregive lysenergien til lanthanidionen i en Dexter-type energioverførsel. Dette kaldes antenneprincippet i lanthanidbaseret luminescens. Antenneprincippet er illustreret i figur 3. Et effektivt farvestof, der kan absorbere lys af højere energi end lanthanidionen, bruges som antennen. Efter lysabsorption overføres lysenergien til lanthanidionen, der med høj effektivitet frigiver energien i form af lys. Derved opnås et kraftigt absorberende farvestof og en højeffektiv lysudsendelse. De vigtigste kriterier for at det virker, er:
1) At energien i farvestoffets anslåede tilstand er højere end energien, det kræver at anslå lanthanidionerne og
2) at energitransporten mellem farvestof og lanthanid er effektiv.

Et lanthanidbaseret ilt-sensormolekyle
Vælges der en antenne og lanthanidioner således, at energierne passer, er det muligt at lave responsive molekyler, der kan fungere som sensorer for f.eks. pH og ilt. I det molekyle, vi har lavet, figur 2, indgår der to lanthanidioner: Terbium og europium samt en naftyl-antenne-kromofor. Da molekylet udsender lys i to farver, når naftylkromoforen belyses, er systemet internt kalibreret. Lanthanidkomplekset kan også beskrives som en intensitets-ratiometrisk probe for ilt, der udsender rødt og grønt lys. Molekylet er designet, så det grønne lys udsendt fra terbium varierer som funktion af mængden af opløst ilt, mens det røde lys udsendt fra europium er konstant, se figur 4. For de nærmere detaljer i designet og mekanismen, hvormed molekylet med to lanthanidioner opererer, henvises til reference [5].

Fra sensormolekyle til kontraststof i forskning og diagnostik
Det beskrevne molekyle med to lanthanidioner kræver belysning med ultraviolet lys, hvilket ikke er brugbart til analyse af biologisk væv. Det næste skridt bliver at vælge to lanthanidioner og en antenne-kromofor, der kan belyses og udsende lys i det ”biologiske vindue” mellem 650 nm og 950 nm. Det optimale kontraststof adresseres med to-foton belysning af antennen og svarer ved emissionen fra f.eks. europium (725 nm) og neodymium (880 nm). Det er ikke nødvendigvis let at lave dette molekyle, da iltsensorfunktionen i molekylet afhænger af en fin balance mellem molekylære geometrier og fotofysiske egenskaber. Når det er sagt, så er vi på vej med den næste generation af molekyler, så studierne af ilt i celler og væv for alvor kan begynde.

Referencer
1. Bertout, J.A., S.A. Patel and M.C. Simon, The impact of O2 availability on human cancer. Nat Rev Cancer, 2008. 8(12): p. 967-975.
2. Singhal, A.B., A review of oxygen therapy in ischemic stroke. Neurological Research, 2007. 29(2): p. 173-183.
3. Wilson, W.R. and M.P. Hay, Targeting hypoxia in cancer therapy. Nat Rev Cancer, 2011. 11(6): p. 393-410.
4. Bünzli, J.-C.G., Lanthanide coordination chemistry: From old concepts to coordination polymers. Journal of Coordination Chemistry, 2014: p. 1-45.
5. Sørensen, T.J., A.M. Kenwright and S. Faulkner, Bimetallic lanthanide complexes that display a ratiometric response to oxygen concentrations. Chemical Science, 2015. 6(3): p. 2054-2059.
6. Maliwal, B.P., et al., Long-Lived Bright Red Emitting Azaoxa-Triangulenium Fluorophores. PLoS ONE, 2013. 8(5): p. e63043.
7. Faulkner, S. and J.L. Matthews, Fluorescent Complexes for Biomedical Applications, in Comprehensive Coordination Chemistry, M.D. Ward, Editor. 2004, Elsevier: Oxford. p. 913-1003.

Skrevet i: Nanoteknologi

Seneste nyt fra redaktionen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

Analytisk kemiArtikler fra Dansk KemiTop19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

AktueltMedicinalkemi21. 04. 2025

I dag er det frem med nålen, hvis man er i behandling med diverse former for fedme-medicin. Det hæmmer imidlertid udbredelsen på specielt asiatiske og afrikanske markeder, hvor der er en udtalt nålefobi. Derfor arbejder det danskstiftede biotekselskab Pila Pharma med at få udvikle deres

Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

AktueltBioteknologiFødevarekemi07. 04. 2025

NitroVolt, en dansk biotech-virksomhed, vil vende produktionen af ammoniak på hovedet. I stedet for den velkendte løsning, der bygger på den energitunge Haber-Bosch-proces, vil produktionen nu foregå i en container, der fx kan stå direkte ude hos en landmand. Ammoniak til kunstgødning er en slags

En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi01. 04. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Læs originalartiklen her Nomenklaturudvalget får indimellem henvendelser om dansk kemisk nomenklatur fra de oversættere i EU, hvis opgave det er at oversætte EU-lovgivning på

Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

AktueltEnergi31. 03. 2025

Efter en byggeperiode på omkring to år, er BASF nye 54 megawatt elektrolyseanlæg blevet indviet. Udover at være Tyskland største, med en kapacitet til at producere op til 8.000 ton grøn brint årligt, skriver det også historie på et andet område. Brinten skal primært anvendes som råmateriale i

Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

AktueltBranchenyt31. 03. 2025

Danske virksomheder er fortsat nogle af de mest aktive i Europa til at innovere. Det viser nye tal fra Den Europæiske Patentmyndighed, EPO, som udsteder patenter, der kan dække i op til 45 lande. Vestas, Novozymes og Danmarks Tekniske Universitet har leveret de største bidrag til, at Danmark kan

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Kem-En-Tec Nordic

    Opnå rent DNA/RNA på få minutter og på bæredygtig vis!

  • Kem-En-Tec Nordic

    Sikker gelfarvning på kun 15 minutter?

  • DENIOS ApS

    Her er den oversete vej til et sundere arbejdsmiljø

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions lancerer den nye HiCube Neo RGA

  • Busch Vakuumteknik A/S

    centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

  • DENIOS ApS

    Ved du, hvornår det er tid til at vedligeholde, udskifte eller flytte dit opsamlingskar?

  • DENIOS ApS

    3 sikkerhedsfunktioner, du skal kigge efter på dit opsamlingskar

  • Holm & Halby

    VidensDage 2025: To dage i videnskabens og fremtidens tegn

  • Holm & Halby

    Holm & Halby deltager i Europe Biobank Week 2025

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays – Almost sold out

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

  • Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

    26.03.2025

  • Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

    25.03.2025

  • Styrkelse af nyfundet gen kan gøre kartoflen resistent over for svampeangreb

    24.03.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i det danske arbejdsmiljø

    21.03.2025

  • Dansk forbud mod PFAS er lige på trapperne – indsigelsesfrist mod 2024-aftale er overskredet

    20.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik