フルオレセイン類の蛍光On/Off原理の解明とその蛍光プローブ創製への応用

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12771349
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 浦野 泰照 東京大学, 大学院・薬学系研究科, 助手 (20292956)
• Keywords: フルオレセイン / 光誘起電子移動 / 蛍光量子収率 / 分子軌道計算 / HOMOエネルギー / 蛍光プローブ / 酸化還元電位

Research Abstract

これまでにfluorescein骨格を持つNO検出試薬DAF類、^1O_2検出試薬DPAX類の開発に成功してきた。これらの化合物は分子内にfluorescein骨格を有するにも関わらず、ほぼ無蛍光であるという特徴を持つ。この蛍光消光機構は不明であったが、benzene環部位から蛍光団であるxanthene環への光誘起電子移動(PeT:Photo-induced electron Transfer)が有力であると考えた。そこで種々のfluorescein誘導体を合成し、それらに対し分子軌道計算と酸化還元電位測定、蛍光量子収率測定を行って、その妥当性を検討した。
まずfluoresceinのbenzene環部位に置換基を導入した化合物と、芳香環をnaphthalene、anthraceneに置換した化合物NX、AXを合成した。またprotonationやlactone化の影響がなく、信頼性ある計算結果の得られる中性分子にするために各fluorescein誘導体のphenol性水酸基、carboxyl基はともにmethyl基で保護した誘導体も合成した。これらの化合物について水中での蛍光量子収率を測定する一方、半経験的手法(PM3)、Hartree-Fock法、密度汎関数法によりHOMO軌道エネルギーを計算した。その結果NXは強い蛍光を持つ一方、AXはほぼ無蛍光であることが明らかとなった。すなわち、これまでに知られてきたaminofluorescein類の窒素原子のlone pairによる蛍光特性の制御とは、質的に全く異なる縮合芳香環のサイズという変化も、fluorescein類の蛍光特性に大きな変化をもたらすことを初めて明確に示すことに成功した。さらに、AX、NXを含む全てのfluorescein誘導体において、benzene環のHOMOエネルギーと蛍光量子収率との間によい相関が見られ、高いHOMOエネルギーを持つbenzene環を有するfluorescein誘導体は蛍光量子収率が低いという、PeT機構を強く示唆する結果が得られた。また計算から求めたHOMOエネルギーとCV測定から得られた酸化電位とはよく対応し、計算が信頼に足るものであると推測された。以上の結果から、fluorescein骨格を有する機能性蛍光プローブを、計算化学に基づいて合理的にデザインする方法が初めて確立されたと考えている。

Research Products

• [Publications] Kumi Tanaka: "Rational Design of Fluorescein-based Fluorescence Probes. Mechanism-based Design o a Maximum Fluorescence Probe for Singlet Oxygen"J.Am.Chem.Soc.. 123(印刷中). (2001)
• [Publications] Ken-ichi Setsukinai: "Fluorescence Switching by O-dearylation of 7-Aryloxycoumarines. Development of Novel Fluorescence Probes to Detect Reactive Oxygen Species with High Selectivity"Perkin Trans.2. 2453-2457 (2000)