Synthesis of monomethine cyanine dyes and gold nanoclusters and their applications as fluorescent probes

Abstract

This thesis focuses on monomethine cyanine dyes, their synthesis and applications as fluorescent probes in nucleic acid detection. Gold nanoclusters and fluorescent probe complexes were also discussed as a possible interface of the two materials. The literature review of cyanine dyes focused on the synthetic aspects of the dyes and how it has been developed throughout the years. The interaction with nucleic acids is discussed along with the different applications it allows. Some examples of applications without nucleic acids are also included. In the experimental part, novel monomethine cyanine dyes were synthesized with a series of structural modifications aimed to improve the photophysical qualities, such as the brightness of the dyes. The characterization of the dyes was an important task to ensure the product was correct and pure for the absorption and fluorescence measurements. Mass spectrometry had a crucial role in ensuring the purity of the ionic products, as it made the first assessment of the product structure possible with only a glimpse. NMR was used to confirm the assumptions made with mass data. However, neither of these methods give information about the absolute structure and packing of the molecules in a solid state; hence, X-ray diffraction was used to obtain the single crystal structures for selected dyes. The single crystal structures also made molecular modeling possible to better understand the interactions between the studied dyes and DNA. Gold nanoclusters were a smaller, yet important part of the thesis since new information about synthesizing gold nanocluster and fluorescent probe complexes and their behavior was gained, providing important knowledge for future applications. The literature review of gold nanoclusters focused on their synthesis and applications with fluorescent probes. Since the complex of these materials is still quite new, only a few examples of studies by other groups were found. In the experimental part, the synthesis of one gold nanocluster is discussed and the pH dependent fluorescence of the cluster-probe complex in a solution. These results are promising as the complex of cyanine dye and gold nanocluster has been discussed as a completely new type of tool to be used in biological applications.

Tämä opinnäytetyö keskittyy monometeeni syaniiniväriaineisiin, niiden synteesiin ja käyttöön fluoresoivina koettimina nukleiinihappojen kuvantamisessa. Kulta-nanoklustereiden ja fluoresoivien koettimien komplekseja käsiteltiin myös mahdollisena rajapintana näiden kahden materiaalin välillä. Syaniiniväriaineiden kirjallisuuskatsaus keskittyi väriaineiden synteesin ja siihen, miten sitä on kehitetty vuosien varrella. Työssä käydään myös läpi värien ja nukeleiinihappojen vuorovaikutusta ja mitä sovelluksia se mahdollistaa. Lisäksi esitellään esimerkkejä käyttökohteista ilman nukleiinihappoja. Kokeellisessa osassa syntetisoitiin uusia monometeeni syaniiniväriaineita erilaisilla rakenteellisilla muutoksilla, joiden tavoitteena oli parantaa väriaineiden fotofysikaalisia ominaisuuksia, kuten kirkkautta. Syntetisoitujen väriaineiden karakterisointi oli erittäin tärkeässä roolissa koko työn läpi, koska sen avulla paitsi varmistettiin tuotteen olevan se, mitä tavoiteltiin, sekä se, että saatu väriaine oli puhdasta absorptio ja fluoresenssi mittauksiin. Etenkin massaspektrometrialla oli tärkeä rooli ionisten tuotteiden puhtauden varmistamisessa, ja se mahdollisti arvion synteesin onnistumisesta ja tuotteen puhtaudesta heti mittauksen yhteydessä. NMR:ää käytettiin vahvistamaan massaspektrometrimittausten perusteella tehty ensiarvio. Nämä edellä mainitut menetelmät eivät kuitenkaan anna tietoa molekyylin tarkasta rakenteesta ja pakkautumisesta. Siksi kiinteässä tilassa mitattavat röntgendiffraktio yksittäiskiteiden rakenteet antavat tärkeää tietoa tuotteen rakenteesta, mitä muilla menetelmillä ei voida saada. Kiderakenteet mahdollistivat myös molekyylimallinnuksen, minkä avulla voitiin entistä paremmin ymmärtää tutkittujen väriaineiden ja DNA:n välisiä vuorovaikutuksia. Kultananoklusterit olivat työssä pienempi osa, mutta sen avulla saatiin tärkeää tietoa kultananklustereiden ja fluoresoivan väriaineen kompleksin syntetisoimisesta ja käytöstä, ja kirjallisuuskatsaus keskittyi niiden synteesiin ja sovelluksiin fluoresoivien koettimien kanssa. Koska näiden kahden edellä mainitun materiaalin kompleksi on vielä melko uusi innovaatio, esimerkkejä muiden tutkijoiden tekemistä tutkimuksista löytyi vain muutama. Kokeellisessa osassa esitellään yhden kulta-nanoklusterin synteesi ja käydään läpi tämän kultananoklusterin ja fluoresoivan koettimien muodostaman kompleksin kykyä mitata liuoksen pH:ta. Saadut tulokset olivat varsin lupaavia, koska syaniiniväriaineen ja kultananoklusterin muodostaman kompleksin käyttäminen biologisissa sovelluksissa voisi olla täysin uudenlainen työkalu tulevaisuudessa.