Bioimaging

Bioimaging : Sintesis dan Karakterisasi Emisi NIR ( Near Infrared) dari Kompleks Ion Lantanida Yb³⁺ dengan Ligan Porfirin

1.    Pendahuluan

Perkembangan ilmu kedokteran yang diiringi dengan perkembangan ilmu teknologi dan fisika telah menfasilitasi paramedik dengan berbagai macam alat bantu untuk menggambarkan keadaan dalam tubuh pasien tanpa harus melakukan pembukaan dan pembedahan untuk dilakukan biopsi.

Penciteraan atau bioimaging saat ini merupakan metode yang menjadi ujung tombak pemeriksaan untuk kasus-kasus yang tidak kasat mata. Medical imaging, atau umumnya disebut radiologi, merupakan pengambilan gambar dari bagian tubuh manusia yang digunakan untuk keperluan medis.  Untuk diagnosa penyakit seperti kanker dan penyakit jantung diperlukan pencitraan atau bioimaging yang handal . Belakangan ini pendekatan dengan didasarkan nanoteknologi telah menunjukkan hasil yang menjanjikan. Pewarna organik biasa dapat digunakan dalam pembuatan fluoresense, hanya saja  Kerugian utamanya adalah warna yang mudah memudar, waktu penggunaan yang serta masalah adalah auto-fluoresense pada jaringan biologis dan fototoksiksitas, serta terjadi penyebaran ketika digunakan sinar ultraviolet (UV) sebagai sumber eksitasi ( Hemmer, 2012).

Disebabkan oleh tinggi resolusi spasial dan temporal, pencitraan pendarfluor
adalah satu teknik penting dan menarik untuk studi dan aplikasi klinis in vitro dan dalam tumbuh-tumbuhan (Berezin dan Achilefu, 2010; Kobayashi dll., 2010; Louie, 2010). Fluorophores konvensional (misalnya,fluorophores organik, titik-titik kuantum, protein-protein neon dan kompleks logam transisi berpendar) telah digunakan secara luas sebagai aplikasi aplikasi biologis (Lau dll., 2009). Namun, fluorophores konvensional diasosiasikan dengan beberapa pembatasan, seperti photostability rendah, auto fluoresense, sitotoksisitas dan deteksi kepekaan terbatas (Hilderbrand., 2009)

Photonic secara luas didefinisikan sebagai ilmu pengetahuan dan teknologi untuk memahami, mengendalikan dan mengeksploitasi interaksi cahaya dan materi, melengkapi teknologi yang memungkinkan untuk telekomunikasi, energi surya, pencahayaan, display, bioteknologi, diagnosa kesehatan, bioimaging dan lain-lain. Ion-ion Lantanida memegang peranan penting dalam bidang fotonik karena sifat-sifat photophysical unik yang dimiliki. Ion-ion Lantanida dapat membentuk suatu kompleks larut dengan ligan organik yang  berperan dalam beberapa aplikasi-aplikasi fotonik. Saat ini kompleks-kompleks lantanida digunakan dalam diagnosa medis untuk mendeteksi biomolekul yang dapat menggambarkan keadaan fisik pasien (Werts, 2005).

Ion-ion Lantanida seperti Yb³⁺ dengan emisi di 980 nm, adalah logam yang baik untuk memperoleh emisi NIR (Near Infrared) yang sangat efisien . Emisi dari lantanid (III) trivalen ion-ion kebanyakan datang dari alihan dwikutub elektrik antara subkulit 4f. Orbital 4f dilindungi dari keadaan sekitarnya oleh orbital 5s and 5p, dan pengaruh hostmedia di transisi-transisi optis dalam bentuk 4f juga rendah ( Jhiao Chen, 2012).

Fluoresensi terjadi ketika molekul tereksitasi kembali ke keadaan dasar dengan melepaskan energi melalui emisi foton. Karena beberapa dari energi yang diperoleh selama eksitasi diubah menjadi panas, foton yang dipancarkan memiliki lebih rendah energi dari yang diserap. Hal ini menjelaskan perbedaan panjang gelombang yang disebutkan yang juga dikenal sebagai pergeseran Stokes ( Vonesch, 2006).

Banyak pewarna telah disintesiskan, dan kapasitas pengolah sensor untuk emisi NIR ion-ion lantanida telah diuji. Senyawa Pyrrolic yang mencakup porfirin dan borondipirometan, adalah dua jenis pewarna yang paling menarik, tidak hanya untuk tujuan-tujuan pemekaan yang hakiki, namun juga untuk biocompatibility yang memiliki stabilitas yang baik untuk penerapan pengobatan. Senyawa-senyawa ini menunjukkan kemampuan modifikasi struktural yang fleksibel. Kompleks Porfirin menyerap kuat daerah UV yang secara alami digunakan untuk fotosintesis dan telah digunakan untuk membunuh sel-sel kanker. Porfirin memiliki tingkat energi keadaan triplet sekitar ∼15,000 cm⁻¹ yang baik untuk pemekaan emisi lantanida.

Porfirin sangat mudah dimodifikasi serta memiliki sifat photophysical dari variasi struktur. Ketika porfirin membentuk kompleks dengan ion lantanida, porfirin terdeprotonasi dan memberikan empat atom koordinasi untuk ion lantanida. Sebab ion lantanida adalah logam-logam trivalen, satu anion sekunder diperlukan untuk keseimbangan muatan. Contoh dari Anion sekunder diantaranya ligan tridentate, seperti hydridotris (pyrazol-1yl) borate (TpH), (cyclopentadienyl) tris (diethylphosphita)cobaltate(I)(LOEt−) dan (cyclopentadienyl) tris (dimethyphosphita) cobaltate(I) (LOMe−) . Ligan orbidentate (BDL-), seperti acetylacetonate (acac−), 8-hydroxyquinolinate (OQ−), dan acetate (OAc−). Sehingga hasil kompleks yang terbentuk dapat [Ln(Por)(TDL)] maupun [Ln(Por)(BDL)(S)n] (Hongshan, 2013).

 Pada tinjauan ini berfokus pada karakteristik sintesis struktural kompleks porfirin dengan Yb³⁺, dampak perubahan-perubahan struktural terhadap efisiensi emisi pada NIR

2.      Diskusi

2.1  Sintesis kompleks

Sintesis kompleks [Ln(Por) TDL) pertama kali dilaporkan oleh Wong dan coworker pada awal tahun 2001. Beberapa kompleks stabil dari Er3+ dan Yb3+ diperoleh dengan rumus umum [Ln(Por)(H2O)3]Cl dari reaksi komplek anhydrous amina lanthanida dengan  porfirin bebas basa. Analisis kristal tunggal sinar-x menunjukkan bahwa ion Ln3+ terkoordinasi oleh empat atom N dari cincin porfirin dan atom-atom O dari H2O. Ion lawan Cl tidak mengikat ion Ln3+. 3 molekul air pada [Ln(Por)(H2O)3]Cl sangat labil dan mudah bereaksi dengan pelarut, seperti tetrahydrofuran (THF) atau OH−, untuk membentuk dimer. Tiga molekul air dapat juga digantikan dengan ligan tridentat ( TDL ) sesuai dengan persamaan reaksi di bawah ini :

[Ln(Por)(H2O)3]Cl + TDL−→ [Ln(Por)(TDL)] + 3H2O + Cl⁻

Dimana Ln³⁺ = Yb³⁺ dan Er3+, dan TDL− dapat berupa TpH−, LOEt−, LOMe−. Reaksi cepat, efisien, dan diadakan pada suhu ruangan .

Gambar 1. Sintesis kompleks lantanida

Kompleks yang dihasilkan larut pada pelarut non-polar seperti kloroform, toluena, and diklorometan. Kelarutan kompleks pada metanol, etanol dan hexana relatif rendah.

Gambar 2 Struktur kristal tunggal dari senyawa [Yb(TMPP)(LOEt)]  dan [Yb(TPP)(TpH)

Yb pada kompleks [Yb(TMPP)(LOEt)] adalah koordinat tujuh, dikelilingioleh 4 atom N dari  dianion porfirinat dan 3 atom O s dari grup threephosphitot. Yb pada kompleks [Yb(TPP)(TpH) is juga 7 koordinasi. Kompleks terbentuk dari 3 atom N dan TDL  planar terbentuk dari 4 atom N dari cincin porfirin yang sejajar satu sama lain

2.2 Sifat emisi NIR

Tipe absorbsi, eksitasi, dan spektra fluoresen pada daerah tampak ditunjukkan pada gambar berikut

Gambar 3 emisi NIR dari [Yb(TPP)(H2O)3]Cl (1) dan [Yb(TPP)(TpH)] (14) di dalam kloroform pada temperatur ruang

Kompleks menunjukkan kemiripan sifat absorbsi dan fluoresense pada daerah tampak. Spektra absorbsi UV–vis dari kompleks ini khas satu metaloporfirin reguler, dengan kelompok Soret pada ∼420 nm dan dua buah band Q berpusat di ∼553 dan 590 nm, yang sesuai dengan empat model orbital Gouterman. Kelompok energi terendah ( α band) adalah Q(0,0) keadaan tunggal tereksitasi (S1). Pada kelompok kedua (βband) Q(1,0). Perbandingan intensitas dari α/β antara 0.1 and 0.5 menandakan sensitifitas tinggi kompleks ini terhadap asam.

Karakterisitik emisi dari kompleks [Yb(Por)(H2O)3]Cl pada daerah inframerah dekat ditunjukkan pada gambar

Gambar 5 emisi dari kompleks [Yb(Por)(H2O)3]Cl pada daerah inframerah dekat

Intensitas emisi [Ln(Por)(TDL)]  kompleks meningkat dibandingkan dengan kompleks-kompleks monoporphyrinate aqua-terkoordinasi [Ln(Por)(H2O)3]Cl. Massa hidup emisi NIR meningkat secara signifikan  ∼20µs pada kompleks [Ln(Por)(TpH)] dan ∼16 µs pada kompleks in[Ln(Por)(LOEt)].  Hal ini dimungkinkan karena pengangkatan molekul-molekul air dari koordinasi dalam.

Kesimpulan

Ion lantanida yb3+ memiliki emisi unik pada daerah inframerah dekat (700-1600nm) dan berpotensial untuk aplikasi pada diagnosa biomedis. Porfirin memiliki tingkat energi keadaan triplet sekitar ∼15,000 cm⁻¹ yang baik untuk pemekaan emisi lantanida. Kompleks-kompleks lantanida porfrin dapat disintesis dengan reaksi antara [Ln(Por) (H2O) 3]Cl dengan bidentat anionik atau ligan tridentat. Dari perobaan dihasilkan tujuh koordinat dengan atau tanpa pelarut di koordinasi dalam. Intensitas emisi NIR meningkat setelah reaksi substitusi dan massa hidup emisi NIR meningkat secara signifikan  ∼20µs pada kompleks [Yb(Por)(TpH)] dan ∼16 µs pada kompleks [Yb(Por)(LOEt)]

4.      Saran

Persilangan kompleks-kompleks lantanida ke matriks silika mengurangi intensitas emisi dengan masa hidup jauh lebih kecil dibandingkan kompleks induk. Mencampur kompleks dengan polimer memberikan hasil  yang lebih baik daripada di silika gel, namun demikian, masa hidup yang dihasilkan lebih rendah. Dari sudut pandang ini, akan lebih baik jika digunakan ligan terhalogenasi tanpa suatu kompromi efisiensi pemekaan.

5.      Referensi

Berezin MY, Achilefu S. Fluorescence lifetime measurements and biological imaging. Chem Rev 2010;110:2641–84.

Cédric Vonesch, François Aguet,Jean-Luc Vonesch, and Michael Unser. The colored revolution of bioimaging 2012

Hilderbrand SA, ShaoFW, Salthouse C,Mahmood U,Weissleder R. Upconverting luminescent nanomaterials: application to in vivo bioimaging. ChemCommun 2009:4188–90.

Hongshan He, Near-infrared emitting lanthanide complexes of porphyrin and BODIPY dyes, (87-91)

Jiao Chen and Julia Xiaojun Zhao. 2012. Upconversion Nanomaterials: Synthesis, Mechanism, and Applications in Sensing

Kobayashi H, Ogawa M, Alford R, Choyke PL, Urano Y. New strategies for fluorescent probe design in medical diagnostic imaging. Chem Rev 2010;110:2620–40.

Lau JSY, Lee PK, Tsang KHK, Ng CHC, Lam YW, Cheng SH, et al. Luminescent cyclometalated  (III) polypyridine indole complexes—synthesis, photophysics, electrochemistry,protein-binding properties, cytotoxicity, and cellular uptake. InorgChem 2009;48:708–18

Louie A. Multimodality imaging probes: design and challenges. Chem Rev 2010;110: 3146–95.

Martinus H.V. Wertz.2005. Making sense of lanthanide Luminescence ; 101-105