THE β-CARBOLINE PLATFORM-BASED FLUORESCENT PROBES FOR THE SELECTIVE DETECTION OF ZINC ION. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ashraf - PhD Dissertation T-251.pdf Restricted to Repository staff only until 2 December 2026. Download (9MB)

Arabic Abstract

في هذا العمل، نعرض تصميم وتخليق سبعة مجسّات فلورية لمراقبة أيونات الزنك (Zn²⁺) في المحاليل المائية وداخل الأنظمة الحية. تُعد أيونات الزنك عنصرًا مهمًا في العديد من العمليات الحيوية، ويؤدي اختلال تركيزها إلى اضطراب في الوظائف الخلوية. لذلك، فإن تصور ومراقبة Zn²⁺ داخل الأنظمة الحيوية يُعد أمرًا بالغ الأهمية. وعلى الرغم من تطوير العديد من المجسّات المعتمدة على ظاهرة النقل الإلكتروني المحفَّز بالضوء (PET) للكشف عن Zn²⁺، إلا أن العديد منها يُعاني من ضعف الانتقائية أو صعوبة في التحضي في هذا البحث، تم تطوير سلسلة من المجسّات الفلورية المعتمدة على هيكل .β-كاربولين مصمَّمة للكشف الانتقائي والحساس للغاية عن Zn²⁺. تم تحضير ثلاثة مجسّات هي CS1 وCS2 وCS3 على أساس هيكل β-كاربولين للكشف عن Zn²⁺ في المحاليل المائية وكذلك في الخلايا الحية. يحتوي كل مجسّ على ثلاث ذرات نيتروجين تعمل كمواقع ارتباط مع Zn²⁺، مع مجموعات تناسقية مختلفة لضبط الهندسة المكانية لتحقيق انتقائية عالية. أظهرت هذه المجسّات انتقائية ممتازة تجاه Zn²⁺ مقارنةً ببقية الأيونات المعدنية، مع حدود كشف تراوحت بين 0.38 و4.5 نانومول. كما عملت جميعها وفق مبدأ النقل الإلكتروني المحفَّز بالضوء. أدى إضافة Zn²⁺ إلى زيادة شدة التألق بنحو 5.0 و6.5 و14.6 مرة لكل من CS1 وCS2 وCS3 على التوالي، مع تغير في اللون من الأزرق إلى السماوي الفاتح. أظهرت حسابات DFT أن هذه المجسّات تكوِّن معقدات مستقرة خماسية التناسق مع Zn²⁺ ذات هندسة هرمية مثلثية، وكان CS3 الأكثر استقرارًا بينها. وقد تم تأكيد تكوين المعقد من خلال التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (¹H NMR) الذي أظهر فروقًا واضحة بين الأشكال الحرة والمترابطة بالأيون. كما تم تصميم مجسّين آخرين مبنيين على β-كاربولين هما S1 وS2 كمستشعرات فعّالة وحساسة للكشف عن Zn²⁺. يجمع هذان المجسان بين 8-أمينوكوينولين وهيكل β-كاربولين لتكوين تجاويف ارتباط نصف حلقية تسمح بانتقائية عالية في ارتباط Zn²⁺. يؤدّي ارتباط Zn²⁺ إلى تعطيل عملية النقل الإلكتروني المحفَّز بالضوء، مما ينتج عنه زيادة قوية في التألق (تأثير “التشغيل”). بلغت حدود الكشف 2.6 نانومول لـ S1 و3.7 نانومول لـ S2. أظهرت دراسات DFT أن المعقدات الناتجة مع Zn²⁺ ذات هندسة ثمانية التناسق (مربعة-هرمية)، مستقرة حراريًا، وقد تم تأكيد ذلك من خلال التغيّرات الملحوظة في أطياف ¹H NMR بعد التكوين. إضافةً إلى ذلك، تم تخليق مجسّين فلوريين آخرين، هما P1 وP2، عبر مسار تخليقي بسيط وفعّال للكشف الانتقائي عن Zn²⁺. أظهرت الدراسات الفوتوفيزيائية تفوق المجسين في الحساسية والانتقائية، حيث زاد التألق ("تشغيل") عند ارتباط Zn²⁺ بمقدار 5.6 مرة في P1 و10.5 مرة في P2، مع حدود كشف منخفضة بلغت 27.2 نانومول و55.1 نانومول على التوالي. أظهرت هذه المجسّات أيضًا قدرة عالية على مقاومة التداخل مع أيونات المعادن الأخرى، وعملت بكفاءة عند pH فسيولوجي (7.4). أكدت حسابات DFT وTD-DFT أن P1 وP2 يشكّلان معقدات مستقرة سداسية التناسق مع Zn²⁺، وأن الارتباط يؤدي إلى تقليل فجوة الطاقة بين مدارات HOMO وLUMO واستقرارها. أظهرت كل من P1 وP2 سمّية خلوية منخفضة وقابلية لعكس الإشارة الفلورية، كما تم استخدامهما بنجاح لتصوير أيونات Zn²⁺ في خلايا WiDr باستخدام مجهر التألق الليزري المقرون البؤري. باختصار، تتميز المجسّات السبعة المعتمدة على هيكل β-كاربولين (CS1–CS3، S1–S2، وP1–P2) بحساسيتها العالية، وانتقائيتها الممتازة، وتوافقها الحيوي. سهولة تحضيرها واستجابتها الفلورية القوية وقدرتها على العمل في الظروف الفسيولوجية تجعلها واعدة جدًا للكشف عن Zn²⁺ وتصويره في الأنظمة البيولوجية والبيئية على حد سواء.

English Abstract

Herein, we report the design and synthesis of seven fluorescent probes for monitoring Zn²⁺ ions in aqueous solution and within living systems. Zinc ions are involved in many biological processes, and abnormal cellular function is related to imbalances in Zn²⁺ concentration. Visualization and monitoring Zn²⁺ in biological systems are thus of prime importance. Although several PET-based Zn²⁺ sensors have been developed, many show poor selectivity or require cumbersome syntheses. In this work, we developed a series of β-carboline-based fluorescent probes designed for highly selective and sensitive detection of Zn²⁺ ions. Herein, three probes, CS1–CS3, were prepared based on a β-carboline skeleton for the detection of Zn²⁺ not only in aqueous solutions but also in living cells. Every probe contains three nitrogen atoms acting as binding sites for Zn²⁺, with different coordinating groups to optimize the geometry for selective Zn²⁺ recognition. These probes exhibited excellent selectivity toward Zn²⁺ relative to other metal ions with the ability for detection at 0.38 nM to 4.5 nM. All probes were found to work based on the principle of photoinduced electron transfer. Addition of Zn²⁺ enhanced the fluorescence intensity by a factor of approximately 5.0, 6.5, and 14.6 for CS1, CS2, and CS3, respectively, accompanying a colour change from blue to bright cyan. DFT calculations showed that these probes formed stable five-coordinate Zn²⁺ complexes with a trigonal bipyramidal geometry; of the probes, CS3 showed the highest stability. Formation of such a complex was further confirmed by ¹H NMR spectroscopy, displaying distinct spectral differences between free and Zn²⁺-bound forms of the probes. Two other β-carboline-based probes, S1 and S2, have been designed as highly efficient and sensitive sensors for Zn²⁺ detection. The probes couple 8-aminoquinoline with a β-carboline framework to make half-ring–shaped binding cavities that selectively allow Zn²⁺ coordination. The coordination of Zn²⁺ disrupts the PET process, which gives an intense fluorescence “turn-on” effect. Their detection limits were found to be 2.6 nM for S1 and 3.7 nM for S2. DFT studies showed that the resulting Zn²⁺ complexes had a hexacoordinate square-bipyramidal geometry, with high thermodynamic stability, borne out by significant chemical shift changes in the ¹H NMR spectra following complexation. Moreover, two other β-carboline-based fluorescent probes, namely P1 and P2, have been synthesized through an easy and efficient synthetic pathway for the selective detection of Zn²⁺ ions. Detailed photophysical studies revealed both probes to be highly sensitive and selective, where fluorescence enhancement ("turn-on") upon Zn²⁺ binding was observed to be 5.6-fold for P1 and 10.5-fold for P2, with limits of detection being as low as 27.2 nM and 55.1 nM, respectively. These probes also exhibited excellent anti-interference ability against other metal ions and performed optimally at physiological pH 7.4. DFT and TD-DFT calculations confirmed that P1 and P2 form stable hexacoordinate Zn²⁺ complexes, with Zn²⁺ binding causing a reduction in the HOMO-LUMO energy gap and stabilization of molecular orbitals. Both probes showed low cytotoxicity and reversible fluorescence switching; besides, they were successfully used to image Zn²⁺ ions in WiDr cells using confocal fluorescence microscopy. In a nutshell, the seven fluorescent probes based on the β-carboline moiety (CS1–CS3, S1–S2, and P1–P2) are characterized by their excellent sensitivity, selectivity, and biocompatibility. Their easy preparation, strong fluorescence responses, and workability under physiological conditions all allow them to hold great promise for Zn²⁺ detection and imaging in both biological and environmental systems.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Ullah, Nisar
Committee Co-Advisor:	Musa, Musa
Committee Members:	Al-Saadi, Abdulaziz and Tahir, Muhammad and Peedikakkal, Abdul Malik
Depositing User:	MUHAMMAD ASHRAF (g202113170)
Date Deposited:	04 Dec 2025 10:21
Last Modified:	04 Dec 2025 10:21
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143767