Comparison of Lanthanide Macrocyclic Complexes as 23Na NMR Sensors

化学 镧系元素 膦酸盐 超精细结构 羧酸盐 电子顺磁共振 离子 顺磁性 多塔 螯合作用 结晶学 核磁共振 无机化学 立体化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Muhammad Hamid Khan,Sandeep K. Mishra,A. B. M. Zakaria,Jelena Mihailović,Daniel Coman,Fahmeed Hyder
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:94 (5): 2536-2545 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.1c04432
摘要

Nuclear magnetic resonance (NMR) agents, composed of paramagnetic lanthanide ions (Ln3+) complexed with negatively charged cyclic chelating agents (Che(n+3)–) forming polyanionic lanthanide complexes (LnChen–), perturb sodium-23 (23Na) signals, a phenomenon which depends sodium ions (Na+) exchanging with LnChen–. We analyzed 23Na shiftability and broadening due to hyperfine and bulk magnetic susceptibility (BMS) effects that arise from LnChen– designs using selective Ln3+ ions (i.e., thulium, Tm3+; gadolinium, Gd3+; and europium, Eu3+) and macrocyclics derived from 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (cyclen) [i.e., with phosphonate (DOTP8–) and carboxylate (DOTMA4–) arms] and 1,4,7-triazacyclononane (TACN) [i.e., with phosphonate (NOTP6–) arms]. All LnChen– complexes showed downfield shifts, but Gd3+ and Tm3+ agents, respectively, were dominated by BMS and hyperfine effects, in good agreement with theory. While 23Na shiftability and broadening were minimally affected by pH and competing cations (K+, Ca2+, and Mg2+) within physiological ranges, the 23Na shiftability and broadening were most sensitive to LnChen– concentration in relation to the interstitial Na+ level in vivo. Greatest 23Na shiftability and broadening were obtained with Tm3+ and Gd3+ agents, respectively. While BMS contribution to shiftability was most impacted by the number of unpaired electrons on Ln3+, negative charge on LnChen– regulated Na+ exchange for line broadening. In brain tumor models, TmDOTP5– with 23Na-NMR has been used previously to separate Na+ in intracellular, blood, and interstitial pools, while evidence here shows that GdDOTP5– can distinguish Na+ within intracellular and extracellular (i.e., blood and interstitial) pools. Given the biological importance of Na+ in vivo, future macrocyclic designs of LnChen– should be sought for 23Na-NMR biomedical applications.

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