(a) Schematisk illustration av de vridna intramolekylära laddningshyttlarna (TICS). 'D' och 'A' betecknar elektrondonerande och elektronacceptabla fragment, respektive. (b) Reaktionsmekanism för en TICS -baserad GSH -fluorescerande sond, och konfokala mikroskopbilder av HeLa -celler färgade med sonden och Hoechst 33342 (en kärnfläck med blåa utsläpp). Inga röda utsläpp observerades i celler som förbehandlades med 1 mM NMM för att avlägsna GSH, medan intensiv röd fluorescens var närvarande i celler med GSH. Skalstapel =20 μm. Kredit:SUTD
Laddningsöverföring och separation är en grundläggande process i energiomvandlingen som driver livet på jorden. Förutom distribution i solceller och fotokatalysatorer, denna process finns i fotosyntesen, eftersom det möjliggör energiomvandling genom att skörda ljus och sedan överföra och omvandla det till kemisk energi.
Dock, djupare förståelse för laddningsöverföring och separation på molekylär nivå fortsätter att vara en utmaning, eftersom denna process är mycket snabb-ljusabsorberingsinducerad laddningsöverföring och separation sker över några femtosekunder till några pikosekunder.
Ett internationellt team av forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD), Chinese Academy of Science, Pohang University of Science and Technology och Vanderbilt University, övervann denna utmaning genom att använda fluorescens i sina modellsystem och studera förändringen i fluorescensutmatning - intensitet, livslängd och våglängd, etc. - och upptäckte en ny laddningsöverförings- och separationsprocess som kallas twisted intramolecular charge shuttle (TICS). I TICS -molekyler, laddningsgivaren och acceptorfragmenten byter roll dynamiskt efter att ha absorberat ljus och upplevt en strukturell vridning, på så sätt uppvisar ett fenomen med "transfer shuttle".
Den unika dubbelriktade, rollomkoppling TICS -process skiljer den från en liknande process för enriktad laddningsöverföring som kallas twisted intramolecular charge transfer (TICT). Medan TICT har underlättat utvecklingen av många funktionella material och enheter som ljusa och fotostabila fluoroforer, mörka släckare, viskositetssensorer och polaritetssensorer, TICS banar en ny väg för kemister att konstruera unika och användbara fluorescerande sonder i ett brett spektrum av kemiska familjer av fluoroforer.
Till exempel, forskargruppen konstruerade TICS -fluorescerande sonder som kan användas för att detektera glutation, en antioxidant som finns i växter och djur som är avgörande för att ta bort många giftiga kemikalier i biologiska celler. Liknande, en annan typ av specifikt konstruerad TICS-baserad sond skulle kunna detektera fosgen, en färglös och mycket giftig gas som användes som ett kemiskt vapenmedel under första världskriget, som potentiellt kan användas vid terrorattacker.
SUTD:s biträdande professor Liu Xiaogang förklarade hur forskargruppen utvecklade TICS-baserade glutation-fluorescerande prober och deras ansträngningar att omvandla färgämneskemin från försök och fel till molekylär teknik.
"Forskning inom detta studieområde har ofta baserats på trial and error. På SUTD, där design är en nyckelkomponent i vår forskningsstrategi, vi såg till att ha ett designcentrerat tillvägagångssätt i vår forskningsprocess. Vi analyserade först kemiska big data och upptäckte ett mönster mellan molekylära strukturer och fluorescerande egenskaper. Efter att ha förstått denna TICS -process, vi konstruerade sedan en sond för att bevisa detta koncept, "sade biträdande professor Liu.
