Det finns en pågående efterfrågan inom biologisk forskning för att påskynda utvecklingen av fluorescerande prober baserade på den fotoinducerade elektronöverföringsmekanismen (PET). Genom att modulera PET-formationer, dessa prober ändrar signifikant fluorescensintensiteten, möjliggör en bekväm väg att övervaka analyter eller miljöförändringar med hög känslighet, livlig synlighet och utmärkt spatiotemporal upplösning.

Dock, den kvantitativa designen av fluorescenssonder baserade på PET-mekanismen fortsätter att vara en utmanande uppgift eftersom färgämnes kemi fortfarande till stor del bygger på trial-and-error.

För att möta denna utmaning, ett internationellt team av forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD), Dalian Institute of Chemical Physics i Kina (DICP), och Pohang University of Science and Technology (POSTECH) i Sydkorea har utvecklat en teoretisk deskriptor, ΔE, att kvantitativt utforma PET-fluorescenssonder (se bild). Deras forskningsartikel publicerades i ACS publikationer.

Teamet etablerade ΔE-deskriptorn genom att utföra kvantkemiska beräkningar på cirka 140 befintliga PET-sonder och analysera korrelationerna mellan deras elektroniska strukturer och deras kvantutbyten, eller på annat sätt känd som effektiviteten för att generera fluorescens.

Forskarna visade också att deskriptorn var tillämplig på flera familjer av fluoroforer som BODIPY, fluorescein, och rhodaminderivat. Baserat på beskrivningen, de förutspådde exakt och utvecklade framgångsrikt tvättfria fluorescerande fläckar av lipiddroppar och mitokondrier för bioavbildning av levande celler.

De kunde också kvantitativt utforma fluoroforer med aggregationsinducerade emissionsegenskaper. Inrättandet av denna teoretiska deskriptor gör det möjligt för kemister och biologer att kvantitativt söka och designa nya PET-baserade fluorescenssonder.

"Vårt forskningsmål är att förvandla färgämnes kemi från trial-and-error till molekylär ingenjörskonst, med de senaste forskningsverktygen som kemisk big data och kvantkemiska beräkningar. När vi fortsätter att arbeta nära med färgkemister för att uppnå detta mål, vi kommer också att utveckla högpresterande fluorescerande material längs vägen, " sa assisterande professor Liu Xiaogang från SUTD.