(a) Illustrazione schematica dei meccanismi twisted intramolecular charge shuttle (TICS); 'D' e 'A' indicano frammenti che donano e accettano elettroni, rispettivamente. (b) Meccanismo di reazione di una sonda fluorescente GSH basata su TICS, e immagini al microscopio confocale di cellule HeLa colorate con la sonda e Hoechst 33342 (una colorazione del nucleo con emissioni blu). Non sono state osservate emissioni rosse nelle cellule che sono state pretrattate con 1 mM NMM per rimuovere GSH, mentre un'intensa fluorescenza rossa era presente nelle cellule con GSH. Barra della scala =20 μm. Attestazione:SUTD
Il trasferimento e la separazione di carica è un processo fondamentale nella conversione dell'energia che alimenta la vita sulla Terra. Oltre all'impiego in celle solari e fotocatalizzatori, questo processo si trova nella fotosintesi, in quanto consente la conversione dell'energia raccogliendo la luce e quindi trasferendola e convertendola in energia chimica.
Però, una comprensione più profonda del trasferimento e della separazione di carica a livello molecolare continua a rappresentare una sfida, poiché questo processo è molto rapido, il trasferimento e la separazione di carica indotti dall'assorbimento della luce avviene da pochi femtosecondi a pochi picosecondi.
Un team internazionale di ricercatori della Singapore University of Technology and Design (SUTD), Accademia cinese delle scienze, Pohang University of Science and Technology e Vanderbilt University, hanno superato questa sfida utilizzando la fluorescenza nei loro sistemi modello e studiando il cambiamento nell'emissione di fluorescenza:intensità, durata e lunghezza d'onda, ecc. e ha scoperto un nuovo processo di trasferimento e separazione di carica chiamato navetta di carica intramolecolare ritorta (TICS). Nelle molecole TICS, i frammenti del donatore di carica e dell'accettore cambiano dinamicamente i ruoli dopo aver assorbito la luce e aver subito una torsione strutturale, esibendo così un fenomeno di 'navetta di carica'.
L'esclusivo bidirezionale, Il processo TICS di cambio di ruolo lo differenzia da un processo simile di trasferimento di carica unidirezionale chiamato trasferimento di carica intramolecolare ritorto (TICT). Sebbene TICT abbia facilitato lo sviluppo di molti materiali e dispositivi funzionali come i fluorofori luminosi e fotostabili, dissetanti oscuri, sensori di viscosità e sensori di polarità, TICS apre una nuova strada ai chimici per costruire sonde fluorescenti uniche e utili in un'ampia gamma di famiglie chimiche di fluorofori.
Ad esempio, il team di ricerca ha costruito sonde fluorescenti TICS che possono essere utilizzate per rilevare il glutatione, un antiossidante trovato in piante e animali che è essenziale per rimuovere molte sostanze chimiche tossiche nelle cellule biologiche. Allo stesso modo, un altro tipo di sonda basata su TICS appositamente costruita sarebbe in grado di rilevare il fosgene, un gas incolore e altamente tossico che è stato utilizzato come agente di armi chimiche durante la prima guerra mondiale, che potrebbero essere potenzialmente utilizzati in attacchi terroristici.
L'assistente professore di SUTD Liu Xiaogang ha spiegato come il team di ricerca ha sviluppato sonde fluorescenti al glutatione basate su TICS e i loro sforzi per trasformare la chimica dei coloranti da tentativi ed errori in ingegneria molecolare.
"La ricerca in quest'area di studio si è spesso basata su prove ed errori. In SUTD, dove il design è una componente chiave della nostra strategia di ricerca, ci siamo assicurati di adottare un approccio incentrato sul design nel nostro processo di ricerca. Per prima cosa abbiamo analizzato i big data chimici e individuato uno schema tra le strutture molecolari e le proprietà fluorescenti. Dopo aver compreso questo processo TICS, abbiamo quindi progettato una sonda per dimostrare questo concetto, ", ha affermato l'assistente professore Liu.
