Forskere udvikler en hurtig, alle synligt lys molekylær switch med 100 nm båndseparation

Et samarbejde mellem institutioner, herunder University of Groningen, har udviklet en helt ny klasse af molekylære fotoswitcher, der opfylder mange krav, der tidligere blev anset for uopnåelige. Resultaterne er blevet offentliggjort i Naturkommunikation den 3. juni.

Molekylære fotoswitches er af særlig forskningsinteresse, da de omfatter et ikke-invasivt og lokaliseret middel til ting som f.eks. At aktivere et lægemiddel, hvor og hvornår det er nødvendigt. Sådanne switches findes, men er langt fra ideelle, da de kræver skadeligt ultraviolet lys til deres drift, som er et show-stopper fra et klinisk synspunkt.

Desuden, de kan ikke udelukkende skiftes fra den ene stat til den anden, og fungerer normalt ikke under fysiologiske forhold i menneskekroppen. Absorptionsbånd beskriver, hvilke lysbølgelængder der er nødvendige for at skifte. Når absorptionsbåndene i tilstanden "tændt" og "slukket" overlapper hinanden, skifte mellem de to tilstande kræver lys med samme bølgelængde, hvilket er meget ineffektivt. Imidlertid, hvis absorptionsbåndene er godt adskilte, derefter kan skifte mellem tilstanden "tændt" og "slukket" udføres med høj specificitet og effektivitet med lys af forskellige bølgelængder. Molekylære kontakter, der opfylder sådanne krav, er således meget ønskelige, men indtil nu, ingen har kunnet finde på et passende design.

Thioindigo og azobensen er to kemiske motiver, der er meget udbredt i molekylære switches, omend de lider af de tidligere nævnte ulemper. Dr. Wiktor Szymanski ved University Medical Center Groningen indså, at en fusion af disse to også burde kunne fungere som en fotoswitch, og, ligner krydsning, meget sandsynligt ville have forbedrede ejendomme i forhold til dets "forældre".

"Imidlertid, de første resultater var meget skuffende, "siger Mark Hoorens, ph.d. studerende ved UMCG, der syntetiserede iminothioindoxyl (ITI) forbindelsen og forsøgte at skifte den. "Vi så ingen ændringer i absorptionsspektret, da vi bestrålede det, intet syntes at ske. Vi mistede derfor interessen for denne forbindelse og fortsatte med anden forskning. "

På det internationale symposium om fotofarmakologi i 2017, der blev afholdt i Groningen, gruppen diskuterede deres resultater med forskere fra Molecular Photonics -gruppen ved University of Amsterdam. Baseret på den diskussion, forskerne konkluderede, at det kunne betale sig at gentage bestrålingsforsøgene ved hjælp af faciliteterne ved universitetet i Amsterdam, som har en bedre tidsopløsning. Det nye forsøg gav et overraskende resultat.

"Først, vi troede ikke vores øjne, "siger Mark Hoorens (UvA)." Vi så et fuldstændigt adskilt absorptionsbånd optræde 100 nm til det røde i steady-state absorptionsbåndet for ITI med en levetid på omkring 10 til 20 millisekunder, og i første omgang mistænkte endda, at vi kiggede på kontaminering i prøven. "En af dens" forældre "absorberede i UV -regionen og havde båndseparation, mens den anden forælder absorberes i det synlige lysområde, men havde ikke god båndseparation.

Den nye switch havde det bedste af begge dele. Sådanne egenskaber er aldrig før blevet observeret i en fotoswitch. Opfølgningseksperimenter bekræftede, at ITI faktisk er kontakten til synligt lys, forskerne ledte efter. Eksperimenter med femto- og picosekunders tidsskala udført i laboratorierne hos Dr. Mariangela Di Donato ved European Laboratory of Non-Linear Spectroscopy gav mulighed for yderligere mekanistiske undersøgelser. Mariangela siger, "Fra disse undersøgelser, blev det klart, at ITI tænder for en ultrahurtig tidsskala på et par hundrede femtosekunder, svarer til, hvor hurtigt det visuelle pigment i vores øjne skiftes, når lyset falder på det. "

Kvantberegninger

Den endelige bekræftelse blev leveret ved kvantekemiske beregninger udført af Dr. Adèle Laurent (University of Nantes) og Dr. Miroslav Medved '(Palacky University i Olomouc). Disse beregninger forudsagde absorptionsmaxima for de to foto-isomerer, der lignede meget dem, der blev observeret eksperimentelt, men også en barriere for at skifte tilbage til den oprindelige form, der passede glimrende til den observerede levetid. "I første omgang, vi var ret forundrede over denne gigantiske 100 nm båndseparation, "siger Laurent, "men vores beregninger giver nu en logisk forklaring på dette. Hvad der er endnu bedre, er, at de giver os mulighed for at forudsige, hvordan ITI kan ændres for at opfylde de specifikke krav fra sine brugere."

Mark Hoorens har nu syntetiseret flere sorter, der er blevet yderligere karakteriseret i Amsterdam, Firenze, Nantes og Olomouc. Fra disse undersøgelser, det er blevet klart, at ITI er en utrolig alsidig switch, der kan betjenes under en lang række eksperimentelle forhold, herunder, vigtigt, biologiske, og med egenskaber, der er relativt lette at justere.