Alsidigt molekylært system udvider løftet om lysaktiverede kontakter

Lysaktiverede kontakter er for små til at kunne ses med det blotte øje, men de molekylære systemer arbejder hårdt i forskning relateret til lægemiddeldesign, adaptive materialer og datalagring. For at låse op for løftet om nye generationer af medicinske behandlinger og hukommelsessystemer, forskere skal først overvinde ulemperne ved de mikroskopiske anordninger, som kan være svære at fremstille og mangler alsidighed.

Forskere ved Dartmouth College har udviklet en ny molekylær switch baseret på den funktionelle hydrazongruppe, der kombinerer de vigtigste egenskaber fra den nuværende klasse af lysaktiverede switches og løser mange af problemerne forbundet med dem. Det nyudviklede molekyle er nemt at lave, nem at arbejde med, viser "on-off" fluorescensemission skiftende, og kan bruges til at skrive, læse og slette information i både flydende og fast tilstand.

Ser ind i fremtiden, kontakter som disse kan potentielt bruges til udvikling af sofistikerede fotomedicin, der leverer lægemidler med præcision på celleniveau. I de kommende år, hydrazonafbrydere kan også føre til udvikling af hukommelsesenheder med høj densitet med volumen af ​​et støvstykke.

Som beskrevet i Journal of the American Chemical Society , Dartmouths hydrazonsystem, "pakker det meste, hvis ikke alle, det ønskede, målrettede og eftertragtede egenskaber fra fotokrome forbindelser."

"Dette er en switch, der kan det hele, " sagde Ivan Aprahamian, en lektor i kemi og leder af forskerholdet i Dartmouth. "Det, vi udviklede, er et nyt værktøj, der kombinerer alle de gode egenskaber ved kendte switches uden deres bivirkninger, og på en enkel måde, ligetil design."

Svarende til at dreje en fysisk kontakt, fotokromatiske kontakter er afhængige af lys med forskellige bølgelængder til at flytte molekyler mellem "tændt" og "slukket" positionerne. Den fluorescerende feedback, der produceres under omskiftningsprocessen, kan bruges til at lagre og læse enorme mængder data i mikroskopisk skala og endda give signaler om, hvor en medicin bliver leveret, efter at lægemidlet trænger ind i en patients krop, et vigtigt værktøj til målretning mod lægemidler.

For at skifte kontakten i Dartmouth-undersøgelsen, forskere brugte et "blåt lys", der opererede ved den samme bølgelængde på 450 nm som en laserpointer til at skrive informationen ved at aktivere kontakten. En anden 365 nm ultraviolet bølgelængde blev brugt til at slette informationen ved at slukke kontakten.

I avisen, forskerne demonstrerede, at omskifteren virker i både vand og føtal bovint serumbuffer - et ofte anvendt biomedium - hvilket bekræfter, at det molekylære system kan være nyttigt som et lægemiddelleveringsværktøj.

Ud over at klare sig godt i løsning, forskerne fandt ud af, at hydrazonkontakten også virker på film i fast tilstand. Molekyler, der gennemgår store strukturelle ændringer, fungerer normalt ikke i fast tilstand uden kompleks manipulation. Denne ekstra funktionalitet gør det muligt at bruge den effektivt til datalagring.

"En sådan on-off fluorescensrespons i både opløsning og fast tilstand for fotokrome forbindelser er yderst usædvanlig, " sagde Baihao Shao, en ph.d. studerende ved Dartmouth og undersøgelsens første forfatter.

Holdet var i stand til at bruge både enkelt-foton og to-foton lyskilder til at betjene den nye switch. Den nære infrarøde, to-foton system gør det muligt for lyset at trænge dybere ind i vævet og gør det mere sikkert til brug med mennesker. To-foton aktivering giver også mulighed for 3-D mikroskopi teknikker, der er vigtige for avanceret datalagring.

Forskningspapiret bemærker, at hydrazon-afbryderen har en halveringstid på 75 år i opløsning ved stuetemperatur. I fast tilstand, kontaktens hukommelse kan være ubestemt. En sådan stabilitet er en anden nøglefunktion, der tilføjer dens overordnede funktionalitet til langsigtet datalagring.

"Vi er ekstremt begejstrede for resultaterne såvel som den modtagelse, det får fra det videnskabelige samfund. Baseret på disse og endnu upublicerede resultater, vi føler, at denne teknologi har løftet om at være virkelig transformativ, " sagde Aprahamian.

Under forsøget, en vis sletning fandt sted under læsning, da excitationslyset også resulterer i langsom skift, skabe en udfordring, som forskerne arbejder på at minimere.

Massimo Baroncini, Hai Qian, Laura Bussotti, Mariangela Di Donato og Alberto Credi bidrog også til denne forskning. Forskningen er lavet i samarbejde med universitetet i Bologna.