(a) Illustration schématique des mécanismes de navette de charge intramoléculaire torsadée (TICS); « D » et « A » désignent des fragments donneurs et accepteurs d'électrons, respectivement. (b) Mécanisme de réaction d'une sonde fluorescente GSH basée sur TICS, et des images au microscope confocal de cellules HeLa colorées avec la sonde et Hoechst 33342 (une coloration de noyau avec des émissions bleues). Aucune émission de rouge n'a été observée dans les cellules prétraitées avec 1 mM de NMM pour éliminer le GSH, tandis qu'une fluorescence rouge intense était présente dans les cellules avec GSH. Barre d'échelle =20 m. Crédit :SUTD
Le transfert et la séparation de charge est un processus fondamental dans la conversion d'énergie qui alimente la vie sur Terre. Outre le déploiement dans les cellules solaires et les photocatalyseurs, ce processus se trouve dans la photosynthèse, car il permet la conversion d'énergie en récupérant la lumière, puis en la transférant et en la convertissant en énergie chimique.
Cependant, une meilleure compréhension du transfert de charge et de la séparation au niveau moléculaire reste un défi, comme ce processus est très rapide, le transfert de charge et la séparation induits par l'absorption de la lumière s'effectuent en quelques femtosecondes à quelques picosecondes.
Une équipe internationale de chercheurs de la Singapore University of Technology and Design (SUTD), Académie chinoise des sciences, Université des sciences et technologies de Pohang et Université Vanderbilt, ont surmonté ce défi en utilisant la fluorescence dans leurs systèmes modèles et en étudiant le changement de sortie de fluorescence - intensité, durée de vie et longueur d'onde, etc. - et a découvert un nouveau processus de transfert et de séparation de charge appelé navette de charge intramoléculaire torsadée (TICS). Dans les molécules TICS, les fragments donneurs et accepteurs de charge changent de rôle dynamiquement après avoir absorbé la lumière et subi une torsion structurelle, présentant ainsi un phénomène de « navette de charge ».
Le bidirectionnel unique, Le processus de changement de rôle TICS le différencie d'un processus similaire de transfert de charge unidirectionnel appelé transfert de charge intramoléculaire torsadé (TICT). Alors que le TICT a facilité le développement de nombreux matériaux et dispositifs fonctionnels tels que les fluorophores brillants et photostables, désaltérants sombres, capteurs de viscosité et capteurs de polarité, TICS ouvre une nouvelle voie aux chimistes pour construire des sondes fluorescentes uniques et utiles dans une large gamme de familles chimiques de fluorophores.
Par exemple, l'équipe de recherche a construit des sondes fluorescentes TICS qui peuvent être utilisées pour détecter le glutathion, un antioxydant trouvé dans les plantes et les animaux qui est essentiel pour éliminer de nombreux produits chimiques toxiques dans les cellules biologiques. De la même manière, un autre type de sonde à base de TICS spécialement construite serait capable de détecter le phosgène, un gaz incolore et hautement toxique qui a été utilisé comme agent d'arme chimique pendant la Première Guerre mondiale, qui pourraient être utilisées dans des attentats terroristes.
Le professeur adjoint de SUTD, Liu Xiaogang, a expliqué comment l'équipe de recherche a développé des sondes fluorescentes au glutathion basées sur TICS et leurs efforts pour transformer la chimie des colorants d'essais et d'erreurs en ingénierie moléculaire.
"La recherche dans ce domaine d'étude a souvent été basée sur des essais et des erreurs. À SUTD, où le design est un élément clé de notre stratégie de recherche, nous nous sommes assurés d'adopter une approche centrée sur le design dans notre processus de recherche. Nous avons d'abord analysé les mégadonnées chimiques et repéré un modèle entre les structures moléculaires et les propriétés fluorescentes. Après avoir compris ce processus TICS, nous avons ensuite conçu une sonde pour prouver ce concept, " a déclaré le professeur adjoint Liu.
