(a) Ilustración esquemática de los mecanismos de lanzadera de carga intramolecular retorcida (TICS); 'D' y 'A' denotan fragmentos donantes y receptores de electrones, respectivamente. (b) Mecanismo de reacción de una sonda fluorescente GSH basada en TICS, e imágenes de microscopio confocal de células HeLa teñidas con la sonda y Hoechst 33342 (una tinción del núcleo con emisiones azules). No se observaron emisiones rojas en las células que se pretrataron con NMM 1 mM para eliminar el GSH, mientras que la fluorescencia roja intensa estaba presente en las células con GSH. Barra de escala =20 μm. Crédito:SUTD
La transferencia y separación de carga es un proceso fundamental en la conversión de energía que impulsa la vida en la Tierra. Además del despliegue en células solares y fotocatalizadores, este proceso se encuentra en la fotosíntesis, ya que permite la conversión de energía recolectando luz y luego transfiriéndola y convirtiéndola en energía química.
Sin embargo, La comprensión más profunda de la transferencia y separación de cargas a nivel molecular sigue siendo un desafío, como este proceso es muy rápido, la transferencia de carga inducida por absorción de luz y la separación tienen lugar en unos pocos femtosegundos a unos pocos picosegundos.
Un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD), Academia China de Ciencias, Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang y Universidad de Vanderbilt, superó este desafío utilizando fluorescencia en sus sistemas modelo y estudiando el cambio en la salida de fluorescencia:intensidad, vida útil y longitud de onda, etc., y descubrió un nuevo proceso de transferencia y separación de carga llamado lanzadera de carga intramolecular retorcida (TICS). En moléculas TICS, los fragmentos de donante y aceptor de carga cambian de papel dinámicamente después de absorber luz y experimentar una torsión estructural, exhibiendo así un fenómeno de "lanzadera de carga".
El bidireccional único, El proceso TICS de cambio de roles lo diferencia de un proceso similar de transferencia de carga unidireccional llamado transferencia de carga intramolecular trenzada (TICT). Si bien TICT ha facilitado el desarrollo de muchos materiales y dispositivos funcionales, como fluoróforos brillantes y fotoestables, extintores oscuros, sensores de viscosidad y sensores de polaridad, TICS allana una nueva vía para que los químicos construyan sondas fluorescentes únicas y útiles en una amplia gama de familias químicas de fluoróforos.
Por ejemplo, el equipo de investigación construyó sondas fluorescentes TICS que pueden usarse para detectar glutatión, un antioxidante que se encuentra en plantas y animales y que es esencial para eliminar muchas sustancias químicas tóxicas en las células biológicas. Similar, otro tipo de sonda basada en TICS construida específicamente podría detectar fosgeno, un gas incoloro y altamente tóxico que se utilizó como agente de armas químicas durante la Primera Guerra Mundial, que potencialmente podría utilizarse en ataques terroristas.
El profesor asistente de SUTD, Liu Xiaogang, explicó cómo el equipo de investigación desarrolló sondas fluorescentes de glutatión basadas en TICS y sus esfuerzos para transformar la química del tinte de prueba y error en ingeniería molecular.
"La investigación en esta área de estudio a menudo se ha basado en prueba y error. En SUTD, donde el diseño es un componente clave en nuestra estrategia de investigación, nos aseguramos de adoptar un enfoque centrado en el diseño en nuestro proceso de investigación. Primero analizamos los macrodatos químicos y detectamos un patrón entre las estructuras moleculares y las propiedades fluorescentes. Después de comprender este proceso TICS, luego diseñamos una sonda para probar este concepto, "dijo el profesor asistente Liu.
