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通過調控扭轉分子內電荷轉移設計高亮度和高敏感熒光團
近日，我所分子探針與熒光成像研究組（1818組）徐兆超研究員團隊與新加坡科技設計大學劉曉剛教授團隊合作發(fā)表綜述文章，總結了近年來通過調控扭轉分子內電荷轉移設計高亮度和高敏感熒光團的工作。
針對生物單分子檢測和超高時空動態(tài)分辨熒光成像的前沿需求，設計高亮度、高光穩(wěn)定和環(huán)境敏感的熒光染料是近年來的研究熱點。扭轉分子內電荷轉移（TICT）是一種可淬滅熒光并大幅降低染料光穩(wěn)定性的光物理過程。受光激發(fā)后，染料分子的電荷給體相對受體逐漸扭轉至（近乎）垂直構型，使得電荷完全分離，形成暗態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，通過改變染料分子結構而抑制TICT的發(fā)生能夠顯著提高熒光強度和光穩(wěn)定性，這種染料適用于熒光標記；通過環(huán)境因素調控染料的TICT能夠改變熒光信號，這類敏感的染料可用作熒光探針。
本綜述首先回顧了DMABN染料雙熒光的發(fā)現(xiàn)和TICT模型的提出與驗證；隨后，總結了通過抑制TICT來提高染料亮度和穩(wěn)定性的分子設計和相應超分辨熒光成像的研究熱點；綜述了增強TICT的分子設計及相關熒光探針的應用，包括溫度探針、粘度探針、小分子探針、蛋白質探針、DNA探針、RNA探針、聚集誘導發(fā)光（AIE）染料等。最后，文章總結了TICT之外的一些激發(fā)態(tài)扭轉，包括光誘導電子轉移（PET）和分子內扭轉電荷穿梭（TICS），并比較了PET、TICS、TICT之間的不同。該綜述對調控染料的TICT和開發(fā)相關應用提供了一定的設計指導。
徐兆超團隊長期致力于熒光分子科學與工程研究，以熒光分子發(fā)光構效關系為核心，發(fā)展高性能新型熒光團和熒光探針。團隊在TICT機制研究方面取得了系列進展：實現(xiàn)對TICT過程的定量預測（Angew. Chem. Int. Ed.，2020）；發(fā)現(xiàn)一種新型的光誘導分子內電荷轉移機制，命名為“分子內扭轉電荷穿梭”（Twisted Intramolecular Charge Shuttle，TICS）（Angew. Chem. Int. Ed.，2019)；通過結構改造抑制TICT發(fā)展了多種高亮度的熒光染料（J. Am. Chem. Soc.，2016)等。
上述綜述以“Twisted Intramolecular Charge Transfer (TICT) and Twists Beyond TICT: from Mechanisms to Rational Designs of Bright and Sensitive Fluorophores”為題，于近日發(fā)表在Chemical Society Reviews上。該工作的第一作者是我所1818組博士后王超。該工作得到國家自然科學基金、我所創(chuàng)新基金等項目的資助。
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