Luminogeny AIE: Rodzina nowych materiałów o wieloaspektowych funkcjach
Engui Zhao1,2, Ben Zhong Tang1,2,3
1HKUST Shenzhen Research Institute, 2The Hong Kong University of Science & Technology, 3South China University of Technology
Wprowadzenie
Rozwój nowych materiałów jest znakiem rozpoznawczym postępu społecznego w historii ludzkości. Spośród wszystkich materiałów, materiały fluorescencyjne przyciągnęły wiele uwagi ze względu na ich znaczenie naukowe i praktyczne implikacje.
W ostrym kontraście do ich niezwykle jasnej emisji w rozcieńczonych roztworach, konwencjonalne organiczne luminofory często wykazują słabą emisję lub nawet nie świecą, gdy są rozproszone w środowisku wodnym lub zagregowane w żywych komórkach. Bliskie sąsiedztwo cząsteczek chromoforowych często indukuje nieradiacyjny transfer energii, powodując samowygaszanie emisji. Taki efekt wygaszania spowodowany agregacją (ACQ) znacznie ograniczył ich rzeczywiste zastosowania, w których wymagana jest produkcja stałych warstw lub dyspersja w środowisku wodnym. Dlatego pożądane jest opracowanie luminoforów, które mogą przezwyciężyć ten problem ACQ.
Odkryliśmy odwrotne zjawisko w gatunku cząsteczek w kształcie śmigła: gdy molekularnie rozpuszczają się w dobrym rozpuszczalniku, podczas gdy wykazują tylko słabą emisję; stają się silnymi emiterami, gdy są zagregowane.1 Zjawisko to określamy jako emisję indukowaną agregacją (AIE), ponieważ nieemisyjne cząsteczki są indukowane do intensywnej emisji przez tworzenie agregacji. Dzięki systematycznym badaniom zidentyfikowaliśmy ograniczenie ruchów wewnątrzcząsteczkowych (RIM) jako główną przyczynę zjawiska AIE (Rysunek 1).2,3 W rozcieńczonych roztworach luminogeny AIE (AIEgens), takie jak tetrafenyloeten (TPE, Prod. No. T26204) i 10,10',11,11'-tetrahydro- bi-5H-dibenzo[a,d]cyklohepten (THBA) podlegają dynamicznym ruchom wewnątrzcząsteczkowym, takim jak rotacja i wibracje, które zużywają energię stanu wzbudzonego na drodze nieradiacyjnej. Takie ruchy są ograniczone po utworzeniu agregatu lub związaniu z dużymi cząsteczkami, które blokują ścieżki nieradiacyjne, a tym samym włączają fluorescencję AIEgenów.
Rysunek 1.Ilustracja procesu włączania fluorescencji AIEgenów przez RIR (TPE) i RIV (THBA)
Zjawisko AIE ma zarówno wartość naukową, jak i praktyczne implikacje.4-8 Do tej pory materiały AIE zostały zastosowane w wielu obszarach, w tym OLED, falowodzie optycznym, chemosensorze i bioprobe. W niniejszym dokumencie podsumowaliśmy niektóre reprezentatywne zastosowania AIEgenów, a ich struktury zostały wymienione w Wykresie 1.
Wykres 1.Struktura molekularna AIEgenów.
HPS
Heksafenylosilol (HPS, Prod. No. 797294) jest archetypowym AIEgenem. Jego zmiana fluorescencji po rozpuszczeniu zainspirowała nas do wykorzystania go jako czujnika oparów.9 Aby zademonstrować możliwość wykorzystania HPS do wykrywania oparów rozpuszczalników organicznych, roztwór HPS jest upuszczany na płytkę TLC. Po odparowaniu rozpuszczalnika na płytce TLC można rozpoznać jasną plamkę (Rysunek 2A i 2D). Fumigacja chloroformem lub acetonem wygasza emisję HPS (Rysunek 2B i 2E). Zaabsorbowane opary rozpuszczalnika mogą tworzyć cienkie warstwy cieczy na powierzchniach płytek TLC, które rozpuszczają zaabsorbowane cząsteczki HPS, a tym samym wyłączają ich emisję światła. Po odparowaniu pary rozpuszczalnika cząsteczki agregują się i ponownie emitują światło (Rysunek 2C i 2F). Ze względu na nieniszczący charakter procesu solwatacji i desolwatacji, ten proces przełączania jest całkowicie odwracalny i może być powtarzany wiele razy.
Rysunek 2.Zdjęcia plam HPS na płytkach TLC umieszczonych w szalkach Petriego w (A i D) nieobecności i (B i E) obecności oparów organicznych. Zdjęcia w C i F uzyskano po odparowaniu rozpuszczalnika. Wszystkie zdjęcia zostały wykonane przy oświetleniu UV.
Podczas naszych badań nad właściwościami AIE dla HPS (Prod. No. 797294), zauważyliśmy, że wykazuje on różne zachowania emisyjne w stanie amorficznym i krystalicznym. W porównaniu z proszkiem amorficznym, emisja z kryształu HPS jest przesunięta w kierunku niebieskim o 35 nm. Wykorzystując silną fluorescencję i zmianę morfologii folii HPS podczas przejścia między stanem amorficznym i krystalicznym, HPS jest wykorzystywany do konstruowania folii do podwójnie reagującego przełączania zarówno zwilżalności, jak i luminescencji w stanie stałym.10 Bezbarwna folia HPS jest najpierw przygotowywana przez powlekanie wirowe (Rysunek 3A i 3C). Fumigacja etanolem umożliwia reorientację HPS, dając film pełen nanosheetów i nanoprętów (Rysunek 3B i 3D). Zmiana morfologiczna jest odwracalna: dymienie toluenem zmienia krystaliczną warstwę z powrotem w amorficzną.
Rysunek 3.(A i B) Widok z góry i (C i D) widok z boku obrazów SEM folii HPS wytworzonej przez powlekanie jej roztworem bez (A i C) i z (B i D) dymieniem etanolem. Grubość warstwy A wynosi około 4,5 μm, a grubość warstwy B wynosi około 5,0 μm.
Zwilżalność powierzchni folii HPS jest oceniana za pomocą pomiarów kąta zwilżania (CA). Amorficzna warstwa wykazuje CA 97,0 ± 1,5º, co wskazuje na jej hydrofobowy charakter. Po odymieniu etanolem, CA krystalicznej powłoki zmienia się do 136,3 ± 1,6º, co oznacza, że powłoka staje się bardziej hydrofobowa. Wzrostowi CA towarzyszy zmiana fluorescencji. Film amorficzny wykazuje zieloną emisję pod wpływem promieniowania UV, która zmienia się w niebieską emisję po dymieniu etanolem (Rysunek 4). Krystaliczna warstwa amorfizuje po dymieniu toluenem, wraz ze spadkiem CA z 136º do 97º i przesunięciem koloru emisji z niebieskiego na zielony. Proces przełączania można powtarzać wiele razy bez zmęczenia.
Rysunek 4.Ilustracja podwójnie reagującego przełączania zarówno zwilżalności, jak i luminescencji w stanie stałym w folii HPS poprzez odymianie rozpuszczalnikiem.
Silna emisja w stanie stałym sprawia, że HPS jest dobrym kandydatem do wykrywania pasków, 11 które mogą znaleźć zastosowanie w kontroli jakości wody, śledzeniu zanieczyszczeń i ochronie środowiska. Wykorzystując technikę elektroprzędzenia, folia kompozytowa jest przygotowywana przez zmieszanie HPS z polimetakrylanem metylu (PMMA). Nawet jeśli folia kompozytowa HPS/PMMA jest makroskopowo pozbawiona struktury, obrazy SEM ujawniają, że folia składa się z submikrosfer, nanoporów i nanowłókien o wielkości odpowiednio około 0,5-2,0 mm, 300-100 nm i 20-30 nm. Hierarchiczna struktura folii kompozytowej HPS/PMMA przypomina strukturę liścia lotosu. Wodne CA folii wynosi 115 ± 2,8º, co sugeruje, że ma ona charakter hydrofobowy (Rysunek 5A).
Rysunek 5.(A) Obraz SEM elektroprzędzionej folii z kompozytu HPS/PMMA. Wstawka: zdjęcie kropli wody na folii elektroprzędzionej o kącie zwilżania (115 ± 2.6)º. (B) Powtarzane przełączanie między ciemnymi i jasnymi stanami emisji folii elektroprzędzionej przez 10 mM roztwór Fe3+ i cykle wodne.
Silna emisja HPS w stanie stałym może być wygaszana przez Fe3+ efektywnie z KSV wynoszącą 6.21 × 103 M-1. Dzięki hydrofobowości i strukturze przypominającej liść lotosu HPS, jony Fe3+ mogą być skutecznie wypłukiwane przez wodę. Emisja może być wielokrotnie przełączana między stanem jasnym i ciemnym przez wiele cykli z doskonałą powtarzalnością (Rysunek 5B).
Powierzchniowe falowody są ważnym tematem, który ma potencjał do wykorzystania w szybszej i bardziej kompaktowej komunikacji optoelektronicznej i czujnikach. Dobrze uporządkowane, półprzewodnikowe emisyjne kryształy HPS są obiecujące dla aktywnych falowodów optycznych, które pozwalają lokalnie wzbudzonej fotoluminescencji propagować się wzdłuż osi odciętych struktur 2D i sprzęgać się na końcach grzbietu. Mikropłytki HPS są przygotowywane przez odparowanie etanolowego roztworu HPS.12 Otrzymana mikropłytka ma około 40 μm szerokości i 50 μm długości o prostokątnym przekroju poprzecznym, podczas gdy grubość wynosi około 1-2 μm. Taki wymóg spełnia wymagania falowodu 2D.
Rysunek 6.Obrazy mikroobszaru PL uzyskane przez wzbudzenie identycznych płytek w czterech różnych pozycjach: a) w środku, b) na krawędzi, c) w rogu i d) na jednym końcu.
Skaningowa mikroskopia optyczna bliskiego pola jest stosowana do badania właściwości falowodu optycznego mikropłytek. Jak pokazano na Rysunku 6, po wzbudzeniu w środku (Rysunek 6A), fluorescencję można zaobserwować na czterech krawędziach mikropłytki. Sugeruje to, że mikropłytka może absorbować światło i propagować emisję do interfejsu krawędziowego. W tej mikropłytce światło rozchodzące się wewnątrz kryształu jest wynikiem fotoluminescencji, demonstrując jego aktywne zachowanie falowodowe. Gdy laser jest zogniskowany na jednej krawędzi (Rysunek 6B) lub jednym rogu (Rysunek 6C) mikropłytki, nie można zaobserwować emisji falowodowej na pozostałych trzech krawędziach. Co ciekawe, skupiając laser na jednym końcu mikropłytki (Rysunek 6D), emisję można było zaobserwować na przeciwległej krawędzi i sąsiedniej części krawędzi bocznej, a nie w pozycji ukośnej. Taki wynik pokazuje, że mikropłytki 2D HPS mogą służyć jako kierunkowe materiały falowodowe do celów jedno- i wieloprzewodowych.
OLED przyciąga coraz większą uwagę ze względu na swój potencjał w zaawansowanych wyświetlaczach. Charakterystyka AIE HPS czyni go doskonałym kandydatem do zastosowań OLED. W przeciwieństwie do konwencjonalnych luminoforów, agregacja odgrywa konstruktywną rolę w emisji światła. Co więcej, silole są doskonałymi materiałami transportującymi elektrony. Ruchliwość elektronowa warstwy HPS wynosi około 3 × 10-6 cm2/V s, co jest wartością nawet wyższą niż w przypadku AlQ3 (2.3 × 10-6 cm2/V s) (Prod. Nr prod. 416282, 444561i 697737), jeden z najszerzej stosowanych materiałów transportujących elektrony.13 Urządzenie LED z HPS jako warstwą emitującą światło wykazuje wysoką wydajność prądową i energetyczną (Tabela 1). Luminancja tak wysoka jak 55 880 cd/m2 i wysoka zewnętrzna wydajność kwantowa 7% została osiągnięta na HPS (zbliżając się do granicy możliwości w organicznych emiterach singletowych). Dlatego też HPS reprezentuje grupę materiałów o wysokiej wydajności emisji i zdolności transportu elektronów.
BTPE (4,4'-bis(1,2,2-trifenylowinylo)-1,1'-bifenyl, Prod. No. 797308)
Tetrafenyloeten (TPE) to kolejny archetypowy AIEgen, który cieszy się zaletami łatwej syntezy i wykonalności modyfikacji. Zgodnie z mechanizmem RIM, jeśli jeden AIEgen zawiera więcej obrotowych fenyli, wewnątrzcząsteczkowa rotacja byłaby bardziej wydajna i wykazywałaby wyraźniejszy efekt AIE. W związku z tym dwie jednostki TPE zostały połączone ze sobą, aby uzyskać BTPE.14 Przy większej liczbie obrotowych pierścieni fenylowych, BTPE był z natury nieemisyjny z wydajnością emisji zbliżającą się do zera w stanie roztworu.
Dzięki powolnemu odparowywaniu roztworu BTPE w słabym rozpuszczalniku, takim jak etanol, stwierdzono, że BTPE może samoorganizować się jednowymiarowo, dając krystaliczne mikrowłókna. Jak pokazano na Rysunku 7A i 7B, mikrowłókna mają kilkaset mikronów długości i kilka mikronów średnicy. Mikrowłókna mogą dalej łączyć się w grubsze pręty, czego przykładem jest obraz optyczny pokazany na Rysunku 7C. Rysunki 7D-F pokazują fluorescencyjne obrazy drutów BTPE o różnych rozmiarach. W przeciwieństwie do swojej nieemisyjnej natury w rozcieńczonym roztworze, BTPE emituje intensywnie w silnej emisji w stanie krystalicznym z wydajnością kwantową 100% (mierzoną za pomocą kuli całkującej). Takie właściwości umożliwiają BTPE znalezienie zaawansowanych technologicznie zastosowań w produkcji miniaturowych urządzeń elektronicznych i fotonicznych.
Rysunek 7.(A, B) SEM, (C) obrazy optyczne i (D-F) obrazy fluorescencyjne) fluorescencyjnych obrazów mikrowłókien BTPE otrzymanych przez powolne odparowanie jego roztworów THF/etanol na (A, B) siatkach miedzianych i (C-F) płytkach kwarcowych.
Silna emisja BTPE w stanie stałym skłoniła nas do zbadania jego właściwości elektroluminescencyjnych. Wykonano wielowarstwowe diody elektroluminescencyjne o konfiguracji ITO/NPB (60 nm)/BTPE (x)/TPBi (10 nm)/Alq3 (y)/LiF (1 nm)/Al (100 nm), gdzie x = 20 nm, y = 30 nm dla urządzenia I i x = 40 nm, y = 10 nm dla urządzenia II. Wszystkie urządzenia włączają się przy niskim napięciu (do 4 V) i świecą z jasnością do 11180 cd/m2 przy 15 V (Rysunek 8A). Wydajność prądowa i zewnętrzna wydajność kwantowa urządzenia I osiągają odpowiednio 7,26 cd/A i 3,17% przy napięciu 6 V (Rysunek 8B i Tabela 1). Chociaż konfiguracja urządzenia nie została jeszcze zoptymalizowana, doskonałe dane EL wyraźnie pokazują ogromny potencjał BTPE jako stałego emitera światła w budowie wydajnych urządzeń EL.
Rysunek 8.Wykresy (A) luminancji w funkcji napięcia i (B) wydajności prądowej w funkcji gęstości prądu w wielowarstwowych diodach elektroluminescencyjnych na bazie BTPE o konfiguracji ITO/NPB/BTPE/TPBi/Alq3/LiF/Al. Wstawka w panelu B: widma elektroluminescencji. Warstwy (BTPE i Alq3) w urządzeniach I i II mają odpowiednio grubość (20 nm i 30 nm) oraz (40 nm i 10 nm).
TPE-BA ([(1,2-difenyloeten-1,2-diylo)bis(4,1-fenylen)]kwas diboronowy, Nr prod. No. 797367)
Wykorzystując charakterystykę fluorescencji AIEgenów po RIR, można opracować szereg zastosowań sensorycznych. Poprzez funkcjonalizację TPE kwasami boronowymi, powstały luminogen (TPE-BA) łatwo tworzy kompleks z cukrami w wodzie.15 W buforze węglanowym alkinu (pH = 10), TPE-BA jest rozpuszczony molekularnie i dlatego nie jest emisyjny. Dodanie D-glukozy do roztworu buforowego powoduje gwałtowny wzrost intensywności fluorescencji, podczas gdy inne cukry, takie jak D-mannoza, D-fruktoza lub D-galaktoza, wywołują niewielkie zmiany w tych samych warunkach. TPE-BA może tworzyć oligoboroniany z D-glukozą. Łańcuchy oligomeryczne mogą fałdować się i agregować w środowisku wodnym, co aktywuje proces RIR, a tym samym włącza emisję TPE. Inne cukry również tworzą monoaddukt z TPE-BA, ale po utworzeniu takiego kompleksu nie ma już cis-diolu, który pozwala na kontynuowanie reakcji oligomeryzacji, co skutkuje bardzo niską intensywnością emisji. W ten sposób TPE-BA może służyć jako sonda specyficzna dla glukozy
Rysunek 9.Odpowiedzi FL TPE-BA (50 μM) na sacharydy (4 mM). Wstawka: zdjęcia roztworów TPE-BA w buforach węglanowych zawierających 5 mM sacharydu wykonane przy oświetleniu UV
TPE-Tiol (1-{4-[1,2-difenylo-2-(p-tolilo)winylo]fenylo}-1H-pirol-2,5-dion, Nr prod. Nr 797316)
Dzięki rozsądnemu projektowi struktury, AIEgen został dostosowany do wykrywania biologicznych tioli. Zainspirowany szybką i wydajną reakcją kliknięcia tiol-en między maleimidem i tiolami, maleimid jest przyłączony do rdzenia TPE, dając TPE-Thiol.16 TPE-Thiol nie jest emisyjny zarówno w roztworze, jak i w stanie zagregowanym, ze względu na fotoindukowany transfer elektronów z TPE do maleimidu. Reakcja z grupą tiolową może przerwać proces transferu elektronów i włączyć emisję TPE. Aby uprościć proces wykrywania, płytki TLC są wykorzystywane jako matryca dla TPE-Tiol. Paski TLC można łatwo przygotować, upuszczając małe porcje roztworu TPE-Tiolu w dichlorometanie na płytki TLC. Zanurzając płytkę TLC w roztworze analitycznym na zaledwie 1 s i odparowując rozpuszczalnik, można uzyskać silną emisję. Jak pokazano na Rysunku 10, plamki TPE-Thiol emitują jasne niebieskie światło w obecności L-cysteiny, która zawiera jedną grupę tiolową. W obecności innych aminokwasów plamki pozostają nieemisyjne. Wykrywanie jest bardzo proste i szybkie, a granica wykrywalności wynosi zaledwie 1 ng/ml. TPE-Thiol może być również stosowany do znakowania białek zawierających reszty cysteinowe w mediach fizjologicznych oraz w testach elektroforezy w żelu poli(akrylamidowym).
Rysunek 10.Selektywne wykrywanie L-cysteiny (C) przez plamkę TPE-Tiol na płytce TLC. Dane dla innych standardowych aminokwasów niezawierających jednostki tiolowej, w tym kwasu L-asparaginowego (D), L-leucyny (L), L-fenyloalaniny (F), L-argininę (R), L-asparaginę (N), L-metioninę (M) i kwas L-glutaminowy (E). Zdjęcia wykonano przy oświetleniu a) 254 i b) 365 nm UV po zanurzeniu płytek TLC w roztworach aminokwasów w DMSO z i bez tioli.
TPE-Sulfonate (Sodium 3,3'-{[(1,2-diphenylethene-1,2-diyl)bis(4,1-phenylene)]bis(oxy)} bis(propane-1-sulfonate), Prod. No. 797383)
Aby zwiększyć rozpuszczalność AIEgens w wodzie, grupa sulfonianowa jest przyłączona do TPE, dając TPE-Sulfonate. Roztwór PBS sulfonianu TPE jest nieemisyjny. Dodanie niewielkiej ilości albuminy surowicy ludzkiej (HSA) włącza jego emisję.17 Szybkość wzmocnienia FL jest szybka przy niskich stężeniach HSA, a granicę wykrywalności można obniżyć do zaledwie 1 nM przy liniowym zakresie wykrywania 0-100 nM. To, co sprawia, że sulfonian TPE nadaje się do klinicznego wykrywania HSA, to możliwość oznaczania białka w płynach ustrojowych. Jak pokazano na Rysunku 11A, izoterma wiązania w sztucznym moczu jest praktycznie identyczna jak w PBS, a na czułość testu nie ma wpływu obecność różnych bioelektrolitów i fizjologiczny poziom mocznika. Oprócz doskonałej czułości, sulfonian TPE wykazuje również doskonałą selektywność w stosunku do białek albuminowych, takich jak HSA i albumina surowicy bydlęcej (BSA; Rysunek 11B). Obecność DNA i różnych ludzkich białek, takich jak pepsyna, ludzka immunoglobulina G (IgG) i trypsyna, nie może włączyć emisji sulfonianu TPE. Selektywność sulfonianu TPE do białek albuminy pozostaje niezakłócona w sztucznym moczu.
Rysunek 11.(A) Izoterma wiązania HSA do TPE-Sulfonianu w sztucznym moczu i buforze PBS. (B) Zależność intensywności FL TPE-Sulfonianu przy 470 nm od różnych białek w sztucznym moczu i buforze PBS. [TPE-Sulfonian] = 5 μM; [białko] = 100 μg/ml; λex = 350 nm.
Hydrofobowe regiony HSA są zdolne do wiązania nierozpuszczalnych związków endo- i egzogennych, takich jak kwasy tłuszczowe i leki. Hydrofobowość pierścieni fenylowych sulfonianu TPE skłania cząsteczki luminogenne do wchodzenia i agregacji wewnątrz hydrofobowych wnęk lub kieszeni składanych struktur łańcuchów HSA.17 Wykorzystanie natury AIE sulfonianu TPE i transferu energii rezonansu Förstera (FRET) z wewnętrznej fluorescencji HSA przy 350 nm do emisji AIE sulfonianu TPE przy 470 nm, prześledzono trajektorię rozkładania łańcuchów HSA indukowaną przez denaturant chlorowodorku guanidyny (GdnHCl) . Jak pokazano na Rysunku 12, wyniki ujawniają trzystopniowe przejście: wraz ze wzrostem stężenia GdnHCl od 0 do 1,5 M, współczynnik FRET dramatycznie spada, ze względu na uwalnianie TPE-Sulfonianu indukowane separacją domen. Zwiększenie stężenia GdnHCl do ∼2,0 M przekształca HSA w stan stopionej globiny, co może przynieść dodatkowy obszar hydrofobowy i doprowadzić do odzyskania około 70% emisji. Dalszy wzrost stężenia GdnHCl prowadzi do całkowitej denaturacji HSA i uwolnienia sulfonianu TPE. W ten sposób współczynnik FRET zaczyna spadać monotonicznie do prawie zera, a proces FRET przestaje zachodzić.
Rysunek 12.Wykrywanie zmiany konformacyjnej HSA. Wykres ilustruje zależność stosunku FRET (I470/I350) od stężenia GdnHCl. [Sulfonian TPE] = 5 μM; [HSA] = 2 μM; λex = 295 nm.
Oprócz kwantyfikacji i badania konformacji HSA, opracowaliśmy również system sond fluorescencyjnych do śledzenia procesu agregacji białek. Amyloidy to nierozpuszczalne, włókniste agregaty białek, których nadmierne nagromadzenie w narządach i tkankach może prowadzić do dysfunkcji biologicznych i objawów patologicznych. Insulina jest biopolimerem, który łatwo ulega zwłóknieniu w warunkach kwaśnych i dlatego została wybrana jako białko modelowe w naszym badaniu. Wodna mieszanina natywnej insuliny i sulfonianu TPE jest praktycznie niefluorescencyjna (Rysunek 13). Jednak w obecności fibrylarnej insuliny, sulfonian TPE staje się emisyjny ze względu na jego interakcję z agregatami insuliny.18 Wyraźny kontrast w wydajności emisji pozwala na wyraźne rozróżnienie między natywnymi i zdenaturowanymi formami insuliny i umożliwia śledzenie procesu zwłóknienia. Fibryle amyloidowe wybarwione przez sulfonian TPE można łatwo zaobserwować pod mikroskopem fluorescencyjnym, dzięki jasnemu światłu emitowanemu przez związane agregaty. Inkubacja in situ sulfonianu TPE z insuliną może hamować zarodkowanie i spowalniać proces wydłużania, co oferuje nową strategię rozwoju nowych odczynników diagnostycznych i leków terapeutycznych do monitorowania i leczenia chorób związanych z zaburzeniami konformacyjnymi białek.
Rysunek 13.Zdjęcia mieszanin BSPOTPE z natywnymi i fibrylarnymi formami insuliny wykonane w normalnym oświetleniu laboratoryjnym i oświetleniu światłem UV 365 nm. [Sulfonian TPE] = 5 μM, [insulina] = 5 μM
Silol-N3 (2,5-bis(4-(azydometylo)fenylo)-1,1-dimetylo-3,4-difenylo-1H-silol. Nr prod. No. 797286)
Silol reprezentuje gatunek wydajnego emitera. Różnorodne zastosowania mogą być rozwijane poprzez funkcjonalizację silolu. Wykorzystując reakcję kliknięcia azydek-alkin, silol można łatwo dostosować do budowy różnych materiałów.
Przyłączenie chiralnych zawieszek cukrowych (Rysunek 14A up) do rdzenia silolowego poprzez reakcję azydkowo-alkilową typu "click" łatwo generuje kołowo spolaryzowaną luminescencję (CPL) - materiały aktywne.19 Korzystając z właściwości AIE rdzenia silolowego i indukowanego cukrem montażu supramolekularnego, otrzymany produkt emituje wydajnie w stanie stałym z wydajnością kwantową 81% i wykazuje duży współczynnik dysymetrii luminescencji ∼0.32, którego wartość jest o kilka rzędów wielkości wyższa niż w przypadku poprzednich układów (10-5 - 10-2). Przyjmując tę samą strategię, walina (struktura pokazana na Rysunku 14A w dół) jest przyłączona do rdzenia silolowego.20 Addukt silolu i waliny może wykonywać rozsądny montaż w celu utworzenia struktur helikalnych i dalszej agregacji do złożonych struktur o właściwościach dichroizmu kołowego (CD), CPL i AIE. Taki materiał może znaleźć ważne potencjalne zastosowania w różnych obszarach, w tym w elektronice i optyce.
Rysunek 14.(A) Struktura jednostek chiralnych do indukcji CPL silolu-N3. (B, C) Fluorescencyjne zdjęcie odparowania roztworu DCM/toluenu silolu-N3 w kanałach mikroprzepływowych na podłożach kwarcowych.
Rysunek 15.(A) Struktura jednostek rozpoznających do koniugacji z Silole-N3. (B) Ilustracja wykrywania integryny αvβ3 za pomocą E-cRGD sprzężonej z Silole-N3.
Badania nad biomarkerami cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na ich znaczenie w badaniu wzrostu i przerzutów nowotworów oraz opracowywaniu skutecznych metod ich eliminacji. Materiały AIE są obiecujące dla takich zastosowań, ze względu na dobrze zdefiniowany mechanizm działania i łatwość projektowania molekularnego. Jak pokazano na Rysunku 15A dwa E-cRGD zostały przyłączone do Silole-N3.21 E-cRGD może rozpoznawać integrynę αvβ3, cel białkowy, który odgrywa kluczową rolę w regulacji wzrostu guza i przerzutów. Grupa E-cRGD nadaje powstałemu lumiongenowi (TPE-2RGD) wysoką specyficzność względem integryny αvβ3 jak również rozpuszczalność w wodzie. Jak pokazano na Rysunku 15B, emisja TPE-2RGD jest włączona tylko w obecności integryny αvβ3, a nie innych białek, takich jak BSA i trypsyna. Doskonała selektywność TPE-2RGD do integryny αvβ3 umożliwia jej zastosowanie do wykrywania integryny in vitro . Jak pokazano na Rysunku 16A, komórki MCF-7 o niskim poziomie ekspresji integryny αvβ3 wykazują bardzo słabą fluorescencję. W przeciwieństwie do tego, w identycznych warunkach eksperymentalnych, wyraźne sygnały fluorescencji są wykrywane z komórek raka okrężnicy HT-29 (Prod. No. 85061109) z nadekspresją integryny αvβ3 (Rysunek 16D). Wstępne traktowanie HT29 wolnym peptydem cRGD (Rysunek 16G) zmniejsza emisję z HT29, potwierdzając, że fluorescencja pochodzi ze specyficznego wiązania TPS-2cRGD z integryną αvβ3. Co więcej, doskonałe nakładanie się obrazów fluorescencji sondy i trackera membranowego (Rysunek 16B, 16E i 16H) weryfikuje, że specyficzne wiązanie zachodzi na błonie komórkowej (Rysunek 15F).
Rysunek 16.Obrazy konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej (CLSM) żywych komórek po inkubacji z 2 μM TPS-2cRGD w nieobecności i obecności znacznika membranowego (62,5 ng mL-1) przez 30 minut w temperaturze 4 °C. Obrazy fluorescencyjne komórek (A-C) MCF-7 i (D-F) HT-29 wybarwionych przez (A, D) TPS-2cRGD i (B, E) znacznik membranowy. Ich nałożone obrazy przedstawiono w (C, F). Obrazy fluorescencyjne komórek HT-29 poddanych działaniu 10 μM cRGD, a następnie barwieniu za pomocą (G) TPS-2cRGD i (H) znacznika membranowego. (I) to nałożony obraz (G) i (H). Obrazy zostały wykonane przy wzbudzeniu (A, D, G) 405 nm i (B, E, H) 543 nm przy użyciu filtrów optycznych z pasmami przepustowymi (A, D, G) 505-525 nm i (B, E, H) 575-635 nm przy 5% mocy lasera. Wszystkie obrazy mają ten sam pasek skali (10 μm).
Śledzenie w czasie rzeczywistym apoptozy komórkowej, która jest zaprogramowaną śmiercią komórki w organizmach wielokomórkowych, ma kluczowe znaczenie dla odkrycia szczegółowego procesu biologicznego, wczesnej diagnozy skuteczności terapeutycznej i projektowania skutecznych leków. Kaspaza-3 jest kluczowym mediatorem apoptozy komórkowej i jest atrakcyjnym celem monitorowania apoptozy. Wykorzystując właściwości rozjaśniające AIEgenów, przygotowano sondę kaspazową (Ac-DEVD-TPS-cRGD) poprzez sprzężenie Silolu-N3 z grupą E-cRGD.22 Sonda ta wykazuje wysoką selektywność w stosunku do komórek z nadekspresją integryny αvβ3 i posiada peptyd Asp-Glu-Val-Asp (DEVD), który jest substratem dla kaspazy. W obecności kaspazy łańcuch DEVD został skutecznie rozszczepiony i uwolnił hydrofobową jednostkę silolową. Agregacja cząsteczek silolu aktywowała proces RIM, a tym samym włączyła ich emisję. Jak pokazano na Rysunku 17, emisja sondy została włączona w obecności apoptotycznej komórki U87MG z nadekspresją integryny αvβ3. Normalne komórki U87MG lub te traktowane inhibitorem kaspazy lub zablokowaną integryną αvβ3 nie miały wpływu na proces emisji światła Ac-DEVD-TPS-cRGD (Rysunek 17A, 17C i 17G). Komórki MCF-7 z niskim poziomem integryny αvβ3 pozostają nieemisyjne w stanie normalnym (Rys. 17H) lub niskoemisyjne w stanie apoptotycznym (Rys. 17I). Wyniki te potwierdzają sukces obrazowania apoptotycznego w komórkach docelowych. Wykorzystując tę samą strategię, można śledzić wiele innych procesów biologicznych z wysoką czułością i selektywnością.
Rysunek 17.Obrazy CLSM (A) zdrowych i (B) apoptotycznych komórek U87MG po traktowaniu Ac-DEVD-TPS-cRGD; (C) komórki U87MG indukowane STS traktowane inhibitorem kaspazy przed barwieniem Ac-DEVD-TPS-cRGD; (G) komórki U87MG poddane działaniu 10 mM cRGD, a następnie barwieniu Ac-DEVD-TPS-cRGD i apoptozie komórek indukowanej STS oraz (H) zdrowe i (I) apoptotyczne komórki MCF-7 poddane działaniu Ac-DEVD-TPS-cRGD. (D-F) i (J-L) są odpowiadającymi obrazami fluorescencji/transmisji nałożonymi odpowiednio na (A-C) i (G-I). [Ac-DEVD-TPS-cRGD] = 5 mM, [STS] = 1 mM, [inhibitor] = 10 mM. Pasek skali: 30 mm dla wszystkich obrazów.
TPE-MN3 (1,2-bis[4-(azydometylo)fenylo]-1,2-difenyloeten, Nr prod. No. 797340)
Proste zastąpienie rdzenia silolowego Silole-N3 (Prod. No. 797286) z TPE, wygenerowano TPE-MN3. Wszystkie aplikacje związane z Silole-N3 mogą być stosowane w TPE-MN3. Ze względu na obecność izomerów E i Z w TPE-MN3, interesujące jest zbadanie, jak zachowują się te dwa izomery.23 TPE-MN3 został sfunkcjonalizowany peptydem DEVD w celu otrzymania TPE-2DEVD. Oba izomery można rozdzielić za pomocą HPLC, uzyskując E-TPE-2DEVD i Z-TPE-2DEVD. Emisja obu izomerów E i Z została włączona, gdy zostały one rozszczepione przez kaspazę-3 (Rysunek 18A). Chociaż fluorescencja izomeru Z jest wyższa niż izomeru E izomer, późniejszy osiąga równowagę znacznie szybciej niż pierwszy, co pokazuje, że E-TPE-2DEVD są rozszczepiane bardziej wydajnie przez kaspazę-3 (Rysunek 18B). Zostało to dodatkowo potwierdzone przez symulacje dokowania molekularnego:E-TPE-2DEVD wiąże się silniej z kaspazą-3, co prowadzi do wyższej reaktywności niż Z-TPE-2DEVD (Rysunek 18C i 18D).
Rysunek 18.(A) Widma PL E- i Z-TPE-2DEVD przed i po inkubacji z kaspazą-3 w obecności i nieobecności inhibitora (inh) Z-DEVD-FMK w buforze DMSO-PIPES (v/v = 1/199). (B) Zależne od czasu widma PL E- i Z-TPE-2DEVD po dodaniu kaspazy-3 od 0 do 60 min. (C) Nakładanie struktur E-TPE-2DEVD i DEVD-CHO wiążących się z kieszenią miejsca aktywnego kaspazy-3. (D) Superimpozycja E-TPE-2DEVD związanego z kaspazą-3.
Perspective
Eksploracja potencjalnych zastosowań AIEgenów jest wciąż w powijakach. Zasadniczo efekt AIE może być wykorzystany do wykonywania użytecznej pracy wszędzie tam, gdzie zaangażowany jest proces RIM, a możliwości są ograniczone naszą wyobraźnią. Chociaż do konkretnego zastosowania potrzebne są AIEgeny o różnych strukturach molekularnych, mogą one mieć pewne wspólne półprodukty. Na wykresie 1 wymieniono również niektóre półprodukty, w których TPE ma różne funkcje, takie jak dwie grupy hydroksylowe (TPE-DOH, 4,4'-(1,2-difenyloeten-1,2-diylo)difenol, Prod. No. 797219), cztery grupy hydroksylowe (TPE-TOH, 4,4',4'',4''-(eten-1,1,2,2-tetrailo)tetraphenol, Prod. No. 797375), dwie grupy metoksylowe (TPE-OMe, 1,2-bis(4-metoksyfenylo)-1,2-difenyloeten, Prod. Nr 797324), dwa węglany (TPE-CA, kwas 4,4'-(1,2-difenyloeten-1,2-diylo)dibenzoesowy, Nr 797324). No. 797359) i dwa bromki benzylu (TPE-MB, 1,2-bis[4-(bromometylo)fenylo]-1,2-difenyloeten, Prod. No. 797332). Poprzez kilka prostych reakcji, takich jak estryfikacja i synteza eteru Williamsona, różne jednostki funkcjonalne są przyłączane do półproduktów w celu wytworzenia różnych użytecznych materiałów o strukturze metaloorganicznej i ciekłej krystaliczności oraz unikalnych właściwościach do zastosowań w obrazowaniu fluorescencyjnym i bioprobowaniu, rozpoznawaniu i separacji chiralności, wykrywaniu chemicznym, OLED i tak dalej.
Rysunek 19.Możliwe zastosowania AIEgenów zbudowanych z półproduktów.
Podsumowanie
W tym artykule podsumowaliśmy niektóre reprezentatywne zastosowania AIEgenów. W porównaniu z konwencjonalnymi fluorogenami, w których fluorescencja jest wygaszana w stanie zagregowanym, AIEgeny mogą cieszyć się zaletą agregacji lub krystalizacji. Wysoka wydajność kwantowa w stanie stałym, sięgająca jedności, została osiągnięta w tych materiałach, co czyni je potencjalnymi do rzeczywistych zastosowań w folii lub w stanie krystalicznym. Diody OLED wykorzystujące AIEgens jako warstwę emisyjną wykazują wysoką zewnętrzną wydajność kwantową (7%) do teoretycznego limitu i wysoką jasność (55 880 cd/m2). Wykorzystując ich wydajną emisję półprzewodnikową, można opracować wiele nowych zastosowań, takich jak aktywne falowody optyczne i podwójnie reagujące inteligentne materiały. Charakterystyka włączania fluorescencji sprawia, że AIEgens są doskonałymi kandydatami na materiały sensoryczne: początkowa niefluorescencyjna sonda staje się wysoce emisyjna po dodaniu docelowych analityków. Niska emisja tła i silna emisja indukowana przez analit znacznie zwiększają czułość wykrywania. Pełne zrozumienie nowego mechanizmu działania doprowadzi do większej liczby zastosowań sensorycznych, takich jak selektywne wykrywanie D-glukozy, śledzenie konformacji HSA i badanie fibrylacji insuliny itp. Korzystając ze zmiany rozpuszczalności AIEgenów po modyfikacji lub rozszczepieniu przez enzym, materiały AIE mogą być stosowane do wykrywania enzymów z wysoką czułością i selektywnością. Ponadto, dostępne półprodukty umożliwią badaczom o różnym doświadczeniu wykorzystanie AIEgenów poprzez prostą reakcję. Zastosowanie AIEgens do rozwiązywania problemów, które napotykamy w naszym codziennym życiu i badaniach naukowych jest dopiero na wczesnym etapie. Dzięki ekspertom z różnych dziedzin, materiały AIE będą miały coraz więcej zastosowań, ograniczonych jedynie naszą wyobraźnią.
References
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?