Tuning the Baird aromatic triplet-state energy of cyclooctatetraene to maximize the self-healing mechanism in organic fluorophores

荧光团 环辛四烯 光化学 化学 荧光 三重态 发色团 光毒性 生物成像 生物物理学 化学物理 分子 光学 有机化学 物理 生物 体外 生物化学
作者
Avik Kumar Pati,Ouissam El Bakouri,Steffen Jockusch,Zhou Zhou,Roger B. Altman,Gabriel Fitzgerald,Wesley B. Asher,Daniel S. Terry,Alessandro Borgia,Michael D. Holsey,Jake E. Batchelder,Chathura S. Abeywickrama,Brandt C. Huddle,Dominic A. Rufa,Jonathan A. Javitch,Henrik Ottosson,Scott C. Blanchard
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:117 (39): 24305-24315 被引量:33
标识
DOI:10.1073/pnas.2006517117
摘要

Bright, photostable, and nontoxic fluorescent contrast agents are critical for biological imaging. "Self-healing" dyes, in which triplet states are intramolecularly quenched, enable fluorescence imaging by increasing fluorophore brightness and longevity, while simultaneously reducing the generation of reactive oxygen species that promote phototoxicity. Here, we systematically examine the self-healing mechanism in cyanine-class organic fluorophores spanning the visible spectrum. We show that the Baird aromatic triplet-state energy of cyclooctatetraene can be physically altered to achieve order of magnitude enhancements in fluorophore brightness and signal-to-noise ratio in both the presence and absence of oxygen. We leverage these advances to achieve direct measurements of large-scale conformational dynamics within single molecules at submillisecond resolution using wide-field illumination and camera-based detection methods. These findings demonstrate the capacity to image functionally relevant conformational processes in biological systems in the kilohertz regime at physiological oxygen concentrations and shed important light on the multivariate parameters critical to self-healing organic fluorophore design.

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