Straling in het nabij-infrarode gebied is onzichtbaar, maar kan diep in levend weefsel doordringen zonder het te beschadigen. Kleurstofmoleculen die nabij-infrarood licht produceren, hebben daarom waardevolle toepassingen in de medische diagnostiek, en A*STAR-onderzoekers hebben een synthetische benadering ontwikkeld die snel manieren kan identificeren om hun emissie-eigenschappen te verfijnen.

Een kleurstof bekend als dihydroxantheen (DHX), hoewel bijna 20 jaar geleden ontdekt, heeft een golf van hernieuwde belangstelling gewekt nadat scheikundigen ontdekten dat kleine aanpassingen aan een centrale 'steiger' - een onderling verbonden raamwerk van drie aromatische ringen - helder, nabij-infrarood fluorescentie. Huidige synthetische methoden, echter, zijn slecht uitgerust om toegang te krijgen tot een verscheidenheid aan analogen vanaf een enkele DHX-steiger. Dit maakt het moeilijk te begrijpen hoe bepaalde structuren de fluorescentie kunnen maximaliseren.

Jean-Alexandre Richard van A*STAR's Institute of Chemical and Engineering Sciences en collega's wilden het potentieel van DHX verkennen door de leiding te nemen van medicinale chemici, die vaak bibliotheken van potentiële kandidaat-geneesmiddelen genereren door een algemeen tussenproduct te laten reageren met een reeks reagentia. Deze techniek, ook wel divergente synthese genoemd, vereenvoudigt de inspanningen om verbindingen met gewenste eigenschappen te screenen aanzienlijk.

"Ik zag potentieel voor het ontwikkelen van nieuwe chemie om deze kleurstoffen te maken omdat de gerapporteerde routes niet flexibel genoeg waren, " zegt Richard. "Onze aanpak geeft toegang tot een aantal moleculen die te tijdrovend zouden zijn geweest om te verkrijgen door middel van puur de novo synthese."

Om hun bibliotheek van kleurstoffen op te bouwen, het team bedacht een uiteenlopende synthese waarbij twee 'chemische handvatten' aan beide uiteinden van de DHX-steiger werden bevestigd. Door de handvatten te geven tegen elektronendonerende en -accepterende mogelijkheden, het team voorzag dat ze voorwaarden konden scheppen voor een breed scala aan fluorescentieniveaus. Ze identificeerden dat, door aldehyde- en arylbromidehandvatten te gebruiken, ze konden de eerste steiger in slechts één stap en op gramschaal produceren.

De onderzoekers vervingen eerst systematisch het broomhandvat door meer dan 20 op aminozuren gebaseerde donoren, elk met iets andere lineaire, cyclisch, en aromatische structuren. Vervolgens, ze verwisselden het aldehyde-handvat direct met een geladen aromatische ringgroep om de elektronentrekkende eigenschappen van DHX te versterken. Dankzij optische tests van de kleurstofbibliotheek kon het team de analogen rangschikken op basis van hun fluorescentie-intensiteit - gegevens die van cruciaal belang kunnen zijn voor het volgen van verschillende componenten in complexe biosystemen.

Het team is enthousiast over het nieuwe potentieel van de kleurstof. "De DHX-kleurstoffen zullen een aanvulling vormen op het vrij kleine aantal nabij-infraroodkleurstoffen dat nu beschikbaar is, en mensen aanmoedigen om ze als een haalbare optie voor microscopie te beschouwen, diagnostiek en beeldvorming, " zegt Richard.