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Fotoisomerización y caracterización cinética de fotointerruptores moleculares utilizando un sistema experimental semiautomatizado

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DOI:

10.3791/69979

4 de agosto de 2026

En este artículo

Resumen

Este protocolo describe una plataforma automatizada de investigación fotoquímica basada en flujos que permite un alto rendimiento, reproducibilidad y bajo consumo de muestras. El sistema integra irradiación LED programable, espectroscopía UV-Vis en línea y un marco de análisis basado en Python con una interfaz gráfica para medir rendimientos cuánticos, perfiles de absorción y cinética de fotoisomerización de fotointerruptores moleculares.

Resumen

Los fotoconmutadores moleculares se encuentran ampliamente en la naturaleza, donde desempeñan papeles clave en la visión, y se utilizan cada vez más en tecnologías emergentes. Sin embargo, su desarrollo suele estar limitado por la caracterización laboriosa de las propiedades fotoquímicas. Este trabajo presenta una plataforma automatizada basada en flujos para la caracterización fotoquímica eficiente y reproducible de fotointerruptores moleculares. Para medir con precisión los rendimientos cuánticos de fotoisomerización, los perfiles de absorción y la cinética de retroconversión térmica, el montaje combina espectroscopía UV-Vis en línea con una matriz LED programable. La manipulación automatizada de fluidos, el control de temperatura y la calibración en tiempo real del flujo de luz conducen a una mejor reproducibilidad, menor consumo de muestras y una intervención manual mínima en comparación con los métodos tradicionales. Los grandes conjuntos de datos se procesan mediante un marco analítico basado en Python que permite la extracción de parámetros cinéticos y termodinámicos de una variedad de clases de fotoswitches. La plataforma se valida mediante pruebas de sistemas fotoconmutadores conocidos, incluyendo azobenceno, y derivados de biciclooctadieno y norbornadieno, mostrando buena concordancia con los valores de la literatura. Al combinar irradiación controlada, estudios de relajación térmica y procesamiento automatizado de datos, esta metodología proporciona un marco escalable para acelerar el descubrimiento y caracterización de los fotointerruptores moleculares funcionales.

Introducción

Los fotointerruptores moleculares se encuentran ampliamente en la naturaleza, siendo parte integral de los sistemas visuales de muchosorganismos 1, y también han encontrado aplicaciones en una amplia gama de tecnologías establecidas y emergentes, incluyendo gafas foto-responsivas2, ventanasconmutables 3, dispositivos de detección4, materiales de almacenamientode energía 5, terapias controladas por luz6, polímerosinteligentes 7, sistemas solares térmicosmoleculares 8, Almacenamiento ópticode datos 9, y máquinasmoleculares 10. A pesar de su considerable potencial, el desarrollo de nuevos sistemas de fotoconmutadores suele estar limitado por la naturaleza exigente y que consume mucho tiempo caracterizar con precisión su comportamientofotoquímico 11. Dado que estos sistemas sufren transiciones reversibles, es crucial evaluar con precisión las propiedades fotoquímicas y fotofísicas clave para determinar su idoneidad para tales aplicaciones, incluyendo el espectro de absorbancia, la cinética de retroconversión térmica y el rendimiento cuántico defotoisomerización 12.

Las técnicas convencionales para adquirir estas características se basan en mediciones manuales basadas en lotes, que son de bajo rendimiento para seguir el ritmo de la creciente diversidad de fotointerruptores recientemente sintetizados, requieren grandes volúmenes de muestra y están sujetas a la variabilidaddel usuario 13.

Los métodos aquí presentados ofrecen un sistema de caracterización fotoquímica asequible, automatizado y basado en flujos, destinado a investigaciones repetibles y eficientes de fotointerruptores moleculares para superar estas limitaciones. La tecnología combina espectroscopía UV-Vis en línea para el monitoreo en tiempo real de la población de isómeros en entornos microfluídicos, con una matriz LED programable para irradiación regulada a diferentes longitudes de onda dela luz 14. Para garantizar conjuntos de datos precisos y repetibles, la manipulación automatizada de fluidos, el control de temperatura y la calibración de flujos de luz minimizan la variabilidad experimental mientras reducen el volumen de muestras y la intervención manual. Grandes cantidades de datos se procesan a través de un marco analítico basado en Python para extraer parámetros cinéticos y termodinámicos.

Se han utilizado sistemas de referencia como el azobenceno, derivados del biciclooctadieno y norbornadieno para validar el enfoque; Los hallazgos demuestran una buena concordancia con los valores encontrados en la literatura15 Esta metodología proporciona un enfoque simplificado para evaluar sistemáticamente el rendimiento de los fotointerruptores y acelerar el descubrimiento de nuevos sistemas funcionales combinando una entrega precisa de luz, la recogida automatizada de datos y el análisissimplificado 16.

La plataforma automatizada de caracterización combina componentes fluídicos, térmicos y ópticos en un sistema basado en flujos (Figura 1)17. Utilizando fibra óptica y una lente colimante, la luz de una matriz LED y una lámpara de deuterio-halógeno se dirige hacia una cubetas de flujo UV-Vis alojada en un soporte con control de temperatura. Una lente de enfoque recoge la luz transmitida y la dirige hacia un espectrómetro. Una válvula de selección controlada electrónicamente se conecta a una bomba peristáltica de baja pulsación que circula las soluciones de la muestra, permitiendo un cambio rápido entre muestras y disolventes para una limpieza automatizada y mediciones secuenciales. Una interfaz gráfica de usuario (GUI) especializada proporcionada en el Archivo Suplementario 1 gestiona todas las acciones. Para registrar un espectro de referencia, el flujo de trabajo comienza llenando la cubetas de flujo con disolvente. Tras añadir la muestra seleccionada, la interfaz gráfica establece la longitud de onda de irradiación, la potencia del LED y el intervalo de adquisición. El programa muestra datos espectrales y cinéticos en tiempo real mientras cambia automáticamente entre la activación del LED y la adquisición espectral durante la ejecución. Cuando se alcanza el umbral de absorbancia o el tiempo objetivo, la secuencia de medición se termina automáticamente. El dispositivo luego enjuagua el tubo con la siguiente muestra o aproximadamente 200 μL de disolvente. El canal del disolvente limpia la trayectoria del flujo tras cada medición. El script interno de Python se utiliza para almacenar todos los datos para un análisis cinético y termodinámico adicional.

El usuario debe especificar numerosos parámetros iniciales para garantizar la reproducibilidad y claridad en el informe de experimentos de caracterización automatizada de photoswitch. Muchos de los parámetros iniciales, como la concentración de la muestra, la longitud de onda y potencia del LED, la longitud de onda de la medición y la temperatura, pueden variar significativamente dependiendo de las propiedades químicas y fotofísicas del fotointerruptor en cuestión. Como cada molécula responde de forma diferente a las condiciones de luz y disolvente, los usuarios deben determinar los ajustes más adecuados para su compuesto específico. Para asegurar mediciones precisas y reproducibles, la concentración óptima de la muestra puede estimarse a partir del espectro de absorción, con el objetivo de mantener la linealidad dentro del régimen de Beer-Lambert, por ejemplo, una absorbancia en el rango de 0,5 a 1,0. La Tabla 1 deja claro qué parámetros controla el usuario.

Protocolo

1. Preparación de muestras

  1. Preparación de Norbornadiene 1 (NBD1)
    1. Sintetizar 2-ciano-3-(3,4-dimetoxifenil)norbornadieno según la literatura18. Disuelva 1,2 mg en 100 mL de acetonitrilo (4,74 x 10-4 M). Transfiere la solución a un vial de 20 mL con una tapa de membrana.
  2. Preparación de Biciclooctadiena (DBO)
    1. Sintetizar etil-3-(2-metoxifenil)biciclo[2.2.2]octa-2,5-dieno-2-carboxilato según la literatura19. Disuelva 9,5 mg en 100 mL de acetonitrilo (3,5 x 10-4 M).
    2. Mezcle 5 mL de esta solución con 5 mL de acetonitrilo para obtener 1,75 x 10-4 M. Transfiera a un vial de 20 mL con una tapa de membrana.
  3. Preparación del azobenceno
    1. Utiliza azobenceno comercial (97+%). Disuelva 8 mg en 100 mL de acetonitrilo (4,39 x 10-4 M).
    2. Diluye 1 mL de esta solución con 9 mL de acetonitrilo para obtener 4,39 x 10-5 M. Transfiere a un vial de 20 mL con una tapa de membrana.
  4. Preparación de NBD2
    1. Sintetizar 3-(4,4,5,5-tetrametil-1,3,2-dioxaborolán-2-il)quinolina20 y 3-bromo-2-cianonorbornadiena21 siguiendo los procedimientos reportados. Sintetiza NBD2 añadiendo bromo-2-cianonorbornadieno (90 mg, 0,46 mmol) y Na2CO3 (389 mg, 3,67 mmol) a un matraz con agua (5 mL) y dimetoxietano (5 mL) y desgasificando por burbujeo de nitrógeno durante 1 hora. Añadir Pd(PPh 3)4 (27 mg, 0,02 mmol) bajo un flujo de nitrógeno y remover la suspensión resultante a 60 °C durante 48 horas. Enfría la mezcla hasta la RT, añade agua (10 mL) y extrae el producto con DCM (3 × 50 mL). Seca los compuestos orgánicos combinados sobre MgSO4, filtra y purifica el crudo mediante cromatografía en columna flash (hexano: acetato de etilo, gradiente a 60:40) para obtener el producto como un sólido amarillo pálido (15 mg, 13%).
      1H RMN (400 MHz, CD2Cl2) δ 9,27 (1 H, d, j = 2,3 Hz, H9), 8,44 (1 H, d, j = 2,3 Hz, H16), 8,10 (1 H, d, j = 8,5 Hz, H11), 7,93 (1 H, dd, j = 8,4, 1,4 Hz, H14), 7,78 (1 H, ddd, j = 8,5, 6,9, 1,5 Hz, H12), 7,61 (1 H, ddd, j = 8,2, 6,9, 1,2 Hz, H13), 6,99 (2 H, m, H1 y H2), 4,30 (1 H, m, H6), 4,02 (1 H, m, H3), 2,37 (1 H, dt, j = 7,0, 1,7 Hz, H7a), 2,28 (1 H, dt, j = 7,0, 1,6 Hz, H7b); 13C RMN (101 MHz, CD2Cl2) δ 167.6, 148.2, 148.0, 143.1, 140.3, 133.1, 130.6, 129.3, 128.6, 127.4, 127.3, 126.4, 119.5, 117.8, 71.6, 55.4, 54.2. Los espectros de RMN de NBD2 y QC2 se muestran en la Figura 13.
    2. Usa NBD2. Disolve 1,9 mg de NBD2 en 17 mL de tolueno (4,57 x 10-4 M)
    3. Diluir 1 mL de esta solución con 8,4 mL de tolueno para obtener 5,44 x 10-5 M. Transfiere a un vial de 20 mL con una tapa de membrana.
  5. Carga de muestras y disolventes
    1. Coloca los frascos de muestra en la válvula de selección. Coloque los viales de disolvente en posiciones designadas si se requieren disolventes alternativos.

2. Determinación del flujo de fotones LED

  1. Preparación del sistema del contador de potencia
    1. Inicia el programa calculadora de flujo de fotonflux (Archivo suplementario 2). Conecta el sensor de potencia del fotodiodo a la interfaz del contador de potencia y energía PM100USB. Asegúrate de que la interfaz USB esté correctamente conectada al ordenador para la transferencia y registro de datos.
  2. Posicionamiento del sensor de potencia
    1. Coloca el sensor de potencia del fotodiodo dentro del soporte de la cubeta, alineado con la trayectoria óptica de la fuente de luz LED. Asegúrate de que la cubetas esté situada entre la fuente de luz LED y el sensor de potencia.
      NOTA: Justificación para la colocación del sensor - Al colocar el sensor después de la cubeta, solo se miden los fotones que atraviesan la cámara de muestra. Este enfoque excluye fotones que no entrarían en la cubeta, debido al tamaño de ventana más pequeño en comparación con el haz de irradiación LED. También tiene en cuenta la pérdida de fotones causada por la reflexión en las paredes de cubetas de cuarzo.
  3. Registro de mediciones de flujo de fotones
    1. Enciende la fuente de luz LED y deja que se estabilice si es necesario. Obtener lecturas de potencia desde la interfaz de PM100USB utilizando el software del fabricante. Guarda los valores de potencia medidos para su análisis posterior en la tabla de calibración de flujo de fotonflux (Archivo suplementario 3).

3. Configuración del sistema de automatización

  1. Configuración de la cuveta de flujo
    1. Coloca la cubetas de flujo UV-Vis en un soporte con control de temperatura (todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente). Conecta la lámpara de deuterio-halógeno y la matriz LED a un lado mediante fibra óptica. La pequeña ventana cubetas (2 x 4 mm) requiere una alineación precisa.
    2. Conecta el espectrómetro al otro lado mediante fibra óptica. Colocar una lente colimante entre la lámpara y la cubeta; Coloca una lente de enfoque entre la cubetas y el espectrómetro.
  2. Configuración del control de flujo
    1. Conecta la muestra mediante una bomba peristáltica de precisión. Inserta una válvula de selección aguas arriba para cambiar entre la muestra y el disolvente. Añade cuñas metálicas de 0,1 mm junto a la cubetas para asegurar la alineación.

4. Inicialización del sistema

  1. Adquisición del espectro de referencia
    1. Lanzar el programa interno de experimentos de rendimiento cuántico con interfaz gráfica (Archivo Suplementario 4). Bombea disolvente a una tasa de 1 mL/min a través de la válvula, la bomba y la cuveta de flujo. Adquiere un espectro de referencia usando la lámpara de deuterio (rango UV-Vis) para la corrección de la línea base.

5. Flujo de trabajo experimental

  1. Ejemplo de introducción
    1. Cambia la válvula de disolvente a muestra en la interfaz gráfica. Arranca la bomba con un caudal de 1 mL/min para llenar la cuveta de flujo con la muestra. La conmutación rápida de disolventes está habilitada mediante la válvula de selección.
      NOTA: La muestra elegida utilizada durante esta demostración es NBD1.
    2. De la lista de LEDs disponibles, selecciona el LED UV de 340 nm y ajusta la corriente de funcionamiento a 600 mA en la interfaz gráfica. Establece los intervalos de medición UV-Vis a 1 s (se realizará una medición cada segundo para obtener más puntos de datos).
  2. Medición automatizada
    1. Empieza la secuencia de mediciones. El instrumento registrará espectros completos de UV-Vis (absorbancia vs. longitud de onda) en cada paso de medición (encendiendo y apagando automáticamente el LED entre mediciones y abriendo y cerrando el obturador de la lámpara para la adquisición del espectro). De esos espectros, el software elige una o más longitudes de onda específicas que elijas en el campo por encima del espectro de absorción (ya que NBD1 absorbe a 340 nm, tipo 340 nm). Para esas longitudes de onda seleccionadas, luego rastrea cómo cambia la señal a lo largo del tiempo a medida que avanza la secuencia de medición. Se generará un gráfico dependiente del tiempo (tiempo en el eje x, absorbancia en el eje y).
      NOTA: Repita la medición cuántica de rendimiento 3 veces para mejorar la precisión del resultado final.
    2. Una vez completada la reacción directa, ajusta la temperatura del soporte controlado a 60 °C. Para ello, abre TApp en el escritorio, conéctate a COM8, ve a Cambiar Objetivo para cambiar la temperatura y pulsa Aceptar. Selecciona Iniciar retroconversión en el programa. El isómero metaestable (QC1) se relajará térmicamente hasta su molécula madre (NBD1).
      NOTA: Repita el paso 5.2.2 para 4 temperaturas más: a 65 °C, 70 °C, 75 °C y 80 °C. La retroconversión debe realizarse a un mínimo de 3 temperaturas diferentes (con 5 temperaturas proporcionando un análisis más preciso) para obtener los ajustes de Arrhenius y Eyring en el programa QYA.pyw.
  3. Finalización del experimento
    1. Detener el experimento manualmente una vez que se complete la retroconversión.

6. Procedimientos posteriores al experimento

  1. Preparación para la siguiente medición: Enjuague con al menos tres volúmenes de tubo (~200 μL) de muestra fresca.
  2. Limpieza final
    1. Cambia la válvula a disolvente. Bombea disolvente a través del sistema hasta que la tubería y la cuveta estén limpias.

7. Análisis de datos

  1. Determina el rendimiento cuántico usando el programa en el Archivo Suplementario 4 y la vida media usando el programa en el Archivo Suplementario 5.
    1. Abre QYA.pyw. Carga el archivo guardado del QYEX.pyw, ajusta la concentración a 4,1 x 10-5 M y selecciona el LED de 340 nm para cargar el flujo de fotones correcto para este experimento en particular. En la sección de hiperparámetros, fija la longitud de onda del punto cero igual a 500 nm, la longitud de onda del análisis a 340 nm y el número de puntos para ajuste a 10. Ejecuta el análisis y, si la pendiente sigue un buen ajuste, observa el rendimiento cuántico calculado por el programa. Los rendimientos cuánticos se determinaron ajustando el cambio de absorbancia dependiente del tiempo mediante un modelo cinético que tiene en cuenta la absorción de fotones y los cambios de concentración durante la irradiación. De la sección de correcciones, incluye la reacción posterior para que el programa calcule las constantes de tasa.
    2. Abre HLA.pyw. Carga el archivo guardado del QYEX.pyw y establece la longitud de onda del análisis en 340 nm. En la tabla de análisis cinético, inserta las constantes de velocidad calculadas en el paso anterior para al menos 5 temperaturas diferentes. Haz el análisis. El programa generará los ataques de Arrhenius y Eyring.

Resultados

La comparación se realizó utilizando tres fotointerruptores representativos: 2-ciano-3-(3,4-dimetoxifenil)norbornadieno (NBD1)22, azobenceno23 y etil-3-(2-metoxifenil)biciclo[2.2.2]octa-2,5-dieno-2-carboxilato (BOD)19 , comparando los datos del flujo de trabajo automatizado con los resultados previamente reportados. Los experimentos de control muestran que la irradiación continua con lámpara UV convierte aproximadamente el 10% de NBD1 en 10 minutos (Figura 2)17. Bajo condiciones estándar de medición, cada espectro se registra en menos de 0,5 s, lo que corresponde a una conversión del <0,01%, demostrando que la exposición a la lámpara tiene un efecto insignificante en las mediciones cuánticas de rendimiento. A diferencia de los métodos convencionales que fotoconvierten muestras externamente y las transfieren a un espectrómetro, la configuración automatizada confina pequeños volúmenes de muestras dentro de una cámara irradiada controlada por termostato, minimizando las fluctuaciones de concentración y asegurando mediciones cinéticas precisas. Se utilizaron constantes de velocidad térmica determinadas a cinco temperaturas (60 °C, 65 °C, 70 °C, 75 °C, 80 °C) para el análisis de Eyring y extraer ΔH‡ y ΔS‡ (Tabla 6). 24

El derivado utilizado del norbornadieno, 2-ciano-3-(3,4-dimetoxifenil)norbornadieno (Figura 3 a) fue reportado por primera vez en la literatura18 y aquí se denomina simplemente NBD1. El espectro de absorbancia de NBD1 muestra una superposición mínima con su isómero cuadriciclano (QC1) (Figura 3 b)17, lo que permite simplificar la ecuación (1) al descuidar la retroconversión inducida por foto-inducida (QC1 → NBD1). QC1 también presenta una vida media térmica de aproximadamente 30 días a temperatura ambiente, que es mucho más lenta que la escala temporal de fotoisomerización bajo las condiciones experimentales. En consecuencia, dado que la vida media térmica de QC1 (27 días a 25 °C) es varios órdenes de magnitud mayor que la escala de tiempo de irradiación (minutos), la retroconversión térmica puede descuidarse (Figura 4)17. Esto da lugar a un modelo simplificado donde solo se considera la reacción directa y, asumiendo una fuente de luz monocromática, la ecuación diferencial puede resolverse analíticamente para obtener los rendimientos cuánticos (Tabla 2)17.

El derivado del biciclooctadieno (BOD) estudiado aquí (Figura 5), etil-3-(2-metoxifenil)biciclo[2.2.2]octa-2,5-dieno-2-carboxilato, ha sido previamente reportado en la literatura19. El fotoproducto absorbe fuera de la región espectral del compuesto original, simplificando la interpretación de la medición. Cuando el espectro del fotoproducto es desconocido, a menudo se asume que a baja conversión no se absorbe, lo que acelera la recogida de datos pero puede introducir un error desconocido. A diferencia del sistema NBD–QC, la vida media más corta del fotoisómero (TCO) conduce a una retroconversión muy rápida a temperatura ambiente, lo que requiere la inclusión tanto de la fotoisomerización directa como de los pasos térmicos inversos en el modelo cinético. Dado que la ecuación de velocidad no puede resolverse analíticamente, el ajuste numérico se realiza minimizando los residuos (Figura 6, Tabla 4)17, lo que normalmente lleva unos segundos en un ordenador estándar, en comparación con el ajuste sub-segundo en modelos analíticos que descuidan la reversión térmica. La retroconversión térmica se midió además a cuatro temperaturas para determinar la vida media y los parámetros termodinámicos (Tabla 8). A 25 °C, la vida media de la DBO se midió en 63 s, en buena coincidencia con los 79,8 s previamente reportados. Los análisis de Eyring y Arrhenius se muestran en la Figura 717.

El azobenceno tiene una vida media térmica larga a temperatura ambiente (>6 días), lo que permite descuidar la retroconversión térmica. El fotoproducto cis-azobenceno absorbe mínimamente en la región del trans-isómero340nm^trans ≈ 12.500 M⁻1 cm⁻1; ε340nm^cis ≈ 200 M⁻1 cm⁻1), minimizando la interferenciaespectral 24. Dado que la absortividad molar del isómero cis a 340 nm es dos órdenes de magnitud menor que la del isómero trans, su contribución a la señal de absorbancia es insignificante en baja conversión. A baja conversión, la retroconversión inducida por la foto-inducción tiene un impacto despreciable, permitiendo simplificar el modelo cinético excluyendo la fotoisomerización inversa y los términos térmicos (Figura 8, Tabla 5)17. Aunque medir el estado fotoestacionario permitiría determinar tanto los rendimientos cuánticos hacia adelante como hacia atrás, este estudio se centra en la reacción hacia adelante. La vida media térmica medida de 6,78 días coincide bien con el valor literario de 7,34 días, y los análisis correspondientes de Eyring y Arrhenius se muestran en la Figura 9-17, con los parámetros termodinámicos resumidos en la Tabla 9-17.

Además de hacer pruebas con fotointerruptores ya establecidos, se sintetizó y estudió el 2-ciano-3-(3-quinolina)norbornadieno (NBD2) utilizando la configuración automatizada (Figura 10). Los resultados de fotoconversión presentados en este manuscrito son nuevos, mostrando la capacidad del sistema para caracterizar el comportamiento fotoquímico de compuestos nuevos bajo condiciones de irradiación controladas y reproducibles. El disolvente utilizado fue tolueno, y la concentración de la solución fue de 5,4 x 10-5 M. Utilizando un LED de 340 nm, se obtuvo un rendimiento cuántico global del 11 % (Figura 11, Tabla 3). Dado que QC2 absorbe a la longitud de onda de irradiación de 340 nm, tanto el compuesto padre como el fotoproducto compiten por los mismos fotones, lo que significa que el flujo efectivo de fotones que impulsa cada especie evoluciona durante la reacción. Para evitar errores sistemáticos en el rendimiento cuántico, se formuló un ajuste optimizado para esta absorción superpuesta entre NBD2 y QC2 en la longitud de onda de irradiación, incluyendo explícitamente la contribución del producto. El ajuste corregido utiliza un modelo cinético que tiene en cuenta los cambios en las concentraciones del compuesto principal y del fotoproducto durante la irradiación, considerando que ambos absorben a 340 nm. La aplicación del procedimiento de ajuste optimizado resultó en un rendimiento cuántico global corregido del 11,6 %.

Dentro de este marco, el flujo de fotones medido corresponde al flujo total de fotones incidentes que entra en la muestra y se convierte en el flujo de fotones absorbidos utilizando la absorción total del sistema dependiente del tiempo. La ley de Beer-Lambert se utiliza para determinar la fracción de fotones incidentes que son absorbidos, tras lo cual el flujo de fotones absorbidos se divide entre NBD2 y QC2 en proporción a sus respectivas contribuciones a la absorbancia total en cada punto temporal. En consecuencia, a medida que el producto se forma, captura una fracción creciente de los fotones, reduciendo progresivamente la luz disponible para la conversión posterior del compuesto principal.

Debido a que las concentraciones de NBD2 y QC2 cambian con el tiempo y afectan directamente a la cantidad de luz absorbida, el sistema no puede describirse con una simple ecuación analítica. En su lugar, el modelo cinético se resuelve numéricamente. En la práctica, se elige un valor de prueba del rendimiento cuántico, se simula la reacción a lo largo del tiempo y se compara la curva de absorbancia resultante con los datos experimentales. El rendimiento cuántico se ajusta entonces y la simulación se repite hasta obtener la mejor coincidencia entre la absorbancia calculada y la medida. Esto corresponde a un ajuste global del conjunto completo de datos de tiempo de absorbancia, en lugar de ajustar puntos individuales de forma independiente. Para ejecutar este modelo, es necesario conocer la absorción molar de QC2 a 340 nm. Este parámetro se determina por separado usando la ley de Beer-Lambert, basada en la absorbancia medida tras la irradiación a 340 nm. Una vez determinada, la absorción molar de QC2 se trata como un parámetro fijo de entrada y no se ajusta durante el procedimiento de ajuste.

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Figura 1: Esquema de la plataforma de caracterización de los photoswitches. El sistema automatizado se basa en un sistema de flujo multicomponente. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 2: Efecto de la exposición continua a lámparas UV sobre el norbornadieno (NBD1). Tras 10 minutos de irradiación, la NBD sufre una conversión de ~10%, mientras que los espectros individuales registrados en <0,5 s resultan en una conversión despreciable (<0,01%). Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 3: Fotoconmutación NBD1–QC1 y espectros UV–Vis. a) Representación esquemática del sistema de fotoconmutadores norbornadieno–cuadriciclano (NBD1–QC1). b) Espectros de absorción UV-Vis de NBD1 y QC1. La figura muestra el sistema de fotoconmutadores NBD1–QC1, incluyendo un esquema de la conversión inducida por la luz de NBD1 a QC1 y los espectros UV–Vis correspondientes, destacando los cambios de absorción entre NBD1 y QC1. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 4: Ilustración de la contribución insignificante de la retroconversión térmica y fotoinducida para el par NBD1–QC1, debido a la mínima superposición espectral y a una larga vida media de control de calidad. El efecto de incluir la retrorreacción térmica sobre el rendimiento cuántico se ajusta a 25 °C. Ignorar la retrorreacción térmica se obtuvo un rendimiento cuántico del 67%, mientras que al tenerla en cuenta se incrementó ligeramente el valor hasta el 68%. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 5: Fotoconmutación BOD–TCO y cambios espectrales UV–Vis. a) Esquema del sistema de fotoconmutadores biciclooctadieno–tetraciclooctano (BOD–TCO). b) espectros UV-Vis de la DBO y su estado fotoestacionario (TCO) tras irradiación a 308 nm. La figura representa el sistema de fotoconmutadores BOD–TCO, mostrando un esquema de la conversión de BOD a TCO inducida por la luz y los espectros de absorción UV–Vis correspondientes, que ilustran los cambios espectrales tras la formación del estado fotoestacionario rico en TCO tras una irradiación de 308 nm. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 6: Ilustraciones del rendimiento cuántico ajustándose con y sin inclusión del término de retroconversión térmica. Comparación entre el ajuste analítico que ignora la retroconversión térmica (QY = 13,8%) y el ajuste numérico incluyendo la retroconversión térmica (QY = 15,1%, k = 5,5497×10−3 s−1 a 20 °C) para la DBO, destacando las diferencias en la cinética obtenida. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 7: Diagramas de Eyring y Arrhenius para la DBO. Los gráficos se utilizaron para determinar vidas medias térmicas y parámetros termodinámicos a tres temperaturas. Las constantes de tasa se ajustaron utilizando tanto las ecuaciones de Arrhenius como de Eyring. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 8: Fotoisomerización de azobenceno y cambios espectrales UV–Vis. a) Esquema de la fotoisomerización de azobenceno. b) Espectros UV-Vis del trans-azobenceno y el estado fotosestacionario (enriquecido con cis-azobenceno) tras irradiación a 340 nm. Las figuras ilustran la fotoisomerización con azobenceno, mostrando un esquema del proceso de conmutación de trans-a-cis y los correspondientes espectros de absorción UV-Vis, destacando los cambios espectrales tras la formación del estado fotoestacionario rico en cis tras la irradiación de 340 nm. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 9: Diagramas de Eyring y Arrhenius para azobenceno. Los gráficos se utilizaron para determinar vidas medias térmicas y parámetros termodinámicos a tres temperaturas. Las constantes de tasa se ajustaron utilizando tanto las ecuaciones de Arrhenius como de Eyring. Esta figura se reproduce de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo la licencia de acceso abierto CC-BY. 17 Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 10: Espectros de fotoisomerización y absorbancia de NBD2. a) Representación esquemática de la fotoisomerización NBD2/QC2. b) Espectros UV-Vis de NBD2 y QC2 tras irradiación de 340 nm. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

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Figura 11: Ajuste cuántico de rendimiento para NBD2 con absorción del producto optimizada. a) Ejemplo de ajuste cuántico de rendimiento de NBD2 tras irradiación a 340 nm, siguiendo la absorbancia resuelta en el tiempo a 330 nm. La tasa de retroconversión térmica (k = 9,1×10−6 s−1) y la absorción por producto en la longitud de onda de irradiación (ε ^NBD2 = 9210 M−1 cm−1, ε ^QC2 = 1900 M−1 cm−1) se incluyen en este ajuste numérico para dar un QY optimizado del 11,6% (línea azul) a 25 °C en comparación con el ajuste analítico que da un valor QY del 13,3% (línea roja). b) Residuos para el ajuste de rendimiento cuántico optimizado, incluyendo la absorción por producto. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

figure-results-12
Figura 12: Diagramas de Eyring y Arrhenius para NBD2. Los gráficos se utilizaron para determinar las vidas medias térmicas y los parámetros termodinámicos a cinco temperaturas. Las constantes de tasa se ajustaron utilizando tanto las ecuaciones de Arrhenius como de Eyring. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

figure-results-13
Figura 13. 1H espectros de RMN de NBD2/QC2. a) Espectro RMN de NBD2 en CD2Cl2 con átomos numerados correspondientes a la asignación en la sección experimental. b) Espectros de RMN de NBD2 en tolueno-d8 y tras 1 hora de irradiación con LED de 340 nm que permite la conversión completa a QC2. Los picos característicos de la NBD se muestran en rosa y desaparecen al irradiar, y los picos residuales de disolventes se resaltan en amarillo. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

CategoríaParámetroEjemplo / Notas
EjemploIdentidad del fotointerruptorNBD, BOD, Azobenceno
Concentraciónpor ejemplo, 4,1 × 10-5 M
Disolventepor ejemplo, acetonitrilo, tolueno
LED / IrradiaciónLongitud de ondaLongitudes de onda disponibles: 280 nm, 310 nm, 340 nm, 365 nm, 410 nm, 455 nm
Corriente de funcionamiento / Potencia600 mA, 600, 600 mA, 1000 mA, 1200 mA, 1200 mA, respectivamente.
Flujo de fotonesValor calibrado correspondiente al LED y ajustes
Intervalo de mediciónPor defecto es 1 segundo por espectro
Espectroscópico / AnálisisLongitud de onda de análisisMás o menos igual a la longitud de onda del LED utilizada
Longitud de onda de punto ceroEl punto en el que ya no hay más absorción (normalmente alrededor de 500 nm)
Número de puntos para el ajusteNormalmente alrededor de 10, dependiendo de la cantidad de datos disponible
TemperaturaReacción hacia adelanteNormalmente a temperatura ambiente (25 °C)
RetroconversiónDepende mucho de la molécula (por ejemplo, 70 °C)
Análisis cinéticoSe requieren al menos tres temperaturas diferentes durante la retroconversión
Sistema de flujoCaudalPor defecto es de 1 mL/min
Volumen de descarga200 μL entre mediciones

Tabla 1: Parámetros dependientes del usuario. La tabla resume los parámetros iniciales clave que debe establecer el usuario para la caracterización automatizada del fotointerruptor, incluyendo la concentración de la muestra, la longitud de onda y potencia del disolvente, el LED, la longitud de onda de la medición, la temperatura, el caudal y los ajustes del software, que son esenciales para garantizar mediciones fotoquímicas reproducibles y precisas.

Longitud de onda de la irradiaciónNúmero de medicionesValor experimental
340 nm70,676 ± 0,028
365 millas náuticas20,689 ± 0,022

Tabla 2: Rendimientos cuánticos de NBD1/QC1 en tolueno a 25 °C. Los rendimientos cuánticos de NBD1 se midieron en dos longitudes de onda de irradiación en tolueno a 25 °C. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17

Longitud de onda de la irradiaciónNúmero de medicionesValor experimental
340 nm50,109 ± 0,017

Tabla 3: Rendimientos cuánticos de NBD2/QC2 en tolueno a 25 °C (ajuste no corregido). Rendimientos cuánticos de NBD2 medidos en una longitud de onda de irradiación en tolueno a 25 °C.

Longitud de onda de la irradiaciónNúmero de medicionesValor experimentalQuant et al. (2022)
308 nm20,146 ± 0,0070,1443 ± 0,0004

Tabla 4: Rendimiento cuántico de la DBO en acetonitrilo a 20 °C (308 nm). Rendimiento cuántico de la DBO medido a 308 nm de irradiación, realizado a 20 °C en acetonitrilo. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17

Longitud de onda de la irradiaciónNúmero de medicionesValor experimentalLadanyi et al. (2017)
340 nm30,148 ± 0,003
334 millas náuticas60,155 ± 0,006

Tabla 5: Rendimientos cuánticos para la fotoisomerización trans–cis de azobenceno. Rendimientos cuánticos para fotoisomerización de azobenceno trans-a cis a 340 nm en acetonitrilo a 25 °C, en comparación con valores literarios medidos en metanol a 334 nm. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17

PropiedadValor
vida media (25°C)27 días
∆H‡115,039935 kJ/mol
∆S‡16,1 J/mol K
∆G‡ (25°C)117,974 kJ/mol

Tabla 6: Parámetros termodinámicos para NBD1. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de NBD1, incluyendo su vida media a 25 °C, junto con la entalpía, entropía y energía libre de Gibbs asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17

PropiedadValor
vida media (25°C)0,884 días
A2,15e+10 1/s
∆H‡82,998240 kJ/mol
∆S‡-56,3 J/mol K
∆G‡ (25°C)68,22 kJ/mol

Tabla 7: Parámetros termodinámicos para NBD2. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de NBD2, incluyendo su vida media a 25 °C, el factor preexponencial de Arrhenius y la entalpía, entropía y energía libre de activación asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto.

PropiedadValor
vida media (25°C)63 segundos
A7.10e+13 1/s
∆H‡87,824995 kJ/mol
∆S‡12,2 J/mol K
∆G‡ (25°C)90,240 kJ/mol

Tabla 8: Parámetros termodinámicos para la DBO. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de un DBO, incluyendo su vida media a 25 °C, el factor preexponencial de Arrhenius y la entalpía, entropía y energía libre de activación asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17

PropiedadValor
vida media (25°C)6,796 días
A3,99e+10 1/s
∆H‡91,452630 kJ/mol
∆S‡-51,6 J/mol K
∆G‡ (25°C)94,347 kJ/mol

Tabla 9: Parámetros termodinámicos para azobenceno. La tabla presenta parámetros cinéticos y termodinámicos clave para la isomerización térmica de un azobenceno, incluyendo su vida media a 25 °C, el factor preexponencial de Arrhenius y la entalpía, entropía y energía libre de activación asociadas, que en conjunto describen la estabilidad térmica y el comportamiento de isomerización del compuesto. Esta tabla está reproducida de la referencia 17 con permiso de la Royal Society of Chemistry, bajo licencia de acceso abierto CC-BY. 17

Archivo suplementario 1: Experimento de rendimiento cuántico. El programa experimental de rendimiento cuántico es la interfaz gráfica que permite al usuario realizar la reacción de fotoconversión. Se debe elaborar o subir un espectro de referencia del disolvente en uso antes del inicio del experimento (para la corrección de la línea base). El espectro de absorción de la molécula puede monitorizarse aquí a lo largo del tiempo. El programa puede retroconvertir la molécula a su estado parental, si es necesario, es decir, mediante calentamiento (para un fotointerruptor tipo T) o mediante irradiación a una longitud de onda diferente (para un fotointerruptor tipo P). Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 2: Calculadora de flujo de foton. El programa calculadora de flujo de fotones se utiliza para calibrar el flujo de fotones de los LEDs disponibles. El flujo de fotones se determinaba a partir de la potencia óptica medida con un sensor de fotodiodo calibrado y se convertía en flujo de fotones usando la longitud de onda LED. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 3: Tabla de calibración de flujo de foton. La tabla de calibración de flujo de fotonflux contiene los datos recogidos de la calculadora de flujo de fotonflux. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 4: Análisis cuántico de rendimiento. El programa de análisis cuántico de rendimiento permite al usuario determinar el rendimiento cuántico de una reacción o, alternativamente, el flujo de fotones correspondiente. Antes de comenzar el análisis, el usuario debe proporcionar la concentración de la solución o el coeficiente de extinción. Si durante el experimento ocurre una retroconversión promovida térmico, también se pueden determinar las constantes de tasa asociadas; Estos valores se utilizan posteriormente para calcular la vida media de la molécula. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 5: Análisis de vida media. El programa de análisis de vida media utiliza las constantes de velocidad (k) a un mínimo de tres temperaturas diferentes para generar ajustes de Arrhenius y Eyring, permitiendo la extracción de los parámetros cinéticos y termodinámicos correspondientes. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Discusión

Las características fotoquímicas y termodinámicas primarias de los fotoconmutadores moleculares pueden determinarse de forma fiable y eficaz utilizando la plataforma automatizada de caracterización fotoquímica basada en flujos. Algunos componentes del flujo de trabajo son esenciales para obtener resultados precisos. El cálculo preciso de los rendimientos cuánticos de fotoisomerización requiere una calibración precisa del flujo de fotonesLED 25. El sensor de potencia siempre debe colocarse después de la cubeta, por dos razones. En primer lugar, para asegurar que solo se midan los fotones que llegan a la muestra (ya que el haz de irradiación LED suele ser más ancho que la ventana de la cubeta). En segundo lugar, considerar las pérdidas por reflexión y absorción en las superficies de la cubeta. Mantener un control constante de temperatura dentro de la cámara microfluídica es esencial porque incluso pequeñas variaciones pueden afectar las tasas de retroconversión térmica y distorsionar los análisis cinéticos. Finalmente, el manejo automatizado de muestras debe validarse cuidadosamente para evitar la introducción de burbujas de aire o efectos de dilución, que pueden conducir a artefactosespectrales 27. Un fotointerruptor NBD previamente no reportado, NBD2, fue evaluado utilizando la configuración automatizada, demostrando su conversión inducida por fotoinducción en tolueno y destacando la capacidad del sistema para caracterizar fotointerruptores novedosos de forma reproducible.

El diseño modular de la plataforma permite modificaciones basadas en las necesidades de varios sistemas de fotoconmutadores. Otras fuentes de luz, incluidas lámparas UV o diodos láser, pueden incorporarse en el módulo de irradiación para fotointerruptores que absorben fuera del rango espectral de la matriz LED. El marco de Python puede ampliarse para incluir métodos de ajuste global o deconvolución multilongitud de onda en situaciones donde las bandas de absorción superpuestas dificultan el análisis espectral. Asegurar que la trayectoria óptica esté alineada con precisión para maximizar la señal transmitida, comprobar la estabilidad de la salida del LED y mantener las concentraciones de la muestra dentro del rango lineal de detección del espectrómetro UV-Vis son tareas rutinarias de solución de problemas. Si los análisis de rendimiento cuántico y cinético no producen un ajuste fiable, esto a menudo indica que el modelo cinético elegido es inapropiado (por ejemplo, descuidando la reversión térmica en sistemas tipo DBO) o que los datos no se resuelven suficientemente a tiempo, lo que puede mejorarse aumentando la frecuencia de medicionesespectrales 28.

Todavía existen ciertos límites y restricciones, aunque la plataforma mejora enormemente la reproducibilidad y el rendimiento. Sin alteraciones, la configuración actual no es aplicable a fotointerruptores de estado sólido, heterogéneos o de membrana, ya que requiere muestras líquidas homogéneas. La fuerte superposición espectral entre el producto principal y el fotoproducto reduce la precisión de la deconvolución espectral y puede introducir imprecisiones en el cálculo del rendimiento cuántico a altasconversiones 29. Además, actualmente el tiempo mínimo entre mediciones espectrales sucesivas es de 1 s, aunque se pueden lograr tiempos de integración más cortos dependiendo de la configuracióndel espectrómetro 30. Los métodos tradicionales para caracterizar los fotointerruptores suelen ser basados en lotes e implican irradiar manualmente muestras en cubetas antes de transferirlas a espectrómetros. Estos procedimientos añaden variabilidad dependiente del usuario, consumen mayores cantidades de muestra y tienen un rendimiento limitado. Por otro lado, el método presentado integra monitorización, análisis e irradiación en una única tubería automatizada. Las variaciones de concentración y los errores de manipulación se reducen obteniendo espectros in situ y conteniendo muestras a escala de microlitros en un entorno microfluídico con control de temperatura. Este enfoque se diferencia de las técnicas convencionales segmentadas en que puede realizar automáticamente estudios de Eyring y Arrhenius a varias temperaturas en un solo flujo de trabajo. Los rendimientos cuánticos y las vidas medias térmicas de NBD, DBO y azobenceno coinciden estrechamente con los valores observados en la literatura, demostrando que la automatización aumenta la eficiencia y la repetibilidad sin sacrificarla precisión 15.

Esta plataforma permite aplicaciones amplias y multidisciplinares al proporcionar una caracterización rápida y estandarizada de los sistemas de fotoconmutadores. Diseñar fotointerruptores con dinámicas predecibles de encendido/apagado en contextos biológicos requiere mediciones precisas de rendimiento cuántico y vida media, que son cruciales enfotofarmacología 31. La evaluación precisa de la eficiencia de la fotoisomerización y la estabilidad del almacenamiento en combustibles solares térmicos acelera el cribado de moléculas potenciales para almacenamiento útilde energía 32. La técnica facilita la comparación rápida de posibles candidatos para actuación impulsada por luz o almacenamiento de datos en ciencia de materiales, donde los fotoswitches se integran en polímeros y recubrimientosresponsivos 33. Más allá de usos específicos, la capacidad de producir grandes conjuntos de datos estandarizados hace posible utilizar técnicas de aprendizaje automático para dirigir el diseño y la optimización molecular34.

La plataforma automatizada de caracterización, en resumen, crea un flujo de trabajo automatizado que permite el análisis secuencial de múltiples muestras de photoswitch con una intervención manual mínima. Aunque el diseño modular facilita la resolución de problemas y la adaptabilidad a varias clases de fotointerruptores, las etapas cruciales incluyen una calibración meticulosa del flujo de fotones y un estricto control de temperatura35. El enfoque supone un avance significativo respecto a los métodos convencionales basados en lotes, a pesar de estar limitado por problemas de solapamiento espectral y homogeneidad muestral. Este flujo de trabajo integrado es importante, porque permite una evaluación sistemática de los fotointerruptores moleculares integrando la irradiación, la monitorización y el modelado cinético en un único flujo de trabajo. Este flujo de trabajo automatizado proporciona un marco escalable para acelerar el descubrimiento y caracterización de los fotointerruptores moleculares funcionales en múltiples campos de investigación como el almacenamiento de energía solar, materiales inteligentes y sistemas biológicos impulsados por la luz, porque puede acelerar el descubrimiento y requerir menos participación deusuarios 36.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo financiero del Programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea (Subvención nº 951801 MOST), el Programa de Excelencia Científica del Consejo Europeo de Investigación (Subvención nº 101002131 PhoTherm) y de la Unidad de Investigación Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) FOR5499 Molekulares Management von Sonnenenergie – Chemie von MOST – Proyecto Systemen número 496207555, incluyendo la parte del proyecto D-Dev: Explorando dispositivos MOST para/in. También agradecemos a la Universitat Politécnica de Catalunya por el acceso a instrumentación analítica e infraestructuras.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Flow cuvetteStarna Cells583.4.2F-Q-10/Z15Dentro del portamuestras
LED arrayThorlabsM280F5, M310F1, M340F4, M365FP1,Acoplado por fibra; Proporciona irradiación controlada
M405F3, M430F1, M455F3
Photodiode Power SensorThorlabsS120VCPara medición de flujo de fotones
Portable computer with software installedPara adquisición, almacenamiento y análisis de datos
Power and Energy Meter Interface (USB)ThorlabsPM100USBConecta el sensor al ordenador para la transferencia de datos
PumpVapourtecSF10 -
Sample rackIn-house design and 3D print--
SpectrometerAvantesAvaSpec-ULS2048CL-EVO-
Syringes and tubingIDEX0.7 mm inner diameter ETFE tubingCompatible con el sistema de bomba microfluídica
Temperature-controlled cuvette holderQuantum NorthwestqPod 3e-
UV LampAvantesAvaLight-D(H)-S-
ValveKnauerAVQ63AFUnificador de válvulas AWA01XA

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