פרוטוקול זה מתאר פלטפורמת מחקר פוטוכימית אוטומטית מבוססת זרימה, המאפשרת תפוקה גבוהה, שחזוריות וצריכת דגימות נמוכה. המערכת משלבת הקרנת LED מתוכנתת, ספקטרוסקופיית UV-Vis בקו, ומסגרת ניתוח מבוססת פייתון עם ממשק משתמש גרפי למדידת תפוקות קוונטיות, פרופילי ספיגה וקינטיקת פוטואיזומריזציה של פוטו-סוויץ' מולקולרי.
מאמר שיטה
פוטואיזומריזציה ואפיון קינטי של פוטו-סוויצ'ים מולקולריים באמצעות מערכת ניסויית חצי-אוטומטית
במאמר זה
סיכום
תקציר
פוטו-סוויצ'ים מולקולריים מופיעים באופן נרחב בטבע, שם הם ממלאים תפקידים מרכזיים בראייה, ומשמשים יותר ויותר בטכנולוגיות מתפתחות. עם זאת, התפתחותם מוגבלת לעיתים קרובות על ידי אפיון פוטוכימי שדורש מאמץ רב. עבודה זו מציגה פלטפורמה אוטומטית מבוססת זרימה לאפיון פוטוכימי יעיל וניתן לשחזור של פוטו-סוויצ'ים מולקולריים. כדי למדוד במדויק תפוקות קוונטיות של פוטואיזומריזציה, פרופילי ספיגה וקינטיקת המרה תרמית, ההתקנה משלבת ספקטרוסקופיית UV-Vis בקו עם מערך LED מתוכנת. הטיפול האוטומטי בנוזלים, בקרת טמפרטורה וכיול שטף אור בזמן אמת מובילים לשיפור השחזור, הפחתת צריכת הדגימה והתערבות ידנית מינימלית בהשוואה לשיטות המסורתיות. מערכי נתונים גדולים מעובדים על ידי מסגרת אנליטית מבוססת פייתון שמאפשרת חילוץ פרמטרים קינטיים ותרמודינמיים ממגוון סוגי פוטו-סוויץ'. הפלטפורמה מאומתת באמצעות בדיקות מערכות פוטו-סוויץ' ידועות, כולל אזובנזן, ונגזרות של ביציקלואוקטאדיאן ונורבורנדאין, ומראה התאמה טובה לערכי הספרות. על ידי שילוב של הקרנה מבוקרת, מחקרי הרפיה תרמית ועיבוד נתונים אוטומטי, שיטה זו מספקת מסגרת ניתנת להרחבה להאצת גילוי ואפיון של מתגים מולקולריים פונקציונליים.
מבוא
פוטו-סוויצ'ים מולקולריים מופיעים באופן רחב בטבע, שם הם חלק בלתי נפרד ממערכות הראייה של אורגניזמים רבים1, והם גם מצאו יישומים במגוון רחב של טכנולוגיות מבוססות ומתפתחות, כולל משקפיים רספונסיבייםלאור 2, חלונות ניתנים להחלפה3, מכשירי חישה4, חומרי אגירת אנרגיה5, טיפולים מבוקרי אור6, פולימרים חכמים7, מערכות תרמיות סולאריות מולקולריות8, אחסון נתוניםאופטיים 9, ומכונות מולקולריות10. למרות הפוטנציאל הרב שלהן, פיתוח מערכות פוטו-סוויץ' חדשות מוגבל לעיתים קרובות בשל האופי התובעני והגוזל זמן של אפיון מדויק של התנהגותן הפוטוכימית11. מכיוון שמערכות אלו עוברות מעברים הפיכים, חשוב להעריך במדויק תכונות פוטוכימיות ופוטופיזיקליות מרכזיות כדי לקבוע את התאמתן ליישומים אלו, כולל ספקטרום הספיגה, קינטיקת המרת חום אחורה, ותפוקת הפוטואיזומריזציה הקוונטית12.
טכניקות קונבנציונליות להשגת מאפיינים אלו מסתמכות על מדידות ידניות, מבוססות אצווה, שהן בעלות תפוקה נמוכה מדי כדי לעמוד בקצב המגוון ההולך וגדל של פוטו-סוויצ'ים מסונתזים לאחרונה, דורשות נפחי דגימות גדולים, וכפופות לשונות משתמש13.
השיטות המוצגות כאן מציעות מערכת אפיון פוטוכימית מבוססת זרימה, אוטומטית, שמטרתה לחקירות חוזרות ויעילות של פוטו-סוויצ'ים מולקולריים כדי להתגבר על מגבלות אלו. הטכנולוגיה משלבת ספקטרוסקופיית UV-Vis בקו לניטור אוכלוסיית איזומרים בזמן אמת בסביבות מיקרופלואידיות, עם מערך LED מתוכנת לקרינה מוסדרת באורכי גל שוניםשל אור 14. כדי להבטיח מערכי נתונים מדויקים וחוזרים, טיפול אוטומטי בנוזלים, בקרת טמפרטורה וכיול זרמי אור מפחיתים את השונות הניסיונית תוך הפחתת נפח הדגימה והתערבות ידנית. כמויות גדולות של נתונים מעובדות באמצעות מסגרת אנליטית מבוססת פייתון לחילוץ פרמטרים קינטיים ותרמודינמיים.
מערכות בנצ'מרק כמו אזובנזן, נגזרות של ביציקלואקטדיאן ונורבורנדיין שימשו לאימות הגישה; הממצאים מראים התאמה טובה לערכים שנמצאו בספרות15 מתודולוגיה זו מספקת גישה יעילה להערכה שיטתית של ביצועי מתג הפוטו-סוויץ' ולהאצת גילוי מערכות פונקציונליות חדשות על ידי שילוב אספקת אור מדויקת, איסוף נתונים אוטומטי וניתוח פשוט16.
פלטפורמת האפיון האוטומטית משלבת רכיבים נוזליים, תרמיים ואופטיים במערכת מבוססת זרימה (איור 1)17. באמצעות סיבים אופטיים ועדשה קולימטורית, אור ממערך LED וממנורת דאוטריום-הלוגן מנותב אל קובטה זרימת UV-Vis הממוקמת במחזיק מבוקר טמפרטורה. עדשת מיקוד אוספת את האור המועבר ומכוונת אותו לעבר ספקטרומטר. שסתום בחירה הנשלט אלקטרונית מתחבר למשאבה פריסטלטית בעלת דופק נמוך שמסובבת תמיסות דגימה, ומאפשרת החלפה מהירה בין דגימות לממסים לניקוי אוטומטי ומדידות רציפות. ממשק משתמש גרפי מיוחד (GUI) המסופק בקובץ משלים 1 מנהל את כל הפעולות. כדי לתעד ספקטרום ייחוס, תהליך העבודה מתחיל במילוי הקובטה הזרימה בממס. לאחר הוספת הדגימה שנבחרה, הממשק קובע את אורך הגל של הקרינה, עוצמת ה-LED וטווח הרכישה. התוכנית מציגה נתונים ספקטרליים וקינטיים בזמן אמת תוך מעבר אוטומטי בין הפעלת נורות LED לרכישת ספקטרלים במהלך הריצה. כאשר מגיעים לסף הספיגה או לזמן היעד, רצף המדידה מסתיים אוטומטית. המכשיר אז שוטף את הצינור עם הדגימה הבאה או כ-200 מיקרוליטר ממס. תעלת הממס מנקה את מסלול הזרימה לאחר כל מדידה. סקריפט פייתון פנימי משמש לאחסון כל הנתונים לניתוח קינטי ותרמודינמי נוסף.
המשתמש חייב להגדיר פרמטרים ראשוניים רבים כדי להבטיח שחזוריות ובהירות בדיווח על ניסויי אפיון אוטומטיים של מתג פוטו. רבים מהפרמטרים הראשוניים, כגון ריכוז הדגימה, אורך גל ועוצמת LED, אורך גל מדידה וטמפרטורה, יכולים להשתנות משמעותית בהתאם לתכונות הכימיות והפוטופיזיקליות של מתג הפוטו-סוויץ' הנבדק. מכיוון שכל מולקולה מגיבה בצורה שונה לאור ולתנאי ממס, המשתמשים חייבים לקבוע את ההגדרות המתאימות ביותר לתרכובת הספציפית שלהם. כדי להבטיח מדידות מדויקות וניתנות לשחזור, ניתן להעריך את ריכוז הדגימה האופטימלי מספקטרום הספיגה, במטרה לשמור על ליניאריות בתוך משטר ביר-למברט, לדוגמה ספיגה בטווח של 0.5 עד 1.0. טבלה 1 מבהירה אילו פרמטרים המשתמש שולט.
פרוטוקול
1. הכנת דגימה
- הכנה לנורבורנדיין 1 (NBD1)
- סינתז 2-ציאנו-3-(3,4-דימתוקסיפניל)נורבורנדין לפי ספרות18. המיס 1.2 מ"ג ב-100 מ"ל אצטוניטריל (4.74 על 10-4 מ'). העבר את התמיסה לבקבוקון של 20 מ"ל עם מכסה ממברנה.
- הכנת ביציקלוקטדיאן (BOD)
- סינתז אתיל-3-(2-מתוקסיפניל)ביציקלו[2.2.2]אוקטה-2,5-דיאן-2-קרבוקסילאט לפי ספרות19. המיס 9.5 מ"ג ב-100 מ"ל אצטוניטריל (3.5 על 10-4 מ').
- מערבבים 5 מ"ל מהתמיסה הזו עם 5 מ"ל אצטוניטריל כדי לקבל 1.75 x 10-4 מ'. העבר לבקבוקון של 20 מ"ל עם מכסה ממברנה.
- הכנת אזובנזן
- השתמש באזובנזן מסחרי (97+%). המיס 8 מ"ג ב-100 מ"ל אצטוניטריל (4.39 על 10-4 מ').
- מדלל 1 מ"ל של תמיסה זו עם 9 מ"ל אצטוניטריל כדי לקבל 4.39 x 10-5 מ'. העבר לבקבוקון בנפח 20 מ"ל עם מכסה ממברנה.
- הכנת NBD2
- סינתז 3-(4,4,5,5-טטרמתיל-1,3,2-דיוקסבורולן-2-יל)קינולין20 ו-3-ברומו-2-ציאנונורבורנדיאן21 לפי פרוצדורות שדווחו. סינתז את NBD2 על ידי הוספת ברומו-2-ציאנונורבורנדיאן (90 מ"ג, 0.46 מ"מ) ו-Na2CO3 (389 מ"ג, 3.67 מ"מ) לבקבוקון עם מים (5 מ"ל) ודימתוקסיאתאן (5 מ"ל) ודגזה על ידי בועות חנקן למשך שעה. הוסף Pd(PPh 3)4 (27 מ"ג, 0.02 מ"מ) תחת זרם חנקן וערבב את המתלה המתקבל בטמפרטורה של 60°C למשך 48 שעות. מקררים את התערובת ל-RT, מוסיפים מים (10 מ"ל) ומחלצים את המוצר עם DCM (3 × 50 מ"ל). ייבשו את האורגניים המשולבים מעל MgSO4, סיננו וטיהרו את הגולמי באמצעות כרומטוגרפיית עמודת הבזק (הקסאן: אתיל אצטט, גרדיאנט ל-60:40) כדי לתת את המוצר כמוצק צהוב בהיר (15 מ"ג, 13%).
1H NMR (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 ו-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 NMR (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. ספקטרום ה-NMR של NBD2 ו-QC2 מוצגים באיור 13. - השתמש ב-NBD2. המיס 1.9 מ"ג של NBD2 ב-17 מ"ל טולואן (4.57 x 10-4 מ')
- דילל 1 מ"ל של תמיסה זו עם 8.4 מ"ל טולואן כדי לקבל 5.44 x 10-5 מ'. העבר לבקבוקון של 20 מ"ל עם מכסה ממברנה.
- סינתז 3-(4,4,5,5-טטרמתיל-1,3,2-דיוקסבורולן-2-יל)קינולין20 ו-3-ברומו-2-ציאנונורבורנדיאן21 לפי פרוצדורות שדווחו. סינתז את NBD2 על ידי הוספת ברומו-2-ציאנונורבורנדיאן (90 מ"ג, 0.46 מ"מ) ו-Na2CO3 (389 מ"ג, 3.67 מ"מ) לבקבוקון עם מים (5 מ"ל) ודימתוקסיאתאן (5 מ"ל) ודגזה על ידי בועות חנקן למשך שעה. הוסף Pd(PPh 3)4 (27 מ"ג, 0.02 מ"מ) תחת זרם חנקן וערבב את המתלה המתקבל בטמפרטורה של 60°C למשך 48 שעות. מקררים את התערובת ל-RT, מוסיפים מים (10 מ"ל) ומחלצים את המוצר עם DCM (3 × 50 מ"ל). ייבשו את האורגניים המשולבים מעל MgSO4, סיננו וטיהרו את הגולמי באמצעות כרומטוגרפיית עמודת הבזק (הקסאן: אתיל אצטט, גרדיאנט ל-60:40) כדי לתת את המוצר כמוצק צהוב בהיר (15 מ"ג, 13%).
- טעינת דגימות וממסים
- שים בקבוקוני דגימות בשסתום הבחירה. הניחו את בקבוקי הממס במקומות ייעודיים אם נדרשים ממסים חלופיים.
2. קביעת שטף פוטוני LED
- הכנת מערכת מד הכוח
- השיק את תוכנית מחשבון הפוטונפלוקס (קובץ משלים 2). חבר את חיישן הכוח של הפוטודיאודה לממשק PM100USB הספק ומד האנרגיה. ודא שממשק ה-USB מחובר כראוי למחשב להעברת נתונים ולרישום נתונים.
- מיקום חיישן הכוח
- הניחו את חיישן הכוח של הפוטודיאודה בתוך מחזיק הקובטה, מיושר עם המסלול האופטי של מקור האור LED. ודא שהקובטה ממוקמת בין מקור האור של ה-LED לחיישן הכוח.
הערה: הסיבה למיקום החיישן - על ידי מיקום החיישן אחרי הקובט, נמדדים רק הפוטונים העוברים דרך תא הדגימה. גישה זו אינה כוללת פוטונים שלא נכנסים לקובטה בשל גודל החלון הקטן יותר בהשוואה לקרן הקרינה של LED. הוא גם מסביר אובדן פוטונים הנגרם מהחזרה בקירות הקוורצ.
- הניחו את חיישן הכוח של הפוטודיאודה בתוך מחזיק הקובטה, מיושר עם המסלול האופטי של מקור האור LED. ודא שהקובטה ממוקמת בין מקור האור של ה-LED לחיישן הכוח.
- הקלטת מדידות שטף פוטונים
- הדליקו את מקור האור של ה-LED ואפשרו לו להתייצב במידת הצורך. קבל קריאות עוצמה מממשק PM100USB באמצעות תוכנת היצרן. שמור את ערכי ההספק הנמדדים לניתוח נוסף בטבלת כיול פוטונפלוקס (קובץ משלים 3).
3. הקמת מערכת אוטומציה
- הגדרת זרימת הקובט
- הניחו את הקובטה של זרימת UV-Vis במחזיק מבוקר טמפרטורה (כל המדידות בוצעו בטמפרטורת החדר). חבר את מנורת הדאוטריום-הלוגן ומערך ה-LED לצד אחד באמצעות סיבים אופטיים. חלון הקובט הקטן (2 על 4 מ"מ) דורש יישור מדויק.
- חבר את הספקטרומטר לצד השני באמצעות סיבים אופטיים. ממקם עדשת קולימציה בין המנורה לקובט; מקם עדשת פוקוס בין הקובט לספקטרומטר.
- הגדרת בקרת הזרימה
- חבר את הדגימה דרך משאבה פריסטלטית מדויקת. הכנס שסתום בחירה במעלה הזרם כדי לעבור בין הדגימה לממס. הוסיפו חיפושי מתכת בקוטר 0.1 מ"מ לצד הקובט כדי להבטיח יישור.
4. אתחול המערכת
- רכישת ספקטרום ייחוס
- השיק את תוכנית ניסויי התפוקה הקוונטית של GUI פנימית (קובץ משלים 4). שאבו ממס בקצב של 1 מ"ל לדקה דרך השסתום, המשאבה והקובטה הזרימה. רכש ספקטרום ייחוס באמצעות מנורת דויטריום (טווח UV-Vis) לתיקון קו בסיס.
5. תהליך עבודה ניסיוני
- הקדמה לדוגמה
- החלף את השסתום מממס לדגימה בממשק הגרפי. הפעל את המשאבה בקצב זרימה של 1 מ"ל/דקה כדי למלא את הקובטה הזרימה בדגימה. החלפת ממס מהירה מופעלת דרך שסתום הבחירה.
הערה: הדגימה שנבחרה לאורך ההדגמה היא NBD1. - מרשימת נורות ה-LED הזמינות, בחר את נורית ה-UV של 340 ננומטר והגדר את זרם הפעולה ל-600 mA בממשק הגרפי. הגדר את מרווחי מדידת UV-Vis ל-1 שנייה (תיעשה מדידה בכל שנייה כדי לקבל נקודות נתונים נוספות).
- החלף את השסתום מממס לדגימה בממשק הגרפי. הפעל את המשאבה בקצב זרימה של 1 מ"ל/דקה כדי למלא את הקובטה הזרימה בדגימה. החלפת ממס מהירה מופעלת דרך שסתום הבחירה.
- מדידה אוטומטית
- התחל את רצף המדידה. המכשיר יקליט ספקטרום מלא של UV-Vis (ספיגה מול אורך גל) בכל שלב מדידה (על ידי הדלקה/כיבוי אוטומטית של נורת ה-LED בין מדידות ופתיחה וסגירה של תריס המנורה לרכישת ספקטרום). מתוך הספקטרום הזה, התוכנה בוחרת אורך גל מסוים אחד או יותר בשדה מעל ספקטרום הספיגה (מכיוון ש-NBD1 סופג ב-340 ננומטר, סוג 340 ננומטר). עבור אורכי הגל הנבחרים, הוא עוקב אחר השינוי של האות לאורך זמן ככל שרצף המדידה. ייווצר גרף תלוי זמן (זמן על ציר ה-x, ספיגה בציר ה-y).
הערה: חזרו על מדידת התפוקה הקוונטית 3 פעמים כדי לשפר את דיוק התוצאה הסופית. - לאחר סיום התגובה הקדמית, קבע את טמפרטורת המחזיק הנשלט בטמפרטורה ל-60 מעלות צלזיוס. כדי לעשות זאת, פתח את TApp בשולחן העבודה, התחבר ל-COM8, גש לשינוי יעד כדי לשנות את הטמפרטורה, ולחץ אושר. בחר התחל המרה חוזרת בתוכנית. האיזומר המטא-יציב (QC1) יירגע תרמית חזרה למולקולת האם שלו (NBD1).
הערה: חזור על שלב 5.2.2 לעוד 4 טמפרטורות: 65 מעלות צלזיוס, 70 מעלות צלזיוס, 75 מעלות צלזיוס ו-80 מעלות צלזיוס. ההמרה לאחור חייבת להתבצע במינימום של 3 טמפרטורות שונות (כאשר 5 טמפרטורות מספקות ניתוח מדויק יותר) כדי לקבל את התאמות Arrhenius ו-Eyring בתוכנית QYA.pyw.
- התחל את רצף המדידה. המכשיר יקליט ספקטרום מלא של UV-Vis (ספיגה מול אורך גל) בכל שלב מדידה (על ידי הדלקה/כיבוי אוטומטית של נורת ה-LED בין מדידות ופתיחה וסגירה של תריס המנורה לרכישת ספקטרום). מתוך הספקטרום הזה, התוכנה בוחרת אורך גל מסוים אחד או יותר בשדה מעל ספקטרום הספיגה (מכיוון ש-NBD1 סופג ב-340 ננומטר, סוג 340 ננומטר). עבור אורכי הגל הנבחרים, הוא עוקב אחר השינוי של האות לאורך זמן ככל שרצף המדידה. ייווצר גרף תלוי זמן (זמן על ציר ה-x, ספיגה בציר ה-y).
- סיום הניסוי
- עצור את הניסוי ידנית ברגע שההמרה לאחור הושלמה.
6. הליכים לאחר הניסוי
- הכנה למדידה הבאה: שטף לפחות שלושה נפחי צינורות (~200 מיקרוליטר) של דגימה טרייה.
- ניקוי סופי
- החלף את השסתום לממס. משאב ממס דרך המערכת עד שהצינור והקובטה נקיים.
7. ניתוח נתונים
- קבעו את התפוקה הקוונטית באמצעות התוכנית בקובץ המשלים 4 ואת מחצית החיים באמצעות התוכנית בקובץ המשלים 5.
- פתח את QYA.pyw. טען את הקובץ שנשמר מ-QYEX.pyw, הגדר את הריכוז ל-4.1 x 10-5 M ובחר את נורית ה-LED של 340 ננומטר כדי לטעון את שטף הפוטונים הנכון לניסוי הספציפי הזה. בחלק ההיפרפרמטרים, קובע את אורך הגל של נקודת האפס לשווה ל-500 ננומטר, את אורך הגל של הניתוח ל-340 ננומטר, ואת מספר הנקודות להתאמה ל-10. הרץ את הניתוח, ואם השיפוע עוקב אחרי התאמה טובה, שים לב לתפוקה הקוונטית שמחושבת על ידי התוכנית. תפוקות קוונטיות נקבעו על ידי התאמת שינוי הספיגה התלוי בזמן באמצעות מודל קינטי המתחשב בשינויים בספיגת פוטונים ובריכוז במהלך הקרינה. מחלק התיקונים, כלול את התגובה האחורית לתוכנית לחישוב קבועי הקצב.
- פתח HLA.pyw. טעין את הקובץ שנשמר מה-QYEX.pyw והגדר את אורך גל הניתוח ל-340 ננומטר. בתרשים ניתוח הקינטיקה, הכניסו את קבועי הקצב שחושבו בשלב הקודם לפחות ל-5 טמפרטורות שונות. הרץ את הניתוח. התוכנית תיצור את התקפי ארניוס ואיירינג.
תוצאות
בדיקות ביצועים בוצעו באמצעות שלושה פוטו-סוויצ'ים מייצגים - 2-ציאנו-3-(3,4-דימתוקסיפניל)נורבורנדין (NBD1)22, אזובנזן23, ואתיל-3-(2-מתוקסיפניל)ביציקלור[2.2.2]אוקטה-2,5-דיאן-2-קרבוקסילאט (BOD)19 , תוך השוואת הנתונים מתהליך העבודה האוטומטי לתוצאות שדווחו קודם. ניסויי בקרה מראים כי קרינת מנורת UV רציפה ממירה כ-10% מ-NBD1 בתוך 10 דקות (איור 2)17. בתנאי מדידה סטנדרטיים, כל ספקטרום נרשם בפחות מ-0.5 שניות, המקביל להמרה של <0.01%, מה שמראה כי לחשיפת המנורות יש השפעה זניחה על מדידות התפוקה הקוונטית. בניגוד לגישות המסורתיות שממירים דגימות מבחוץ ומעבירות אותן לספקטרומטר, ההתקנה האוטומטית מגבילה נפחי דגימות קטנים בתוך תא מבוקר תרמוסטט ומואר, מה שמפחית תנודות ריכוז ומבטיח מדידות קינטיות מדויקות. קבועי קצב תרמי שנקבעו בחמש טמפרטורות (60 °C, 65 °C, 70 °C, 75°C, 80 °C) שימשו לניתוח Eyring להפקת ΔH‡ ו-ΔS‡ (טבלה 6). 24
הנגזרת המשמשת של נורבורנדיאן, 2-ציאנו-3-(3,4-דימתוקסיפניל)נורבורנדין (איור 3 א), דווחה לראשונה בספרות18 ומכונה כאן פשוט NBD1. ספקטרום הספיגה של NBD1 מראה חפיפה מינימלית עם איזומר הקוודריציקליאן (QC1) שלו (איור 3 b)17, מה שמאפשר פישוט משוואה (1) על ידי התעלמות מהמרה לאחור מונעת פוטו (QC1 → NBD1). QC1 מציג גם מחצית חיים תרמית של כ-30 ימים בטמפרטורת החדר, שהיא איטית בהרבה מטווח הזמן של הפוטואיזומריזציה בתנאי הניסוי. כתוצאה מכך, מכיוון שמחצית החיים התרמית של QC1 (27 ימים ב-25 מעלות צלזיוס) ארוכה בכמה סדרי גודל מטווח הזמן של ההקרנה (דקות), ניתן להתעלם מההמרה התרמית לאחור (איור 4)17. כתוצאה מכך, מתקבל מודל פשוט שבו נלקחות בחשבון רק התגובה הקדמית, ובהנחה שמדובר במקור אור מונוכרומטי, ניתן לפתור את המשוואה הדיפרנציאלית אנליטית כדי לקבל את התשואות הקוונטיות (טבלה 2)17.
הנגזרת הביציקלוקטדינית (BOD) שנחקרה כאן (איור 5), אתיל-3-(2-מתוקסיפניל)ביציקלו[2.2.2]אוקטה-2,5-דיאן-2-קרבוקסילאט, דווחה בעבר בספרות19. הפוטופרודוקט סופג מחוץ לאזור הספקטרלי של התרכובת האב, ומפשט את פרשנות המדידה. כאשר ספקטרום הפוטופרודוקט אינו ידוע, לעיתים מניחים שבהמרה נמוכה הוא אינו סופג, מה שמאיץ את איסוף הנתונים אך עלול לגרום לשגיאה לא ידועה. בניגוד למערכת NBD–QC, מחצית החיים הקצרה של הפוטאיזומר (TCO) מובילה להמרה לאחור מהירה מאוד בטמפרטורת החדר, ודורשת הכללת גם פוטואיזומריזציה קדמית וגם שלבים תרמיים הפוכים במודל הקינטי. מכיוון שמשוואת הקצב אינה ניתנת לפתרון אנליטית, התאמה נומרית מתבצעת על ידי מזעור שאריות (איור 6, טבלה 4)17, בדרך כלל לוקחת כמה שניות במחשב סטנדרטי, לעומת התאמה תת-שנייה במודלים אנליטיים המתעלמים מהחזרה תרמית. המרה תרמית חוזרת נמדדה עוד בארבע טמפרטורות כדי לקבוע את הפרמטרים של מחצית החיים והתרמודינמיים (טבלה 8). בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס, מחצית החיים של BOD נמדדה כ-63 שניות, בהתאמה טובה ל-79.8 שניות שדווחו קודם. ניתוחי Eyring ו-Arrhenius מוצגים באיור 717.
לאזובנזן יש מחצית חיים תרמית ארוכה בטמפרטורת החדר (>6 ימים), מה שמאפשר הזנחת המרה תרמית חזרה. הפוטופרודוקטור הציס-אזובנזן סופג מינימום באזור הטרנס-איזומר (ε340nm^trans ≈ 12,500 M⁻1 ס"מ⁻1; ε340nm^cis ≈ 200 M⁻1 ס"מ⁻1), ומפחית הפרעות ספקטרליות24. מכיוון שהספיגה המולרית של איזומר הציס ב-340 ננומטר קטנה בשני סדרי גודל מזו של האיזומר הטרנס , תרומתו לאות הספיגה זניחה בהמרה נמוכה. בהמרה נמוכה, המרה אחורית מונעת על ידי פוטו משפיעה זניחה, ומאפשרת פישוט של המודל הקינטי על ידי הוצאת פוטואיזומריזציה הפוכה ומונחים תרמיים (איור 8, טבלה 5)17. בעוד שמדידת מצב הפוטוסטציונרי מאפשרת קביעת תפוקות קוונטיות קדימה ואחורה, מחקר זה מתמקד בתגובה הקדמית. מחצית החיים התרמית הנמדדת של 6.78 ימים תואמת היטב את ערך הספרות של 7.34 ימים, וניתוחי Eyring ו-Arrhenius המתאימים מוצגים באיור 917, עם פרמטרים תרמודינמיים מסוכמים בטבלה 917.
בנוסף לביצוע ביצועים עם פוטו-סוויצ'ים מוכרים, 2-ציאנו-3-(3-קינולין)נורבורנדיין (NBD2) סונתז ונחקר באמצעות ההגדרה האוטומטית (איור 10). תוצאות הפוטוקונברסיה המוצגות במאמר זה הן חדשות, ומדגימות את יכולת המערכת לאפיין את ההתנהגות הפוטוכימית של תרכובות חדשות בתנאי הקרנה מבוקרים וניתנים לשחזור. הממס בו השתמשו היה טולואן, וריכוז התמיסה היה 5.4 על 10-5 מ'. באמצעות נורית LED של 340 ננומטר, התקבלה תפוקה קוונטית כוללת של 11% (איור 11, טבלה 3). מכיוון ש-QC2 סופג באורך גל של 340 ננומטר, גם התרכובת האם וגם הפוטופרוקט מתחרים על אותם פוטונים, כלומר שטף הפוטונים האפקטיבי שמניע כל מין מתפתח במהלך התגובה. כדי למנוע שגיאות שיטתיות בתפוקה הקוונטית, נוסחה התאמה אופטימלית לספיגה החופפת בין NBD2 ל-QC2 באורך גל הקרינה, שכללה במפורש את תרומת התוצרה. ההתאמה המתוקנת משתמשת במודל קינטי המתחשב בשינויים בריכוזי התרכובת הראשית ובפוטופרוקט במהלך הקרינה, תוך התחשבות בכך ששניהם סופגים ב-340 ננומטר. יישום הליך ההתאמה האופטימלי הניב תפוקה קוונטית כוללת מתוקנת של 11.6%.
במסגרת זו, שטף הפוטונים הנמדד מתאים לשטף הפוטונים הכולל הנכנס לדגימה ומומר לשטף הפוטונים הנספג באמצעות הספיגה הכוללת התלויה בזמן של המערכת. חוק ביר-למברט משמש לקביעת שיעור הפוטונים הנכנסים שנספגים, ולאחר מכן שטף הפוטונים הנספג מחולק בין NBD2 ל-QC2 ביחס לתרומתם לספיגה הכוללת בכל נקודת זמן. כתוצאה מכך, כאשר המכפלה נוצרת, היא לוכדת חלק הולך וגדל מהפוטונים, מה שמפחית בהדרגה את כמות האור הזמינה להמשך המרה של התרכובת האב.
מכיוון שריכוזי NBD2 ו-QC2 משתנים עם הזמן ומשפיעים ישירות על כמות האור שנספגת, לא ניתן לתאר את המערכת באמצעות משוואה אנליטית פשוטה. במקום זאת, המודל הקינטי נפתר נומרית. בפועל, נבחר ערך ניסוי של התפוקה הקוונטית, התגובה מדומה לאורך זמן, ועקומת הספיגה המתקבלת מושווית לנתוני הניסוי. התפוקה הקוונטית מותאמת והסימולציה חוזרת על עצמה עד שמושגת ההתאמה הטובה ביותר בין הספיגה המחושבת למדידה. זה מתאים להתאמה גלובלית של מאגר הנתונים מלא בזמן הספיגה, ולא להתאים נקודות בודדות באופן עצמאי. כדי להריץ מודל זה, יש לדעת את הספיגה המולרית של QC2 ב-340 ננומטר. פרמטר זה נקבע בנפרד באמצעות חוק ביר-למברט, בהתבסס על הספיגה הנמדדת לאחר הקרנה ב-340 ננומטר. לאחר ההגדרה, הספיגה המולרית של QC2 מטופלת כפרמטר קלט קבוע ואינה מותאמת במהלך הליך ההתאמה.
איור 1: סכמטי של פלטפורמת אפיון הפוטו-סוויץ'. המערכת האוטומטית בנויה על מערכת זרימה רב-רכיבית. איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 2: השפעת חשיפה רציפה מנורת UV על נורבורנדיין (NBD1). לאחר 10 דקות של הקרנה, ה-NBD עובר המרה ~10%, בעוד שהספקטרום הבודד שנרשם ב-<0.5 שניות גורם להמרה זניחה (<0.01%). איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 3: פוטו-סוויצ'ינג NBD1–QC1 וספקטרום UV–Vis. א) ייצוג סכמטי של מערכת הפוטו-מתג נורבורנדיאן–קוואדריציקליין (NBD1–QC1). ב) ספקטרום הספיגה UV-Vis של NBD1 ו-QC1. התרשים מציג את מערכת הפוטו-סוויץ' NBD1–QC1, כולל סכמטיקה של ההמרה בין NBD1 ל-QC1 המושרה על ידי אור וספקטרום ה-UV–Vis המתאימים, המדגישה את השינויים בספיגה בין NBD1 ל-QC1. איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 4: המחשה של התרומה הזניחית של המרה תרמית והמרה חוזרת מונעת פוטוגרפיה עבור זוג NBD1–QC1, בשל חפיפה ספקטרלית מינימלית ומחצית חיים ארוכה של בקרת איכות. השפעת הכללת תגובת ההחזרה התרמית על התאמת התפוקה הקוונטית ב-25 מעלות צלזיוס. הזנחת תגובת ההחזרה התרמית נתנה תפוקה קוונטית של 67%, בעוד שהתחשבות בה העלתה מעט את הערך ל-68%. איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 5: פוטו-סוויצ'ינג BOD–TCO ושינויים ספקטרליים ב-UV–Vis. א) סכמטי של מערכת הפוטו-מתג הביציקלוקטאדיין–טטרציקלוקקטן (BOD–TCO). ב) ספקטרום UV-Vis של BOD ומצבו הפוטוסטציונרי (TCO) לאחר הקרנה ב-308 ננומטר. האיור מציג את מערכת הפוטו-סוויץ' BOD–TCO, המציגה סכמטיקה של ההמרה BOD-to-TCO המושרה על ידי אור ואת ספקטרום הספיגה של UV–Vis המתאימים, הממחישים את השינויים הספקטרליים לאחר יצירת מצב הפוטוסטציונרי העשיר ב-TCO לאחר הקרנה של 308 ננומטר. איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 6: איורים של התאמת תפוקה קוונטית עם ובלי הכללה של מונח ההמרה התרמית. השוואה בין התאמה אנליטית תוך התעלמות ההמרה התרמית לאחור (QY = 13.8%) לבין התאמה נומרית הכוללת המרה תרמית אחורה (QY = 15.1%, k = 5.5497×10−3 s−1 ב-20 °C) עבור BOD, תוך הדגשת ההבדלים בקינטיקה שהושגו. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 7: גרפי Eyring ו-Arrhenius עבור BOD. הגרפים שימשו לקביעת מחצית חיים תרמית ופרמטרים תרמודינמיים בשלוש טמפרטורות. קבועי הקצב הותאמו באמצעות משוואות ארניוס ואיירינג. איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 8: פוטואיזומריזציה של אזובנזן ושינויים ספקטרליים ב-UV–Vis. א) סכמטי של פוטואיזומריזציה של אזובנזן. ב) ספקטרום UV-Vis של טרנס-אזובנזן ומצב הפוטוסטציונרי (מועשר בציס-אזובנזן) לאחר הקרנה של 340 ננומטר. האיורים ממחישים את הפוטואיזומריזציה של אזובנזן, ומציגים סכמטיקה של תהליך המיתוג טרנס-ל-סיס וספקטרום הספיגה של UV–Vis המתאימים, ומדגישים את השינויים הספקטרליים ביצירת מצב הפוטוסטציונרי העשיר בציס לאחר הקרנה של 340 ננומטר. איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 9: איירינג וארניוס מתכננים את האזובנזן. הגרפים שימשו לקביעת מחצית חיים תרמית ופרמטרים תרמודינמיים בשלוש טמפרטורות. קבועי הקצב הותאמו באמצעות משוואות ארניוס ואיירינג. איור זה משוחזר מהפניה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של הדמות הזו.
איור 10: ספקטרום פוטואיזומריזציה וספיגה של NBD2. א) ייצוג סכמטי של הפוטואיזומריזציה של NBD2/QC2. ב) ספקטרום UV-Vis של NBD2 ו-QC2 לאחר הקרנה של 340 ננומטר. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 11: התאמת תפוקה קוונטית עבור NBD2 עם אופטימיזציה לספיגת מוצר. א) דוגמה להתאמת תפוקה קוונטית של NBD2 על קרינה ב-340 ננומטר, לאחר ספיגה ברזולוציה בזמן ב-330 ננומטר. קצב ההמרה התרמית (k = 9.1×10−6 s−1) והספיגה של המוצר באורך גל הקרינה (ε ^NBD2 = 9210 M−1 ס"מ−1, ε ^QC2 = 1900 M−1 ס"מ−1) כלולים בהתאמה מספרית זו כדי לקבל QY אופטימלי של 11.6% (קו כחול) ב-25 °C לעומת התאמה אנליטית שנותנת ערך QY של 13.3% (קו אדום). ב) שאריות עבור התאמת תפוקה קוונטית אופטימלית, כולל ספיגת התוצרה. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 12: אירינג וארניוס מתכננים עבור NBD2. הגרפים שימשו לקביעת מחצית חיים תרמית ופרמטרים תרמודינמיים בחמש טמפרטורות. קבועי הקצב הותאמו באמצעות משוואות ארניוס ואיירינג. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
איור 13. 1H ספקטרום NMR של NBD2/QC2. א) ספקטרום NMR של NBD2 ב-CD2Cl2 עם אטומים ממוספרים התואמים להקצאה בחלק הניסוי. ב) ספקטרום NMR של NBD2 בטולואן-d8 ואחרי שעה של הקרנה עם LED של 340 ננומטר שמאפשר המרה מלאה ל-QC2. הפסגות האופייניות ל-NBD מוצגות בוורוד והן נעלמות לאחר הקרינה, ושיאי הממס שנותרו מודגשים בצהוב. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
| קטגוריה | פרמטר | דוגמה / הערות |
| דוגמה | זהות הפוטו-סוויץ' | NBD, BOD, Azobenzene |
| ריכוז | לדוגמה, 4.1 × 10-5 M | |
| ממס | לדוגמה, אצטוניטריל, טולואן | |
| LED / הקרנה | אורך גל | אורכי גל זמינים: 280 ננומטר, 310 ננומטר, 340 ננומטר, 365 ננומטר, 410 ננומטר, 455 ננומטר |
| זרם תפעולי / הספק | 600 מ״אמפר, 600, 600 מ״אמפר, 1000 מ״אמפר, 1200 מ״אמפר, 1200 מ״אמפר, בהתאמה. | |
| שטף פוטונים | ערך מכויל התואם ל-LED ולהגדרות | |
| מרווח מדידה | ברירת המחדל היא שנייה אחת לכל ספקטרום | |
| ספקטרוסקופי / אנליזה | אורך גל ניתוח | פחות או יותר שווה לאורך הגל של ה-LED שבו משתמשים |
| אורך גל נקודה אפס | הנקודה שבה אין יותר ספיגה (בדרך כלל סביב 500 ננומטר) | |
| מספר הנקודות להתאמה | בדרך כלל סביב 10, תלוי בכמה נקודות נתונים זמינות | |
| טמפרטורה | תגובה קדימה | בדרך כלל טמפרטורת החדר (25 מעלות צלזיוס) |
| המרה אחורית | זה תלוי מאוד במולקולה (למשל, 70 מעלות צלזיוס) | |
| ניתוח קינטי | נדרשו לפחות שלוש טמפרטורות שונות במהלך ההמרה האחורית | |
| מערכת זרימה | קצב זרימה | ברירת המחדל היא 1 מ"ל לדקה |
| נפח שטיפה | 200 מיקרוליטר בין מדידות |
טבלה 1: פרמטרים תלויים במשתמש. הטבלה מסכמת את הפרמטרים הראשוניים המרכזיים שהמשתמש חייב להגדיר לצורך אפיון אוטומטי של מתג הפוטו, כולל ריכוז הדגימה, ממס, אורך גל LED והספק, אורך גל מדידה, טמפרטורה, קצב זרימה והגדרות תוכנה, החיוניות להבטחת מדידות פוטוכימיות מדויקות ושחזוריות.
| אורך גל הקרינה | מספר המדידות | ערך ניסויי |
| 340 ננומטר | 7 | 0.676 ± 0.028 |
| 365 ננומטר | 2 | 0.689 ± 0.022 |
טבלה 2: תפוקות קוונטיות של NBD1/QC1 בטולואן בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. תפוקות קוונטיות של NBD1 נמדדו בשני אורכי גל של קרינה בטולואן בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. טבלה זו משוחזרת ממקורה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17
| אורך גל הקרינה | מספר המדידות | ערך ניסויי |
| 340 ננומטר | 5 | 0.109 ± 0.017 |
טבלה 3: תפוקות קוונטיות של NBD2/QC2 בטולואן ב-25 מעלות צלזיוס (התאמה לא מתוקנת). תפוקות קוונטיות של NBD2 נמדדו באורך גל קרינה אחד בטולואן ב-25 מעלות צלזיוס.
| אורך גל הקרינה | מספר המדידות | ערך ניסויי | קואנט ואח' (2022) |
| 308 ננומטר | 2 | 0.146 ± 0.007 | 0.1443 ± 0.0004 |
טבלה 4: תפוקה קוונטית של BOD באצטוניטריל בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס (308 ננומטר). התפוקה הקוונטית של BOD נמדדה בהקרנה של 308 ננומטר, שבוצעה בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס באצטוניטריל. טבלה זו משוחזרת ממקורה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17
| אורך גל הקרינה | מספר המדידות | ערך ניסויי | לדאני ואח' (2017) |
| 340 ננומטר | 3 | 0.148 ± 0.003 | |
| 334 ננומטר | 6 | 0.155 ± 0.006 |
טבלה 5: תשוקות קוונטיות עבור פוטואיזומריזציה של אזובנזן טרנס-סיס. תפוקות קוונטיות עבור פוטואיזומריזציה של אזובנזן טרנס-טו-סיס ב-340 ננומטר באצטוניטריל ב-25 מעלות צלזיוס, בהשוואה לערכי ספרות שנמדדו במתנול ב-334 ננומטר. טבלה זו משוחזרת ממקורה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17
| נכס | ערך |
| מחצית חיים (25°C) | 27 ימים |
| ∆H‡ | 115.039935 קיל-ג'ול/מול |
| ∆S‡ | 16.1 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 117.974 קיל-ג'ול/מול |
טבלה 6: פרמטרים תרמודינמיים עבור NBD1. הטבלה מציגה פרמטרים קינטיים ותרמודינמיים מרכזיים לאיזומריזציה התרמית של NBD1, כולל מחצית החיים שלה ב-25°C, יחד עם אנתלפיה, אנטרופיה ואנרגיית גיבס החופשית של הפעלה, המתארים יחד את היציבות התרמית והתנהגות האיזומריזציה של התרכובת. טבלה זו משוחזרת ממקורה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17
| נכס | ערך |
| מחצית חיים (25°C) | 0.884 ימים |
| A | 2.15e+10 1/s |
| ∆H‡ | 82.998240 קילג'ול/מול |
| ∆S‡ | -56.3 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 68.22 קילוג'ול למול |
טבלה 7: פרמטרים תרמודינמיים עבור NBD2. הטבלה מציגה פרמטרים קינטיים ותרמודינמיים מרכזיים לאיזומריזציה התרמית של NBD2, כולל מחצית החיים שלה ב-25 מעלות צלזיוס, גורם קדם-אקספוננציאלי של ארניוס, והאננתלפיה, האנטרופיה והאנרגיה החופשית של גיבס הנלווים, אשר יחד מתארים את היציבות התרמית והתנהגות האיזומריזציה של התרכובת.
| נכס | ערך |
| מחצית חיים (25°C) | 63 שניות |
| A | 7.10e+13 1/s |
| ∆H‡ | 87.824995 קילג'ול למול |
| ∆S‡ | 12.2 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 90.240 קילוג'ול/מול |
טבלה 8: פרמטרים תרמודינמיים עבור BOD. הטבלה מציגה פרמטרים קינטיים ותרמודינמיים מרכזיים לאיזומריזציה תרמית של BOD, כולל מחצית החיים שלו ב-25 מעלות צלזיוס, פקטור ארניוס לפני האקספוננציאלי, והאננתלפיה, האנטרופיה והאנרגיה החופשית של גיבס, המתארים יחד את היציבות התרמית והתנהגות האיזומריזציה של התרכובת. טבלה זו משוחזרת ממקורה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17
| נכס | ערך |
| מחצית חיים (25°C) | 6.796 ימים |
| A | 3.99e+10 1/s |
| ∆H‡ | 91.452630 קילג'ול למול |
| ∆S‡ | -51.6 J/mol K |
| ∆G‡ (25°C) | 94.347 קיל-ג'ול למול |
טבלה 9: פרמטרים תרמודינמיים לאזובנזן. הטבלה מציגה פרמטרים קינטיים ותרמודינמיים מרכזיים לאיזומריזציה תרמית של אזובנזן, כולל מחצית החיים שלו ב-25 מעלות צלזיוס, גורם ארניוס לפני האקספוננציאלי, והאנרגיה האננתלפית, האנטרופיה והאנרגיה החופשית של גיבס הנלווות, אשר יחד מתארים את היציבות התרמית והתנהגות האיזומריזציה של התרכובת. טבלה זו משוחזרת ממקורה 17 באישור החברה המלכותית לכימיה, תחת רישיון גישה פתוחה CC-BY. 17
קובץ משלים 1: ניסוי תפוקה קוונטית. תוכנית ניסויי התפוקה הקוונטית היא ממשק המשתמש הגרפי שמאפשר למשתמש לבצע את תגובת הפוטקונברציה. יש להכין או להעלות ספקטרום ייחוס של הממס הנמצא בשימוש לפני תחילת הניסוי (לתיקון קו בסיס). ספקטרום הספיגה של המולקולה ניתן למעקב כאן לאורך זמן. התוכנית מסוגלת להמיר את המולקולה חזרה למצב האב שלה, במידת הצורך, כלומר באמצעות חימום (עבור מתג פוטו-סוויץ' מסוג T) או באמצעות הקרנה באורך גל שונה (עבור פוטו-סוויץ' מסוג P). אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
קובץ משלים 2: מחשבון פוטונפלוקס. תוכנת מחשבון פוטונפלוקס משמשת לכיול שטף הפוטונים של נורות LED זמינות. שטף הפוטונים נקבע מההספק האופטי שנמדד באמצעות חיישן פוטודיאודה מכויל והומר לשטף פוטונים באמצעות אורך גל LED. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
קובץ משלים 3: טבלת כיול פוטונפלוקס. טבלת כיול הפוטונפלוקס מחזיקה את הנתונים שנאספו ממחשבון פוטונפלוקס. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
קובץ משלים 4: ניתוח תפוקה קוונטית. תוכנית ניתוח התפוקה הקוונטית מאפשרת למשתמש לקבוע או את התפוקה הקוונטית של תגובה או, לחלופין, את זרם הפוטונים המתאים. לפני תחילת הניתוח, המשתמש חייב לספק או את ריכוז התמיסה או את מקדם ההכחדה. אם מתרחשת המרה חזרה מעודדת תרמית במהלך הניסוי, ניתן גם לקבוע את קבועי הקצב הנלווים; ערכים אלו משמשים לאחר מכן לחישוב מחצית החיים של המולקולה. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
קובץ משלים 5: ניתוח מחצית חיים. תוכנית ניתוח מחצית החיים משתמשת בקבועי הקצב (k) במינימום של שלוש טמפרטורות שונות כדי ליצור התאמות ארנייוס ואיירינג, המאפשרים חילוץ הפרמטרים הקינטיים והתרמודינמיים המתאימים. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.
דיון
המאפיינים הפוטוכימיים והתרמודינמיים הראשוניים של מתגים מולקולריים ניתנים לזיהוי אמין ויעיל באמצעות פלטפורמת אפיון פוטוכימי אוטומטית מבוססת זרימה. כמה מרכיבי זרימת עבודה חיוניים להשגת תוצאות מדויקות. חישוב מדויק של תפוקות קוונטיות בפוטואיזומריזציה דורש כיול מדויק של שטף הפוטונים25 של ה-LED. חיישן הכוח חייב להיות ממוקם תמיד אחרי הקובטה משתי סיבות. ראשית, לוודא שרק פוטונים שמגיעים לדגימה נמדדים (מכיוון שקרן הקרינה של ה-LED לרוב רחבה יותר מחלון הקובט). שנית, לשקול את אובדני ההחזרה והבליעה במשטחי הקובט26. שמירה על שליטה קבועה בטמפרטורה בתוך תא המיקרופלואיד היא חיונית, שכן גם שינויים קטנים יכולים להשפיע על קצבי ההחזרה התרמית ולעוות ניתוחים קינטיים. לבסוף, יש לאמת בקפידה טיפול אוטומטי בדגימות כדי למנוע הכנסת בועות אוויר או השפעות דילול, שעלולות להוביל לארטיפקטים ספקטרליים27. פוטו-סוויץ' NBD שלא דווח קודם לכן, NBD2, הוערך באמצעות ההגדרה האוטומטית, שהדגימה את ההמרה המושרה בפוטו-טולואן והדגיש את יכולת המערכת לאפיין פוטו-סוויצ'ים חדשים באופן שחזורי.
העיצוב המודולרי של הפלטפורמה מאפשר התאמות בהתאם לצרכים של מערכות פוטו-סוויץ' שונות. מקורות אור נוספים, כולל מנורות UV או דיודות לייזר, יכולים להשתלב במודול ההקרנה עבור מתגי פוטו-סוויץ' שסופגים מחוץ לטווח הספקטרום של מערך ה-LED. מסגרת פייתון יכולה להיות מורחבת לכלול שיטות התאמה גלובלית או דה-קונבולוציה רב-אורכי גל במצבים שבהם תחומי בליעה חופפים מקשים על ניתוח ספקטרלי. הבטחת יישור מדויק של המסלול האופטי כדי למקסם את האות המשודרג, בדיקת יציבות יציאת ה-LED, ושמירה על ריכוזי דגימות בטווח הזיהוי הלינארי של ספקטרומטר ה-UV-Vis הם משימות שגרתיות לפתרון תקלות. אם ניתוחי התפוקה הקוונטית והקינטיים אינם מצליחים להסתגל באופן אמין, לעיתים קרובות הדבר מצביע על כך שהמודל הקינטי שנבחר אינו מתאים (למשל, התעלמות מהחזרה תרמית במערכות מסוג BOD) או שהנתונים אינם נפתרו מספיק בזמן, שניתן לשפר על ידי הגדלת תדירות המדידות הספקטרליות28.
עדיין קיימות מגבלות והגבלות מסוימות, למרות שהפלטפורמה משפרת משמעותית את השחזור והתפוקה. ללא שינויים, התצורה הנוכחית אינה חלה על פוטו-סוויץ' במצב מוצק, הטרוגני או קשור לממברנה, שכן היא דורשת דגימות נוזל הומוגניות. חפיפה ספקטרלית חזקה בין ההורה לפוטופרוקט מפחיתה את דיוק הדקונבולוציה הספקטרלית ועלולה לגרום לאי-דיוק בחישוב התפוקה הקוונטית בהמרות גבוהות29. יתרה מזאת, כיום הזמן המינימלי בין מדידות ספקטרליות עוקבות הוא 1 שנייה, אם כי זמני אינטגרציה קצרים יותר עשויים להיות מושגים בהתאם להגדרות ספקטרומטר30. שיטות מסורתיות לאפיון מתגים פוטו-סוויץ' הן לעיתים מבוססות אצווה וכוללות הקרנה ידנית של דגימות בקובטות לפני העברתן לספקטרומטרים. הליכים אלו מוסיפים שונות תלויה במשתמש, צורכים כמויות גדולות יותר של דגימה, ויש להם קצב תפוקה מוגבל. לעומת זאת, השיטה המוצגת משלבת ניטור, ניתוח והקרנה לתוך צינור אוטומטי אחד. שינויים בריכוז ושגיאות טיפול מופחתים על ידי קבלת ספקטרום במקום והכלת דגימות בקנה מידה מיקרוליטר בסביבה מיקרופלואידית מבוקרת טמפרטורה. גישה זו שונה מטכניקות קונבנציונליות ומחולקות בכך שהיא יכולה לבצע אוטומטית מחקרי Eyring ו-Arrhenius בטמפרטורות שונות בתהליך עבודה אחד. תפוקות קוונטיות ומחצית חיים תרמית של NBD, BOD ואזובנזן תואמים במידה רבה את הערכים שנראו בספרות, מה שמראה שאוטומציה מגדילה יעילות וחזרתיות מבלי לוותר על דיוק15.
פלטפורמה זו מאפשרת יישומים רחבים ורב-תחומיים על ידי מתן אפיון מהיר וסטנדרטי של מערכות פוטו-סוויץ'. עיצוב פוטו-סוויץ' עם דינמיקת הפעלה/כיבוי צפויה בהקשרים ביולוגיים דורש מדידות מדויקות של תפוקה קוונטית ומדידות מחצית חיים, שהן קריטיות בפוטופרמקולוגיה31. הערכה מדויקת של יעילות הפוטואיזומריזציה ויציבות האחסון בדלקים תרמיים סולאריים מאיצה את סינון מולקולות פוטנציאליות לאחסון אנרגיה שימושי32. הטכניקה מאפשרת השוואה מהירה של מועמדים פוטנציאליים להפעלה מונעת אור או לאחסון נתונים במדעי החומרים, שם מתגים משולבים בפולימרים ובציפויים רספונסיביים33. מעבר לשימושים ספציפיים, היכולת לייצר מערכי נתונים גדולים וסטנדרטיים מאפשרת שימוש בטכניקות למידת מכונה להכוונת תכנון מולקולרי ואופטימיזציה34.
פלטפורמת האפיון האוטומטית, לסיכום, יוצרת תהליך עבודה אוטומטי המאפשר ניתוח של דגימות פוטו-סוויץ' מרובות ברצף עם התערבות ידנית מינימלית. בעוד שהעיצוב המודולרי מאפשר פתרון תקלות והתאמה לסוגי פוטו-סוויץ' שונים, שלבים קריטיים כוללים כיול קפדני של שטף הפוטונים ושליטה קפדנית בטמפרטורה35. הגישה מהווה התקדמות משמעותית לעומת שיטות מבוססות אצווה קונבנציונליות, למרות שהיא מוגבלת על ידי בעיות של חפיפת ספקטרום והומוגניות של דגימה. תהליך עבודה משולב זה חשוב, משום שהוא מאפשר הערכה שיטתית של פוטו-סוויץ' מולקולריים על ידי שילוב הקרנה, ניטור ומידול קינטי לתוך זרימת עבודה אחת. תהליך העבודה האוטומטי הזה מספק מסגרת ניתנת להרחבה להאצת גילוי ואפיון של פוטו-סוויץ' מולקולריים פונקציונליים בתחומי מחקר שונים כגון אחסון אנרגיה סולארית, חומרים חכמים ומערכות ביולוגיות מונעות אור, משום שהיא יכולה להאיץ את הגילוי תוך דרישהלפחות השתתפות משתמשים.
גילויים
למחברים אין מה לחשוף.
תודות
המחברים מודים בהכרת תודה על התמיכה הכספית מתוכנית Horizon 2020 של הנציבות האירופית (מענק מס' 951801 MOST), תוכנית המדע המצוינת של המועצה האירופית למחקר (מענק מס' 101002131 PhoTherm), ומיחידת המחקר של Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) FOR5499 Molekulares Management von Sonnenenergie – Chemie von MOST – Systemen Project מספר 496207555, כולל חלק פרויקט D-Dev: חקר MOST עבור מכשירים/במכשירים. אנו גם מודים לאוניברסיטת הפוליטכניקה של קטלוניה על הגישה למכשירים אנליטיים ותשתיות.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תא זרימה | תאי סטארנה | 583.4.2F-Q-10/Z15 | בתוך מחזיק התא |
| מערך LED | Thorlabs | M280F5, M310F1, M340F4, M365FP1, | מחובר בסיבים; מספק הקרנה מבוקרת |
| M405F3, M430F1, M455F3 | |||
| חיישן כוח פוטודיודי | Thorlabs | S120VC | למדידת זרימת פוטונים |
| מחשב נייד עם תוכנה מותקנת | לרכישת נתונים, אחסון וניתוח | ||
| ממשק מד כוח ואנרגיה (USB) | Thorlabs | PM100USB | מחבר חיישן למחשב להעברת נתונים |
| משאבה | Vapourtec | SF10 | - |
| מעמד דגימות | תכנון פנימי והדפסה בתלת מימד | - | - |
| ספקטרומטר | Avantes | AvaSpec-ULS2048CL-EVO | - |
| מזרקים וצינורות | IDEX | צינורות ETFE בקוטר פנימי 0.7 מ"מ | תואם למערכת משאבה מיקרופלואידית |
| מחזיק תא מבוקר טמפרטורה | Quantum Northwest | qPod 3e | - |
| מנורת UV | Avantes | AvaLight-D(H)-S | - |
| שסתום | Knauer | AVQ63AF | ממזג שסתומים AWA01XA |
מקורות
- Pianowski, Z. L. Recent Implementations of Molecular Photoswitches into Smart Materials and Biological Systems. Chem A Eur J. 25, 5128-5144 (2019).
- Welleman, I. M., Hoorens, M. W. H., Feringa, B. L., Boersma, H. H., Szymański, W. Photoresponsive molecular tools for emerging applications of light in medicine. Chem Sci. 11, 11672-11691 (2020).
- Meng, X., et al. Recent Advances in Smart Windows Based on Photo‐Responsive Liquid Crystals Featuring Phase Transition. Chempluschem. 89, e202300700(2024).
- Mishra, K., et al. Genetically encoded photo-switchable molecular sensors for optoacoustic and super-resolution imaging. Nat Biotechnol. 40, 598-605 (2022).
- Salthouse, R. J., Moth-Poulsen, K. Multichromophoric photoswitches for solar energy storage: from azobenzene to norbornadiene, and MOST things in between. J Mater Chem A Mater. 12, 3180-3208 (2024).
- Wang, H., Bisoyi, H. K., Zhang, X., Hassan, F., Li, Q. Visible Light‐Driven Molecular Switches and Motors: Recent Developments and Applications. Chem A Eur J. 28, e202103906(2022).
- Xu, Y., Tang, Y., Li, Q. Visible‐ and Near‐Infrared Light‐Driven Molecular Photoswitches for Biological Applications. Adv Funct Mater. 35, 2416359(2025).
- Luo, P., Xiang, S., Li, C., Zhu, M. Photomechanical polymer hydrogels based on molecular photoswitches. J Poly Sci. 59, 2246-2264 (2021).
- Sun, C., Wang, C., Boulatov, R. Applications of Photoswitches in the Storage of Solar Energy. ChemPhotoChem. 3, 268-283 (2019).
- Losantos, R., Sampedro, D. Design and Tuning of Photoswitches for Solar Energy Storage. Molecules. 26, 3796(2021).
- Salthouse, R. J., Moth-Poulsen, K. Multichromophoric photoswitches for solar energy storage: from azobenzene to norbornadiene, and MOST things in between. J Mater Chem A Mate.r. 12, 3180-3208 (2024).
- van Leeuwen, T., Lubbe, A. S., Štacko, P., Wezenberg, S. J., Feringa, B. L. Dynamic control of function by light-driven molecular motors. Nat Rev Chem. 1, 0096(2017).
- Irie, M. Diarylethenes for Memories and Switches. Chem Rev. 100, 1685-1716 (2000).
- Volker, A., Steen, J. D., Crespi, S. A fiber-optic spectroscopic setup for isomerization quantum yield determination. Beilstein J Org Chem. 20, 1684-1692 (2024).
- Orrego-Hernández, J., Dreos, A., Moth-Poulsen, K. Engineering of Norbornadiene/Quadricyclane Photoswitches for Molecular Solar Thermal Energy Storage Applications. Acc Chem Res. 53, 1478-1487 (2020).
- Griffiths, R. R., et al. Data-driven discovery of molecular photoswitches with multioutput Gaussian processes. Chem Sci. 13, 13541-13551 (2022).
- Elholm, J. L., et al. An automated photo-isomerisatio.n and kinetics characterisation system for molecular photoswitches. Digital Disc. 4, 2045-2051 (2025).
- Jevric, M., et al. Norbornadiene‐Based Photoswitches with Exceptional Combination of Solar Spectrum Match and Long‐Term Energy Storage. Chem Eur J. 24, 12767-12772 (2018).
- Quant, M., et al. Synthesis, characterization and computational evaluation of bicyclooctadienes towards molecular solar thermal energy storage. Chem Sci. 13, 834-841 (2022).
- Jevric, M., et al. Norbornadiene‐Based Photoswitches with Exceptional Combination of Solar Spectrum Match and Long‐Term Energy Storage. Chem Eur J. 24, 12767-12772 (2018).
- Ladányi, V., et al. Azobenzene photoisomerization quantum yields in methanol redetermined. Photochem Photobiol Sci. 16, 1757-1761 (2017).
- Vetráková, L., et al. The absorption spectrum of cis-azobenzene. Photochem Photobiol Sci. 16, 1749-1756 (2017).
- Bowman, W. D., Demas, J. N. Ferrioxalate actinometry. A warning on its correct use. J Phys Chem. 80, 2434-2435 (1976).
- Hatchard, C. G., Parker, C. A. A new sensitive chemical actinometer - II. Potassium ferrioxalate as a standard chemical actinometer. Proc R Soc Lond A Math Phys Sci. 235 (1203), 518-536 (1956).
- Megerle, U., Lechner, R., König, B., Riedle, E. Laboratory apparatus for the accurate, facile and rapid determination of visible light photoreaction quantum yields. Photochem Photobiol Sci. 9, 1400-1406 (2010).
- Aleotti, F., et al. Engineering Azobenzene Derivatives to Control the Photoisomerization Process. J Phys Chem A. 127, 10435-10449 (2023).
- Kumbhakar, M., et al. High‐Throughput Screening of High‐Entropy Fluorite‐Type Oxides as Potential Candidates for Photovoltaic Applications. Adv Energy Mater. 13, 2204337(2023).
- Stadler, E., et al. A versatile method for the determination of photochemical quantum yields via online UV-Vis spectroscopy. Photochem Photobiol Sci. 17, 660-669 (2018).
- Kobauri, P., Dekker, F. J., Szymanski, W., Feringa, B. L. Rational Design in Photopharmacology with Molecular Photoswitches. Angew Chem Int Ed. 62, e202300681(2023).
- Mony, J., et al. Photoisomerization Efficiency of a Solar Thermal Fuel in the Strong Coupling Regime. Adv Funct Mater. 31, 2010737(2021).
- Wang, N., Wang, H., Wang, K., Zuo, J., Wang, Z. Reversible dual stimuli-responsive polymer coatings with antimicrobial properties for oil–water separation. J Water Proc Eng. 77, 108484(2025).
- Wang, Z., et al. Liquid‐Based Multijunction Molecular Solar Thermal Energy Collection Device. Adv Sci. 8, 2103060(2021).
- Börjesson, K., Lennartson, A., Moth-Poulsen, K. Efficiency Limit of Molecular Solar Thermal Energy Collecting Devices. ACS Sustain Chem Eng. 1, 585-590 (2013).
הדפסות חוזרות והרשאות
מאמר זה פורסם
הסרטון יגיע בקרוב