ヒドラゾンフォトスイッチの光異性化量子収率の決定
2022年2月7日
光異性化量子収率は、新開発のフォトスイッチの検討において正確に決定されるべき基本的な光物性である。ここでは、双安定フォトスイッチをモデルとしてフォトクロミックヒドラゾンの光異性化量子収率を測定するための一連の手順について説明する。
ここでは、フォトクロミックヒドラゾンをモデルフォトスイッチング分子として光異性化量子収率を正確に測定するための一連のプロトコルを説明する。ここで紹介した方法は、双安定フォトスイッチの他のファミリーにも適用することができる。光物理特性が異なるフォトスイッチのプロトコルとその選択ガイドラインは、補足情報に記載されています。
まず、NMRサンプルを436ナノメートルのバンドパスフィルターを備えたキセノンアーク灯の前に1センチメートルの距離に置き、照射を開始します。スイッチ1がPSSに達するとスペクトルに交換がなくなるまで、陽子NMRスペクトルを毎日記録します。別のNMRサンプルについては、340ナノメートルのバンドパスフィルターを使用して溶液を照射し、前述のようにNMRスペクトルを記録します。
NMR処理ソフトウェアでPSSでNMRスペクトルのFIDファイルを開きます。異なる異性体の特徴的なピークセットを統合し、異性体比を計算します。調製した試料を436ナノメートルのバンドパスフィルターを備えたキセノンアーク灯の前に1センチの距離に置き、照射を開始する。
スイッチ1がPSSに達するとスペクトルに変化がなくなるまで、2時間ごとに紫外可視吸収スペクトルを測定します。別のサンプルについては、340ナノメートルのバンドパスフィルターを使用して溶液を照射し、同じ方法でPSSでUV可視スペクトルを測定します。純粋な1-Zおよび1-E異性体の吸光度スペクトルを推定し、テキストに記載されているようにすべての波長でそれらのモル減衰係数を計算する。
加熱槽サーキュレーターに充填したシリコンオイルを131°Cに加熱し、浴温が安定しているか確認します。2本のNMRサンプル管を加熱浴に沈める。1 時間の加熱後、NMR チューブをドライアイス バスにすばやく移し、潜熱による熱緩和を一時停止します。
NMRサンプルを室温で解凍し、ジメチルスルホキシドが解凍されていることを確認します。次いで、試料のプロトンNMRスペクトルを記録する。再度加熱融解処理を行い、スイッチ1が熱力学的平衡に達するにつれてプロトンNMRスペクトルに変化がなくなるまで試料のプロトンNMRスペクトルを記録する。
加熱の過程で得られたNMRスペクトルのFIDファイルを開き、総試料濃度および異性体比に基づいて1−Eの濃度を算出する。そして、1-Eの平均濃度を加熱時間の関数としてプロットする。データに指数適合を行い、本文で説明した式を使用して熱緩和の速度定数Kを求めます。
Kの自然対Tの逆数をプロットする.本文で説明したアレニウス方程式に従って線形適合を行い、室温での速度定数を外割りし、本文中の式を用いて室温での1-Eの熱半減期を計算します。29.48ミリグラムのフェリオキサル酸カリウム三水和物を含む20ミリリットルのガラスバイアルに、8ミリリットルの脱イオン水を加える。フェリオキサレート水溶液に1ミリリットルの0.5モル硫酸水溶液を加え、イオン交換水で10ミリリットルに希釈して、0.05モル硫酸水溶液で0.006モルのフェリオキサレートを調製した。
10ミリグラムの1,10-フェナントロリンおよび1.356グラムの無水酢酸ナトリウムを含む別の20ミリリットルのガラスバイアルに、10ミリリットルの0.1モル硫酸水溶液を加えて緩衝0.1%フェナントロリン溶液を作る。フェリオキサレート溶液の紫外可視吸収スペクトルを測定する。本文に記載されているように、フェリオキサレート溶液の吸光度を使用して、340および436ナノメートルでの吸収光の割合を決定します。
フェリオキサレート溶液を含む石英キュベットを、436ナノメートルのバンドパスフィルターを備えたキセノンアーク灯の前に1センチメートル置く。試料への照射を90秒間開始する。照射後、0.35ミリリットルのフェナントロリン溶液と磁気バーをキュベットに加え、暗所で1時間攪拌することにより、フェロイン複合体を形成させた。
2ミリリットルの非照射フェリオキサレート溶液と0.35ミリリットルのフェナントロリン溶液を含む石英キュベットを非照射試料として調製する。非照射サンプルと照射サンプルの紫外可視吸収差を測定します。サンプル調製の手順と、340ナノメートルのバンドパスフィルターで前述の紫外可視吸収スペクトルの測定を繰り返します。
この式を用いてキュベットに到達するモルフォトンフラックスを計算する。調製した試料を436ナノメートルのバンドパスフィルターを搭載したキセノンアーク灯の前に1センチ置き、照射を開始する。スイッチ1がPSSに達するとスペクトルに変化がなくなるまで、異なる間隔で紫外可視吸収スペクトルを測定します。
PSSに到達したら、UV-Vis分光光度計からキュベットを回収し、340ナノメートルのバンドパスフィルターを使用して溶液を照射する。前述のように紫外可視吸収スペクトルを測定します。得られたUV-Vis吸収スペクトルから、照射波長で観察された吸光度を用いて光動態係数Ftの値を算出する。
ZからEおよびEからZへの光異性化プロセスの一方向量子収率を計算する。436ナノメートルでの照射により、ヒドラゾンCN二重結合の支配的なZ対E異性化のために1−Eの割合が増加する。異性体比は、1H NMRスペクトルにおける別個の異性体の相対シグナル強度から得られた。
436ナノメートルでは、サンプルは1-Eの92%を示し、340ナノメートルでは、1-Zの82%が見出された。PSSにおけるISM比およびUV-Vis吸収スペクトルは、純粋な1-Zおよび1-E異性体のUV-Visスペクトルを推定するために使用される。純粋な異性体のこれらのスペクトルは、不完全な光異性化が逆の光化学プロセスに起因することを示唆している。
光異性化量子収率を求めるためには、E〜Z熱緩和速度および有効モルフォトンフラックスの測定が必要である。アレニウスプロットから外挿された熱緩和の速度定数は室温では非常に小さく、したがって、光異性化プロセスにおける熱緩和の効果は無視できた。試料に到達する有効モル光子束をフェリオキサレート活性光度法から得、照射波長における光異性化の擬似量子収率を計算することができる。
最後に、Z対EおよびE対Z光異性化プロセスの一方向量子収率は、擬似量子収率から計算することができる。光異性化量子収率の決定のためには、室温での熱緩和速度と有効モル光子束の正確な値を得ることが不可欠である。ヒドラゾン以外の双安定フォトスイッチを扱う人にとっては、補足情報で説明されている光動態因子の適切な積分方法を使用することが重要です。
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概要
この記事では、二安定光スイッチのモデルとして、光色素ヒドラゾンの光異性化量子収率を測定するためのプロトコルを紹介します。この方法は、様々な二安定光スイッチに適応できます。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 光物理学
- 光スイッチ
- 量子収率測定
背景
- 光異性化量子収率は、光スイッチを理解する上で重要です。
- 正確な測定技術は研究と応用に必要です。
- ヒドラゾンは、二安定光スイッチングで使用される化合物のクラスです。
- プロトコルは他の光スイッチ分子にも適用できます。
研究の目的
- 量子収率を測定するための詳細な方法論を提供すること。
- 光色素ヒドラゾンの理解を深めること。
- これらの方法を他の二安定システムに適用しやすくすること。
使用した方法
- 436-nmフィルター付きのキセノンアークランプの前にNMRサンプルを置く。
- 変化が見られなくなるまで毎日プロトンNMRスペクトルを記録する。
- さらなる測定のために340-nmフィルター付きの2つ目のNMRサンプルを使用する。
- 補足情報には追加のプロトコルとガイドラインが提供されています。
主要な結果
- プロトコルは光異性化量子収率を正常に測定します。
- 様々な二安定光スイッチへの適用可能性を実証しました。
- 適切な方法を選択するための詳細なガイドラインを提供しました。
- 光物理的特性の理解に貢献しました。
結論
- 概説した方法は量子収率測定に効果的です。
- これらは異なるタイプの光スイッチに適応できます。
- さらなる研究により、これらのプロトコルを基に高度な応用が構築できます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Accurate determination of photoisomerization quantum yield is essential for evaluating the efficiency of light-driven molecular switches in drug discovery and development. This protocol enables precise quantification of photophysical properties, supporting mechanistic de-risking and predictive confidence in photoswitch-based therapeutic systems. By standardizing measurement approaches, the method enhances reproducibility and translational continuity across discovery and preclinical workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of photochemical efficiency to validate photoswitch mechanisms in target modulation studies.
- Operational Value: Provides quantitative benchmark for comparing photoswitch candidates in lead identification.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports preparation of validated photoswitch systems for reproducible compound screening assays.
- Operational Value: Ensures standardization of light-input conditions for high-throughput photoswitch evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation of photoswitch performance with biological response in disease-relevant models.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions based on quantified photokinetic stability.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery for target validation, supports assay readiness in screening, and informs preclinical continuity through quantitative photophysical profiling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by quantifying photoswitch efficiency in modulating target engagement.
- Screening: Describes assay readiness through standardized PSS achievement and molar attenuation coefficient determination.
- Analytics: Highlights quantum yield and thermal relaxation rate as key readouts for comparing photoswitch performance.
- Translational Research: Connects method to preclinical continuity via extrapolation of room-temperature half-life from Arrhenius analysis.
- Enterprise Reuse: Presents a reusable capability for evaluating diverse bistable photoswitch families in therapeutic development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in photoswitch mechanism, reduction of mechanistic ambiguity in photopharmacology.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of quantum yield measurement across labs.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in photoswitch optimization.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantified photoswitch performance.
Implementation Considerations
- Expertise in photophysics, NMR spectroscopy, and UV-Vis absorption analysis.
- Instrumentation including xenon arc lamp with band pass filters, NMR spectrometer, UV-Vis spectrophotometer, and temperature-controlled baths.
- Cross-team standardization requirements for PSS determination and isomeric ratio calculation.
- Adaptation considerations for different photoswitch families based on absorption spectra and thermal stability.
- Practical limitations include dependence on precise actinometry and assumption of negligible thermal relaxation at room temperature.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:37
1H NMR Spectrum Acquisition at Photostationary State
1:28
UV-Visible Absorption Spectroscopy at PSS
2:16
Kinetic Studies on Thermal Relaxation
3:55
Ferrioxalate Actinometry
6:13
Determination of the Photoisomerization Quantum Yield
7:12
Results: Determination of Quantum Yield of a Hydrazone Photoswitch
8:52
Conclusion
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