シアニン染料のチオール誘発性の光スイッチと光安定性の統一メカニズム

シアニン（Cy3、Cy5、Cy3b）は、単一分子蛍光および局所化ベースの超解像度イメージングに最も利用されている染料です。これらのモダリティは、シアニンの多目的な光化学的行動をチオールで活用します。ただし、一見異なる結果を調整し、シアニン光反応性の制御を可能にするメカニズムは欠落しています。Cy5およびCy5bの単一分子蛍光、過渡吸収分光法、およびシアニン染料の範囲でのDFTモデリングを利用して、ここでは、トリプレットの励起状態でチオレートからCyへの光誘導電子移動（PET）を示し、次にトリプレットからトリプレットまでを示します。- 新生のジェミネートラジカルペアのシングル系インターシステムの交差は、重要なステップです。次に、分岐が発生し、光洗浄に必要な基底状態Cyの背中の電子移動と再生のいずれか、または超解像度顕微鏡に必要なCy-Thiol付加体形成のいずれかをもたらします。光誘発チオール除去を介したCy再生は、付加体吸収スペクトルの拡大によって好まれます。除去は、酸触媒反応を介して発生することも示されています。全体として、私たちの作品は、フルオロフォア、フォトスイッチング剤、および単一分子および超解像度のイメージングのためのトリプレット励起状態クエンチャーを設計するためのロードマップを提供します。

Cyanines (Cy3, Cy5, Cy3B) are the most utilized dyes for single-molecule fluorescence and localization-based super-resolution imaging. These modalities exploit cyanines' versatile photochemical behavior with thiols. A mechanism reconciling seemingly divergent results and enabling control over cyanine photoreactivity is however missing. Utilizing single-molecule fluorescence on Cy5 and Cy5B, transient-absorption spectroscopy, and DFT modeling on a range of cyanine dyes, herein we show that photoinduced electron transfer (PeT) from a thiolate to Cy in their triplet excited state and then triplet-to-singlet intersystem crossing in the nascent geminate radical pair are crucial steps. Next, a bifurcation occurs, yielding either back electron transfer and regeneration of ground state Cy, required for photostabilization, or Cy-thiol adduct formation, necessary for super-resolution microscopy. Cy regeneration via photoinduced thiol elimination is favored by adduct absorption spectra broadening. Elimination is also shown to occur through an acid-catalyzed reaction. Overall, our work provides a roadmap for designing fluorophores, photoswitching agents, and triplet excited state quenchers for single-molecule and super-resolution imaging.