A Structural Remedy toward Bright Dipolar Fluorophores in Aqueous Media 

Subhankar Singha, Dokyoung Kim, Basab Roy, Sunderraman Sambasivan, Hyunsoo Moon, Alla Sreenivasa Rao, Jin Yong Kim, Taiha Joo, Jae Woo Park, Young Min Rhee, Taejun Wang, Ki Hean Kim, Youn Ho Shin, Junyang Jung, and Kyo Han Ahn.

The donor–acceptor (D–A) type dipolar fluorophores, an important class of luminescent dyes with two-photon absorption property, generally emit strongly in organic solvent but poorly in aqueous media. To understand and enhance the poor emission behaviour of dipolar dyes in aqueous media, we undertake a rational approach that includes a systematic structure variation of the donor, amino substituent of acedan, an important two-photon dye. We identify several factors that influence the emission behaviour of the dipolar dyes in aqueous media through computational and photophysical studies on new acedan derivatives. As a result, we can make acedan dyes emit bright fluorescence under one- and twophoton excitation in aqueous media by suppressing of the liable factors for poor emission: 1,3-allylic strain, rotational freedom, and hydrogen bonding with water. We also validate that these findings can be generally extended to other dipolar fluorophores, as demonstrated for naphthalimide, coumarin and NBD dyes. The new acedan and naphthalimide dyes thus allow us to obtain much brighter two-photon fluorescent images in cells and tissues than in their conventional forms. As an application of these findings, a thiol probe is synthesized based on a new naphthalimide dye, which shows greatly enhanced fluorescence from the widely used N,N-dimethyl analogue. The results disclosed here provide essential guidelines for the development of efficient dipolar dyes and fluorescence probes for studying biological systems, particularly by two-photon microscopy. 

전자 주개와 받개로 구성되어진 다이폴라 형광체들은 이광자 흡수능력, 유기용매 내에서의 강한 형광능력 (수용액 상에서는 상대적으로 떨어지는 형광능력)의 특성을 갖고있는중요한 다이의 한 종류로 알려져있다. 이광자 영상화를 위해 주로 사용되는 아세단도 이 종류에 속하는 형광체로써, 수용액 상에서의 낮은 형광세기를 약점으로 갖고있다. 우리는 아세단의 전자 주개 부분인 아민의 구조를 다양하게 바꿈으로써 수용액 상에서의 형광 세기를 증가 시킬수 있는 요소에 대하여 연구하였다. 우리는 다이폴라 다이의 형광 특성에 영향을 주는 여러 요소를 계산학적으로 그리고 광물리적으로 연구하였다. 결과적으로 우리는 수용액 상에서도 일광자 및 이광자 여기 하에서 강한 형광을 보이는 아세단 유도체를 개발하는데 성공하였다. 우리가 찾은 세가지의 요소는 1,3 알릴릭 스트레인, 회전 자유도, 물과의 수소 결합이며 이 요소들은 아세단 뿐만 아니라 나프탈이미드, 쿠마린, 엔비디 등에서 적용 되어짐을 확인하였다. 이 내용은 Chem. Sci.에 5월 16일 보고되었다.