Fluorescence microscopy with diffraction resolution barrier broken by stimulated emission

The diffraction barrier responsible for a finite focal spot size and limited resolution in far-field fluorescence microscopy has been fundamentally broken. This is accomplished by quenching excited organic molecules at the rim of the focal spot through stimulated emission. Along the optic axis, the spot size was reduced by up to 6 times beyond the diffraction barrier. The simultaneous 2-fold improvement in the radial direction rendered a nearly spherical fluorescence spot with a diameter of 90–110 nm. The spot volume of down to 0.67 attoliters is 18 times smaller than that of confocal microscopy, thus making our results also relevant to three-dimensional photochemistry and single molecule spectroscopy. Images of live cells reveal greater details.

Structure of a flavin-binding plant photoreceptor domain: Insights into light-mediated signal transduction

Phototropin, a major blue-light receptor for phototropism in seed plants, exhibits blue-light-dependent autophosphorylation and contains two light, oxygen, or voltage (LOV) domains and a serine/threonine kinase domain. The LOV domains share homology with the PER-ARNT-SIM (PAS) superfamily, a diverse group of sensor proteins. Each LOV domain noncovalently binds a single FMN molecule and exhibits reversible photochemistry in vitro when expressed separately or in tandem. We have determined the crystal structure of the LOV2 domain from the phototropin segment of the chimeric fern photoreceptor phy3 to 2.7-Å resolution. The structure constitutes an FMN-binding fold that reveals how the flavin cofactor is embedded in the protein. The single LOV2 cysteine residue is located 4.2 Å from flavin atom C(4a), consistent with a model in which absorption of blue light induces formation of a covalent cysteinyl-C(4a) adduct. Residues that interact with FMN in the phototropin segment of the chimeric fern photoreceptor (phy3) LOV2 are conserved in LOV domains from phototropin of other plant species and from three proteins involved in the regulation of circadian rhythms in Arabidopsis and Neurospora. This conservation suggests that these domains exhibit the same overall fold and share a common mechanism for flavin binding and light-induced signaling.

Excited-state dynamics in photosystem II: Insights from the x-ray crystal structure

The heart of oxygenic photosynthesis is photosystem II (PSII), a multisubunit protein complex that uses solar energy to drive the splitting of water and production of molecular oxygen. The effectiveness of the photochemical reaction center of PSII depends on the efficient transfer of excitation energy from the surrounding antenna chlorophylls. A kinetic model for PSII, based on the x-ray crystal structure coordinates of 37 antenna and reaction center pigment molecules, allows us to map the major energy transfer routes from the antenna chlorophylls to the reaction center chromophores. The model shows that energy transfer to the reaction center is slow compared with the rate of primary electron transport and depends on a few bridging chlorophyll molecules. This unexpected energetic isolation of the reaction center in PSII is similar to that found in the bacterial photosystem, conflicts with the established view of the photophysics of PSII, and may be a functional requirement for primary photochemistry in photosynthesis. In addition, the model predicts a value for the intrinsic photochemical rate constant that is 4 times that found in bacterial reaction centers.

A multimer model for P680, the primary electron donor of photosystem II.

We consider a model of the photosystem II (PS II) reaction center in which its spectral properties result from weak (approximately 100 cm-1) excitonic interactions between the majority of reaction center chlorins. Such a model is consistent with a structure similar to that of the reaction center of purple bacteria but with a reduced coupling of the chlorophyll special pair. We find that this model is consistent with many experimental studies of PS II. The similarity in magnitude of the exciton coupling and energetic disorder in PS II results in the exciton states being structurally highly heterogeneous. This model suggests that P680, the primary electron donor of PS II, should not be considered a dimer but a multimer of several weakly coupled pigments, including the pheophytin electron acceptor. We thus conclude that even if the reaction center of PS II is structurally similar to that of purple bacteria, its spectroscopy and primary photochemistry may be very different.

Estudos mecanísticos da origem da inibição da reação foto-Fenton por íons cloreto

O objetivo principal deste estudo foi determinar a origem da inibição do processo foto-Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2, luz UV] pelo íon cloreto. Um estudo das reações primárias da etapa fotocatalítica do processo foto-Fenton por fotólise por pulso de laser na presença de NaCl mostrou que a inibição reflete: i) fotólise competitiva dos complexos Fe(Cl)2+ e Fe(Cl)2+; ii) captura do radical hidroxila (dependente do pH) pelo íon cloreto. Esses dois processos formam o ânion radical menos reativo Cl2•- em lugar do radical HO•-, provocando uma progressiva inibição da reação de degradação com a diminuição do pH. Modelagem cinética destes resultados previa que a manutenção do pH em 3,0 durante a fotodegradação evitaria a formação do Cl2•-, o que foi confirmada através de experimentos de fotodegradação do fenol e da gasolina em meio aquoso na presença de NaCl. Por outro lado, na degradação do fenol pela reação térmica de Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2], o radical hidroxila não parece ter um papel muito importante. A degradação térmica não foi inibida pela presença de íon cloreto e a cinética de mineralização do fenol pela reação térmica de Fenton é indistinguível da degradação do fenol pelo processo foto-Fenton inibido por NaCl. Isso sugere que a reação proposta por Hamilton, isto é, a redução de Fe(III) a Fe(II) por catecol (o principal intermediário inicial da oxidação do fenol) na presença de H2O2, é o mecanismo principal de catálise da reação térmica de Fenton no nosso sistema.

Propriedades fotoquímicas de alguns complexos de ferro(II) e rênio(I)

Neste trabalho, foram estudadas as propriedades fotoquímica e/ou fotofísica de alguns compostos de coordenação de rênio(l) e ferro(I I). A irradiação dos complexos fac-[Re(CO)3(NN)(trans-L)]+, NN= 4,7-difenil-1,10- fenantrolina (ph2phen) ou 5-cloro-1,10-fenantrolina (Clphen) e L = 1,2-bis(4-piridil)etileno (bpe) ou 4-estirilpiridina (stpy), em acetonitrila ou em filme de poli(metacrilato de metila) (PMMA) resulta em variações espectrais condizentes com a fotoisomerização trans-cis do ligante coordenado. A determinação dos rendimentos quânticos para a fotorreação pela variação espectral resultou em valores aparentes, uma vez que o reagente e o fotoproduto absorvem na mesma região. Para a determinação do rendimento quântico real, Φreal, utilizou-se a técnica de 1H RMN, na qual os sinais do fotoproduto e do reagente são observados em regiões distintas com diferentes constantes de acoplamento. Os valores de Φreal obtidos para fac-[Re(CO)3h(NN)(trans-bpe)]+ (ph2phen: Φ313= 0,43 ± 0,03; Φ365= 0,44 ± 0,02; Φ404= 0,43 ± 0,02; Clphen: Φ313= 0,56 ± 0,03; Φ365= 0,55 ± 0,04; Φ404= 0,57 ± 0,06) são independentes do comprimento de onda de irradiação, indicando a existência de um único canal para a população do estado excitado 3ILtrans-bpe. Por outro lado, para fac-[Re(CO)3(NN)(trans-stpy)]+, os valores de Φreal sob irradiação a 404 nm são menores que os determinados para os demais comprimentos de onda de irradiação (ph2phen: Φ313= 0,60 ± 0,05; Φ365= 0,64 ± 0,09; Φ404= 0,42 ± 0,03; Clphen: Φ313= 0,52 ± 0,05; Φ365= 0,58 ± 0,02; Φ404= 0,41 ± 0,06), indicando que, a energias maiores, em que o Iigante absorve significativamente, deve existir a contribuição de outro canal para a população do estado excitado 3ILtrans-stpy. A eficiência do fotoprocesso foi avaliada por meio da substituição dos ligantes NN e/ou L, e a diferença nos valores de Φreal entre os complexos deve estar relacionada principalmente com as distintas eficiências de cruzamento intersistemas. o fotoprocesso altera as propriedades fotofísicas desses complexos. Os isômeros trans apresentam fraca ou nenhuma emissão a 298 K, enquanto os fotoprodutos, fac-[Re(CO)3(NN)(cis-L)]+, apresentam intensa luminescência dominada pelo estado excitado 3MLCTRe→NN, que é sensivel à rigidez do meio. A reatividade fotoquímica dos pentacianoferratos(II) [Fe(CN)5 (NN)]3-, NN= 2aminobenzilamina (aba), 2-aminobenzamida (ab), 2-(dimetilaminometil)-3-hidroxipiridina (dmampy), 2-aminometilpiridina (ampy), 2-aminoetilpiridina (aepy) ou 2-(2metilaminoetil) piridina (maepy), também foi investigada. A irradiação desses complexos resulta na fotossubstituição do CN-, a qual só pode ser detectada quando o ligante possui um segundo grupo coordenante nas proximidades da esfera de coordenação. Os rendimentos quânticos da fotossubstituição são dependentes do comprimento de onda de irradiação (Φ313= 0,13 ± 0,01; Φ334= 0,091 ± 0,001; Φ365= 0,056 ± 0,002; Φ404= 0,022 ± 0,002; Φ436= 0,015 ± 0,001, por exemplo, para NN = aba) e indicam a existência de canais distintos pelos quais a fotorreação ocorre ou as diferentes eficiências de cruzamento intersistema para a população do estado excitado reativo. A eficiência do fotoprocesso também depende do Iigante utilizado (λirr= 365 nm: Φaba= 0,056, Φab= 0,14, Φampy= 0,046, Φaepy= 0,066, Φmaepy= 0,069 e Φdmampy= 0,12). Na série das diaminas, o rendimento quântico é maior para [Fe(CN)5(ab)]3-, que possui dois sítios para ocorrer o fechamento do anel. Na série das aminopiridinas, observa-se a influência do comprimento da cadeia na eficiência do fechamento do anel. A presença de metilas ligadas ao nitrogênio alifático deve ter pouca ou nenhuma influência na eficiência do fotoprocesso.

Degradação de atrazina por processo foto-Fenton monitorado por injeção seqüencial e cromatografia a líquido de alta eficiência

Processos de fotodegradação de compostos orgânicos tóxicos têm sido bastante estudados. Este trabalho trata da aplicação do processo foto-Fenton para a degradação de atrazina em água (composto modelo). O efeito das concentrações dos seguintes compostos foi avaliado: peróxido de hidrogênio (2 a 6 mmol L-1) e ferrioxalato de potássio (0,2 a 1 mmol L-1). Os experimentos foram realizados em um reator com lâmpada UV - 8W (254nm). O processo de fotodegradação foi monitorado por medidas de espectrofotometria de absorção molecular automatizada por injeção seqüencial (SIA) para determinação de peróxido de hidrogênio e por cromatografia a líquido de alta eficiência (CLAE) para determinação de atrazina e metabólitos. Os experimentos demonstram que o processo de foto-Fenton é viável para o tratamento de atrazina em água.

Novel Photochemical Methodologies For Diversity Oriented Synthesis And Screening Of Combinatorial Libraries

The main goal of this project was to develop an efficient methodology allowing rapid access to structurally diverse scaffolds decorated with various functional groups. Initially, we discovered and subsequently developed an experimentally straightforward, high-yielding photoinduced conversion of readily accessible diverse starting materials into polycyclic aldehydes and their (hemi)acetals decorated by various pendants. The two step sequence, involving the Diels-Alder addition of heterocyclic chalcones and other benzoyl ethylenes to a variety of dienes, followed by the Paternò-Büchi reaction, was described as an alkene-carbonyl oxametathesis. This methodology offers a rapid increase in molecular complexity and diversity of the target scaffolds. To develop this novel methodology further and explore its generality, we directed our attention to the Diels-Alder adducts based on various chromones. We discovered that the Diels-Alder adducts of chromones are capable of photoinduced alkene-arene [2+2] cycloaddition producing different dienes, which can either dimerize or be introduced into a double-tandem [4π+2π]·[2π+2π]·[4π+2π]·[2π+2π] synthetic sequence, followed by an acid-catalyzed oxametathesis, leading to a rapid expansion of molecular complexity over a few experimentally simple steps. In view of the fact that oxametathesis previously was primarily observed in aromatic oxetanes, we decided to prepare model aliphatic oxetanes with a conformationally unconstrained or "flexible" methyl group based on the Diels-Alder adducts of cyclohexadiene or cyclopentadiene with methyl vinyl ketone. Upon addition of an acid, the expected oxametathesis occurred with results similar to those observed in the aromatic series proving the generality of this approach. Also we synthesized polycyclic oxetanes resulting from the Diels-Alder adducts of cyclic ketones. This not only gave us access to remarkably strained oxetane systems, but also the mechanism for their protolytic ring opening provided a great deal of insight to how the strain affects the reactivity. Additionally, we discovered that although the model Hetero-Diels-Alder adducts did not undergo [2+2] cycloaddition, both exo- and endo-Sulfa-Diels-Alder products, nonetheless, were photochemically active and various products with defined stereochemistry could be produced upon photolysis. In conclusion, we have developed an approach to the encoding and screening of solution phase libraries based on the photorelease of externally sensitized photolabile tags. The encoding tags can be released into solution only when a binding event occurs between the ligand and the receptor, equipped with an electron transfer sensitizer. The released tags are analyzed in solution revealing the identity of the lead ligand or narrowing the range of potential leads.

Reações fotoinduzidas em alguns complexos de rênio e desenvolvimento de dispositivos moleculares

Neste trabalho foi realizado o estudo do comportamento fotoquímico e fotofísico de complexos mononucleares de rênio do tipo fac-[Re(CO)3(N N)(L)]+(N N = 1,10-fenantrolina, phen, dipirido[3,2-a:2,3-c]fenazina, dppz, L= trans-1,2bis(4-piridil)etileno, trans-bpe, trans-4-estirilpiridina. trans-stpy) e dos complexos binucleares [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Re(phen)(CO)3]2+, [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Fe(CN5]2- e [(phen)(CO)3Re(trans-bpe)Os(terpy)(bpy)]3+. O enfoque principal deste trabalho é a investigação das propriedades fotoquímicas dos complexos fac-[ Re(CO)3(phen)(trans-bpe)]+, fac-[Re(CO)3(phen)(trans-stpy)]+ fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-bpe)+ e [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Re(phen)(CO)3]2+. Observou-se que os compostos em solução de acetonitrila, sob irradiação a 313, 334 ou 365 nm, apresentam variação espectral com definição de pontos isosbésticos, resultante do processo de fotoisomerização trans→cis do ligante coordenado trans-piridil etileno. Os rendimentos quânticos, Φ, da reação de fotoisomerização foram calculados com base no decaimento espectral das bandas de absorção das transições eletrônicas. Os valores médios determinados para a fotoisomeriação dos complexos em solução de CH3CN variam de 0,15 - 0,39 sob excitação a 313 nm e de 0,12 - 0,33 sob excitação a 365 nm. As reações de fotoisomerização foram monitoradas também por medidas de emissão e por RMN de 1H. Observou-se um aumento da intensidade de luminescência com o tempo de irradiação dos complexos, consistente com o estado emissivo 3MLCT dπ[(Re)→π*(α-diimina). Após irradiação, as reações de fotoisomerização dos complexos foram monitoradas por RMN de 1H. Os sinais de prótons do isômero trans tiveram um decréscimo gradual, enquanto que a intensidade dos sinais referentes aos prótons da espécie cis aumentaram. Os rendimentos quânticos para o processo de fotoisomerização dos complexos foram calculados através da integração das áreas dos sinais de prótons. Os valores obtidos foram maiores, pelo menos o dobro, que aqueles valores obtidos via espectroscopia UV-Vis. O comportamento fotoquímico dos complexos incorporados em polimetacrilato de metila, PMMA, foi também investigado. A fotólise cios complexos em filmes de PMMA conduz à variação espectral, de absorção e emissão, similar àquela observada em solução de acetonitrila, atribuícla ao processo de fotoisomerização trans → cis do ligante coordenado. Este estudo mostra que a fotoisomerização do ligante coordenado trans-piridil etileno pode ser promovida também em meio rígido. Essa característica. típica de um dispositivo molecular, pode ser convenientemente explorada no desenvolvimento de fotossensores. As medidas de TRIR mostram que o estado excitado de menor energia para o fac-[Re(CO)3(phen)(trans-bpe)+ é o 3ππ*. Para o fac-[Re(CO)3(phen)(cis-bpe)]+ a ordem dos estados excitados aparecem invertidas com o 3MLCT <3ππ*, evidenciado pela emissão do complexo cis à temperatura ambiente. Nas espécies binucleares, [(phen) Re(CO)3(trans-bpe)Os(terpy)(bpy)]3+ e [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Fe(CN)5]2-, a fotoisomerização trans → cis do ligante coordenado trans-bpe, característica da subunidade fac-[Re(CO)3(phen)(trans-bpe)]+, é inibida pela competição de transferência de energia intramolecular. Em meio rígido, em PMMA ou em EPA a 77 K, os máximos de emissão dos complexos fac-[Re(CO)3(phen)(cis-bpe)]+, fac-[Re(CO)3(phen)(cis-stpy)r e [(CO)3(phen)Re(cis-bpe)Re(phen)(CO)3]2+ sofrem um deslocamento hipsocrômico com o aumento da rigidez do meio. As mudanças nas propriedades emissivas, em termos de energia e tempo de vida do estado excitado, são discutidas baseadas no efeito rigidocrômico luminescente. O trabalho mostra uma forma interessante de fotos sensibilizar um substrato orgâmco usando o fato de que a coordenação estende a absorção do ligante a uma região de comprimento de onda maior e promove a fotoisomerização assistida por complexos metálicos em energias menores.

Photogenerated o-Azaxylylenes: Mechanistic Studies and Synthetic Applications

This research sets out to build upon excited state o-azaxylylene cycloaddition. The mechanism behind the excitation and cycloaddition process of photogenerated o-azaxylylenes was determined experimentally. Time-correlated single-photon counting, steady-state spectroscopy, triplet quenching experiments, and quantum yield studies provided evidence suggesting that excited state intramolecular proton transfer is followed by intersystem crossing and stepwise addition to the tethered unsaturated pendant. In keeping with the principles of diversity oriented synthesis, a modular approach was taken to gain access to a diverse array of N,O,S-Polyheterocycles which were modified postphotochemically via Suzuki coupling to yield fused biaryls. Cycloaddition products, outfitted with halogens in the aromatic ring of the o-azaxylylene, proved to be reactive with a variety of boronic acids resulting in a rapid growth in structural complexity. A novel procedure was developed that utilized multiple o-azaxylylene cores in a photochemical cascade transformation yielding complex scaffolds of unprecedented topology. The photoprecursors were produced in a one-pot two-step sequence from commercially available starting materials, and upon irradiation yield structures containing up to five fused hetrocyclic rings, and showed complete diastereoselectivity.

Combined effects of coral reef foraminifera Marginopora vertebralis and Heterostegina depressa in a multi-fractorial experiment

Warming and changes in ocean carbonate chemistry alter marine coastal ecosystems at an accelerating pace. The interaction between these stressors has been the subject of recent studies on reef organisms such as corals, bryozoa, molluscs, and crustose coralline algae. Here we investigated the combined effects of elevated sea surface temperatures and pCO2 on two species of photosymbiont-bearing coral reef Foraminifera: Heterostegina depressa (hosting diatoms) and Marginopora vertebralis (hosting dinoflagellates). The effects of single and combined stressors were studied by monitoring survivorship, growth, and physiological parameters, such as respiration, photochemistry (pulse amplitude modulation fluorometry and oxygen production), and chl a content. Specimens were exposed in flow-through aquaria for up to seven weeks to combinations of two pCO2 (~790 and ~490 µatm) and two temperature (28 and 31 °C) regimes. Elevated temperature had negative effects on the physiology of both species. Elevated pCO2 had negative effects on growth and apparent photosynthetic rate in H.depressa but a positive effect on effective quantum yield. With increasing pCO2, chl a content decreased in H. depressa and increased in M. vertebralis. The strongest stress responses were observed when the two stressors acted in combination. An interaction term was statistically significant in half of the measured parameters. Further exploration revealed that 75 % of these cases showed a synergistic (= larger than additive) interaction between the two stressors. These results indicate that negative physiological effects on photosymbiont-bearing coral reef Foraminifera are likely to be stronger under simultaneous acidification and temperature rise than what would be expected from the effect of each of the stressors individually.

Air quality criteria for photochemical oxidants.

Includes bibliographies.

Photochemie (die chemischen Wirkungen des Lichtes) /

Includes bibliographical references and indexes.

Reaction rate and photochemical data for atmospheric chemistry, 1977 /

Mode of access: Internet.

High altitude pollution program stratospheric measurement system feasibility study /

Mode of access: Internet.