Photophysics of a Series of Efficient Fluorescent pH Probes for Dual-Emission-Wavelength Measurements in Aqueous Solutions

Authors

  • Sandrine Charier Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 1-44-32-33-25
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  • Odile Ruel Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 1-44-32-33-25
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  • Jean-Bernard Baudin Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 1-44-32-33-25
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  • Damien Alcor Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 1-44-32-33-25
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  • Jean-François Allemand Dr.,

    1. Département de Physique (C.N.R.S. U.M.R. 8550), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France
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  • Adrien Meglio,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 1-44-32-33-25
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  • Ludovic Jullien Prof. Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 1-44-32-33-25
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  • Bernard Valeur Prof. Dr.

    1. Laboratoire de Chimie Générale (C.N.R.S. U.M.R. 8531), Conservatoire National des Arts et Métiers, 292, rue Saint-Martin, 75141 Paris Cedex 03, France
    2. Laboratoire PPSM, École Normale Supérieure de Cachan, 61, avenue du Président Wilson, 94235 Cachan Cedex, France
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Abstract

This paper evaluates the 5-aryl-2-pyridyloxazole backbone to engineer donor–acceptor fluorescent pH probes after one- or two-photon absorption. Parent fluorophores, as well as derivatives that can be used to label biomolecules, can be easily obtained in good yields. These molecules exhibit a large one-photon absorption in the near-UV range, and a strong fluorescence emission that covers the whole visible domain. The 5-aryl-2-pyridyloxazole derivatives also possess significant cross sections for two-photon absorption. Upon pyridine protonation, large shifts were observed in the absorption spectra after one- and two-photon excitation, as well as in the emission spectra. This feature was used to measure the pKa of the investigated compounds that range between 2 and 8. In most of the investigated derivatives, the pKa increased upon light excitation and protonation exchanges took place during the lifetime of the excited state, as shown by phase-modulation fluorometry analysis. Several 5-aryl-2-pyridyloxazole derivatives are suggested as efficient probes to reliably measure the pH of aqueous solutions by means of ratiometric methods that are dependent on fluorescence emission.

Abstract

Cet article évalue le squelette 5-aryl-2-pyridyloxazole pour la conception de sondes fluorescentes de pH de type donneur–accepteur après excitation à un ou deux photons. Il est facile d'obtenir avec de bons rendements et en grande quantité les têtes de série tout autant que des dérivés conçus pour effectuer la fonctionnalisation de biomolécules. Ces sondes absorbent intensément la lumière dans le proche UV et présentent une forte émission de fluorescence qui couvre toute l'étendue du domaine visible. Elles possèdent aussi d'appréciables sections efficaces d'absorption à deux photons. La protonation du cycle pyridine s'accompagne de déplacements importants à la fois dans les spectres d'absorption après excitation à un et deux photons, et dans les spectres d'émission. Ces altérations sont utilisées pour mesurer le pKades sondes synthétisées qui s'étage entre 2 et 8. Une étude par fluorimétrie de phase démontre que le pKade la plupart de ces sondes augmente après absorption lumineuse et que des réactions acido–basiques se produisent au cours de la durée de vie de l'état excité. Ce manuscrit démontre que plusieurs 5-aryl-2-pyridyloxazoles constituent des sondes de pH efficaces et fiables pour mesurer le pH en solution aqueuse par analyse ratiométrique en émission.

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