用于监控过氧化氮的近红外荧光探针的光物理性质及PET机理.pdf

J uly 物理化学学报 W u li Hu a x u e Xu e b a o A ct a l J 一 C h i m S i n 2 0 1 3 2 9 7 1 4 5 3 1 4 6 0 1 4 5 3 A r t icle d o i 1 0 3 8 6 6 P KU WHX B 2 0 1 3 0 4 2 4 4 ww w w h x b p k u e d u ca 用于监控过氧化氮的近红外荧光探针 的光物理性质及 P E T机理 周丹红 李苗 苗 崔俐丽 辽宁师范大学化学化工学院功能材料化学研究所 辽宁 大连 1 1 6 0 2 9 摘要 含有机硒的七 甲川 I 菁染料是基于光诱导电子转移 P E T 的近红外 I R 荧光探针 能在生理条件下高灵 敏 高选择性地监控过氧化氮 本文应用含时密度泛函理论 T D DF T 计算方法研究其光物理性质和P E T机理 结果表明 在激发态 荧光母体发生最高占有分子轨道 H OMO J 最低非占有分子轨道 L UMO 的电子跃迁 识 别基团上的HOMO轨道能级提高到荧光母体的单电子占据的H OMO轨道能级之上 并向其转移一个电子 使 激发态电子回落过程受阻而导致荧光部分淬灭 硒被氧化后 识别基团上的HOMO轨道能级降低 P E T过程被 阻断 荧光发射恢复 研究进一步证明 P E T效应来自于识别基团上苯胺 N原子的P电子 它的电子转移能力受 到其对位苯硒基的氧化 还原状态的影响 产生了荧光信号的 开 关 作用 关键词 七甲川菁染料 有机硒 荧光探针 光诱导电子转移 含时密度泛函理论 激发态 中图分类号 O6 4 1 Ph ot o ph y S ic a l Pr op e r t ie s a nd Pho t oin du c e d El e ct r on Tr a n s f er Me c ha ni s m in a Ne a r I R Flu or e s cen t Pr ob e f or Mon i t or in g Pe r o x yn it r i t e ZHOU Da n Hon g L I Mi a o Mi a o CUI L i L i I n s t i t u t e ofC h e mi s t r y f o r F u n ct i o n a li z e d Ma t e r i a l s C o l le g e o fC h e mi s t ry a n d C h e m ica l E n g i n e e r i n g L ia o n i n g No r m a l U n i v e r s i Da li a n 1 1 6 0 2 9 L i a o n i n g P r o v i n ce P R C h i n a Ab s t r a c t A h e p t a me t h i n e cy a n i n e d y e c o n t ai n i n g a n o r g a n o s el e n i u m f u n c t i o n a I g r o u p i S a n e a r I R flu o r e s ce n t p r o b e t h a t o p e r a t e s b a s e d o n p h o t o i n d u ce d e l e ct r o n t r a n s f e r f P E T T h i s p r o b e ca n b e u s e d f o r h i g h l y s e n s i t i v e a n d s e l e ct i v e mon i t o r i n g o f p e r o x y n i t r i t e u n d er p h y s i o l o g i cal co n d i t i o n s I n t h i s p a p e r t h e p h o t o p h y s i c a I p r o p e r t i e s a n d PET me c h a n i s m o f t h e p r o b e mo l e c u l e we r e i n v e s t i g a t e d b y t i me d e p e n d e n t d e n s i t y f u n ct i o n a I t h e o r y T D DF T ca l cu l a t i o n s T h e r e s u l t s i n d i ca t e d t h a t t h e e x ci t a t i o n i n t h e flu o r o p h o r e i n v o l v e s a n e l e ct r o n lr a n s i t i o n f r o m t h e h i g h e s t o ccu p i e d mo l e cu l a r o r b i t a l H OMO t o t h e I o w e s t u n o ccu p i e d mo l e cu l a r o r b i t a I L UMO Th e HOMO I e v e I o f t h e r e co g n i z e r mo i e t y i n cr e a s e d i n en e r g Y a b o v e t h a t o f t h e HOMO occ u p i e d wi t h a s i n gl e e l e c t r on o f t h e f l u o r op h or e 1 e a d i n g t o t r an s f er o f on e e l e ct r o n t o t h e h ep t a me t h in e cy a n i n e mo i e t y wh i c h q u e n c h e d t h e fl u o r e s c e n ce emi s s i o n Af t er t h e S e mo i e t y wa s o x i d i z e d t h e HOMO l e v e l o f t h e r e c o g n i z er mo i e t y d e c r e a s e d i n e n e r g y t h e PET p r o ce s s wa s p r e v e n t e d a n d t h e fl u or e s c e n ce e mi s s i o n wa s r e co v e r e d I t wa s f u r t h e r p r o p o s e d t h a t t h e PET wa s con t r i b u t ed t o b y t h e P e l e ct r o n o f t h e n i t r o g e n a t o m i n t h e a n il in e mo i e ty o f t h e p r o b e T h e P E T e f f i ci e n cy i S r e g u l a t e d b y t h e o x i d a t i o n a n d r e du c t i o n e v en t s o f t h e o r g a n o s e l e n i u m moi e t y r e s u l t i n g i n o n o ff fl u o r e s c e n ce e mi s s i o n Ke y W o r ds Hep t a me t h i n e cy a n i n e d y e Or g a n o s e l en i u m F l u o r e s ce n ce s en s o r Ph o t o i n d u c e d el e ct r o n t r a n s f e r Ti me d e p e n d e n t d en s i t y f u n ct i o n a l t h e o E x ci t e d s t a t e 1 引 言 菁染料类荧光分子探针光谱都处在近红外区 可以有效地避免生物样品自身在这个区域的强吸 收以及 自发荧光造成的强荧光背景 从而极大地提 Re ce iv e d M a r ch I 8 2 01 3 Re v is e d Ap r il 2 2 2 01 3 P ub lis h e d o n W e b Ap r il 2 4 2 01 3 Co r r e s p o n d in g a u t h o r E m a il d h z h o u l r mu 1 6 3 co rn T e l 8 6 4 1 1 8 2 1 5 8 0 8 8 F a x 8 6 4 1 1 8 4 2 5 6 8 5 8 E d i t o r ia l o ffi ce o f Act a P h y s ico C h i mica S i n ica A e t a P h y s 一 C h im S in 2 0 1 3 Vo 1 2 9 高 了检测 的灵敏度 在菁染料 的次 甲基链上引入 刚性环 己烯基团后 不仅可 以提高染料 的光稳定性 和荧光量子产率 同时也可在其 中位发生不 同化学 取代 从而获得更多在 生物方面使用的荧光分子探 针 Y u 等 选择七 甲川 I 菁染料 C y 作为信号母体 以4 一 苯基硒 苯胺 P S e 为中位取代基 设计合成 了 基 于 光 诱 导 电子 转 移 P E T 的近 红外 荧 光 探 针 C y P S e 该探针能够 在生理条件下高灵敏 高选择 性地监控 过氧化氮 O NO O一 氧化一 还 原反应过程 图 1 在 0 1 mo l L 磷酸缓冲溶液 P B S 中 C y P S e 最 大吸收波长 和荧光发射波长分别 为7 5 8 和 8 0 0 n l T 1 加入 1 mo l过氧化氮后 C y P S e 被氧化为 C y P S e O 最大吸收波长没有变化 但荧光发射强度增强 2 3 3 倍 并且发射波长蓝移到 7 7 5 n m 这表 明有机硒 的 氧化 还原状态对于荧光母体 C v的荧光发射具有信 号开一 关作用 由于体系中可能存在 P S e C y的光诱 导 电子转移 P E T 作用 一 荧光被部分淬灭 一旦有 机硒被过氧化氮氧化 识别基 团的 P E T作用受到抑 制甚至被完全阻断 C y 荧光团就会正常发射荧光 P E T过程是非辐射过程 电子转移 的反应 自由 能可根据R e h m we ll e r 方程 来估算 Ge T Eo x Er d AEo o C 式中巴 是电子给体 通常是识别基 团 的氧化势 是 电子受体 一般是荧光母体 的还原势 是荧 光母体 的单线态激发能 C是与静 电相互作用有关 的常数 Gc 越 负 则 P E T过程越 容易发生 当荧 光母体确 定时 一 的大小也可 以根据 电子给 体和 电子受体的最高 占有分子轨道 HOMO 能级来 估算 文献上已有许多利用密度泛函 D F T D 含 时密度泛函f T D DF T 方法研究 P E T机理的报道 Y u等 也应 用 T D D F T计 算研 究 了 C y P S e 和 C y P S e O分子 的光物理性质 他们认为 P S e C y 分 子 内电子转移发生在 态 但 一 跃迁是禁阻的 不能由激发直接产 生 而是 由 跃迁 再 由 态 经过 内转换到 态而实现的 但是 如何从电子水平 上阐 明探针分子结构与光诱导 电子转移和荧光发 射 的关系仍不十分 明确 本文应用 T D DF T方法对 这一探针 的光物理性质进行研 究 考察 了不同泛函 和基组对计算结果 的影响 通过 自然键轨道分析考 察 了探针分子的电子结构 在激发态结构优化基础 上 进一 步研 究 了探针分 子荧光发 射 的光物 理性 质 阐明P E T效应的形成机制 2 模型和计算方法 根据 图 1 中的 C y P S e 和 C y P S e O分子结构模 型 应用 D F T方法进行几何 结构优化 采用杂化 的 B3 L YP交换相关泛 函 和 D GD Z VP基组 基于优 化 后 的 结 构进 行 自然 键 轨 道 NBO 分 析 应 用 T D D F T方法 计算 垂直激发态 为 了比较泛 函 基组 以及溶剂化模型对T D D F T计算结果的影响 选择 了局域 自旋密度近似 的L S DA泛 函 广义梯 度近似 GG A 的B P 8 6 泛函 以及杂化的B 3 L YP泛 函 基 组 则选 择 6 3 1 1 G d DG DZ VP以及 T Z V P 溶剂化模 型分别采用了极化连续模型 P C M 和导 体极化连续模型 C P C M 激发态 的结构优化采用 T D DF T方法 在 B 3 L YP D GDZ V P P C M 条 件下 完 成 然后在B P 8 6 T Z VP P C M条件下用T D D F T计算 荧光发射光谱 所有应用 B P 8 6 泛 函 T Z VP基组 的 T D DF T计算及 T D DF T结构优化都 是在 G a u s s ia n 0 9 程序包 中完成 其余 的计算都是在 Ga u s s ia n 0 3 程序包 中完成 通过测算发现 应用不同版本的 程序包 在完全相 同的计算水平所得结果在个别数 据上会有微 小差 别 但是不 影响结果分析和 结论 另 外 在 G a u s s ia n 0 9程序 包 中 类 导 体屏 蔽 模 型 f C OS MO 被默认为C P C M模型 Cy P Se Cy P Se O 图1 探针分子氧化反应前后的结构 F ig 1 S t r u ct u r e s o f pr o b e m o le cu le b e f o r e a n d a f t e r t h e o x id a t io n r e a ct io n GS H g lu t a t h io n e No 7 周丹红等 用于监控过氧化氮的近红外荧光探针的光物理性质及P E T机理 1 4 5 5 3 结果与讨论 3 1 C y P S e 分子的激发态计算 众所 周知 用 T D DF T计 算激 发态 时 选 择不 同的泛 函 基组及溶剂化模型对计算结果有很大影 响 而检验理论计算准确性 的方法之一就是与实 验结果对 比 因此 我们采用不 同的方 法计算激发 态 确定最大吸收波长 并与文献 的实验结果对比 表 1 列 出C y P S e 分子用不 同方法进行 T D D F T计算 的结果 在表 1 中 每种方法都列出前三个低激发态的数 据 其中最大的振子强度厂 值在 1 6 1 9 左右 所对应 的跃迁都是荧光母体的HOMO L UMO之 间的万 一 垂直跃迁 即最大吸收波长 在表 中用下划线标注 可 以 看 出 B P 8 6 T Z VP P C M 和 L S DA DGD Z V P P C M 方法得到的最大吸收波长是 6 4 7 n ln 与文献 实验值 7 5 8 n m 最接近 但是误差仍达到 1 1 0 a m 这 可能存在两方面原 因 第一是计算 时只考 虑水作为 溶剂 而实验样 品的吸收光谱是在 0 1 mo l L P BS 中测定 的 水 的溶剂化作用不能完全模拟这样高浓 度的强电解质溶液 的特性 第二就是所选择的泛 函 和基组仍不十分适合这样大 的7 电子共轭体系 目 前 如何选择恰当的 T D DF T方法准确计 算不 同类 型分子 的激发能仍是该领域所面临的难题 尽管如 此 现有的计算结果仍可提供一些有价值的参考 对 比各种 方法可 以发现 当泛 函一定时 改变 基组对荧光母体万 跃迁的吸收波长没有明显影 响 但是泛函和基组都一定时 采 用P C M 溶剂化模 型可 以使 吸收 波 长红 移 值得 注 意 的是 杂化 的 B3 L YP 交换相关泛 函得到的吸收波长最小 而局域 白旋 密 度 近 似 的 L S D A泛 函和 广 义 梯度 近 似 的 B P 8 6 泛 函得到的吸收波长较大 而且几乎相 同 但是在文献 的支撑文件表 S 1 中 C y P S e 的最 大吸收波长显示为 8 2 0 n m 为此 我们采用文献提 供的结构参数 采取三种不同的条件进行重复计 算 结果列于表 2 可以看 出 当包含 C O S MO溶剂化模型时 得到 表 1 C y P S e的 T D DF T T算结果 T a b le 1 TD DF T ca lcu la t io n r e s u lt s f o r Cy PS e f o s cil l a t o r s t r e n g t h T h e d a t a wi t h u n d e r l i n e r e p r e s e n t ma x i mu m a b s o r p t i o n wa v e l e n g t h a n d the co r r e s p o n d i n g o s ci l la t o r s t r e n g t h 1 4 5 6 A ct a P h y S 一 C h i m S i n 2 0 1 3 VO 1 2 9 表 2 基于文献 结构的C y P S e的T D DF T计算结果 Ta ble 2 TD DFT calcula ti o n r e s ult s f or Cy PSe wit h t he g e ome t in lit e r a t ur e C0S M O CPCM in Ga u s s ia n 0 9 的最大 吸收波 长值 最 高 为 6 6 8 n m 而且 P C M和 C OS MO溶剂化模 型得 到的结果没有 明显差别 在 同样条件 下 B P 8 6 T Z VP C OS MO 重 复计 算 的结 果 与文献 表 S 1 所 列数据完全 不 同 但是在 B P 8 6 T z V P条件下 计算结果却与文献数据几乎完全吻 合 除了 和 态的吸收波长分别为 6 8 1 和 6 2 0 a m 之外 文献数据是 8 8 0 和 8 2 0 n m 我们把文献 的结构与本文的结构进行 了对 比 唯一 的区别是在文献结构中 S e 原子连接的两个苯 环平面的二面角为2 3 而本文结构 中 S e 原子连接 的两个苯环的平面几乎互相垂直 二面角约为 8 6 C S e C键角为 1 0 1 2 S e 与苯胺分子平面共处一 个平面 并与荧光母体的分子的主体平面的二面角 约 为 6 0 此外 我 们采 用 B 3 L YP泛 函 分 别 用 6 3 1 G d D GD Z V P和T z VP基组进行 结构优化 得 到的几何结构都完全相 同 若基态结构优化时加入 P C M 溶剂化模 型 得 到的几何 结构与文献 的更接 近 相 同条件下的最大吸收波长可达到 6 6 3 a m 但 是 无论是本文结 构还 是文献 结构 计算得到 的最 大吸收波长都不能达到8 2 0 n m 为 了准确起见 以下讨论都是基 于本文所优化 的结构 不含 P C M 首先 根据 表 1 中 B P 8 6 T Z V P P C M 方法的T D D F T计算结果 进一步讨论激 发态 的光物理性质 图2 是相关的分子轨道轮廓 激发态 对应 l8 9 1 9 1 轨道跃迁 1 9 1 轨道 主 要分布在荧光母体的 共轭体系上 1 8 9 轨道则包 含 了对硒苯胺单元 的p 丌 共轭体系和荧光母体 的部 分 共轭体系 该跃迁的 厂 值为 0 0 9 属 于弱禁阻跃 迁 激发态 是 1 9 0 1 9 l轨道跃迁 1 9 0 轨道完全分 布在荧光母体 的7 共轭体系上 因此该跃迁属于荧 光母 体的万 垂直跃迁 厂 值为 1 9 7 吸收波长为 6 4 7 n m 即该染料 的最大吸收波长 激 发态 对应 1 8 8 1 9 l轨道跃迁 1 8 8 轨道 的电子密度主要分布 在 S e的P轨道和 荧光母体 的部分7 共轭体系上 该 跃迁厂 值 0 0 1 t 常小 属于禁 阻跃迁 为了考察 C y P S e 分子荧光发射 过程 的光物理 性质 对其进行激 发态结构优化 然后再进 行 T D D F T计算 结果列于表 3 相应的前线分子轨道轮廓 见 图3 因为 C y P S e 分子的 态是荧光母体最大吸 收的局域激发态 L E态 实验上也是 以最大吸收波 长作为激发波长来测定荧光光谱 所 以只对 态进 行 结构优化并研究其荧光发射性质 从表 3 可知 态 是 1 8 9 1 9 1 轨道跃迁 从 图3 可见它属于荧光母 体的丌 垂直跃迁 厂 值为 2 1 9 是强荧光发射 过 程 最大发射波长为 6 8 1 a m 比计算得到的最大吸 收波长红移 3 4 n m 与实验测 定的结果 红移4 2 n m 比较接近 态 的跃迁发 生在 1 9 0 l9 1 轨道 之 间 1 9 0轨道 的电子密度主要 分布在对硒 苯胺单元 的 p z t 共轭体系 该跃迁 的厂 值几乎为零 属 于禁阻跃 迁 漱瓤漱粕 1 9 1 L U MO 1 9 0 H OMO 1 8 9 H O MO 一 1 1 8 8 H OMO 一 2 图2 B P 8 6 T Z VP P CM水平下计算得到的C y P S e 的前线分子轨道图 F ig 2 Fr o n ti e r mo le cu la r o r b it a l d ia g r a m s for Cy P S e ca lcu la t e d a t BP8 6 TZVP P CM le v e l No 7 周丹红等 用于监控过氧化氮的近红外荧光探针的光物理性质及P E T机理 1 4 5 7 表3 Cy P S e 激发态结构优 化后 的T D D F T计 算结 果 T a b le 3 TD DFT ca lcu la t io n r e s u lt s f o r t h e o p t im iz e d Cy P S e a t e x ci t e d s t a t e 根据 以上理论计算结果 C y P S e 分子不仅可 以 产生强 的光吸收 而且能产生很强 的荧光发射 但 是 实验上只检 测到很微弱 的荧光 其 荧光淬灭 的 现象只能通过光诱导 电子转移机理来解释 3 2 C y P S e分子的PE T机理 在 基态 时 分子轨道 1 9 0 1 9 1 和 1 8 9 分别对 应 于荧光母体 C v的7 轨道和识别基 团P S e 单元的 p z r 共轭轨道 这意味着 P S e 单元的H OMO能级低于 荧光母体 C y的HO MO能级 但是在激发态 由于电 子密度重新分布 P S e 单元 的HO MO能级提高到荧 光母 体 C y的HOMO L U MO能级之 间 并且 P S e 单 元与荧光母体 C v的分子轨道之间不存在电子辐射 跃迁 但是 P S e 单元 的电子可 以转移到单 电子 占据 的荧光母 体的 HO MO轨道 上 使 L UMO轨道 的 电 子不能正常 回落 导致 荧光发射 过程被抑制 荧光 被部分淬灭 这就是所谓的光诱导电子转移 在受光激发后 识别基 团中苯胺 N原子 的轨道 对称性 由近似 杂化转 变为标准 的 杂化 这可 能是导致其轨道 能级升高的原因 另外 从图 3 可 以看 到 在 P S e单元 的 HOMO 1 9 0轨 道 和 C y的 HO MO f 1 8 9 轨道 之 间在环 已烯单元上有部分轨道 交 盖 这有利于 电子转移 的发生 关于共价相连 的 电子给体 与电子 受体之 间的电子转移机理 已有报 道 船 按照桥媒机 理 电子给体 和受体之 间电子耦 合程度越高 电子转移效率越大 通常 P E T的理论预测是基于基态轨道 能级 的 D F T计算结果 即当电子给体的HO MO轨道能级位 于 电子受体 通 常是荧光母体 的HO MO L UMO轨 道能级之 间时 就可能发生 电子 由给体向激发态 的 蝴稍 姗 1 9 1 L U MO 1 9 0 H OMO 1 8 9 H O MO 1 1 8 7 H O MO 3 图3 B P 8 6 T z VP P CM水平下计算得到的激发态结构优化后的Cy P S e 的前线分子轨道图 Fig 3 Fr o n t ie r mo le cu la r o r b it a l d ia g r a ms f o r o p t imiz e d e x cit e d s t a t e o f Cy P S e ca lcu la t e d a t BP8 6 TZVP P CM le v e l 表4 Cy P S e O的T D D F T计算结果 Ta b le 4 TD DFT ca lcu la t io n r e s u lt s f o r Cy P S e O Tr a n s it io n s a nd T r a ns it io n e n e r g y CI co e cie n t E e V 2 n m L S DA 6 3 1 1 G d L S DA 6 3 1 1 G d l P C M B 3 L YP 6 3 1 1 G d B3 L YP 6 3 1 1 G d P C M 1 9 2 1 9 5 f O 4 9 6 1 9 4 1 9 5 f O 4 2 3 1 9 4 1 9 5 r 0 4 8 7 1 9 3 1 9 5 r O 5 4 5 1 9 2 1 9 5 r O 4 9 0 1 9 4 1 9 5 f 0 4I 5 1 1 9 4 1 9 5 f O 5 0 8 1 9 3 1 9 5 f O 5 7 3 1 9 4 1 9 5 r 0 5 5 9 1 9 3 1 9 5 r 0 6 3 7 1 9 4 1 9 5 r O 5 9 9 1 9 3 1 9 5 r O 6 5 3 1 9 4 1 9 5 r 0 5 6 2 1 9 3 1 9 5 r O 6 3 9 1 9 2 1 9 5 f 0 5 2 2 1 9 4 1 9 5 r O 5 3 0 1 9 4 1 9 5 f 0 6 91 1 9 3 1 9 5 r 0 6 6 5 4 5 7 4 8 2 9 4 8 9 7 7 7 7 5 一 1 2 4 2 8 2 4 6 6 3 O 一1 6 3 4 8 3 O 一l一0 O 一1 一O 一O 2 一O 一O L 一 7 9 2 9 4旦2 7寸 l 9 1 9 4 6 4 5 一 鲫 一 一 一 栅 一 册 舯 肿 粥 l 2 1 1 l 2 1 l 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 4 l 2 2 4 1 2 1 2 1 2 1 2 2 3 1 2 1 45 8 Act aPh y s 一 Ch i m S i n 2 0 1 3 VO 1 2 9 浦 婚瓣 1 9 5 L U MO 1 9 4 H OMO 1 9 3 H O MO 一1 1 9 2 H OM o一 2 图4 B P 8 6 T z V P P C M水平下计算得到的C y P S e O的前线分子轨道图 F ig 4 Fr o n ti e r mo le cu la r o r b it a ls d ia g r a ms f o r Cy P S e O ca lcu la t e d a t BP8 6 TZVP P CM le v e l 电子受体 H OMO轨道的电子转移 但 是 由于忽略 了激发态 时电子态 的变化 一些计算结果不能合理 解释实验现象 而 T D DF T计算考虑到 了受光激 发后 电子态 的重新分布 可 以更合理地预测实验结 果 3 3 Cy P S e O分子的激发态计算 表 4是氧化 产物 C y P S e O的激发态计算 结果 相应的分子轨道轮廓见图4 可以看 出 无论采用何 种方法 1 9 4 l9 5 轨道跃迁都有较大厂 值 对应于荧 光母体 的H 0MO L UMO之间的7 r 轨道跃迁 其 中采用 B P 8 6 T Z VP P C M方法得到的最大吸收波长 为 6 5 5 n l T l 与 C y P S e的计算值相差 8 n m 说明探针 分子在氧化前后最大吸收波长几乎不变 这 与实验 结果完全 符合 但是 理论计算得 到的最大吸收波 长与实验测定结果仍有 1 0 0 n m的误差 其原因已经 在 3 2 节中做过分析 此外 文献 中表 S 1 所给 出的 理论计算的最大吸收波长是 8 2 6 n n q 但是我们按照 该文献所提供 的几何结构参数进行重复计算 所得 结果 见表 5 却没有重复出文献 的数据 为了准确起 见 我们基于本文优化的结构讨论激发态 的计算结 果 从 表 4可 知 在 B P 8 6 T Z V P P C M 条 件 下 激 发 态 1 是 1 9 4 l9 5轨道 跃 迁 对 应 于 荧 光母 体 H OMO L uMO跃 迁 厂 值 为 1 8 l 激 发 能 为 1 8 9 e V 波 长 为 6 5 5 a m 即 C y P S e O的最大 吸 收波长 激发态 是 1 9 3 1 9 5 轨道跃迁 厂 值为 0 3 l 激发能 为 2 0 4 e V 波长 为 6 0 9 a m 对应 于 P S e O单 元 的 HO MO轨道到荧光母体L U MO轨道 的电子跃迁 这 表 明在激发态时 苯胺的HO MO轨道能级仍低于荧 光母体 的HO MO能级 意味着不可能发生 P E T 计 算结果与实验现象完全符合 3 4 NB O分析 为 了考察 S e 基 团氧化前后对探针分子 的电子 结构和 电荷 分布 的影响 对 这两个 分子都进 行 了 表 5 基 于文献 结构 的Cy P S e O的T D DF T计算结果 Ta b le 5 TD DFT ca lcu l a ti o n r e s u lt s for Cy PS e O wit h t h e g e o me t r y i n li t e r a t u r e 表6 NB O布居分析及二阶微扰稳定化能 T a b le 6 N a t u r a l b o n d o r b it a l N BO p o p u la ti o n a n a ly s is a n d t h e s e co n d p e r t u r b a ti o n s t a b il i z a ti o n e n e r g i e s C o m p o u n d A t o m n a t u r a 1 c h a r g e e 嚣 Cy PSeO Se N c 1 C2 0 433 101 04 1 357 Se s 1 965 矿 C8一c 9 0 381 2 97 Ctl C12 O 362 3 52 0 661 N 1 729 C4 C5 0 400 115 14 矿 c 2一c 3 0 439 83 6 No 7 周丹红等 用于监控过氧化氮的近红外荧光探针的光物理性质及P E T 机理 1 4 5 9 NB O分析 表 6 列 出与 S e 和N原子有关的电荷和 电 子分布 在还原态 S e 原子和苯胺N原子上的电荷分别 为 0 3 6 4 e 和一 0 6 5 2 e 这是 由于 N的 电负性更强 因 此带更多 的负 电荷 S e 被氧 化后 由于与 电负性强 的O原子相 连 S e 原子 的正 电荷 提高 到 1 3 5 7 e 但 是N原子 的电荷变化不大 在 C y P S e中 S e 和N原 子上都有孤对P电子 并与相邻 的C C双键共轭 这可以从 电子给体一 受体之 间的轨道相互作用来分 析 二阶微扰稳 定化能越 大 成键轨道 向反键轨道 的 电 子 转 移 能 力 越 强 从 表 6中 可 以看 到 在 C y P S e中苯胺 N原子 向苯环和 环 己烯的 C C 1 电子转移是相等 的 S e 主要 向苯胺一侧 的 C C 电子转 移 但 是氧 化后 由于 S e 上不 存在孤对 p电 子 不再有 电子转移 并且 S e O键 的拉 电子效应 使 苯胺 N原子 向环 己烯 的z r C C 的供 电作用 减 弱 更偏 向苯胺 一侧 以上分析证 明了在 C y P S e 中 存在苯胺 与 S e 原子 的p z r 共轭作用 在 C y P S e O中 只存在苯 胺 的p 一 共轭作用 这与前面分子轨道 的 计算 结果一致 由于苯胺 N原子带有 较多负 电荷 说 明在 p 一 7 r 共轭轨道 中 电子 更容易集 中在 苯胺 N 原子上 因此我们推测发生电子转移的电子来 自苯 胺 N原子的P轨道 4 结论 应 用 T D DF T方 法 计 算 了近 红外 荧 光 探 针 C y P S e 在氧化前后 的光物 理性质 研 究发现 泛 函 和溶剂化模型对 T D DF T计算结果影响较大 采用 L S D A或 B P 8 6 泛函并包括溶剂化模型 得到的激发 态计算 结果相对合理 结果表明 在激发态 荧光母 体 的H0MO L UM0之 间的万 电子跃迁有 较强 的振子强度 是产生光吸收和荧光发射 的过程 由 于 电子密度重新分布 使 P S e 单元的轨道能级升高 苯胺 N原 子的P电子 向单 电子 占据 的荧光 母体 的 HOMO轨道转移 使 L UMO轨道上的电子不能正常 回落 导致荧光淬灭 S e 被氧化后 C y P S e O分子 中 S e O基 团的拉 电子效应导致苯胺 N原子P电子所在 的轨道能级降低 P E T过程被阻断 荧光母体的荧光 发射得到恢复 Re f e r e nce s 1 d e S i l v a A P Gu n a r a me H Q G u n n l a u g s s o n Hu x l e y A J M M cCo y C P Ra d e m a che r J Rice E Ch e m Re v 2 1 3 4 5 6 7 8 9 1 5 1 6 1 7 1 8 f 1 9 2 O 2 1 2 2 f 2 3 1 9 9 7 9 7 l5 1 5 d o i 1 0 1 0 2 1 cr 9 6 0 3 8 6 p Za h e e r A Le n k ins k l R E M a h mo o d A J o ne s A G Ca n t le y L C F r a n g io ni J V Na t Bio t e ch n o 1 20 01 9 1 1 4 8 d o i l0 1 0 3 8 n b t 1 2 O 1 1 1 4 8 T a n g B Yu F Li P T b n g L Du a n X Xie W a ng X Am C h e m S o c 2 0 0 9 1 3 1 3 0 1 6 d o i 1 0 1 0 2 1 j a 8 0 9 1 4 9 g Go r e cki Pa t o n a y G S t r e k o ws k i L He t e r o cyc1 Ch e m 1 9 9 6 3 3 1 8 7 1 d o i 1 0 1 0 0 2 j h e t v 3 3 6 Ya n g C S h im e lis O Zh o u X Li G Ba yle C Ne r t z M Le e H S t r e k o ws k i L Pa t o n a y G Co u d e r c F Gie s e R W C h r o ma t o g r A 2 0 0 2 9 7 9 3 0 7 d o i 1 0 1 0 1 6 0 0 2 1 9 6 7 3 0 2 01 4 41 3 Ga lla h e r D L J o h n s o n M E An a ly s t 1 99 9 1 2 4 1 5 41 d o i 1 0 1 0 3 9 a 9 0 45 4 ld Yu F B Li P Li G Y Zh a o G J Ch u S Ha n K L A m Ch e m S o c 2 0 1 1 1 3 3 1 1 0 3 0 d o i 1 0 1 0 2 1 j a 2 0 2 5 8 2 x Ro t r u ck J Po p e A L Ga n t h e r H E S wa n s o n A B Ha f e ma n D G Ho e ks t r a W G S cie n ce 1 9 7 3 1 7 9 5 8 8 d o i 1 O 1 l2 6 s cie n ce 1 7 9 4 0 7 3 5 8 8 No g u e ir a C W Ze n i G Ro ch a J B Ch e m Re v 2 0 0 4 1 0 4 6 2 5 5 d o i 1 0 1 0 2l cr 0 4 0 6 5 5 9 Mu g e s h G d u Mo n t W S ie s H Ch e m Re v 2 0 0 1 1 0 1 2 l2 5 d o i lO 1 O 21 cr 0 0 0 4 2 6 w W e lle r A Pu r e Ap p1 Ch e m 1 9 6 8 1 6 1 1 5 d o i 1 0 1 3 5 1 pa c 1 9 6 81 6 01 01 1 5 Re h m D W e lle r A 1 s r Ch e m 1 9 7 0 8 2 5 9 T e r a i T Kik uch i K 1 wa s a wa S Ka wa b e Hir a t a Y Ur a n o Y Na g ano Am Ch e m S o c 2 0 0 6 1 28 6 9 3 8 Pe t s a la k is I D La t hio t a k is N N Th e o d o r a k o p o u lo s G Mo 1 S t r u ct Z 7 2 e o ch e m 2 0 0 8 8 67 6 4 d o i 1 O 1 01 6 j t h e o ch e m 2 0 0 8 O 7 0 2 5 S a lma n H T h l S Ch u v ilo v Y S o lo v e y O Ab r a h a m Y Ka p o n M S u win s k a K Eich e n Y I n o r g Ch e m 2 0 0 6 1 4 5 3 l5 d o i l0 1 0 2 1 ic0 5 1 8 9 7 H a n F C h i L L i a n g X J i j S L i u S Z h o u F Wu Y H a n K Z h a o J J a me s D Or g C h e m 2 0 0 9 7 4 3 1 3 3 3 d o i 1 0 1 0 2 1 j o 8 0 2 5 6 6 9 Ch i L N W u Y B Zh a ng X J i S M S h a o J Y Gu o H M Wa n g X Zh a o J Z 胁o r e s 2 0 1 0 2 0 1 25 5 do i l0 1 0 0 7 s 1 0 8 9 5 O1 0 0 6 7 7 2 Be ck e A D Ch e m Ph y s 1 99 3 9 8 5 6 48 d o i 1 0 1 0 6 3 1 46 4 91 3 Go d b o u t N S a la h u b D R An d z e lm J W imme r E Ca n Ch e m 1 9 9 2 7 0 5 6 0 d o i 1 0 1 l3 9 v 9 2 0 7 9 F o s t e r J P We i n h o l d F Am C h e m S o c 1 9 8 0 口 2 2 4 7 2l1 Gr o s s E K U Ko h n w R e v L e t t 1 9 8 5 5 5 2 6 2 8 5 0 d o i 1 O 1 1 0 3 P h y s Re v Le t t 5 5 2 8 5 0 S t r a t m an n R E S cu s e r ia G E F r is ch M J Ch e m 1 9 9 8 1 0 9 8 21 8 d o i 1 0 1 06 3 1 4 7 7 4 8 3 Vo s k o S H Wilk L Nu s a ir M Ca n 1 9 80 58 1 2 0 0 Act a P h y s 一 Ch i m H 2 0 1 3 VO 1 29 d o i 1 0 1 1 3 9 p8 0 l5 9 2 4 Xu w H Z h a n g Y L i u W J S ci e n ce i n C h i n a B 一 e mi s t r y 2 0 0 9 3 9 1 1 1 4 8 4 许文华 张勇 刘文剑 中国科学 B 辑 化学 2 0 0 9 3 9 1 1 1 4 8 4 2 5 B e ck e A D R e v A1 9 8 8 3 8 6