量子化學計算揭示PeT螢光探針的發光原理

2021-01-15 中大唯信

典型的光誘導電子(Photoinduced electron Transfer, PeT)體系是由受體(receptor)、間隔基團(spacer)和螢光團(fluorophore)相連構成。如圖1所示，螢光團部分是光能吸收和螢光發射的場所，識別基團部分則用於結合客體，這兩部分被間隔基隔開，又靠間隔基相連而成一個分子，構成了一個在選擇性識別客體的同時又給出光信號變化的超分子體系。PeT螢光探針中，螢光團與受體之間存在著光誘導電子轉移，對螢光有非常強的淬滅作用，因此在未結合客體之前，探針分子不發射螢光，或螢光很弱，一旦受體與客體相結合，光誘導電子轉移作用受到抑制，甚至被完全阻斷，螢光團就會發射出強烈螢光(見圖1)。

圖1. PeT螢光探針的一般性原理圖

PeT螢光探針作用機制可由前線軌道理論來解釋，如圖2所示，當螢光團受到激發時，位於最高佔用軌道(HOMO)的一個電子躍遷到最低空軌道(LUMO)上，當受體的HOMO軌道能級介於螢光團的HOMO和LUMO軌道能級之間時，受體HOMO軌道上的孤對電子就會向螢光團的HOMO軌道躍遷，而螢光團本身處於LUMO軌道上的電子就不能再躍遷回到螢光團的HOMO軌道上，因此螢光團的激發態電子無法就無法直接回到基態，即產生了PeT效應並造成了螢光團的螢光猝滅。當受體與客體結合後，受體的HOMO軌道能級低於螢光團的HOMO軌道能級，因此其與螢光團HOMO軌道之間的電子躍遷就會受阻，PeT效應消失並使得螢光團LUMO軌道上的電子就可以直接躍遷回到螢光團的HOMO軌道上，從而恢復螢光團的螢光發射。

圖2. PeT螢光探針的前線軌道原理圖

量子化學計算可以準確計算分子的HOMO-LUMO軌道能量，因此可以被用來進行螢光探針的設計和改造，接下來我們就通過介紹兩個案例來說明量子化學是如何通過計算HOMO-LUMO軌道來揭示PeT螢光探針的發光原理。

如圖3所示，BODIPY片段和Phenylamino片段組成了一個在低pH可以發射螢光，高pH下不能發射螢光的分子。通過進行HOMO-LUMO的計算發現，當在低pH時，Phenylamino會發生質子化，從而使得其上的HOMO軌道能量低於BODIPY的HOMO軌道能量，因此當電子由BODIPY的LUMO軌道返回基態時就會直接回到BODIPY的HOMO軌道，而不會經過Phenylamino的HOMO軌道，因此可以很明顯地觀察到螢光的發射；但當在高pH時，Phenylamino不會發生質子化，呈現中性化，從而使得其上的HOMO軌道能量高於BODIPY的HOMO軌道能量，這也就導致電子由BODIPY的LUMO軌道返回基態時就會先經過Phenylamino的HOMO軌道，再返回到BODIPY的HOMO軌道，而這個過程正好導致了螢光的猝滅。上述計算結果得到了實驗上的驗證。

圖3. HOMO-LUMO軌道能量計算揭示不同pH下的螢光強度不同的原理

如圖4和圖5所示，需要計算的小分子在不同濃度的甲苯-甲醇溶液中發射出不同強度的螢光。分析發現該小分子具有烯醇-酮式兩種形式，通過對烯醇-酮式反應過程以及過渡態結構地計算發現該分子在不同溶液中，其烯醇-酮式轉化過程呈現出不同的難易程度，這就決定了烯醇式和酮式在不同溶液中分布概率不同(圖4)，而進一步的HOMO-LUMO計算發現，只有烯醇式才能發射螢光，而酮式無法發射螢光(圖5)，因此小分子在不同濃度的甲苯-甲醇溶液中發射出不同強度的螢光。上述計算結果得到了實驗上的驗證。

圖4. 烯醇-酮式之間轉化的反應曲線圖

圖5. HOMO-LUMO軌道能量計算揭示同分異構體產生不同螢光強度的原理

參考文獻：

1. A Simple BODIPY-Aniline-Based Fluorescent Chemosensor as Multiple Logic Operations for the Detection of pH and CO2 Gas. Dalton Transactions 2014, 43(22), 8499-8507.

2. Experimental and Theoretical Study of Enol-Keto Prototropic Tautomerism and Photophysics of Azomethine-BODIPY Dyads. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16(30), 16290-16301.

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