一种甲醛荧光探针分子电子转移机制的计算研究

Calculating Study on the Electron Transfer Mechanism of a Formaldehyde Fluorescent Probe Molecule

摘要: 一种具有高选择性、高灵敏度的苯并咪唑基吡啶类甲醛荧光探针分子L1，用较高精度的量子化学计算方法，密度泛函理论结合适中的基组，计算了该分子的优化构型，红外光谱以及前线分子轨道。通过与实验数据对比，计算所得分子构型合理有效。通过前线分子轨道能量分析，阐明了L1荧光探针遇到甲醛分子荧光猝灭的电子转移机制。该工作是量子化学计算方法在分子荧光探针领域进行光物理性质分析的初步探索，可以为甲醛分子荧光探针的合成设计领域提供有价值的理论参考。

Abstract: Benzimidazolyl pyridine based fluorescent probe molecule L1 is high-selectivity and high-sensitivity for formaldehyde. The optimal structure, infrared spectroscopy and frontier molec-ular orbitals of the molecule are calculated by using a high-precision quantum chemical calculation method with density functional theory and suitable basis sets. By comparing with experimental data, the calculated molecular configuration is reasonable and effective. Through the frontier mo-lecular orbital energy analysis, the electron transfer mechanism of the fluorescence quenching of the L1 fluorescent probe with the formaldehyde molecule is clarified. This work is a preliminary ex-ploration of quantum chemical calculation methods in the field of molecular fluorescent probes for photophysical properties analysis, and can provide valuable theoretical references for this field.

1. 引言

甲醛是最简单的醛，广泛用于化工生产洗涤剂、塑料、木材加工、防蚀剂、药品等 [1] [2]。众所周知，甲醛已成为严重威胁人类健康的物质。暴露在高浓度的外源性甲醛中会导致流泪、打喷嚏、咳嗽、恶心甚至死亡。2004年，甲醛被国际癌症研究机构(IARC)重新归类为人类致癌物 [3] [4] [5]。另一方面，甲醛在许多生物体中被用作代谢中间体，并被用作组织固定剂和防腐剂。正常生理系统中内源性甲醛的产生是由组蛋白去甲基化、DNA甲基化和氨基脲敏感胺氧化酶产生的。在一个正常的生理大脑中，甲醛的浓度在0.2到0.4 mmol之间。在这个水平上，甲醛通过DNA去甲基化循环对记忆的形成至关重要。然而，患者体内甲醛的异常积累可能导致多种疾病，包括癌症、神经退行性疾病、糖尿病、慢性肝病和心脏病 [6] [7]。

目前已开发出实用的甲醛检测方法，包括比色法、气相色谱法、质谱法和高效液相色谱法 [8] [9] [10] [11]。但是，它们通常存在灵敏度低、操作复杂、损伤完整标本等缺陷。此外，这些方法不适用于微环境中甲醛的检测。与上述技术相比，荧光法具有非破坏性、生物相容性好、灵敏度高、使用方便等突出优点 [12]。检测目标的小分子荧光探针经历了许多发展阶段，包括从单次发射到比率荧光阶段，从可见光阶段发射到近红外发射，从单光子激发到双光子激发阶段 [13] [14] [15] [16]。因此，基于有机小分子的甲醛荧光探针近年来受到越来越多的关注。

随着人们对荧光化合物电子光谱和光物理行为的深入研究，在利用荧光分子作为探针，检测各种不同体系的状态及其变化，或某种反应历程及其动态学问题等方面，都有了巨大的进展 [17] [18]。

本论文以已有实验和理论研究为基础 [19] [20]，用高精度的量子化学计算方法，对一种具有高选择性、高灵敏度的苯并咪唑基吡啶类甲醛荧光探针分子L1及其与甲醛分子的复合物的光物理性质进行理论研究，解释其荧光发射、淬灭机制，对实验合成更优化的此类荧光探针具有重要的指导意义。

2. 一种甲醛分子荧光探针的光物理机制的研究方法

本论文采用Gaussian软件对甲醛荧光分子L1进行光物理性质计算研究。Gaussian软件可以用于计算分子的过渡态能量和结构、键和反应能量、极化率和超级化率、热力学性质、反应路径、分子轨道、原子电荷的电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质，计算可以对体系的基态或激发态执行。可以预测周期体系的能量，结构和分子轨道。

可靠的计算方法及基组，适中的计算量是理论计算研究各种体系的首要条件。本论文采用密度泛函(DFT) [21] 的方法来研究甲醛分子荧光探针L1及其与甲醛分子的复合物，对它们的几何结构、红外光谱和前线分子轨道分布进行计算。由于分子探针L1具有共轭环结构，所有计算均采用分裂键基组加弥散，即6-31g**基组进行，研究甲醛分子荧光探针L1作为电子转移荧光探针发挥作用时的光物理机制。

3. 结果与讨论

3.1. 结构优化

甲醛荧光探针分子L1及其经醛氨缩合反应后的亚胺类分子L1’的分子构型见图1。探针L1从氨基到苯并咪唑基吡啶的光致电子转移(PET)导致荧光猝灭。而在水/乙醇(99:1, v/v)混合溶液中，加入甲醛后，醛胺缩合反应后的产物L1’的当激发波长分别为365 nm和400 nm时，亚胺产物(L1’)的荧光强度分别以415 nm和505 nm为中心增强。

Figure 1. Benzoimidazolyl pyridine-based fluorescent probe

图1. 苯并咪唑基吡啶类荧光探针分子

选用B3LYP/6-31g**方法，对L1和L2分子的结构进行优化，优化后得到的分子结构如图2所示。我们将分子结构优化前后的结构参数进行对比，经过优化计算所得结构与实验数据相比，键长误差小于0.01 nm，键角误差小于1˚，证明我们选取的计算方法是可靠的，所得结构是有效的。

Figure 2. Molecular structure of L1 and L1’

图2. L1与L1’分子结构

3.2. 探针分子的频率分析

图3是用B3LYP/6-31g**方法对L1探针分子优化和进行频率的计算，从而得到红外光谱图。

如图3所示，3300~3500 cm⁻¹之间体现了胺的NH伸缩振动，2000~2300 cm⁻¹之间体现了分子中苯环的泛频峰，750~810 cm⁻¹之间体现了三取代苯环上的三个相邻CH的弯曲振动。通过振动频率分析，再次证明了B3LYP/6-31g**方法的可靠性。

Figure 3. IR Spectrum of L1 molecule

图3. L1分子的红外光谱图

3.3. 分子前线轨道分析

为了更好地理解L1分子荧光探针对甲醛的探测机理，使用Gaussian软件在DFT-B3LYP-6-31G**水平上对荧光探针分子L1和甲醛分子进行了优化构型计算。优化后的分子前线分子轨道结果如图4所示。结果表明，在自由的荧光探针分子L1和甲醛分子，最高占据分子轨道(HOMO)电子广泛分布在苯并咪唑基吡啶基以及氨基苯上，最低占据分子轨道(LUMO)电子主要偏向于分布在氨基苯端，轨道能量数据如图4所示。计算结果表明，对于荧光探针分子L1，最高占据分子轨道能量为−0.248 ev，而甲醛分子的最高占据轨道能量为−0.276 ev，这将导致L1分子受激从基态到激发态后，受激电子由于甲醛分子的存在，无法正常回到L1分子的基态，而是跳跃到甲醛分子的最高占据轨道，从而发生荧光猝灭。

Figure 4. Frontier molecular orbitals of fluorescent probe L1 and formaldehyde molecule

图4. 荧光探针L1和甲醛分子的前线分子轨道

4. 结论

本论文采用较高精度的密度泛函理论量子化学计算方法，结合适中的基组，对一种实验上具有高选择性、高灵敏度的甲醛分子荧光探针进行了一系列光物理性质研究。本论文计算了荧光探针分子L1的最优构型，红外光谱以及前线分子轨道。通过与实验数据的对比，证明了选用的计算方法的可行性，进一步地，通过对激发态轨道跃迁的分析，甲醛分子最高占据轨道的能量低于荧光探针分子L1的最高占据轨道，导致L1分子受激后，激发态上的电子无法正常回到基态而发生荧光猝灭现象。本工作是用量子化学计算方法研究分子荧光探针领域各种性质的初步探索，接下来我们将在各类已见报道荧光探针理论研究工作中，总结、学习经验规律，在此基础上创新本组的相关理论计算研究工作，以期为该领域提供系统而有价值的理论参考，通过模拟设计出新型荧光探针，成为该领域发展方向的理论指引。

基金项目

感谢国家自然科学基金(22073052)的资助。