周丹紅， 鄭 麗， 李蒙召， 王譯晨， 董 浩

(1.遼寧師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116029;2.大連理工大學(xué) 精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116012)

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藍(lán)移型萘酰亞胺類Cu2+比率熒光探針的發(fā)光機(jī)理

周丹紅1,2， 鄭 麗1， 李蒙召1， 王譯晨1， 董 浩1

(1.遼寧師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 大連 116029;2.大連理工大學(xué) 精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116012)

銅離子比率熒光探針;1,8-萘酰亞胺;分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移;熒光藍(lán)移;含時(shí)密度泛函理論

過渡金屬銅是一種人體不可或缺的微量元素，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)中具有不可忽視的作用.檢測水溶液和生物系統(tǒng)中的Cu2+具有重要意義.Cu2+具有順磁性，有1個(gè)未填充的d軌道，可以通過電子和能量的轉(zhuǎn)移使熒光淬滅.大多數(shù)Cu2+熒光探針都是基于熒光淬滅機(jī)理[1-2].近年來，比率型Cu2+熒光探針的研究日益受到重視[3-6].由于探針分子和其金屬絡(luò)合物在不同波長發(fā)射熒光，2個(gè)發(fā)射波長的比值隨著底物濃度的變化而變化，因此能削弱其他環(huán)境因素的干擾，使檢測的靈敏度和選擇性提高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍擴(kuò)大.金屬離子熒光探針的結(jié)構(gòu)主要由熒光母體和金屬離子受體兩部分構(gòu)成.4-氨基取代的1,8-萘酰亞胺熒光團(tuán)[7-8]因其量子產(chǎn)率高、熒光發(fā)射波長適中、斯托克斯(Stokes)位移大以及光穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在熒光探針母體.通過調(diào)整4,5-氨基衍生物的結(jié)構(gòu)，可以提高對Cu2+的選擇性，并可產(chǎn)生紅移或藍(lán)移熒光[3-4,9-10].探針分子BF1(N-丁基-4,5-二[(吡啶-2-甲基)氨基]1,8-萘酰亞胺)是藍(lán)移型Cu2+熒光探針，與Cu2+1∶1絡(luò)合后熒光發(fā)射波長由525 nm藍(lán)移到475 nm[10].然而，這種熒光特性的作用機(jī)理尚不明確.從理論上研究藍(lán)移型比率熒光探針的發(fā)光機(jī)制，對于熒光探針分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義.

密度泛函理論(DFT)和含時(shí)密度泛函理論(TDDFT)計(jì)算已廣泛應(yīng)用于發(fā)光體系的光物理性質(zhì)和光化學(xué)性質(zhì)的研究.國內(nèi)外關(guān)于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)的理論計(jì)算已有很多報(bào)道[11-14]，但是，對于比率型金屬離子熒光探針的ICT機(jī)理研究尚不多見.崔等[15]采用TDDFT方法，對紅移型1,8-萘酰亞胺類Cu2+比率熒光分子探針的光物理性質(zhì)進(jìn)行了研究，揭示出該探針分子在與Cu2+絡(luò)合過程中導(dǎo)致萘氨基脫氫，使得N原子上帶負(fù)電荷，延長了萘環(huán)π電子共軛體系，并產(chǎn)生了ICT效應(yīng)和熒光紅移.但是對于藍(lán)移型Cu2+熒光探針分子的理論研究未見報(bào)道.

采用DFT和TDDFT方法，研究探針分子BF1與Cu2+絡(luò)合前后的基態(tài)和激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)、電子躍遷性質(zhì).結(jié)合自然鍵軌道(NBO)分析，闡明探針分子BF1對Cu2+的選擇性以及產(chǎn)生熒光藍(lán)移的機(jī)理，并揭示順磁性Cu2+為何不對熒光產(chǎn)生淬滅作用.

1 模型的選取和計(jì)算方法

探針分子BF1以及絡(luò)合物BF1-Cu(NO3)2的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 熒光探針分子BF1及其金屬絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structures of fluorescent probe BF1 and the complexe with Cu2+

應(yīng)用TDDFT計(jì)算吸收光譜和發(fā)射光譜時(shí)，采用不同泛函對計(jì)算結(jié)果有很大影響，結(jié)果表明：采用PBE0交換相關(guān)泛函[25-27]所得到的波長比較接近實(shí)驗(yàn)值，而B3LYP、CAM-B3LYP泛函計(jì)算的結(jié)果誤差較大.所有C、H、O、N原子采用6-311++G(d,p)基組，Cu采用LANL2DZ贗勢基組.對于基態(tài)和激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)的NBO計(jì)算均在B3LYP/6-31G(d,p)理論水平完成[28].所有計(jì)算均在Gaussian 09程序包[29]中完成.各種計(jì)算方法的比較見表1.

表1 各種計(jì)算方法的比較和結(jié)果

a:基態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法B3LYP/6-31G(d,p);b:激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法B3LYP/6-31G(d,p)/H2O;c:Cu的基組選擇LANL2DZ 贗勢基組

2 結(jié)果與討論

2.1 基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)

圖2 優(yōu)化后的探針BF1(a)和BF1-Cu(NO3)2(b)絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)(鍵長單位：nm)(為簡化起見基團(tuán)未在圖中顯示)Fig.2 Optimized structures of probe BF1(a)and BF1-Cu(NO3)2 (b)(unit of bond length is nm)(for simplicity,N groups are not illustrated)

表2 探針BF1和BF1-Cu(NO3)2的NBO分析結(jié)果

aBF1 at excited state

2.2 吸收光譜的計(jì)算

圖3是計(jì)算得到的BF1和BF1-Cu(NO3)2的吸收光譜圖，激發(fā)態(tài)計(jì)算結(jié)果列于表3.圖4給出相應(yīng)的分子軌道圖.對于BF1，激發(fā)態(tài)1和3分別對應(yīng)于HOMO→LUMO和HOMO-1→LUMO躍遷，分別屬于熒光團(tuán)的π→π*和π′→π*躍遷，計(jì)算的波長為451、413 nm，前者的振子強(qiáng)度f值比后者高10倍，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)光譜[10,30]基本一致，即最大吸收波長在454 nm，并且在430 nm有1個(gè)肩峰.

圖3 計(jì)算得到的吸收光譜圖(右上插圖是不同Cu2+濃度下CuBF1的吸收光譜[30])Fig.3 Calculated absorption spectra for BF1 and BF1-Cu(NO3)2(The inserted figure in top right is the absorption spectra of CuBF1 in different concentrations of Cu2+ [30])

表3 UV-vis 吸收光譜和發(fā)射光譜的TDDFT計(jì)算結(jié)果

圖4 基態(tài)結(jié)構(gòu)的前線分子軌道Fig.4 Frontier molecular orbitals of the compounds in ground state

對于BF1-Cu(NO3)2絡(luò)合物，由于是在開殼層條件下進(jìn)行TDDFT計(jì)算，激發(fā)態(tài)計(jì)算結(jié)果比較復(fù)雜.其中，激發(fā)態(tài)1～6都屬于低能躍遷，主要是熒光母體π電子向Cu2+的d*軌道(MO164β)躍遷，但是其振子強(qiáng)度f值都很小(<0.007 2)，應(yīng)屬于禁阻躍遷.激發(fā)態(tài)7可歸屬為熒光母體的π→π*的躍遷，波長為598 nm，但是f值僅為0.0517，其中熒光母體MO161β軌道的貢獻(xiàn)較少.激發(fā)態(tài)22是MO151β→MO164β躍遷，主要來自吡啶環(huán)的π軌道向Cu2+的d*軌道的電子躍遷，即π′→d*的躍遷.這表明吡啶π電子對Cu2+的單電子軌道有補(bǔ)償作用，從而抑制了順磁性的Cu2+對熒光母體的熒光淬滅作用.激發(fā)態(tài)32和37主要是熒光母體的π→π*的躍遷，f值分別為0.144 8、0.097 0，波長為416、400 nm，與實(shí)驗(yàn)值以及探針分子BF1吸收波長相比低了大約35 nm.計(jì)算光譜的誤差可能與開殼層條件下進(jìn)行TDDFT計(jì)算有關(guān).

2.3 BF1的激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及發(fā)射光譜計(jì)算

我們對BF1的激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，圖5給出激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)和前線軌道.激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)的NBO分析見表1.

圖5 BF1激發(fā)態(tài)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和前線分子軌道圖Fig.5 Geometric structure and frontier molecular orbitals of BF1 at excited state (bond length in nm)

2.4 絡(luò)合物BF1-Cu(NO3)2的發(fā)光機(jī)理

3 結(jié) 論

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ZHOUDanhong1,2,ZHENGLi1,LIMengzhao1,WANGYichen1,DONGHao1

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China;2.State Key Laboratory of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Dalian 116012, China)

copper ion ratiometric fluorescent probe;1,8-naphthalimide;intramolecular charge transfer;blue-shift fluorescence;time-dependent density function theory

2016-11-09

精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連理工大學(xué))開放課題基金資助項(xiàng)目(KF1407)

周丹紅(1962-),女,遼寧遼陽人,遼寧師范大學(xué)教授,博士.

1000-1735(2017)02-0207-08

10.11679/lsxblk2017020207

O643.364

A