利用飛秒受激拉曼光譜技術研究Pyranine分子激發態質子傳遞過程*

王子鈺魏景樂徐文琪 姜甲明 黃逸凡 劉偉民

(上?？萍即髮W物質科學與技術學院,上海201210)

(2020年2月18日收到;2020年5月12日收到修改稿)

1 引 言

激發態質子傳遞過程(excited state proton transfer,ESPT)是在光合作用體系中的光系統、細菌視紫紅質、DNA以及綠色熒光蛋白等生物系統中非常重要的化學過程之一[1?5].近年來越來越多的基于ESPT的新型發色團分子在熒光探針、白光發光材料以及有機光電子材料等方面都有著廣泛的應用[6?9].鑒于其在化學和生物過程中所表現出的獨特的光物理性質和巨大的應用潛力,ESPT系統的實驗和理論研究越來越受到人們的關注,并一直是科研人員的活躍課題.

ESPT通常發生在幾十飛秒至百皮秒的超快時間尺度上.因此飛秒時間分辨光譜成為研究質子傳遞的超快動力學信息的重要手段[5,6,10?12].利用瞬態吸收光譜技術和時間分辨熒光光譜技術,人們已經研究了ESPT相關的電子激發態動力學過程,得到了包括激發態質子傳遞速率、熒光壽命等重要的動力學信息.然而,上述的光譜技術只能給出激發態電子態上的信息,想要進一步了解ESPT過程中發色團分子結構的變化以及其氫鍵的激發態結構動力學,必須借助時間分辨振動光譜技術.飛秒受激拉曼光譜技術(femtosecond stimulated Raman spectroscopy,FSRS)作為一種新穎的時間分辨振動光譜技術,是在飛秒、皮秒時域研究分子激發態結構動力學的有效手段之一[4,5,13?16].FSRS是一種能夠同時滿足高時間分辨(~120 fs)、高光譜分辨(15 cm–1)以及寬光譜探測范圍(100—3000 cm–1)的超快時間分辨振動光譜技術.作為一種新穎的時間分辨振動光譜FSRS可以幫助人們更深層地揭示ESPT過程中發色團分子的激發態結構動力學.

在EPST相關的發色團分子結構動力學研究方面,Fang研究組[17?24]利用FSRS光譜技術研究了一種光致產酸劑Pyranine(HPTS)分子在水中ESPT的激發態結構動力學.實驗觀察到了作為質子給體的HPTS分子質子化以及去質子化的激發態拉曼特征峰,質子化向去質子化狀態的轉變反映出HPTS分子向水分子的ESPT過程,實驗結果顯示該ESPT的速率約為3 ps[21].在該實驗中選用的水分子作ESPT過程的質子受體,通常表現出較弱的奪取質子的能力.基于前人的研究結果,本文利用新穎的共振增強飛秒受激拉曼光譜技術,研究了在光激發下HPTS水溶液中加入醋酸鈉后的超快動力學過程.實驗中醋酸根離子取代水分子作為質子受體以此來研究HPTS分子與醋酸根之間的ESPT過程,其中的醋酸根表現出強于水分子的奪取質子的能力.不僅清晰地看到了ESPT過程中HPTS去質子化激發態拉曼信號,而且也清晰地觀測到了作為質子受體的醋酸根的激發態拉曼特征峰,通過分析得到了在該條件下ESPT的壽命.該實驗所涉及的酸堿中和反應以及質子轉移是化學反應中的基礎過程,清晰地理解這些化學過程可以幫助人們進一步認識酶催化和膜蛋白質子泵等一系列生物化學過程的反應機理.

2 研究方法

2.1 樣品

實驗使用的基本樣品為8-羥基芘–1,3,6-三磺酸三鈉鹽(pyranine,HPTS).樣品1為HPTS(0.5 mM)與醋酸鈉(NaAC,4M)在超純水中混合,測定該樣品pH值為10,記為HPTS(NaAC).樣品2為HPTS(0.5 mM)與NaOH在超純水中混合,配制成pH值為12的溶液,記為HPTS(pH=12).樣品3為HPTS(0.5 mM)與HCl在超純水中混合,配制成pH值為4.5的溶液, 記為HPTS(pH=4.5).

2.2 瞬態吸收光譜

瞬態吸收光譜數據由瞬態吸收光譜儀采集(Helios-EOS fire,ultrafast system).飛秒激光光源使用的是中心波長為800 nm、重復頻率為1 kHz、脈沖寬度為38 fs、單脈沖輸出能量為7 mJ的超快鈦寶石飛秒激光器(Astrella,Coherent Inc.).從飛秒激光器輸出的激光經過分束片,將一部分光(約2 mJ)輸入至光參量放大器(OPerA Solo,Coherent Inc.)中,產生波長為400 nm的激光輸入至瞬態吸收光譜儀中,作為樣品的激發光,經過衰減片和透鏡后,最終聚焦到樣品上的激光單脈沖光能量為60 nJ.使用分束片從800 nm激光中分離出另一束較弱的激光經過電動位移平臺,然后經透鏡聚焦到2 mm厚氟化鈣(CaF2)晶體上產生超連續白光,作為實驗中使用的探測光.樣品盛放在光程為2 mm的石英樣品池中,內部加放磁性轉子,外部使用磁性攪拌機驅動轉子轉動,使得樣品內部流動,避免激光重復激發產生光損傷和熱效應.

2.3 飛秒受激拉曼光譜(FSRS)

實驗所使用激光光源為鈦寶石飛秒激光器(Astrella,Coherent Inc.)(同2.2部分).實驗光路如圖1所示,激光器所輸出的飛秒激光經過BS1與BS2兩個分束片分成三束光.其中一束激光脈沖(約2 mJ)輸入至二次諧波帶寬壓縮器(SHBC)和皮秒光參量放大器(TOPAS400)產生一束脈沖寬度約2 ps且頻率連續可調諧(480—900 nm)的激光脈沖,該皮秒脈沖用作拉曼泵浦光.第二束光經過透鏡聚焦到2 mm厚的Al2O3晶體上,產生飛秒超連續白光,用作FSRS技術中的拉曼探測光.第三束光(約2 mJ)輸入到光參量放大器(OPerA Solo,Coherent Inc.)中,產生頻率可調諧的飛秒激光,用作樣品激發光.為實現激發態共振增強的FSRS信號,實驗中所使用的拉曼泵浦光波長為575 nm,樣品激發光波長為400 nm,拉曼探測光選取超連續白光中590—640 nm范圍的探測光以實現400—1600 cm–1頻率范圍內的受激拉曼光譜的采集.三束光平行入射到離軸拋物面鏡上,共同聚焦到拋物面鏡的焦點處,且樣品中心位置與該焦點重合.三束光經過樣品后,使用光闌將拉曼泵浦光與樣品激發光擋住,僅令拉曼探測光透過.而后使用透鏡組將拉曼探測光聚焦到單色儀(IsoPlane,Princeton Instruments)中,最后使用CCD相機(Pixis 400,Princeton Instruments)進行探測.

2.4 計算

使用了Gaussian09B軟件包完成了全部量化計算,pyranine分子的結構優化和拉曼光譜計算在B3LYP/6-311+G**水平上進行.采用了SMD模型描述溶劑化作用.

圖1飛秒受激拉曼技術光路 圖,其中BS1,BS2為分束片;L1,L2,L3,L4為凸透鏡;ND為漸變衰減片;DL1為手動位移臺;DL2為電動位移臺Fig.1.Schematic diagram of FSRS experimental setup.BS1 and BS2 are beam splitters;L1,L2,L3 and L4 are convex lenses;ND is neutral density filters;DL1 is manual translation stage;DL2 is delay line.

3 結果與討論

圖2(b)顯示了HPTS(pH = 4.5), HPTS(pH =12)和HPTS(NaAC)三個樣品的穩態吸收光譜及熒光發射光譜.其中,樣品HPTS(pH=4.5)的吸收峰主極大值位于406 nm處,反映出其基態分子主要表現為質子化狀態.由于氫氧根(OH–)奪取質子能力極強,所以當HPTS分子溶于pH=12的堿性水溶液時,僅存在去質子化狀態的HPTS,其基態吸收峰紅移至460 nm處;當HPTS溶于4M的醋酸鈉水溶液時(pH=10),吸收峰基本與樣品HPTS(pH=12)一致,反映出該條件下絕大部分HPTS的質子被醋酸根奪取,處于去質子化狀態,但是仍有部分HPTS分子處于質子化狀態,在激發態動力學上仍然能夠觀測到ESPT的動力學信號(見下文瞬態吸收和FSRS實驗結果).在400 nm光激發下,上述三種樣品的熒光發射光譜主要位于520 nm,表現為去質子化狀態下的熒光發射.

圖2(a)HPTS分子從質子化狀態(左)經光激發轉變為去質子化狀態(右);(b)HPTS分別在NaAC溶液(藍色),pH=12水溶液(綠色)和pH=4.5水溶液(黑色)中的穩態吸收光譜(實線)以及熒光發射光譜(虛線)Fig.2.(a)The molecular structure of HPTS in one simple H-bonding geometry with acetate ion;(b)the steady-state absorption(solid line)and fluorescence emission spectra(dash dot line)of HPTS in aqueous solution(pH=4.5,black;pH=12,green)and acetate solution (blue).

圖3(a)顯示了樣品HPTS(NaAC)的瞬態吸收光譜實驗數據.在400 nm飛秒激光的激發下,該樣品在450至650 nm波長范圍內的瞬態吸收實驗數據主要包含兩種激發態光譜特征,分別是峰值在475 nm處的激發態吸收信號以及峰值在520 nm處的受激發射信號.根據文獻報道[21,22],這兩種激發態信號都反映了HPTS分子去質子化的激發態上的粒子數布居.圖3(b)顯示了樣品HPTS(NaAC)瞬態吸收實驗結果中探測光在520 nm處的時域光譜.實驗曲線的擬合結果表明該動力學過程包含了~400 fs和~3.2 ps的指數上升以及376 ps和6 ns的雙指數衰減過程.其中雙指數衰減過程中~376 ps過程來自于樣品在去質子化激發態弛豫過程中的溶劑化效應以及振動冷卻過程[21],6 ns則反應了其去質子化激發態粒子的自發輻射壽命[25].而雙指數上升過程則反應與ESPT有關的動力學過程.值得注意的是,在光激發下該樣品的激發態動力學信號可能包含了兩方面的貢獻,一方面來自于ESPT后HPTS分子從質子化向去質子化的轉變,另一方面的貢獻則源自于處于基態去質子化狀態的HPTS分子的直接激發,瞬態吸收光譜所得到的實驗結果則很難區分這兩個成分.為了進一步的了解該樣品的激發態中更具體的動力學信息,利用FSRS技術分別針對HPTS(NaAC)以及HPTS(pH=12)兩樣品進行了比較研究.根據瞬態吸收實驗結果,HPTS分子去質子化激發態受激發射信號集中在500—600 nm波段.拉曼泵浦光選擇在此波段中,有利于得到與HPTS分子去質子化激發態相關的共振增強的拉曼信號.因此在FSRS實驗中,將拉曼泵浦光設定在575 nm處(圖3(a)), 該條件下主要共振了HPTS分子去質子化激發態向其基態的躍遷能級[21,22].

圖4(a)顯示了樣品HPTS(NaAC)在400—1700 cm–1頻率范圍內受激拉曼光譜圖和基態拉曼光譜.基態拉曼光譜中包含了在930(星號標注)和1610 cm–1處的兩個強的受激拉曼峰, 其中930 cm–1源自醋酸根離子中的碳-碳單鍵伸縮振動模式[18];根據Gaussian09 B進行的量子化學計算得到1610 cm–1處的基態拉曼峰來自于去質子化狀態的HPTS分子中的苯環的碳-碳伸縮以及碳-氫平面內搖擺振動模式(振動模式如圖5(e)中所示).在400 nm激發光的作用下,樣品HPTS(NaAC)表現出了豐富的激發態拉曼信號,其中與HPTS有關的包括了465,669,819,1528和1612 cm–1等典型的激發態拉曼峰.值得注意的是,兩樣品的拉曼信號強度不一致,這主要是由于在FSRS實驗中拉曼信號強度對于共振條件極為敏感,由于在不同溶劑環境中HPTS樣品共振條件存在差異,這就導致其受激拉曼光譜的強度出現差別.根據FSRS的共振條件,這些激發態拉曼信號的動力學過程主要反映了HPTS去質子化狀態的激發態動力學過程[21].在921 cm–1處的激發態拉曼峰則反映的是醋酸根離子激發態質子化狀態下的動力學過程,該激發態拉曼峰的出現也進一步證明了樣品HPTS(NaAC)中存在著ESPT過程,而該過程中質子的受體主要是醋酸根離子.為了進一步證實921 cm–1源自醋酸根離子,在同樣的實驗條件下也對樣品HPTS(pH=12)進行了FSRS的測試.由于在pH=12的水溶液中,HPTS分子中被水中的氫氧根離子奪去了質子形成了水分子,所以該樣品的FSRS光譜數據包含了HPTS去質子化的激發態拉曼信號,如圖4(b)所示,其中基態和激發態FSRS光譜中與醋酸根相關的拉曼峰完全消失.

圖3(a)HPTS(NaAC)樣品的150 fs到500 ps時間范圍內的瞬態吸收數據;(b)瞬態吸收數據在520 nm的時域光譜Fig.3.(a)The transient absorption spectra of HPTS(NaAC)from 150 fs to 500 ps after 400 nm excitation;(b)the dynamics of stimulated emission band of HPTS(NaAC)at 520 nm.

圖4(a)HPTS(NaAC)和(b)HPTS(pH=12)兩樣品的在400?1700 cm–1頻率范圍內的FSRS光譜圖Fig.4.Time-resolved excited-state FSRS spectra between ca.400?1700 cm–1 of (a)HPTS(NaAC)and(b)HPTS(pH=12)in water following 400 nm photoexcitation.

圖5(a)HPTS(NaAC)和(b)HPTS(pH=12)在1615 cm–1的FSRS動力學光譜;(c)HPTS(NaAC)在920 cm–1的FSRS動力學光譜;(d)HPTS(NaAC)和HPTS(pH=12)在1615 cm–1處時間窗口為1.5 ps的FSRS動力學光譜;(e)HPTS去質子狀態下1615 cm–1的拉曼振動模式示意圖Fig.5.Excited-state Raman dynamics spectra of (a)HPTS(NaAC)at 1615 cm–1 and(b)HPTS(pH=12)at 1615 cm–1;(c)excited-state Raman dynamics spectra of HPTS (NaAC) at 920 cm–1; (d) excited-state Raman dynamics spectra of HPTS (NaAC) and HPTS(pH=12)at 1615 cm–1 present in the time window of 1.5 ps;(e)Raman vibrational motions of deprotonated HPTS at 1615 cm–1.

為了進一步通過FSRS實驗數據了解與ESPT速率相關的態動力學信息,針對樣品HPTS(NaAC)數據中典型的激發態拉曼振動模式進行了分析.圖5(a)顯示了該樣品在1615 cm–1處的激發態拉曼動力學光譜,該激發態振動模式對應了去質子化狀態的HPTS分子中的苯環的碳-碳伸縮以及碳-氫平面內搖擺振動模式.該激發態振動模式表現出了較為復雜的動力學過程,其中包含一個壽命約280 fs的超快衰減過程以及一個較慢的指數上升過程.根據FSRS的共振條件,有關HPTS分子的激發態拉曼信號主要反映了該分子在去質子化激發態上的粒子數布居和弛豫過程.由于該樣品在400 nm處存在著質子化與去質子化穩態吸收光譜的交疊,因此在400 nm飛秒激光激發下,除了激發了HPTS分子的質子化狀態,部分去質子化狀態的HPTS分子也被激發了,因此1615 cm–1處的復雜的激發態動力學應該包含上述兩部分的貢獻.為了更好地區分這兩部分動力學貢獻,對比分析了樣品HPTS(pH=12)中1615 cm–1處的激發態動力學信號,如圖5(b)所示,該拉曼峰的激發態動力學表現為雙指數衰減過程包括一個約270 fs的超快衰減過程以及一個長壽命的衰減過程.270 fs的超快過程源自于激發態上的波包移出弗蘭克-康登區域(Franck–Condon region)的弛豫時間[21].因此可以確定在樣品HPTS(NaAC)中280 fs過程為400 nm直接激發去質子化狀態的HPTS分子所產生的激發態波包移出弗蘭克-康登區域的動力學過程,而隨后的指數上升過程則來自于激發質子化狀態的HPTS分子產生的ESPT過程,如果能夠分析出該上升過程的具體壽命就可以得到ESPT速率相關信息.但是1615 cm–1所表現出的復雜的動力學無疑給數據擬合帶來很大的困難.幸運地是,在樣品HPTS(NaAC)的FSRS數據中也觀測到了質子傳遞受體(醋酸根離子)在920 cm–1處的激發態動力學信號,如圖5(c)所示.該動力學過程表現為單純的指數上升過程,反應了光激發后質子化HPTS與醋酸根離子之間的ESPT過程.通過擬合可以得出,其上升沿中包含雙指數動力學過程,其中主要成分470 fs(約97%)反應了HPTS與醋酸根離子直接形成氫鍵導致的ESPT的速率.而占比非常小的3 ps則可能反映了在該樣品中少量的HPTS分子與醋酸根離子之間存在水分子,因此導致了ESPT的速率減小[26].

4 結論

本文利用共振增強的FSRS技術結合瞬態吸收光譜技術研究了HPTS分子在水溶液中與醋酸根離子之間的ESPT過程.與瞬態吸收技術相比,FSRS技術所得到的實驗結果包含了更豐富和更精確的激發態動力學信息.基于激發態共振的FSRS技術,在實驗中不僅觀測到了ESPT給體HPTS相關的激發態受激拉曼信號,同時還觀測到了受體醋酸根在920 cm–1處的激發態拉曼信號.通過分析得到了HPTS與醋酸根離子之間的ESPT速率為470 fs和3 ps.

特別感謝上?？萍即髮W圖書館高性能計算中心提供的超算資源.