2-(2-氨基苯基)苯并噻唑與四苯基卟啉及四苯基鋅卟啉的熒光共振能量轉移

梅 剛, 易平貴, 李 慶, 張志于, 彭文宇, 李玉茹, 徐合意

(湖南科技大學 化學化工學院, 理論有機化學與功能分子教育部重點實驗室, 精細聚合物可控制備及功能應用湖南省重點實驗室, 分子構效關系湖南省普通高校重點實驗室, 湖南 湘潭 411201)

F?RSTER于1948年首先發現熒光共振能量轉移(Fluorescence resonance energy transfer, FRET), 因此又可稱之為 F?RSTER能量轉移, 作為一種無輻射的能量轉換方式, 能量供體(Donor)將其激發態的能量, 采用分子之間的電偶極相互作用的方式, 傳遞給對應的能量受體(Acceptor)[1]。 當供體在能量發生轉換后, 其本身的熒光強度會出現一定程度的消退, 對應的是受體熒光被激發。 兩個分子之間要發生共振能量遷移, 其首要條件是要求二者之間達到能級匹配, 即兩個分子從基態躍到激發態的能級差需要基本相等[2]。 直觀地看, 這種分子間能量匹配, 就是一分子的發射光譜必須和另一分子的吸收光譜在給定條件下能夠發生一定程度的重疊[3]。 近年來, 隨著FRET在各領域研究的深入, 選擇合適高效的FRET體系,擴大FRET的進一步應用, 有關其轉移機制與規律的研究被普遍關注, FRET在化學、生物和醫學等領域有著廣闊的應用前景[4]。

作為近年來被廣泛應用和不斷推新的重要熒光發生物質之一, 卟啉及衍生物具有較大的STOKES位移、 較高的熒光量子產率、 較大的摩爾消光系數等一系列優異的性能[5], 同時通過對它們的熒光團中心骨架進行相應的修飾可獲得熒光性能不同的新穎衍生物, 這些優點大大擴展了它們的應用[6]。 此外, 卟啉及其衍生物的制備途徑多樣, 能夠有效的篩選出合適的受體, 為研究的有效開展提供了先決條件。

化合物2-(2-氨基苯基)苯并噻唑(APBT)是一類斯托克斯位移大、熒光量子產率高[7]的熒光分子, 具有較強的熒光發射能力[8], 廣泛應用于熒光生物成像、熒光分子探針和發光材料[9]等領域, 這類化合物分子還具有較好的可極化性, 對外部環境響應敏感、光譜所能夠感應的區間能夠較大程度地偏向長波區域[10], 是探究有機發光材料的重要模型物質。

選擇適當的分子橋鏈將不同性能熒光團, 如卟啉、氟吡咯硼、苯并咪唑等連接在一起以形成發光波長寬、強度可調的二元或多元等發光分子, 是目前發光功能分子與材料的重要研究內容, 其作用機制通常涉及到FRET。 本文將以5,10,15,20-四苯基卟啉(TPP)及其鋅離子配合物ZnTPP為熒光團, 研究它們與APBT熒光團之間的相互作用及其可能的能量轉移機制與規律, 以期為構建它們的二元熒光化合物提供研究基礎。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruka AVII 500MHz核磁共振波譜儀(BRUKA, 德國), UV-2501PC型紫外可見分光光度計(SHIMADZU, 日本), 6120LC/MS型質譜儀(AGILENT, 美國), FLS920穩態瞬態熒光光譜儀(EDINBURGH, 英國)。

TPP、ZnTPP、APBT根據文獻[11-13]合成并進行了結構確認。 實驗過程用到的試劑純度均達到分析純。

圖1 化合物TPP、ZnTPP和APBT分子的結構Fig.1 Molecular structures of compound TPP, ZnTPP and APBT

1.2 實驗方法

1.2.1 儲備液的制備

分別配制了濃度為1.0×10-3mol/L的APBT、TPP和ZnTPP四氫呋喃儲備液。

1.2.2 光譜測試

用移液槍分別量取APBT和TPP的儲備液, 用四氫呋喃將其稀釋成1.0×10-5mol/L的待測液, 室溫下分別測定紫外-可見吸收光譜和熒光發射光譜。對APBT與ZnTPP所構成的體系進行相同的操作。

2 結果與討論

2.1 FRET體系的構建

2.1.1 TPP和ZnTPP的電子光譜

圖2(a)和(b)分別給出了在四氫呋喃溶液中, TPP和ZnTPP室溫下的吸收光譜和發射光譜。 可以看出, 在吸收光譜中, TPP存在有1個Soret帶和4個Q帶, 當形成ZnTPP后, Soret帶從417 nm紅移至423 nm, 而Q帶的QⅠ、QⅣ帶消失。Q帶的部分消失歸因于配合物的形成使分子對稱性由TPP的D2h增至ZnTPP的D4h而引起的能級簡并, 同時也增加了卟啉環π電子的離域性[14-15]和分子結構的穩定性, 降低了π→π*躍遷的能級差。圖2(b)的結果表明, 波長為400 nm的激發光均可使TPP與ZnTPP產生形狀結構形狀相似的二重峰熒光發射光譜, 但強度與峰位有別, 它們分別對應于分子激發態S2和S1向基態的π電子躍遷。 TPP的強發射峰為647 nm, 弱發射峰位于714 nm; 鋅離子的配位作用, 使配體TPP的兩個發射峰分別藍移至597 nm和650 nm, 且前者的強度減弱, 后者的強度增加。 ZnTPP熒光發射峰藍移且主峰的強度低于TPP, 可能是Zn2+的3d軌道改變了配合物中卟啉環電子云密度而降低了電子躍遷幾率, 同時也因過渡金屬重原子效應引起電子自旋-軌道偶合作用, 增大了各激發態的系間竄越, 單重激發態分子通過能量內轉換而部分失活, 降低了單重激發態的相對穩定性，導致熒光強度降低。

圖2 TPP與ZnTPP的光譜圖 (a) 吸收光譜;(b) 發射光譜Fig.2 Spectra of TPP and ZnTPP (a)Adsorption spectra;(a)Emission spectra

2.1.2 FRET體系的構建

形成FRET體系的前提就是能量供體分子的發射光譜與能量受體分子的吸收光譜在給定條件下能夠發生一定程度的重疊。 圖3(a)和(b)分別同時繪出了APBT的歸一化熒光發射光譜與TPP和ZnTPP吸收光譜圖。 顯然, 兩圖中的發射光譜與吸收光譜有較大程度的重疊, 因而APBT可作為能量供體分子分別與作為能量供體的TPP及ZnTPP, 構建相應的熒光共振能量轉移體系。

圖3 APBT發射光譜與TPP及ZnTPP吸收光譜重疊圖(a) TPP;(b) ZnTPPFig.3 Overlap between emission of APBT and absorption spectrum of TPP or ZnTPP (a) TPP;(b) ZnTPP

2.2 供體與受體濃度對FRET體系的影響

2.2.1 APBT與TPP的濃度對其FRET體系的影響

在FRET系統中, 供體與受體的濃度變化對其有較大的影響。 為研究供體濃度變化對FRET體系的作用, 固定受體TPP的濃度為1.0×10-5mol/L, 以供體APBT對其進行熒光滴定, 供體濃度分別達到0、0.1×10-5、0.2×10-5、0.3×10-5、0.4×10-5和0.5×10-5mol/L, 相應結果示于圖4(a)。 從圖可以看出, APBT僅有450 nm處的熒光發射峰, TPP的二重熒光發射峰分別位于647和714 nm, 滴定過程中供體自身的熒光峰不會干擾的受體的熒光。 隨著APBT濃度的增加, 其自身熒光強度增加的同時, TPP的熒光強度也不斷增加, 并最終達到飽和狀態。同樣, 將固定供體APBT濃度為1.0×10-5mol/L, 測定TPP濃度分別為0、0.1×10-5、0.2×10-5、0.3×10-5、0.4×10-5和0.5×10-5mol/L時APBT熒光的變化以考察受體濃度對FRET體系的影響, 結果見圖4(b)。 可以看出, 增加TPP濃度, 其自身熒光強度增加, 但APBT的熒光強度降低, 即出現了一定程度的熒光猝滅, 最終也到達飽和狀態。

綜上所述, 供體APBT與受體TPP之間的FRET結果, 是供體能量轉移加強了受體的發射熒光能力, 同時供體自身的熒光發射能力被部分地削減。

2.2.2 APBT與ZnTPP濃度對其FRET體系的影響

按2.2.1相同的方式, 考察了APBT與ZnTPP濃度對其FRET體系的影響, 結果如圖5(a)和(b)所示。

比較可知, 圖4(a)與5(a)所反映的變化規律以及4(b)與5(b)所呈現的熒光猝滅現象基本相似, 只是兩個FRET體系中受體TPP和ZnTPP雙發射熒光峰的位置與強度有差別。 因此, 兩體系的FRET過程的結果和規律也是相似的。

圖4 (a) APBT濃度對FRET的影響(λex=400 nm);(b) TPP濃度對FRET的影響(λex=400 nm)Fig.4 (a) Effect of concentration of APBT on the FRET(λex=400 nm);(b) Effect of concentration of TPP on the FRET(λex=400 nm)

圖5 (a) APBT濃度對FRET的影響(λex=410 nm);(b) ZnTPP濃度對FRET的影響(λex=410 nm)Fig.5 (a) Effect of concentration of APBT on the FRET(λex=410 nm);(b) Effect of concentration of ZnTPP on the FRET(λex=410 nm)

2.3 體系的FRET參數

2.3.1 受體與供體作用的結合比

從上述濃度對FRET系統的影響規律可以看出, 供受體濃度增大到一定量時受體熒光峰強度會達到一個臨界飽和狀態, 此時熒光強度趨于穩定值。 據此, 可以確定穩定的FRET系統中, 受體與供體之間分子作用的數目比[16]。

考慮下列的供體D與受體A的結合反應式:

nD+A=DnA

(1)

其中n為受體與供體結合的分子數目比。 以D和A的熒光強度對其濃度比cA/cD作圖可得兩條曲線, 將其相應的兩切線外延可得交點, 由交點的濃度比值可得結合比n。 圖6繪出了兩種FRET體系的這種熒光強度與供體對受體濃度比的關系。

圖6 (a) APBT與TPP結合比;(b) APBT與ZnTPP結合比Fig.6 (a) Number ratio of APBT to TPP; (b) Number ratio of APBT to ZnTPP

在圖6(a)中, 受體TPP和供體APBT熒光強度曲線之切線延長線交點分別C和B, 其橫坐標分別為0.454和0.510, 近似為0.500,n即為2, 表明在APBT-TPP的FRET體系中, 供體與受體的最大分子結合比為2∶1。 而在圖6(b)中, 延長線交點E和F的橫坐標分別為0.303和0.337,n值近似為3, 即在APBT與ZnTPP所構建的FRET體系中, 1個受體分子最多可與3個供體發生FRET作用。

2.3.2 能量轉移效率和供體-受體結合距離

由F?RSTER方程可知, FRET的效率E有如下關系[17]:

(2)

式中,FDA是供體在受體影響下的熒光強度,FD是供體單獨作用下的熒光強度,n為受體供體數目比,r為供體-受體間的距離,R0為EFRET=50%時的臨界距離:

(3)

式(3)中,K為偶極空間取向因子,n0為介質的折射系數,ΦD為供體的熒光量子產率,J(λ)為發射光譜與吸收光譜的重疊積分:

(4)

式(4)中,F(λ)為供體在波長λ處的熒光強度,ε(λ)為受體在波長λ處的摩爾消光系數。

根據供體發射光譜與受體吸收光譜的重疊面積, 經計算, APBT-TPP和APBT-ZnTPP體系的J(λ)分別為7.68×10-14和1.91×10-13cm3·L·mol-1；兩體系的取向因子按供體-受體各項隨機分布的平均值去取值, 即K2=2/3, 溶劑的折射指數n0為1.41；APBT在400 nm和410 nm波長的光激發下, 熒光量子產率ΦD為0.249 5和0.058 6。 進而計算可得, 對于APBT-TPP體系,EFRET=0.180 3,R0= 3.76 nm,r=4.31 nm；對于APBT-ZnTPP體系,EFRET=0.137 5,R0= 3.44 nm,r=3.88 nm。

2.4 FRET體系供體-受體結合機制分析

F?RSTER共振能量轉移(FRET)屬于長程能量轉移, 是通過供體和受體分子偶極-偶極相互作用途徑而實現的非輻射共振能量, 其實現條件除了能量匹配, 即供體的發射光譜與受體的吸收光譜由一定程度的重疊外, 還要求兩偶極子中心距離在1～10 nm范圍(即遠大于碰撞半徑)及躍遷偶極有合適的相對取向以提高轉移效率。 在本文所考察的兩個FRET體系中, 供體APBT的作用均能增強受體TPP及ZnTPP的熒光發射強度, 而不是猝滅受體的熒光, 表明供體-受體在作用過程中可能形成了相對穩定的締合物或聚集體, 提高了體系的發光效率。

從分子結構看, 供體APBT分子中苯基上的氨基一個氫原子可與噻唑環上的氮原子形成分子內氫鍵N-H子中, 另一個氫原子可與受體TPP卟啉環上的氮原子形成N-H啉環分子間氫鍵, 一個TPP分子在其環平面兩側分別形成一個N-H子在氫鍵, 使得APBT與TPP的分子結合比為2∶1。 而在APBT-ZnTPP體系中, 除了與TPP相同的分子間氫鍵作用外, 還可能借助APBT分子噻唑環的氮原子與ZnTPP中的Zn2+離子發生軸向配位作用, 因而兩者的結合比可達3∶1。 ZnTPP的這種軸向配位作用已被吡啶、吡咯及其衍生物等配體所證實[18]。

3 結論

構建了APBT-TPP和APBT-ZnTPP兩個熒光共振能量轉移體系, 在其相應的FRET過程中, 供體APBT的能量轉移均加強了受體TPP和ZnTPP的發射熒光能力, 同時供體自身的發射熒光被部分地猝滅。

ZnTPP中由于中心Zn2+離子的配合作用, 改變了配體分子TPP的π電子分布密度, 吸收光譜與熒光發射光譜發生了一定的變化。 兩體系的FRET轉移效率、臨界能量轉移距離R0及相互作用的供體/受體結合比等也有一定的差異。 借助于分子間氫鍵, 兩種體系中的受體分子卟啉環兩側可分別結合一個供體APBT分子形成作用分子對, 以實現體系的熒光共振能量轉移, ZnTPP還可通過軸向配位作用結合一個APBT分子, 使體系FRET轉移效率和臨界能量轉移距離R0有一定程度的降低。