溶剂介电常数对o-HBDI质子转移及荧光特性的影响

《Chemical Physics Letters》：Effect of solvent dielectric constant on proton transfer and fluorescence properties of o-HBDI

o-HBDI在不同溶剂中发生ESIPT和TICT机制，溶剂极性影响荧光表现，通过计算和结构分析揭示ESIPT能量垒及TICT作用，为GFP探针设计提供理论指导。

　　

Menghan Ma|Zhanpeng Li|Pinjia Guo|Yun Chen|Peng Zhang|Nan Wang|Yi Wang

大连理工大学生物工程学院，中国大连116034

摘要

作为绿色荧光蛋白（GFP）的衍生物，o-HBDI在不同溶剂中表现出不同的荧光行为。为了研究这一现象，本研究重点关注了各种溶剂中的激发态分子内质子转移（ESIPT）过程。在极性溶剂（乙腈、二氯甲烷、四氢呋喃）中，反应能量障碍有利于ESIPT的发生，从而产生荧光。相比之下，在苯胺、三氯甲烷和甲苯中则发生荧光淬灭。前沿分子轨道分析表明，这种淬灭源于扭曲的分子内电荷转移（TICT）。这些发现阐明了溶剂极性对ESIPT和TICT机制的调控作用，为基于GFP的荧光探针的设计提供了理论指导。

引言

激发态分子内质子转移（ESIPT）是生物学和化学中的一个基本过程[1]。自1955年Weller等人首次在水杨酸中观察到ESIPT现象以来[2]，大量的实验和理论工作致力于理解这一现象。由于其独特的光化学和光物理性质，ESIPT在荧光探针、化学传感器和有机发光二极管[3]、[4]、[5]中得到了广泛应用。许多研究表明，ESIPT可以与扭曲的分子内电荷转移（TICT）竞争。通常，TICT的发生会导致构象变化和能量耗散，从而影响整体的光物理行为[6]、[7]、[8]。

第一种绿色荧光蛋白（GFP）是在水母中发现的。其核心发色团是4-(4-羟基苯亚甲基)-1,2-二甲基-1H-咪唑-5(4H)-酮（p-HBDI）。GFP具有由十一个α螺旋组成的β-桶结构。这种独特的β-桶结构在稳定p-HBDI发色团方面起着关键作用[9]。通过与周围残基形成广泛的氢键，它将发色团与溶剂的影响隔离开来[10]。由于其安全性、无毒性以及在细胞中的稳定成像能力，GFP被广泛用于各种生物系统的荧光显微镜成像[11]、[12]、[13]。此外，GFP上的不同取代基可以进一步调节其光物理性质和ESIPT过程[14]、[15]。o-HBDI是p-HBDI的类似物。由于其通过形成分子内七元环氢键而具备ESIPT能力，它成为模拟GFP光物理机制的理想理论模型[16]、[17]、[18]。

尽管已经对o-HBDI进行了大量研究，但专门探讨溶剂对其ESIPT过程影响的实验仍然较少。大量研究表明，关键溶剂参数（包括极性、粘度、质子化能力和介电常数）在ESIPT动态中起着重要作用，而类似GFP的分子的荧光行为可以有效地被周围溶剂环境调节[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。本研究系统地探讨了o-HBDI的ESIPT机制以及六种介电常数不同的溶剂中TICT的影响。

计算方法

计算方法

本工作中的所有理论计算均使用Gaussian 16软件包[24]完成。o-HBDI在S₀和S₁状态的几何优化采用密度泛函理论（DFT）[25]和时依赖密度泛函理论（TD-DFT）[26]、[27]进行，其中贝克三参数混合交换函数采用Lee–Yang–Parr梯度校正相关函数（B3LYP函数）[28]，[29]，以及三ζ价层质量校正。

几何结构分析

为了更好地理解ESIPT机制，对分子的几何结构进行了分析[37]。使用B3LYP/TZVP理论水平，优化了o-HBDI在六种不同溶剂中的S?和S?结构。S?和S?状态的优化结构如图1所示，主要结构参数在表1中进行了定量总结。

如表1所示，在三种高极性溶剂中，S₁状态的O₁–H₁键长分别增加了0.043、0.057和0.061 ?。

结论

在本研究中，系统地探讨了六种介电常数不同的溶剂中o-HBDI的ESIPT机制以及TICT对这一过程的影响。结果表明，光激发显著增强了o-HBDI的分子内氢键，这一点通过几何参数、红外光谱和IRI分析得到了证实。根据势能曲线分析，o-HBDI在S₀状态下的质子转移障碍相对较高（5.09–7.13 kcal/mol）。

作者贡献声明

Menghan Ma：撰写 – 原稿撰写、可视化、实验研究、数据分析。 Zhanpeng Li：可视化、数据分析。 Pinjia Guo：数据分析。 Yun Chen：可视化、数据分析。 Peng Zhang：撰写 – 审稿与编辑、验证、概念构思。 Nan Wang：撰写 – 审稿与编辑、验证。 Yi Wang：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。