我所發現光誘導電子轉移影響熒光染料發光強度的量化關系

  近日,我所分子探針與熒光成像研究組(1818組)徐兆超研究員團隊與新加坡科技設計大學劉曉剛教授合作,發現光誘導電子轉移影響熒光染料發光強度的量化關系。

  光誘導電子轉移(photoinduced electron transfer, PET)是物質和物質間吸收、轉移、轉換能量的主要光物理過程之一。通過PET過程調控熒光染料的熒光強度成為發展熒光探針和生物傳感器的主要信號傳導機制。例如,PET熒光探針與被檢測物的結合可以抑制其PET的發生,從而顯著提高其量子產率;該探針具有靈敏度高、可視性強、時空分辨率高的特點。準確地定量預測熒光染料的PET效率對合理開發新型PET探針具有重要意義。

  該研究團隊在對熒光分子構效關系深刻理解的基礎上,通過“實驗與理論”相結合的研究方式,近期又發現了能夠半定量描述熒光染料PET效率的量化參數,定義為通用描述符ΔE,即熒光團和受體的前線軌道能極差。

  研究團隊根據PET類熒光探針的特點,研究了超過140種meso位苯基取代的具有熒光團-受體結構的熒光染料,發現半定量預測PET探針量子產率的參數ΔE的閾值為反直覺的~0.6 eV。當ΔE<~0.6 eV時,熒光團在極性溶劑中的量子產率很低(<20%),PET發生;相反,當ΔE>~0.6 eV,熒光團的量子產率在所有介質中均較高(大部分>20%),PET被抑制。

  研究團隊根據PET類探針的特點,設計了6個BODIPY類和3個羅丹明類染料來驗證ΔE閾值的規律。實驗發現,ΔE>~0.6 eV的3個分子B1、B2、B3量子產率均較高,在所有溶劑中都高于30%;ΔE<~0.6 eV的3個分子B4、B5、B6在極性溶劑中的量子產率均低于1%,在非極性溶劑中的量子產率顯著增加(>30%),因而表現出極好的免洗脂滴成像和AIE性質。3個羅丹明類染料M1、M2、M3也呈現出相同的規律,分子M3具有優秀的線粒體免洗成像性質。

  經過驗證,ΔE的閾值~0.6 eV能準確預測包括BODIPY、熒光素、羅丹明和硅羅丹明在內的多種熒光團的量子產率。描述符ΔE使研究人員能夠定量設計各種可用于生物成像的PET探針,也能作為一個有效的指標高效指導設計眾多基于AIE的發光材料。

  相關成果發表在《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.)上。以上研究工作得到國家自然科學基金面上項目資助。(文/劉文娟 圖/遲偉杰)

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