用于半胱氨酸比率荧光检测探针光谱变化的量子化学计算

刘　涛，李秋婷，许　晗，潘滋涵

(承德石油高等专科学校 化学工程系，河北　承德　067000)

量子化学作为量子力学在化学领域的应用，在揭示分子性质、反应规律等方面起着巨大的作用。近几十年来，计算机科学和高性能计算机的高速发展极大地推动了量子化学计算的发展，使得化学领域研究效率大大提高。目前，量子化学计算已经在化学理论研究、制药、催化剂等领域被广泛的应用，可以实现理论预测以及实验结果或现象的理论解释[1-3]。由于分子光谱是由分子中电子能级跃迁产生的，通过理论计算可以预测分子能级轨道。因此，理论计算同样可应用于分子荧光探针研究方面，用于预测或验证探针与底物作用前后光谱的变化。邓灵等[4]合成了一例基于吡咯并吡咯二酮的半胱氨酸荧光探针，该探针与半胱氨酸作用后光谱变化明显，采用理论计算的方法验证并解释了作用机理与光谱变化现象。本文作者前期已经报道了一例用于半胱氨酸检测的荧光探针DPP-CHO，发现该探针与半胱氨酸作用后最大吸收波长蓝移4 nm，而最大发射波长蓝移40 nm，荧光由黄色变为绿色，从而实现了比率荧光检测，但并未对实验现象进行理论研究进而给出合理解释[5]。作为后续研究工作，采用量子化学计算的方法进行该探针与半胱氨酸作用前后基态与激发态的电子结构及分子轨道能级的探究，从而对光谱发生蓝移的实验现象进行理论解释。

1　计算方法

通过运用Gaussian 09软件对探针DPP-CHO及其与半胱氨酸作用后的产物(图1)进行了理论计算。DPP-CHO及其相应作用后产物的几何构型优化采用密度泛函理论(DFT)方法，并结合B3-LYP交换关联泛函和6-31G**基组。采用含时密度泛函方法理论(TDDFT)方法和B3-LYP交换关联泛函以及6-31G**基组对跃迁能级和振子强度进行了计算。在优化过程中，原子采取自由优化，键长、键角及二面角都未固定[6]。

2　计算结果与讨论

运用软件对探针分子及作用后的产物进行了结构优化，如图 2所示，在此基础上模拟了探针分子和与半胱氨酸作用产物的基态和激发态的最高占有轨道(HOMO)和最低非占有轨道(LUMO)的能级，如图3、图4所示，所得能级及能级差数据如表1所示。

从模拟计算得到的基态HOMO/LUMO结果可以得到，DPP-CHO的HOMO-LUMO轨道能级差为2.28 eV。当与Cys作用后，HOMO和LUMO轨道能级都发生了下降，但是HOMO轨道下降的程度更大一些，这就造成作用产物DPP-CHO+Cys的HOMO-LUMO轨道能级差(2.49 eV)相比于DPP-CHO增大了0.21 eV，也就是说基态跃迁至激发态所需能量变大，吸收波长变短，DPP-CHO与Cys作用后吸收波长蓝移。

同理，从模拟计算得到的激发态HOMO/LUMO结果可以得到，DPP-CHO的HOMO-LUMO轨道能级差为2.11 eV。当与Cys作用后，HOMO和LUMO轨道能级都发生了上升，但是LUMO轨道上升的程度更大一些，这就造成作用产物DPP-CHO+Cys的HOMO-LUMO轨道能级差(2.77 eV)相比于DPP-CHO增大了0.66 eV，也就是说激发态跃迁至基态释放能量变大，发射波长变短，DPP-CHO与Cys作用后发射波长蓝移。通过模拟计算得到的数据很好地吻合了实验结果，对光谱发生蓝移的实验结果给出了合理的解释。

表1　探针DPP-CHO和与半胱氨酸作用产物基态和激发态HOMO/LUMO轨道数据

分子状态化合物HOMO/eVLUMO/eV能级差/eV基态DPP⁃CHO-4．73-2．452．28DPP⁃CHO+Cys-5．54-3．052．49激发态DPP⁃CHO-5．33-3．222．11DPP⁃CHO+Cys-5．12-2．352．77

3　结论

通过量子化学计算，在理论上解释了探针分子DPP-CHO与Cys作用后荧光蓝移的原因，也进一步验证了作用机理推测的正确性。

参考文献：

[1]陈静波. 几种化学反应机理的量子化学理论计算[D]. 长沙：中南大学，2009.

[2]龙威，周昕. 5种磺胺类药物SN、ST、SD、SG及SMP分子活性的量子化学计算[J]. 青岛科技大学学报(自然科学版)，2013，34(4)：362-367.

[3]方昊成. 金催化的精确量子化学计算[D]. 上海：复旦大学，2012.

[4]Ling Deng, Wenting Wu, ect. Colorimetric and ratiometric fluorescent chemosensor based on diketopyrrolopyrrole for selective detection of thiols: an experimental and theoretical study [J]. J.Org. Chem., 2011(76): 9294-9304.

[5]刘涛，程忠玲，吴效楠，等. 用于半胱氨酸检测的比率荧光探针的合成与应用[J]. 精细化工，2014，34(7)：817-819.

[6]刘涛. 用于DNA检测与线粒体染色荧光染料的合成[D]. 大连：大连理工大学，2012.