2-(2-氨基苯基)苯并噻唑与四苯基卟啉及四苯基锌卟啉的荧光共振能量转移

梅 刚, 易平贵, 李 庆, 张志于, 彭文宇, 李玉茹, 徐合意

(湖南科技大学 化学化工学院, 理论有机化学与功能分子教育部重点实验室, 精细聚合物可控制备及功能应用湖南省重点实验室, 分子构效关系湖南省普通高校重点实验室, 湖南 湘潭 411201)

FÖRSTER于1948年首先发现荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer, FRET), 因此又可称之为 FÖRSTER能量转移, 作为一种无辐射的能量转换方式, 能量供体(Donor)将其激发态的能量, 采用分子之间的电偶极相互作用的方式, 传递给对应的能量受体(Acceptor)[1]。 当供体在能量发生转换后, 其本身的荧光强度会出现一定程度的消退, 对应的是受体荧光被激发。 两个分子之间要发生共振能量迁移, 其首要条件是要求二者之间达到能级匹配, 即两个分子从基态跃到激发态的能级差需要基本相等[2]。 直观地看, 这种分子间能量匹配, 就是一分子的发射光谱必须和另一分子的吸收光谱在给定条件下能够发生一定程度的重叠[3]。 近年来, 随着FRET在各领域研究的深入, 选择合适高效的FRET体系,扩大FRET的进一步应用, 有关其转移机制与规律的研究被普遍关注, FRET在化学、生物和医学等领域有着广阔的应用前景[4]。

作为近年来被广泛应用和不断推新的重要荧光发生物质之一, 卟啉及衍生物具有较大的STOKES位移、 较高的荧光量子产率、 较大的摩尔消光系数等一系列优异的性能[5], 同时通过对它们的荧光团中心骨架进行相应的修饰可获得荧光性能不同的新颖衍生物, 这些优点大大扩展了它们的应用[6]。 此外, 卟啉及其衍生物的制备途径多样, 能够有效的筛选出合适的受体, 为研究的有效开展提供了先决条件。

化合物2-(2-氨基苯基)苯并噻唑(APBT)是一类斯托克斯位移大、荧光量子产率高[7]的荧光分子, 具有较强的荧光发射能力[8], 广泛应用于荧光生物成像、荧光分子探针和发光材料[9]等领域, 这类化合物分子还具有较好的可极化性, 对外部环境响应敏感、光谱所能够感应的区间能够较大程度地偏向长波区域[10], 是探究有机发光材料的重要模型物质。

选择适当的分子桥链将不同性能荧光团, 如卟啉、氟吡咯硼、苯并咪唑等连接在一起以形成发光波长宽、强度可调的二元或多元等发光分子, 是目前发光功能分子与材料的重要研究内容, 其作用机制通常涉及到FRET。 本文将以5,10,15,20-四苯基卟啉(TPP)及其锌离子配合物ZnTPP为荧光团, 研究它们与APBT荧光团之间的相互作用及其可能的能量转移机制与规律, 以期为构建它们的二元荧光化合物提供研究基础。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruka AVII 500MHz核磁共振波谱仪(BRUKA, 德国), UV-2501PC型紫外可见分光光度计(SHIMADZU, 日本), 6120LC/MS型质谱仪(AGILENT, 美国), FLS920稳态瞬态荧光光谱仪(EDINBURGH, 英国)。

TPP、ZnTPP、APBT根据文献[11-13]合成并进行了结构确认。 实验过程用到的试剂纯度均达到分析纯。

图1 化合物TPP、ZnTPP和APBT分子的结构Fig.1 Molecular structures of compound TPP, ZnTPP and APBT

1.2 实验方法

1.2.1 储备液的制备

分别配制了浓度为1.0×10-3mol/L的APBT、TPP和ZnTPP四氢呋喃储备液。

1.2.2 光谱测试

用移液枪分别量取APBT和TPP的储备液, 用四氢呋喃将其稀释成1.0×10-5mol/L的待测液, 室温下分别测定紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱。对APBT与ZnTPP所构成的体系进行相同的操作。

2 结果与讨论

2.1 FRET体系的构建

2.1.1 TPP和ZnTPP的电子光谱

图2(a)和(b)分别给出了在四氢呋喃溶液中, TPP和ZnTPP室温下的吸收光谱和发射光谱。 可以看出, 在吸收光谱中, TPP存在有1个Soret带和4个Q带, 当形成ZnTPP后, Soret带从417 nm红移至423 nm, 而Q带的QⅠ、QⅣ带消失。Q带的部分消失归因于配合物的形成使分子对称性由TPP的D2h增至ZnTPP的D4h而引起的能级简并, 同时也增加了卟啉环π电子的离域性[14-15]和分子结构的稳定性, 降低了π→π*跃迁的能级差。图2(b)的结果表明, 波长为400 nm的激发光均可使TPP与ZnTPP产生形状结构形状相似的二重峰荧光发射光谱, 但强度与峰位有别, 它们分别对应于分子激发态S2和S1向基态的π电子跃迁。 TPP的强发射峰为647 nm, 弱发射峰位于714 nm; 锌离子的配位作用, 使配体TPP的两个发射峰分别蓝移至597 nm和650 nm, 且前者的强度减弱, 后者的强度增加。 ZnTPP荧光发射峰蓝移且主峰的强度低于TPP, 可能是Zn2+的3d轨道改变了配合物中卟啉环电子云密度而降低了电子跃迁几率, 同时也因过渡金属重原子效应引起电子自旋-轨道偶合作用, 增大了各激发态的系间窜越, 单重激发态分子通过能量内转换而部分失活, 降低了单重激发态的相对稳定性，导致荧光强度降低。

图2 TPP与ZnTPP的光谱图 (a) 吸收光谱;(b) 发射光谱Fig.2 Spectra of TPP and ZnTPP (a)Adsorption spectra;(a)Emission spectra

2.1.2 FRET体系的构建

形成FRET体系的前提就是能量供体分子的发射光谱与能量受体分子的吸收光谱在给定条件下能够发生一定程度的重叠。 图3(a)和(b)分别同时绘出了APBT的归一化荧光发射光谱与TPP和ZnTPP吸收光谱图。 显然, 两图中的发射光谱与吸收光谱有较大程度的重叠, 因而APBT可作为能量供体分子分别与作为能量供体的TPP及ZnTPP, 构建相应的荧光共振能量转移体系。

图3 APBT发射光谱与TPP及ZnTPP吸收光谱重叠图(a) TPP;(b) ZnTPPFig.3 Overlap between emission of APBT and absorption spectrum of TPP or ZnTPP (a) TPP;(b) ZnTPP

2.2 供体与受体浓度对FRET体系的影响

2.2.1 APBT与TPP的浓度对其FRET体系的影响

在FRET系统中, 供体与受体的浓度变化对其有较大的影响。 为研究供体浓度变化对FRET体系的作用, 固定受体TPP的浓度为1.0×10-5mol/L, 以供体APBT对其进行荧光滴定, 供体浓度分别达到0、0.1×10-5、0.2×10-5、0.3×10-5、0.4×10-5和0.5×10-5mol/L, 相应结果示于图4(a)。 从图可以看出, APBT仅有450 nm处的荧光发射峰, TPP的二重荧光发射峰分别位于647和714 nm, 滴定过程中供体自身的荧光峰不会干扰的受体的荧光。 随着APBT浓度的增加, 其自身荧光强度增加的同时, TPP的荧光强度也不断增加, 并最终达到饱和状态。同样, 将固定供体APBT浓度为1.0×10-5mol/L, 测定TPP浓度分别为0、0.1×10-5、0.2×10-5、0.3×10-5、0.4×10-5和0.5×10-5mol/L时APBT荧光的变化以考察受体浓度对FRET体系的影响, 结果见图4(b)。 可以看出, 增加TPP浓度, 其自身荧光强度增加, 但APBT的荧光强度降低, 即出现了一定程度的荧光猝灭, 最终也到达饱和状态。

综上所述, 供体APBT与受体TPP之间的FRET结果, 是供体能量转移加强了受体的发射荧光能力, 同时供体自身的荧光发射能力被部分地削减。

2.2.2 APBT与ZnTPP浓度对其FRET体系的影响

按2.2.1相同的方式, 考察了APBT与ZnTPP浓度对其FRET体系的影响, 结果如图5(a)和(b)所示。

比较可知, 图4(a)与5(a)所反映的变化规律以及4(b)与5(b)所呈现的荧光猝灭现象基本相似, 只是两个FRET体系中受体TPP和ZnTPP双发射荧光峰的位置与强度有差别。 因此, 两体系的FRET过程的结果和规律也是相似的。

图4 (a) APBT浓度对FRET的影响(λex=400 nm);(b) TPP浓度对FRET的影响(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)

图5 (a) APBT浓度对FRET的影响(λex=410 nm);(b) ZnTPP浓度对FRET的影响(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 体系的FRET参数

2.3.1 受体与供体作用的结合比

从上述浓度对FRET系统的影响规律可以看出, 供受体浓度增大到一定量时受体荧光峰强度会达到一个临界饱和状态, 此时荧光强度趋于稳定值。 据此, 可以确定稳定的FRET系统中, 受体与供体之间分子作用的数目比[16]。

考虑下列的供体D与受体A的结合反应式:

nD+A=DnA

(1)

其中n为受体与供体结合的分子数目比。 以D和A的荧光强度对其浓度比cA/cD作图可得两条曲线, 将其相应的两切线外延可得交点, 由交点的浓度比值可得结合比n。 图6绘出了两种FRET体系的这种荧光强度与供体对受体浓度比的关系。

图6 (a) APBT与TPP结合比;(b) APBT与ZnTPP结合比Fig.6 (a) Number ratio of APBT to TPP; (b) Number ratio of APBT to ZnTPP

在图6(a)中, 受体TPP和供体APBT荧光强度曲线之切线延长线交点分别C和B, 其横坐标分别为0.454和0.510, 近似为0.500,n即为2, 表明在APBT-TPP的FRET体系中, 供体与受体的最大分子结合比为2∶1。 而在图6(b)中, 延长线交点E和F的横坐标分别为0.303和0.337,n值近似为3, 即在APBT与ZnTPP所构建的FRET体系中, 1个受体分子最多可与3个供体发生FRET作用。

2.3.2 能量转移效率和供体-受体结合距离

由FÖRSTER方程可知, FRET的效率E有如下关系[17]:

(2)

式中,FDA是供体在受体影响下的荧光强度,FD是供体单独作用下的荧光强度,n为受体供体数目比,r为供体-受体间的距离,R0为EFRET=50%时的临界距离:

(3)

式(3)中,K为偶极空间取向因子,n0为介质的折射系数,ΦD为供体的荧光量子产率,J(λ)为发射光谱与吸收光谱的重叠积分:

(4)

式(4)中,F(λ)为供体在波长λ处的荧光强度,ε(λ)为受体在波长λ处的摩尔消光系数。

根据供体发射光谱与受体吸收光谱的重叠面积, 经计算, APBT-TPP和APBT-ZnTPP体系的J(λ)分别为7.68×10-14和1.91×10-13cm3·L·mol-1；两体系的取向因子按供体-受体各项随机分布的平均值去取值, 即K2=2/3, 溶剂的折射指数n0为1.41；APBT在400 nm和410 nm波长的光激发下, 荧光量子产率ΦD为0.249 5和0.058 6。 进而计算可得, 对于APBT-TPP体系,EFRET=0.180 3,R0= 3.76 nm,r=4.31 nm；对于APBT-ZnTPP体系,EFRET=0.137 5,R0= 3.44 nm,r=3.88 nm。

2.4 FRET体系供体-受体结合机制分析

FÖRSTER共振能量转移(FRET)属于长程能量转移, 是通过供体和受体分子偶极-偶极相互作用途径而实现的非辐射共振能量, 其实现条件除了能量匹配, 即供体的发射光谱与受体的吸收光谱由一定程度的重叠外, 还要求两偶极子中心距离在1～10 nm范围(即远大于碰撞半径)及跃迁偶极有合适的相对取向以提高转移效率。 在本文所考察的两个FRET体系中, 供体APBT的作用均能增强受体TPP及ZnTPP的荧光发射强度, 而不是猝灭受体的荧光, 表明供体-受体在作用过程中可能形成了相对稳定的缔合物或聚集体, 提高了体系的发光效率。

从分子结构看, 供体APBT分子中苯基上的氨基一个氢原子可与噻唑环上的氮原子形成分子内氢键N-H子中, 另一个氢原子可与受体TPP卟啉环上的氮原子形成N-H啉环分子间氢键, 一个TPP分子在其环平面两侧分别形成一个N-H子在氢键, 使得APBT与TPP的分子结合比为2∶1。 而在APBT-ZnTPP体系中, 除了与TPP相同的分子间氢键作用外, 还可能借助APBT分子噻唑环的氮原子与ZnTPP中的Zn2+离子发生轴向配位作用, 因而两者的结合比可达3∶1。 ZnTPP的这种轴向配位作用已被吡啶、吡咯及其衍生物等配体所证实[18]。

3 结论

构建了APBT-TPP和APBT-ZnTPP两个荧光共振能量转移体系, 在其相应的FRET过程中, 供体APBT的能量转移均加强了受体TPP和ZnTPP的发射荧光能力, 同时供体自身的发射荧光被部分地猝灭。

ZnTPP中由于中心Zn2+离子的配合作用, 改变了配体分子TPP的π电子分布密度, 吸收光谱与荧光发射光谱发生了一定的变化。 两体系的FRET转移效率、临界能量转移距离R0及相互作用的供体/受体结合比等也有一定的差异。 借助于分子间氢键, 两种体系中的受体分子卟啉环两侧可分别结合一个供体APBT分子形成作用分子对, 以实现体系的荧光共振能量转移, ZnTPP还可通过轴向配位作用结合一个APBT分子, 使体系FRET转移效率和临界能量转移距离R0有一定程度的降低。