菁染料激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)動勢能與環(huán)境敏感性的研究.pdf

1、近年來，隨著熒光檢測技術(shù)在生命科學(xué)和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的重要應(yīng)用，菁染料對核酸、蛋白等生物分子的熒光標(biāo)記，對粘度、極性、pH、溫度等環(huán)境敏感因素的探測尤其成為關(guān)注的焦點。因此，對染料結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究顯得更為重要。本論文主要以菁染料激發(fā)態(tài)能量釋放調(diào)控為主要手段，利用理論計算方法，揭示了菁染料分子體系在限制性環(huán)境中（DNA和粘度）不同敏感度的本質(zhì):
　　測試了對稱性和非對稱菁染料在水、DNA和粘度環(huán)境中量子產(chǎn)率。實驗結(jié)果表明在DNA環(huán)

2、境中，非對稱菁染料(TO)相比對稱性菁染料(Cy)有著更為明顯的熒光增強;菁染料的甲川鏈長度不同，環(huán)境敏感度不同。染料激發(fā)態(tài)勢能曲線計算揭示了甲川鏈上C-C鍵的旋轉(zhuǎn)調(diào)控著染料的激發(fā)態(tài)勢能，甲川鏈上不同C-C鍵的旋轉(zhuǎn)有著不同的轉(zhuǎn)動能壘，轉(zhuǎn)動能壘的高度決定非輻射失活的效率。對稱性菁染料(Cy)相比非對稱菁染料(TO)有著高的轉(zhuǎn)動能壘和大的能隙。非對稱菁染料(TO)靠近喹啉環(huán)鍵的C-C鍵的旋轉(zhuǎn)讓染料沿著最低的旋轉(zhuǎn)路徑到達最小能隙位置，降低了染

3、料的本底熒光量子產(chǎn)率和背景熒光。
　　通過實驗分析顯示，中位取代和未取代的對稱性菁染料在限制性環(huán)境（DNA和粘度）中有著不同的環(huán)境敏感度。分析了Cyan46和Cyan2激發(fā)態(tài)勢能曲線，發(fā)現(xiàn)了中位甲基取代基降低了甲川鏈的旋轉(zhuǎn)能壘，從而降低了Cyan2的本底熒光量子產(chǎn)率，增強了Cyan2環(huán)境敏感度。通過對Cy5、Cy5-CH3和Cy5-CHO系統(tǒng)的實驗對比和理論分析進一步支持了提出的機理。在這個機理之上，設(shè)計預(yù)測了中位取代的Cy3模型

4、，通過粘度測試證明了我們機理的正確性，從而促使Cy3模型的開發(fā)和應(yīng)用。
　　對Cy7、Cy5和Cy3氨基菁染料進行了系統(tǒng)的光譜分析，這三類染料有著大的斯托克斯位移和不同的粘度敏感度。理論研究揭示了氨基的扭轉(zhuǎn)在雙熒光現(xiàn)象和不同粘度敏感度上起著重要作用。勢能曲線結(jié)果推測了在低粘度條件下，氨基可以看成是一個轉(zhuǎn)子，光激發(fā)后與甲川鏈的耦合消失，可發(fā)射出長波長熒光;在高粘度條件下，氨基旋轉(zhuǎn)受到抑制，幾乎與甲川鏈共平面，氨基上的孤對電子可與甲川

5、鏈上π電子耦合，發(fā)射出短波長的熒光。甲川鏈上C-C鍵也可以參與旋轉(zhuǎn)，推斷氨基和甲川鏈旋轉(zhuǎn)能力的平衡影響著染料在粘性環(huán)境中激發(fā)態(tài)熒光形式和非輻射失活形式之間的競爭。
　　對Caz-Cy2、PCaz-Cy2和BCaz-Cy2三個帶有不同雜環(huán)的半菁染料進行了粘度測試，三個染料的本底熒光量子產(chǎn)率不同，進而有著不同的粘度敏感度。理論計算分析了三個染料的激發(fā)態(tài)勢能曲線，發(fā)現(xiàn)靠近咔唑環(huán)的C-C鍵的旋轉(zhuǎn)驅(qū)使著染料朝向激發(fā)態(tài)和基態(tài)間低能系的位置，從