双光子锌离子探针配位模式研究及理论设计

作     者：邵哲 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵珂

授予年度：2022年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：锌离子探针 双光子吸收 配位模式 荧光量子产率 分子动力学模拟 

摘      要：锌离子是酶和结构蛋白的活性成分,可以调节免疫系统、细胞增殖和生长等,对生物体具有非常重要的作用,所以高选择性地识别和检测锌离子,对化学、生物学、临床医学和农学等领域具有非常重要的意义。基于双光子吸收理论开发出来的双光子荧光显微技术可以对锌离子进行高效的检测,捕捉其的浓度、含量等信息。在双光子荧光显微技术中,双光子荧光探针是核心部分,它是结合探测底物和产生光信号的本体。一个良好的双光子探针可以减小环境干扰,对底物进行高效的特异性探测,所以研究和设计双光子荧光探针是非常重要的。本文以此为出发点,理论研究了一系列双光子锌离子探针的光物理性质,重点研究了锌离子配位模式对双光子吸收性质的影响,并且,理论设计了一系列性能优良的双光子锌离子探针。主要工作分为两个部分:一、基于双氰基二苯乙烯的双光子锌离子探针的配位模式研究应用量子化学计算方法并结合分子动力学模拟,研究了基于双氰基二苯乙烯的双光子锌离子探针与锌离子结合后双光子吸收增强的机制,特别研究了配位模式的影响。选取了探针的十二个配位结构,通过密度泛函理论和响应理论方法计算了它们的双光子吸收截面,由此建立了结构与性质关系。结果显示,哌嗪单元扭曲以及与吡啶氮原子配位的结构可以产生较大的双光子吸收截面,同时,与锌离子结合后,双光子吸收波长几乎不变。为了解释实验中双光子吸收增强现象,基于构建的结构与性质关系,探寻了其他几种可能的配位结构,并且,通过分子动力学模拟进一步探索了这些配位结构的形成过程。我们发现,实验中双光子吸收增强是由某些特殊的配位模式产生的。二、基于喹啉和二甲基吡啶胺的双光子锌离子探针的理论设计在实验合成分子的基础上,理论设计了一系列含喹啉和二甲基吡啶胺的比率型双光子锌离子荧光探针,并应用密度泛函理论和响应理论方法,计算了实验分子和设计分子的单光子吸收、双光子吸收和荧光发射性质。理论设计共分两级。在第一级设计中,采用不同的电子给体和受体基团,设计了五个双光子锌离子探针。结果显示,相对于实验分子,设计分子的分子内电荷转移增强,双光子吸收截面均有不同程度的提高。由于具有较长的共轭长度和更线性的主体结构,含受体酰基的探针4双光子吸收截面最大。沿分子主体方向添加一个给体二甲氨基比在侧面添加两个氨基更有利于双光子吸收。因此,根据第一级设计结果,在第二级设计中,选取了最有效的受体酰基和给体二甲氨基设计了探针7。计算表明,探针7及其锌离子配合物的双光子吸收明显增强。此外,应用全新的方法,即根据偶极距差计算值与荧光量子产率实验值之间的关系,计算了设计探针4和7的荧光量子产率。结果表明,设计探针的荧光量子产率均有较大程度的提高。与实验分子相比,设计探针不仅具有增强的双光子吸收截面,而且具有强荧光,与锌离子配位后,发射波长均有较大红移,因此可以成为性能优良的比率型双光子锌离子荧光探针。