用于半胱氨酸比率熒光檢測探針光譜變化的量子化學計算

劉　濤，李秋婷，許　晗，潘滋涵

(承德石油高等專科學校 化學工程系，河北　承德　067000)

量子化學作為量子力學在化學領域的應用，在揭示分子性質、反應規律等方面起著巨大的作用。近幾十年來，計算機科學和高性能計算機的高速發展極大地推動了量子化學計算的發展，使得化學領域研究效率大大提高。目前，量子化學計算已經在化學理論研究、制藥、催化劑等領域被廣泛的應用，可以實現理論預測以及實驗結果或現象的理論解釋[1-3]。由于分子光譜是由分子中電子能級躍遷產生的，通過理論計算可以預測分子能級軌道。因此，理論計算同樣可應用于分子熒光探針研究方面，用于預測或驗證探針與底物作用前后光譜的變化。鄧靈等[4]合成了一例基于吡咯并吡咯二酮的半胱氨酸熒光探針，該探針與半胱氨酸作用后光譜變化明顯，采用理論計算的方法驗證并解釋了作用機理與光譜變化現象。本文作者前期已經報道了一例用于半胱氨酸檢測的熒光探針DPP-CHO，發現該探針與半胱氨酸作用后最大吸收波長藍移4 nm，而最大發射波長藍移40 nm，熒光由黃色變為綠色，從而實現了比率熒光檢測，但并未對實驗現象進行理論研究進而給出合理解釋[5]。作為后續研究工作，采用量子化學計算的方法進行該探針與半胱氨酸作用前后基態與激發態的電子結構及分子軌道能級的探究，從而對光譜發生藍移的實驗現象進行理論解釋。

1　計算方法

通過運用Gaussian 09軟件對探針DPP-CHO及其與半胱氨酸作用后的產物(圖1)進行了理論計算。DPP-CHO及其相應作用后產物的幾何構型優化采用密度泛函理論(DFT)方法，并結合B3-LYP交換關聯泛函和6-31G**基組。采用含時密度泛函方法理論(TDDFT)方法和B3-LYP交換關聯泛函以及6-31G**基組對躍遷能級和振子強度進行了計算。在優化過程中，原子采取自由優化，鍵長、鍵角及二面角都未固定[6]。

2　計算結果與討論

運用軟件對探針分子及作用后的產物進行了結構優化，如圖 2所示，在此基礎上模擬了探針分子和與半胱氨酸作用產物的基態和激發態的最高占有軌道(HOMO)和最低非占有軌道(LUMO)的能級，如圖3、圖4所示，所得能級及能級差數據如表1所示。

從模擬計算得到的基態HOMO/LUMO結果可以得到，DPP-CHO的HOMO-LUMO軌道能級差為2.28 eV。當與Cys作用后，HOMO和LUMO軌道能級都發生了下降，但是HOMO軌道下降的程度更大一些，這就造成作用產物DPP-CHO+Cys的HOMO-LUMO軌道能級差(2.49 eV)相比于DPP-CHO增大了0.21 eV，也就是說基態躍遷至激發態所需能量變大，吸收波長變短，DPP-CHO與Cys作用后吸收波長藍移。

同理，從模擬計算得到的激發態HOMO/LUMO結果可以得到，DPP-CHO的HOMO-LUMO軌道能級差為2.11 eV。當與Cys作用后，HOMO和LUMO軌道能級都發生了上升，但是LUMO軌道上升的程度更大一些，這就造成作用產物DPP-CHO+Cys的HOMO-LUMO軌道能級差(2.77 eV)相比于DPP-CHO增大了0.66 eV，也就是說激發態躍遷至基態釋放能量變大，發射波長變短，DPP-CHO與Cys作用后發射波長藍移。通過模擬計算得到的數據很好地吻合了實驗結果，對光譜發生藍移的實驗結果給出了合理的解釋。

表1　探針DPP-CHO和與半胱氨酸作用產物基態和激發態HOMO/LUMO軌道數據

分子狀態化合物HOMO/eVLUMO/eV能級差/eV基態DPP?CHO-4．73-2．452．28DPP?CHO+Cys-5．54-3．052．49激發態DPP?CHO-5．33-3．222．11DPP?CHO+Cys-5．12-2．352．77

3　結論

通過量子化學計算，在理論上解釋了探針分子DPP-CHO與Cys作用后熒光藍移的原因，也進一步驗證了作用機理推測的正確性。

參考文獻：

[1]陳靜波. 幾種化學反應機理的量子化學理論計算[D]. 長沙：中南大學，2009.

[2]龍威，周昕. 5種磺胺類藥物SN、ST、SD、SG及SMP分子活性的量子化學計算[J]. 青島科技大學學報(自然科學版)，2013，34(4)：362-367.

[3]方昊成. 金催化的精確量子化學計算[D]. 上海：復旦大學，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]劉濤，程忠玲，吳效楠，等. 用于半胱氨酸檢測的比率熒光探針的合成與應用[J]. 精細化工，2014，34(7)：817-819.

[6]劉濤. 用于DNA檢測與線粒體染色熒光染料的合成[D]. 大連：大連理工大學，2012.