生物蛋白（荧光蛋白、胶原蛋白）二次谐波非线性光学性质的理论研究

Combined quantum-mechanics/molecular-mechanics (QM/MM) approaches were required for optimizing the proteins with strong second harmonic generation signals (fluorescent proteins and collagen). Base on the full understandings of the proteins, in the optimization, we divide the system into QM and MM regions, the QM part contains the important functional groups of proteins using a high level method for calculation and the protein environment is treating as the MM part with molecular mechanics. Then the protein structure that is similar to the protein in biomolecular systems is obtained. Finally, we calculate the relevant ground state and excited states properties for these functional parts, and discuss the second harmonic generation nonlinear optical properties combining with the methods for calculating nonlinear optical hyperpolarizability. This project is focus on the relationship between the biological structure and their second harmonic generation nonlinear optical properties by quantum chemical calculations. And then discuss the origins of nonlinear optical responses in order to provide theoretical guidance for further understanding the SHG phenomenon in biological tissues.

引入分子力学方法，对具有强二次谐波非线性光学响应的荧光蛋白、胶原蛋白，采用组合QM/MM多尺度计算方法对整个体系进行全面的理论模拟。在对蛋白体系有较全面理解的基础上，确定需要高精度量化计算的主要功能部位（QM部分），对周围外界蛋白质环境（MM部分）采用分子力场模拟进行结构优化，以得到更加切合生物环境的蛋白结构。进一步，计算蛋白中主要功能部位的相关基态和激发态性质，并结合计算非线性光学极化率的方法，研究讨论和分析它们的二次谐波非线性光学性质。本项目希望从理论上探索物质的微观结构和二次谐波非线性光学性质之间的关系，在原子、分子层次上解释二次谐波现象的来源，为进一步理解生物组织光学二次谐波效应的产生机制提供一定得理论依据。

虽然生物组织的非线性光学现象，在生物医学诊断中发挥着重要的作用，但是目前对其非线性光学过程的产生机制的解释还比较模糊，急需要更合理、更深入的理论解释来阐述。本项目采用组合QM/MM多尺度计算方法，在充分考虑了环境对整个蛋白结构和光学性质影响的基础上，深入研究了荧光蛋白的二次谐波和双光子吸收以及胶原蛋白的二次谐波非线性光学性质。通过对荧光蛋白Dreiklang的四种不同发色团状态（Bn, Ba, Dn, Da）的研究发现：光致转换过程中，发色团结构的重排引起了Dreiklang的二次谐波和双光子吸收性质发生明显改变。Bn态由于π堆叠的中心对称性结构，二次谐波响应很弱，当两个苯酚环的距离拉近，其双光子吸收增强。Dreiklang的Ba态为阴离子形式且具有非中心对称结构，具有最强的二次谐波和双光子吸收强度。暗态具有类似Bn的二次谐波响应和弱和双光子吸收，我们首次提出Dreiklang的暗态为中性结构。为Dreiklang蛋白在非线性光学中的应用提供方向，为发展新的RSFP提供理论支持。.通过对胶原蛋白中6种不同胶原模型多肽（QM区域）的二次谐波非线性光学性质的研究，可以发现随着选取的胶原多肽模型从[(Pro-Pro-Gly) ]3增大到[(Pro-Pro-Gly)6]3。胶原蛋白的极化率随着多态链的增长，呈现线性增加的规律，平均每增加一个(Pro-Pro-Gly)结构，极化率增加67×10-24esu。不同胶原模型多肽的二阶极化率(βz, βtot)均呈现规律性增加，且数值十分接近。因此我们认为：把整个胶原肽链的二阶极化率，近似等同于螺旋轴方向上胶原模型多肽的二阶极化率的叠加是合理的，并且通过截取胶原蛋白片段模型多肽来讨论整个胶原蛋白的二阶非线性光学性质是可行的。本项目从理论上探索生物体系的微观结构和二次谐波、双光子吸收等非线性光学性质之间的关系，并探讨它们的非线性响应的电子起源，在原子、分子层次上解释生物蛋白非线性光学现象的来源，为进一步理解生物组织光学过程的产生机制提供一定得理论依据，为设计合成具有更强非线性光学性质的生物体系打下坚实的基础。