溶剂及氢键对绿荧光蛋白色素分子衍生物激发态动力学影响的研究

Owing to the unique photochemical and photophysical properties, the green fluorescent protein chromophore and its derivatives has been used widely as fluorescent probes and sensors to detect metal ion, DNA, and PH, etc. Studying the excited state properties and dynamics of the derivatives of p-HBDI and comparing with those of the p-HBDI will help the researcher further understand the nature of interal conversion and photoisomerization of the p-HBDI, and guide the researcher to further improve the properties of the derivatives of p-HBDI. In this project, we will use the ultrafast time-resolved spectroscopy, high precision quantum chemistry calculations, and nonadiabatic dynamics to study the excited state dynamics of the derivatives of p-HBDI. We will investigate the effects of substitutes and their positions, solvent polarity, and hydrogen boding on the photochemical and photophysical properties of the derivatives of p-HBDI, especially, the effects of solute-solvent hydrogen bonding on the efficiencies of photoisomerization and fluorescence quantum yield, and the competition between the intermolecular and intramolecular hydrogen bonding.

由于其独特的光化学和光物理性质，绿荧光蛋白色素p-HBDI及其衍生物被广泛用于荧光探针和传感器探测金属离子、DNA以及pH等，研究这些衍生物的激发态性质和动力学并与p-HBDI进行对比，将有助于人们进一步了解p-HBDI的内转化和光致异构化过程的本质，对人们进一步修饰和改良p-HBDI的结构，调控其光化学和光物理性质，起到一定的指导意义。本项目将利用超快时间分辨光谱实验、高精度量子化学计算与非绝热动力学模拟相结合的方式，对绿荧光蛋白色素p-HBDI的各种衍生物的激发态动力学进行研究，考察取代基及其位置、溶剂极性以及氢键对p-HBDI衍生物的光化学和光物理性质的影响，尤其是溶质溶剂间分子间氢键对光致异构化效率和荧光效率的影响，以及溶质溶剂间分子间氢键与分子内氢键的竞争机制。

溶剂的极性、分子内和分子间氢键、取代基类型及位置对分子体系的激发态动力学、光致异构化产率和发光量子产率有着重要的影响，研究并揭示这些影响背后的物理和化学机制，可以为人们设计和合成新的发光分子提供理论依据。本项目以绿荧光蛋白色素及其衍生物和与之结构类似的化合物为研究对象，研究了溶剂极性对激发态电子转移和质子转移过程的影响，证明了在理论上只有选择特定态的溶剂化模型才可以准确描述上述两个过程。系统研究了取代基类型和位置对基态和第一激发态之间势能面交叉点能量的影响，提出了一系列新的发光机理来解释取代基对荧光量子产率的调控机制，阐明了分子间氢键对构型变化较大的势能面交叉点的抑制作用。通过对nπ*与ππ*态、局域激发态和电子转移态之间相互作用的研究，揭示了nπ*与ππ*态之间的振动耦合和激发态之间的势能面交叉点在荧光猝灭机制方面的重要性，以及分子间氢键对nπ*态能量的调控作用。这些研究成果加深了人们对复杂分子体系激发态动力学的理解，为人们设计新的发光分子，通过取代基和外部环境精确调控发光分子荧光量子产率提供了理论支持。