研究發現熒光染料TICT態準確預測方法

近日，中國科學院大連化學物理研究所分子探針與熒光成像研究組研究員徐兆超團隊與新加坡科技設計大學教授劉曉剛團隊合作，發現了準確預測熒光染料TICT態的方法。

扭轉分子內電荷轉移（TICT）是一種會淬滅熒光并大幅降低染料光穩定性的光物理過程。在此過程中，分子的給體或者受體片段逐漸扭轉至垂直構型，使得電荷完全分離。抑制TICT的發生能夠顯著提高熒光強度和光穩定性，滿足當前生物單分子檢測和超高時空動態分辨的前沿需求，但不同熒光體系TICT是否存在的預測一直是一個挑戰。研究團隊以“實驗∕理論”相結合的模式深刻理解和探索分子發光機理，近期在前期對TICT機制深入理解的基礎上實現了對不同熒光體系TICT存在的預測。

研究團隊根據TICT的結構特點，歸納了13種熒光染料的不同類型的S1勢能面，發現在S1勢能面上，當旋轉勢壘（ERB）較高、驅動能（EDE）較大時，分子會傾向于保持亮態（LE或者ICT態），即不形成TICT；當ERB為正值，EDE為負值時，分子會部分形成TICT；ERB為零且EDE為負值時，分子會大量形成TICT態，大幅淬滅熒光。由此，TICT的形成可以根據ERB和EDE來判斷。

研究團隊設計了PRODAN系列染料和聚集誘導發光類（AIE）染料來驗證TICT的判別規律。通過計算PRODAN的S1勢能面發現，N-TICT在水中會發生，而O-TICT在水中不會發生。計算比較不同分子的S1勢能面，發現引入吖丁啶的分子P4的ERB最大（0.38 eV），而EDE（-0.14 eV）最小，推測其不易形成TICT。實驗表明，在PBS緩沖液中，P4（0.38）的量子產率大約是P2（引入二甲胺）的2倍。研究團隊通過黏度、超快光譜等實驗，證實了TICT態在P2和P4中都存在，但淬滅熒光的幅度不同。相比二甲胺，吖丁啶的引入有效地抑制了TICT的形成。通過大量實驗證據，研究團隊驗證了計算模型的可靠性，并終結了PRODAN長達20年的機理之爭—在水溶液中，PRODAN確實會形成TICT態，淬滅熒光（不排除其他淬滅機制的影響）。該工作成果發表在《德國應用化學》上，得到國家自然科學基金委和中科院特別研究助理項目的資助。（來源：中國科學院大連化學物理研究所）