新型有机双光子荧光分子探针性质及其识别机理研究

摘要

非线性光学产生于强场激光与介质相互作用的过程当中，因其具有与普通光学差异较大的特殊效应而引起科研人员的普遍重视。双光子吸收是一种重要的非线性光学现象，在化学、生物、物理、材料科学等领域，尤其在双光子荧光显微成像方面具有广泛的应用前景。寻找具有优良非线性光学性质的新型材料成为越来越重要的课题。同无机材料相比，有机分子材料因具有柔韧性好、响应波段宽、切割修饰方便等优点，从而受到越来越多研究者的关注。双光子荧光分子探针可以成功地实现细胞小分子/离子在体内的成像和定位，使其成为生物科学领域的重要研究工具。现阶段，实验上已成功设计并合成了大量用于检测不同粒子的双光子荧光分子探针，但相关的理论研究工作还很少。同时大多数探针分子的识别机理尚不明确，需借助理论计算进行深入分析。
　　我们选择了两种可以用来检测体内重要的活性氧和活性硫物种的双光子荧光探针，使用量子化学计算方法，将密度泛函理论与响应函数理论相结合，理论研究了两类探针分子的光物理性质(包括单、双光子吸收性质，荧光发射性质等)，同时在理论的层面上对探针分子的识别机理加以分析。具体研究内容和结果如下：
　　1、以次氯酸根为靶向的双光子荧光分子探针
　　采用含时密度泛函理论与响应函数理论相结合的方法,研究了两种新型水溶性次氯酸根双光子荧光分子探针HCH和HCM，具体讨论了探针分子与ClO-反应前后的光吸收和光发射性质的变化情况，从理论上分析了探针分子的探测性能和识别机理。理论结果显示，两探针分子络合ClO-后，光学性质均表现出较大程度的改变，相应的吸收和发射峰位都发生了明显蓝移,荧光增益信号扩大。另外，两探针分子都具有较大的双光子吸收截面，且与ClO-反应后，生成物的双光子吸收截面值显著增加，因此两分子均可作为性能优良的双光子荧光探针分子。通过分析两探针分子及其对应生成物的密立根电荷分布情况，从理论上证实了C＝N异构化为该类探针的识别机理。
　　2、以聚硫化氢为靶向的双光子荧光分子探针
　　在第一性原理的基础上，对能够特异性识别H2Sn的两探针分子的光吸收和发射性质进行了理论研究。两探针分子的识别基团相同而荧光团不同。为了使计算结果更加符合实际情况，采用极化连续模型来处理溶剂环境对探针光物理性质的影响。结果表明，H2Sn的加入使得探针分子的光学性能有明显的改变，反应前分子的发射强度极小几乎不发出荧光，反应后发射强度显著增大从而使得荧光强度急剧增强，并且反应后探针分子的双光子吸收截面较反应前增大许多。通过比较，Pro2分子的吸收截面更大，可以成为性能更好的双光子荧光探针。此外，通过分析分子的前线轨道分布情况和电荷转移情况，获得了两探针分子的识别机理为光诱导电子转移机制和分子内电荷转移机制的共同作用。
　　本文共分六章。第一章是非线性光学，第二章是围绕双光子荧光分子探针结构及识别机理、研究进展等内容的介绍。第三章给出了本文的理论基础和计算方法。第四章和第五章对用于检测次氯酸根、聚硫化氢的两类双光子荧光分子探针进行计算和讨论，通过分析探针分子结合探测物前后光学性质的变化来探明识别机理。最后一章总结了全文内容，展望未来的发展远景。

目录

声明

第一章 非线性光学概述

1.1 非线性光学研究历史与现状

1.2 非线性光学材料进展

1.3双光子分子材料概述

第二章 双光子荧光分子探针概述

2.1 荧光现象的产生原理及发展历史

2.2 荧光分子探针简介

2.3 双光子荧光分子探针

2.4 本文主要研究内容

第三章量子化学理论和双光子吸收的计算方法

3.1 多电子体系的基本理论

3.2 双光子吸收的计算方法

3.3 溶剂效应

第四章 以次氯酸根为靶向的双光子荧光分子探针

4.1 计算方法

4.2 分子结构

4.3 荧光探针分子光学性质

4.4 荧光探针分子识别机理

第五章以聚硫化氢为靶向的双光子荧光分子探针

5.1 计算方法

5.2 分子结构

5.3 荧光探针分子光学性质

5.4 荧光探针分子识别机理

第六章总结与展望

参考文献

硕士研究生期间发表的学术论文

致谢