文档介绍：荧光探针分子光谱性质的理论计算
摘要:应用量子力学的密度泛函(B3LYP/6-31G(**))计算方法研究菁染料荧光探针分子的结构与光谱性质的关系,对单体和双体结构的菁染料荧光探针分子进行结构优化,获得电子性质以及轨道能级分布等微观信息;计算染料的吸收光谱,比较了单体和双体结构特征与其光谱的关系。
关键词:荧光探针,密度泛函理论,光谱性质,理论计算
Abstract: The quantum mechanics and density functional theory method (B3LYP/6-31G**) was used to study the structure and spectroscopic properties of the fluorescence probe of cyanine dyes. The structures of monomer and dimmer cyanine dyes were optimized, and their electronic properties and molecular orbital distributions were obtained. The absorption spectra of the dyes were calculated and the relationship between the dyes geometry and spectra were discussed.
Key words: Fluorescence probe, Density functional theory, Spectroscopy, Theoretical calculation
1 前言
荧光染料是一种广泛使用的荧光标示剂,亦称为荧光探针。最常用于荧光免疫法中标记抗原或抗体,亦可用于微环境,如表面活性剂胶束、双分子膜、蛋白质活性点位等微观特性的探测,也可用于标记待定的核苷酸片断,用于特异性地、定量地检测核酸的量。荧光检测技术在DNA 杂交测试、免疫检测、基因重组检测和肿瘤细胞早期诊断等方面的广泛应用极大地促进了荧光染料的发展。荧光染料包括紫外-可见染料和近红外荧光染料。近红外荧光染料的发射波长为700~1200 nm ,在该范围内生物分子自身荧光较弱,可避免背景干扰而获得较高的分析灵敏度。根据与生物大分子的结合方式可将近红外荧光染料分为共价键结合式和非共价嵌入式,共价键结合的标记物比由非共价嵌入所得的复合物更稳定[1]。其检测原理是:通过活性基团,如:琥珀酰亚胺(NHSester)、异腈酸酯(NCS) 或邻苯二甲酰亚胺等与蛋白质、DNA、核酸或其他生物大分子中的羟基、氨基或巯基以化学键的方式键合,使染料荧光特性发生变化,借此提供大分子结构和性能的信息[2]。这类染料包括菁染料、酞菁、罗丹明及荧光素等。本课题所研究的是近红外染料中的菁染料。
菁染料
1856年Williams发现了菁染料(亦称花菁)[3],17年后,Vogel[4]发现该类染料具有异常灵敏的感光能力,此后菁染料得到了迅速的发展。21 世纪生命科学和能源科学已成为科技发展的核心内容,这两个学科的飞速发展极大地推动着其他学科的变革。在这些相关科学技术的发展带动下,有关菁染料的应用研究也日新月异[5]。菁染料具有光谱范围广、摩尔消光系数高、荧光量子产率较高以及灵敏度高等良好的特性。随着生物技术和荧光标示技术飞速发展,菁染料已成为在DNA、蛋白质及核酸等分析检测中使用的最主要的荧光探针。其中Waggoner等研制的N-羧戊基-5-磺酸基-3H-吲哚菁染料Cy3和Cy5具有良好的荧光性能和水溶性,并且由于分子中含有的羧基,能经过活化与生物大分子中的氨基共价结合,用来进行各种检测,其已成为生物芯片上使用的新一代商品化荧光探针
[6-10]。
菁染料又称多次甲基染料。其结构通式见图1。
其中,Y,Y′=S,Se,O,NR 等;Z,Z′=C<或>C-C=C<;R,R′= H或烷基等;X=Cl- ,Br-,I-,ClO-,NO3-,SO42-等;n=0,1,2……
通式中(-CH=CH-)n 称为插烯基或者甲川链,n 表示其数量,当n =1时为三甲川菁染料,n =2时为五甲川菁染料,n =3时为七甲川菁染料。n 值的大小直接影响着菁染料的稳定性,一般是n 值越大稳定性越差。若两边杂环为最常见的吲哚环,n =1时的三甲川菁染料也可称为吲哚碳菁,而五甲川菁染料和七甲川菁染料相应可称为吲哚二碳菁和吲哚三碳菁[11]。
菁染料摩尔消光系数为150000~250000L·mol-1·cm-1,量子产率适中,通过调节共轭链的长度或修饰染料的结构,可改变菁染料的光谱性能[5]。菁染料包