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摘 要

氢过硫化物(R-SSH)是调节哺乳动物生理过程中重要的反应活性硫物种。本文应用密度泛函理论(DFT)及含时密度泛函理论(TD-DFT)方法对吡嗪桥联的香豆素和氧杂蒽为给受体探针分子进行了几何构型优化及激发态计算, 探讨了电子结构与荧光共振转移机理. 计算结果表明，分子在氧化前电子吸收光谱有两个明显的峰，激发态计算表明两个主要激发态跃迁是分别在不同位置上的局域激发，因此就有可能产生荧光共振能量转移（FRET），导致供体荧光淬灭，受体荧光变强。通过环己烷及苯作为桥联给受体分子也可以作为荧光探针分子，为实验提供理论依据和指导。

关键词：荧光探针，氢过硫化物，密度泛函理论，电子吸收光谱，荧光共振能量转移

Abstract: Hydrogen persulfide (R-SSH) is an important reactive sulfur species that regulates the physiological processes of mammals. In this paper density functional theory (DFT) and the time-dependent density functional theory (TD-DFT) method was emloyed to calculate geometry and excited state of fluorescent probe contains pyrazine, coumarin and xanthene as bridge, donor and acceptor, respectively. The electronic structure and fluorescence resonance energy transfer (FRET) mechanism were discusses.. The results show that there are two obvious local excition peaks for unoxided molecule. The excited state calculation shows FRET lead to the donor fluorescence quenching and enhance acceptor fluorescence strength. Futhermore, the design molecules containing cyclohexane or bezene as bridge should be possible candidate for fluorescent probe. This studies will provide theoretical foundation and guide.

Key words: Fluorescence probe, hydrogen persulfide density functional theory, electron absorption spectra, fluorescence resonance energy transfer.

目 录

1 前言 4

2 计算方法 4

3 结果与讨论 5

3.1 几何结构 5

3.2 硫氧化反应位点预测 5

3.3 前线分子轨道 6

3.4 电子吸收光谱 7

3.5 荧光光谱 8

结 论 10

参 考 文 献 11

致 谢 12

1 前言

活性硫(RSS)是在生物系统中产生的一系列含硫分子。在活性硫中，硫化氢和半胱氨酸氢过硫化物等氢过硫化物(R-SSH)被越来越多地认为是一种重要的活性硫种类，可以调节哺乳动物的各种生理活动。最近报道表明，氢过硫化物直接作为主要的活性物质硫氢化大量蛋白质，调节参与细胞内氧化还原、代谢和信号转导等蛋白质各类重要功能^[1]。为了解氢过硫化在生物体系中的不同作用，开发一种新的分析工具来检测这些活性硫物质的形成和消耗是至关重要的。Xian等^[2]利用多硫化氢的高亲核活性，开发了以反应为基础的荧光探针，成功地应用于细胞内多硫化氢的可视化，但这些探针还不能够监测细胞内的可逆动态浓度。最近，Kawagoe等^[3]报道了第一个用于高活性过硫氢化物(R-SSH)的可逆计量检测的基于荧光共振能量转移（FRET）的双发射荧光探针（如图1所示），此荧光探针以香豆素作为供体、桥联一个哌嗪单元、氧杂蒽作为受体。

为了从理论上探讨此类探针的荧光共振能量转移机制，分析哌嗪桥及受体结构对电荷转移的影响, 本文应用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)^[4]方法对这一系列探针分子的电子结构、光谱性质进行了理论计算研究, 从微观上探讨荧光共振转移机理, 为荧光分子探针的设计提供理论依据和指导.

图1 研究体系的分子结构

2 计算方法

首先采用密度泛函理论（DFT）方法在B3LYP/6-31g* ^[5]水平上对荧光探针分子及其被R-SSH氧化过的探针分子进行基态几何构型优化, 频率计算无虚频^[6]验证优化结构为稳定结构。在此基础上采用HF/6-31g*^[7]方法计算Hirshfeld^[8]电荷进行反应位点预测。激发态计算采用长程校正密度泛函CAM-B3LYP^[9]方法在6-31 G*基组水平下完成并分析其荧光共振能量转移特征。本文所有基态和激发态计算都是在Gaussian 09程序包^[10]中完成。探针6异构体结构权重的玻尔兹曼分布采用SpecDis程序^[11]计算获得。

表1 探针6的几种立体异构体的相对能量和玻尔兹曼权重

isomer	6a	6b	6c	6d	6e	6f	6g
△E (kcal/mol)	3.7	5.2	1.0	0.4	4.1	5.2	0
权重(%)	0.11	0.01	12.20	29.59	0.06	0.01	58.02

3 结果与讨论

3.1 几何结构

考虑到分子的同分异构体，我们对7种具典型构象的异构体进行几何优化，优化后的体系构型及相应能量列于表1。从这几种结构的相对能量可以看出，6g构型的能量最低，最不稳定的是6b和6f，两者能量差为5.2 kcal/mol，能量权重的玻尔兹曼分析表明，6g构型所占的权重较大，为58.02%。因此，下文讨论均取能量最低的6g结构进行讨论。

表2 采用HF/6-31G*方法计算的Hirshfeld电荷（亲电指数f^-，亲核指数f 和双描述指数Δf）

	N	N-1	N 1	f-	f	Δf
C1	0.1311	0.0481	0.1290	-0.0830	0.0021	0.0851
C2	-0.1024	-0.0874	-0.1004	0.0150	-0.0017	-0.0167
C3	0.1465	0.0860	0.1471	-0.0605	-0.0006	0.0599
C4	-0.0515	-0.0361	-0.0541	0.0154	0.0026	-0.0128
C5	0.0414	-0.0020	0.0381	-0.0434	0.0033	0.0467
C6	-0.0695	-0.0787	-0.0728	-0.0092	0.0033	0.0125
C7	0.0637	-0.0572	0.0620	-0.1209	0.0017	0.1226
C8	-0.0520	-0.0342	-0.0510	0.0178	-0.0010	-0.0188
C9	0.1422	0.0892	0.1429	-0.0530	-0.0007	0.0523
C10	-0.0966	-0.0837	-0.0949	0.0129	-0.0017	-0.0146
C11	0.1233	0.0492	0.1269	-0.0741	-0.0036	0.0705
C12	-0.0608	-0.0730	-0.0569	-0.0122	-0.0039	0.0083
C13	0.0088	-0.0365	0.0086	-0.0453	0.0002	0.0455

3.2 硫氧化反应位点预测

Fukui函数^[12]是概念密度泛函理论的一个重要概念，它已经广泛用于反应位点的预测。本文采用Hirshfeld电荷来预测反应位点，如表2所示，计算所得C7的亲电指数最小，因此C7最不利于发生亲电反应；对于亲核指数，C7和C13为最小的两个正值，因此有利于亲核反应的发生；从最后一列双描述指数可以看出，C7值最大，综上，7号C原子最有可能发生亲核反应，这与实验结果报道的硫氧化反应位置一致。

3.3 前线分子轨道

采用B3LYP/6-31G*方法计算六种体系基态及氧化后的前线分子轨道，如图2所示。

	LUMO	HOMO		LUMO	HOMO
P6			P6-S
PX1			PX1-S
PX2			PX2-S

图2 基态及氧化后前线分子轨道分布

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