ESPT的发生条件及影响因素分析

能够发生激发态分子间质子转移（ESPT）的物质很多，例如萘酚衍生物、喹啉衍生物、氮杂吲哚类衍生物以及绿荧光蛋白类衍生物等，ESPT反应的发生涉及不同类型，针对激发态发生的质子转移的条件及其影响因素，根据质子转移的不同机理入手。可以归纳为以下两个方面：①有机分子与介质之间的传递影响（光酸的产生与转移条件）。②较小分子体积的以氢键链接的二聚体形成条件（空间、温度、压力等）。

Huppert等人[134]研究了在生物酶领域应用广泛的蝶啶衍生物在不同pH值条件下的ESPT现象，如图1.15。发现在365 nm（RH*）和465 nm（R-*）处分子有两个发射带，分析认为这也是一类以光酸为媒介的质子转移反应，所以在加入不同浓度酸或碱之后，发现当分子pH≤ pKa时，激发态质子化（RH*）发射强度受酸度的影响很小；但是当溶液的pH＞9.5时，会发生较明显的荧光增强；R-*的荧光强度随着溶液酸性增强而降低，表明在蝶啶分子中发生了一个激发态的分子间的质子转移现象，而且这个现象是不可逆的。

图1.15　D.Huppert课题组报道的生物碱在335 nm下的不同浓度酸碱影响下的稳态发射光谱

绿荧光蛋白作为一种典型的具有ESPT性质的生物蛋白质被广泛研究[135-140]，主要是由激发态质子化的荧光生色团迅速去质子化后生成的阴离子而发射绿光。其中，Solntsev课题组[141]研究了其在超强压力下的ESPT变化情况，如图1.16。他们认为在超强的压力下，蛋白质分子会由双螺旋的三维立体结构转变成一维的平面构型，分子的伸缩性能、黏度、重组能等都会发生变化。研究发现，当压力在1.1 GPa以下时，分子在D2O中的质子离解速率没有太大变化。但质子再组的速率却受压力的影响很大，尤其是在高压作用下维度发生的变化，分子间距会有很大程度的改变，可见绿荧光蛋白分子在高压下更容易发生质子转移而呈现绿色荧光。

图1.16　Kyril M.Solntsev课题组报道的分子发生激发态质子转移发生过程 (www.xing528.com)

Shizuka等人[142]研究了温度对萘酚-三乙胺体系激发态质子转移产生离子对诱导双荧光发射的影响。在诸如聚乙烯膜（PE）以及甲基环己烷-异戊烷（MP）等非极性的刚性凹模中，在77K的温度条件下，该体系分子会发出双重荧光[143-146]：一个是面内的激发态萘酚与烷基胺的接触离子对产生（contact ion pair，CIP），另一个是面外的这两种离子的分离离子对（separated ion pair，SIP）产生的。研究发现，在77～100 K下分子的荧光强度和荧光峰没有明显变化，而在超过100 K时，表现出逐渐地荧光红移以及荧光强度的降低现象，尤其是在MP中，在超过玻璃化温度（115 K）时，就呈现出上述两种不同的荧光发光模式。这是因为在100～120 K时分子参与的激发态分子间质子转移（ESPT）过程受到分子内转换作用的影响，其荧光寿命以及荧光量子产率均降低，主要是面外的O-H…N键的弯曲运动造成的；在120～160 K时，产生第二种激发态分子淬灭方式，即分子间的电荷转移作用增强导致激发态分子系间窜越的能力从而使能量耗散。有意思的是，在一些ROH型分子磷光表征时发现，增加系间窜越能力有利于激发三重态间的分子间质子转移的发生。

Jankowski等人[147]研究了2-萘酚衍生物作为荧光探针分子与蛋白质分子之间的ESPT现象。研究发现，分子发生ESPT的速率与探针分子结合蛋白质的空间位置有关，从机理上来讲也是与在这样的微环境下质子供体的供氢能力相关，比如分子的介电常数以及与蛋白质表面别的带电荷基团的距离有关。可以推断，大分子中ESPT的发生是和蛋白质表面水分子的固化程度相关，很多实例表明，在疏水区分子发生ESPT的效率增强很多，增加的效率可以认为是蛋白质分子的表面电荷密度导致的。因此，ESPT现象也可以用来检测生命体蛋白质分子周围的微环境[148-150]。

Moog课题组[151]通过对分子荧光寿命的分析着重介绍了7-氮杂吲哚类衍生物在乙醇溶液中与溶剂之间进行的以氢键为媒介的质子转移现象；Pi-Tai Chou课题组[152]则通过光谱学（紫外吸收、荧光发射光谱）的角度证实了7-氮杂吲哚类分子间以及7-氮杂吲哚-乙酸分子间确实存在由双氢键链接的激发态双质子转移环状复合物，他认为光诱导分子发生ESDPT只需要跃过一个可供氢原子或者分子取代的小能垒就可以完成，同时他们也认为ESDPT的发生是和分子的共轭程度相关的。由于这类分子特殊的构型，常作为DNA碱基对模型来研究，Sekiya课题组[153-156]做了大量工作，他们主要针对这类分子发生质子转移的顺序进行探索，首先利用氘取代的方式（单取代ESPDT、双取代ESDDT、未取代ESDPT），通过分散荧光来探究分子在气相条件下的质子转移模式进行了初步探索，他们认为7-氮杂吲哚的激发态分子间质子转移反应是协同发生的，主要表现在ESPDT的荧光强度是ESDPT的1/60，而ESDDT仅是ESPDT的1/12，后来又通过皮秒时间分辨共振增强多光子电离光谱（Picosecond Time-Resolved REMPI），也验证了这一结论。可见，溶质之间的氢键通常是作为质子转移媒介的。

图1.17　H.Sekiya课题组报道的ESPT发生过程

综上，许多研究组通过对温度、机械应力、取代基、同位素、溶剂等不同因素对光诱导分子间的激发态质子转移的光物理、光化学和光生物等领域做了很多创新性的工作，并且都取得了显著成效。虽然有关激发态分子间质子转移的研究还有很多，但诸如较大分子间的二聚体结构的形成条件与反应机理的研究却甚少，本文将就这些问题做进一步探讨。