利用飞秒受激拉曼光谱技术研究Pyranine分子激发态质子传递过程*

王子钰魏景乐徐文琪 姜甲明 黄逸凡 刘伟民

(上海科技大学物质科学与技术学院,上海201210)

(2020年2月18日收到;2020年5月12日收到修改稿)

1 引 言

激发态质子传递过程(excited state proton transfer,ESPT)是在光合作用体系中的光系统、细菌视紫红质、DNA以及绿色荧光蛋白等生物系统中非常重要的化学过程之一[1−5].近年来越来越多的基于ESPT的新型发色团分子在荧光探针、白光发光材料以及有机光电子材料等方面都有着广泛的应用[6−9].鉴于其在化学和生物过程中所表现出的独特的光物理性质和巨大的应用潜力,ESPT系统的实验和理论研究越来越受到人们的关注,并一直是科研人员的活跃课题.

ESPT通常发生在几十飞秒至百皮秒的超快时间尺度上.因此飞秒时间分辨光谱成为研究质子传递的超快动力学信息的重要手段[5,6,10−12].利用瞬态吸收光谱技术和时间分辨荧光光谱技术,人们已经研究了ESPT相关的电子激发态动力学过程,得到了包括激发态质子传递速率、荧光寿命等重要的动力学信息.然而,上述的光谱技术只能给出激发态电子态上的信息,想要进一步了解ESPT过程中发色团分子结构的变化以及其氢键的激发态结构动力学,必须借助时间分辨振动光谱技术.飞秒受激拉曼光谱技术(femtosecond stimulated Raman spectroscopy,FSRS)作为一种新颖的时间分辨振动光谱技术,是在飞秒、皮秒时域研究分子激发态结构动力学的有效手段之一[4,5,13−16].FSRS是一种能够同时满足高时间分辨(~120 fs)、高光谱分辨(15 cm–1)以及宽光谱探测范围(100—3000 cm–1)的超快时间分辨振动光谱技术.作为一种新颖的时间分辨振动光谱FSRS可以帮助人们更深层地揭示ESPT过程中发色团分子的激发态结构动力学.

在EPST相关的发色团分子结构动力学研究方面,Fang研究组[17−24]利用FSRS光谱技术研究了一种光致产酸剂Pyranine(HPTS)分子在水中ESPT的激发态结构动力学.实验观察到了作为质子给体的HPTS分子质子化以及去质子化的激发态拉曼特征峰,质子化向去质子化状态的转变反映出HPTS分子向水分子的ESPT过程,实验结果显示该ESPT的速率约为3 ps[21].在该实验中选用的水分子作ESPT过程的质子受体,通常表现出较弱的夺取质子的能力.基于前人的研究结果,本文利用新颖的共振增强飞秒受激拉曼光谱技术,研究了在光激发下HPTS水溶液中加入醋酸钠后的超快动力学过程.实验中醋酸根离子取代水分子作为质子受体以此来研究HPTS分子与醋酸根之间的ESPT过程,其中的醋酸根表现出强于水分子的夺取质子的能力.不仅清晰地看到了ESPT过程中HPTS去质子化激发态拉曼信号,而且也清晰地观测到了作为质子受体的醋酸根的激发态拉曼特征峰,通过分析得到了在该条件下ESPT的寿命.该实验所涉及的酸碱中和反应以及质子转移是化学反应中的基础过程,清晰地理解这些化学过程可以帮助人们进一步认识酶催化和膜蛋白质子泵等一系列生物化学过程的反应机理.

2 研究方法

2.1 样品

实验使用的基本样品为8-羟基芘–1,3,6-三磺酸三钠盐(pyranine,HPTS).样品1为HPTS(0.5 mM)与醋酸钠(NaAC,4M)在超纯水中混合,测定该样品pH值为10,记为HPTS(NaAC).样品2为HPTS(0.5 mM)与NaOH在超纯水中混合,配制成pH值为12的溶液,记为HPTS(pH=12).样品3为HPTS(0.5 mM)与HCl在超纯水中混合,配制成pH值为4.5的溶液, 记为HPTS(pH=4.5).

2.2 瞬态吸收光谱

瞬态吸收光谱数据由瞬态吸收光谱仪采集(Helios-EOS fire,ultrafast system).飞秒激光光源使用的是中心波长为800 nm、重复频率为1 kHz、脉冲宽度为38 fs、单脉冲输出能量为7 mJ的超快钛宝石飞秒激光器(Astrella,Coherent Inc.).从飞秒激光器输出的激光经过分束片,将一部分光(约2 mJ)输入至光参量放大器(OPerA Solo,Coherent Inc.)中,产生波长为400 nm的激光输入至瞬态吸收光谱仪中,作为样品的激发光,经过衰减片和透镜后,最终聚焦到样品上的激光单脉冲光能量为60 nJ.使用分束片从800 nm激光中分离出另一束较弱的激光经过电动位移平台,然后经透镜聚焦到2 mm厚氟化钙(CaF2)晶体上产生超连续白光,作为实验中使用的探测光.样品盛放在光程为2 mm的石英样品池中,内部加放磁性转子,外部使用磁性搅拌机驱动转子转动,使得样品内部流动,避免激光重复激发产生光损伤和热效应.

2.3 飞秒受激拉曼光谱(FSRS)

实验所使用激光光源为钛宝石飞秒激光器(Astrella,Coherent Inc.)(同2.2部分).实验光路如图1所示,激光器所输出的飞秒激光经过BS1与BS2两个分束片分成三束光.其中一束激光脉冲(约2 mJ)输入至二次谐波带宽压缩器(SHBC)和皮秒光参量放大器(TOPAS400)产生一束脉冲宽度约2 ps且频率连续可调谐(480—900 nm)的激光脉冲,该皮秒脉冲用作拉曼泵浦光.第二束光经过透镜聚焦到2 mm厚的Al2O3晶体上,产生飞秒超连续白光,用作FSRS技术中的拉曼探测光.第三束光(约2 mJ)输入到光参量放大器(OPerA Solo,Coherent Inc.)中,产生频率可调谐的飞秒激光,用作样品激发光.为实现激发态共振增强的FSRS信号,实验中所使用的拉曼泵浦光波长为575 nm,样品激发光波长为400 nm,拉曼探测光选取超连续白光中590—640 nm范围的探测光以实现400—1600 cm–1频率范围内的受激拉曼光谱的采集.三束光平行入射到离轴抛物面镜上,共同聚焦到抛物面镜的焦点处,且样品中心位置与该焦点重合.三束光经过样品后,使用光阑将拉曼泵浦光与样品激发光挡住,仅令拉曼探测光透过.而后使用透镜组将拉曼探测光聚焦到单色仪(IsoPlane,Princeton Instruments)中,最后使用CCD相机(Pixis 400,Princeton Instruments)进行探测.

2.4 计算

使用了Gaussian09B软件包完成了全部量化计算,pyranine分子的结构优化和拉曼光谱计算在B3LYP/6-311+G**水平上进行.采用了SMD模型描述溶剂化作用.

图1飞秒受激拉曼技术光路 图,其中BS1,BS2为分束片;L1,L2,L3,L4为凸透镜;ND为渐变衰减片;DL1为手动位移台;DL2为电动位移台Fig.1.Schematic diagram of FSRS experimental setup.BS1 and BS2 are beam splitters;L1,L2,L3 and L4 are convex lenses;ND is neutral density filters;DL1 is manual translation stage;DL2 is delay line.

3 结果与讨论

图2(b)显示了HPTS(pH = 4.5), HPTS(pH =12)和HPTS(NaAC)三个样品的稳态吸收光谱及荧光发射光谱.其中,样品HPTS(pH=4.5)的吸收峰主极大值位于406 nm处,反映出其基态分子主要表现为质子化状态.由于氢氧根(OH–)夺取质子能力极强,所以当HPTS分子溶于pH=12的碱性水溶液时,仅存在去质子化状态的HPTS,其基态吸收峰红移至460 nm处;当HPTS溶于4M的醋酸钠水溶液时(pH=10),吸收峰基本与样品HPTS(pH=12)一致,反映出该条件下绝大部分HPTS的质子被醋酸根夺取,处于去质子化状态,但是仍有部分HPTS分子处于质子化状态,在激发态动力学上仍然能够观测到ESPT的动力学信号(见下文瞬态吸收和FSRS实验结果).在400 nm光激发下,上述三种样品的荧光发射光谱主要位于520 nm,表现为去质子化状态下的荧光发射.

图2(a)HPTS分子从质子化状态(左)经光激发转变为去质子化状态(右);(b)HPTS分别在NaAC溶液(蓝色),pH=12水溶液(绿色)和pH=4.5水溶液(黑色)中的稳态吸收光谱(实线)以及荧光发射光谱(虚线)Fig.2.(a)The molecular structure of HPTS in one simple H-bonding geometry with acetate ion;(b)the steady-state absorption(solid line)and fluorescence emission spectra(dash dot line)of HPTS in aqueous solution(pH=4.5,black;pH=12,green)and acetate solution (blue).

图3(a)显示了样品HPTS(NaAC)的瞬态吸收光谱实验数据.在400 nm飞秒激光的激发下,该样品在450至650 nm波长范围内的瞬态吸收实验数据主要包含两种激发态光谱特征,分别是峰值在475 nm处的激发态吸收信号以及峰值在520 nm处的受激发射信号.根据文献报道[21,22],这两种激发态信号都反映了HPTS分子去质子化的激发态上的粒子数布居.图3(b)显示了样品HPTS(NaAC)瞬态吸收实验结果中探测光在520 nm处的时域光谱.实验曲线的拟合结果表明该动力学过程包含了~400 fs和~3.2 ps的指数上升以及376 ps和6 ns的双指数衰减过程.其中双指数衰减过程中~376 ps过程来自于样品在去质子化激发态弛豫过程中的溶剂化效应以及振动冷却过程[21],6 ns则反应了其去质子化激发态粒子的自发辐射寿命[25].而双指数上升过程则反应与ESPT有关的动力学过程.值得注意的是,在光激发下该样品的激发态动力学信号可能包含了两方面的贡献,一方面来自于ESPT后HPTS分子从质子化向去质子化的转变,另一方面的贡献则源自于处于基态去质子化状态的HPTS分子的直接激发,瞬态吸收光谱所得到的实验结果则很难区分这两个成分.为了进一步的了解该样品的激发态中更具体的动力学信息,利用FSRS技术分别针对HPTS(NaAC)以及HPTS(pH=12)两样品进行了比较研究.根据瞬态吸收实验结果,HPTS分子去质子化激发态受激发射信号集中在500—600 nm波段.拉曼泵浦光选择在此波段中,有利于得到与HPTS分子去质子化激发态相关的共振增强的拉曼信号.因此在FSRS实验中,将拉曼泵浦光设定在575 nm处(图3(a)), 该条件下主要共振了HPTS分子去质子化激发态向其基态的跃迁能级[21,22].

图4(a)显示了样品HPTS(NaAC)在400—1700 cm–1频率范围内受激拉曼光谱图和基态拉曼光谱.基态拉曼光谱中包含了在930(星号标注)和1610 cm–1处的两个强的受激拉曼峰, 其中930 cm–1源自醋酸根离子中的碳-碳单键伸缩振动模式[18];根据Gaussian09 B进行的量子化学计算得到1610 cm–1处的基态拉曼峰来自于去质子化状态的HPTS分子中的苯环的碳-碳伸缩以及碳-氢平面内摇摆振动模式(振动模式如图5(e)中所示).在400 nm激发光的作用下,样品HPTS(NaAC)表现出了丰富的激发态拉曼信号,其中与HPTS有关的包括了465,669,819,1528和1612 cm–1等典型的激发态拉曼峰.值得注意的是,两样品的拉曼信号强度不一致,这主要是由于在FSRS实验中拉曼信号强度对于共振条件极为敏感,由于在不同溶剂环境中HPTS样品共振条件存在差异,这就导致其受激拉曼光谱的强度出现差别.根据FSRS的共振条件,这些激发态拉曼信号的动力学过程主要反映了HPTS去质子化状态的激发态动力学过程[21].在921 cm–1处的激发态拉曼峰则反映的是醋酸根离子激发态质子化状态下的动力学过程,该激发态拉曼峰的出现也进一步证明了样品HPTS(NaAC)中存在着ESPT过程,而该过程中质子的受体主要是醋酸根离子.为了进一步证实921 cm–1源自醋酸根离子,在同样的实验条件下也对样品HPTS(pH=12)进行了FSRS的测试.由于在pH=12的水溶液中,HPTS分子中被水中的氢氧根离子夺去了质子形成了水分子,所以该样品的FSRS光谱数据包含了HPTS去质子化的激发态拉曼信号,如图4(b)所示,其中基态和激发态FSRS光谱中与醋酸根相关的拉曼峰完全消失.

图3(a)HPTS(NaAC)样品的150 fs到500 ps时间范围内的瞬态吸收数据;(b)瞬态吸收数据在520 nm的时域光谱Fig.3.(a)The transient absorption spectra of HPTS(NaAC)from 150 fs to 500 ps after 400 nm excitation;(b)the dynamics of stimulated emission band of HPTS(NaAC)at 520 nm.

图4(a)HPTS(NaAC)和(b)HPTS(pH=12)两样品的在400−1700 cm–1频率范围内的FSRS光谱图Fig.4.Time-resolved excited-state FSRS spectra between ca.400−1700 cm–1 of (a)HPTS(NaAC)and(b)HPTS(pH=12)in water following 400 nm photoexcitation.

图5(a)HPTS(NaAC)和(b)HPTS(pH=12)在1615 cm–1的FSRS动力学光谱;(c)HPTS(NaAC)在920 cm–1的FSRS动力学光谱;(d)HPTS(NaAC)和HPTS(pH=12)在1615 cm–1处时间窗口为1.5 ps的FSRS动力学光谱;(e)HPTS去质子状态下1615 cm–1的拉曼振动模式示意图Fig.5.Excited-state Raman dynamics spectra of (a)HPTS(NaAC)at 1615 cm–1 and(b)HPTS(pH=12)at 1615 cm–1;(c)excited-state Raman dynamics spectra of HPTS (NaAC) at 920 cm–1; (d) excited-state Raman dynamics spectra of HPTS (NaAC) and HPTS(pH=12)at 1615 cm–1 present in the time window of 1.5 ps;(e)Raman vibrational motions of deprotonated HPTS at 1615 cm–1.

为了进一步通过FSRS实验数据了解与ESPT速率相关的态动力学信息,针对样品HPTS(NaAC)数据中典型的激发态拉曼振动模式进行了分析.图5(a)显示了该样品在1615 cm–1处的激发态拉曼动力学光谱,该激发态振动模式对应了去质子化状态的HPTS分子中的苯环的碳-碳伸缩以及碳-氢平面内摇摆振动模式.该激发态振动模式表现出了较为复杂的动力学过程,其中包含一个寿命约280 fs的超快衰减过程以及一个较慢的指数上升过程.根据FSRS的共振条件,有关HPTS分子的激发态拉曼信号主要反映了该分子在去质子化激发态上的粒子数布居和弛豫过程.由于该样品在400 nm处存在着质子化与去质子化稳态吸收光谱的交叠,因此在400 nm飞秒激光激发下,除了激发了HPTS分子的质子化状态,部分去质子化状态的HPTS分子也被激发了,因此1615 cm–1处的复杂的激发态动力学应该包含上述两部分的贡献.为了更好地区分这两部分动力学贡献,对比分析了样品HPTS(pH=12)中1615 cm–1处的激发态动力学信号,如图5(b)所示,该拉曼峰的激发态动力学表现为双指数衰减过程包括一个约270 fs的超快衰减过程以及一个长寿命的衰减过程.270 fs的超快过程源自于激发态上的波包移出弗兰克-康登区域(Franck–Condon region)的弛豫时间[21].因此可以确定在样品HPTS(NaAC)中280 fs过程为400 nm直接激发去质子化状态的HPTS分子所产生的激发态波包移出弗兰克-康登区域的动力学过程,而随后的指数上升过程则来自于激发质子化状态的HPTS分子产生的ESPT过程,如果能够分析出该上升过程的具体寿命就可以得到ESPT速率相关信息.但是1615 cm–1所表现出的复杂的动力学无疑给数据拟合带来很大的困难.幸运地是,在样品HPTS(NaAC)的FSRS数据中也观测到了质子传递受体(醋酸根离子)在920 cm–1处的激发态动力学信号,如图5(c)所示.该动力学过程表现为单纯的指数上升过程,反应了光激发后质子化HPTS与醋酸根离子之间的ESPT过程.通过拟合可以得出,其上升沿中包含双指数动力学过程,其中主要成分470 fs(约97%)反应了HPTS与醋酸根离子直接形成氢键导致的ESPT的速率.而占比非常小的3 ps则可能反映了在该样品中少量的HPTS分子与醋酸根离子之间存在水分子,因此导致了ESPT的速率减小[26].

4 结论

本文利用共振增强的FSRS技术结合瞬态吸收光谱技术研究了HPTS分子在水溶液中与醋酸根离子之间的ESPT过程.与瞬态吸收技术相比,FSRS技术所得到的实验结果包含了更丰富和更精确的激发态动力学信息.基于激发态共振的FSRS技术,在实验中不仅观测到了ESPT给体HPTS相关的激发态受激拉曼信号,同时还观测到了受体醋酸根在920 cm–1处的激发态拉曼信号.通过分析得到了HPTS与醋酸根离子之间的ESPT速率为470 fs和3 ps.

特别感谢上海科技大学图书馆高性能计算中心提供的超算资源.