平面型卟啉类衍生物吸收光谱的密度泛函计算

用于光动力疗法（PDT）中的光敏剂是一类吸收一定波长的光后达到激发三重态,然后将三重态能量转移给生物体内的氧分子使得基态氧激发为单线态氧的一类物质。目前,临床应用的光敏剂大部分是以卟啉为主的平面型分子。平面分子一般具有较大的共轭键,被光激发后系间窜跃小,三重态寿命较长,因此可以获得高产率的单线态氧。然而临床使用的这类光敏剂吸收波长位于紫外区域,照射光会对人体组织造成光损伤,因此改善临床光敏剂光毒性特征,合成具有可见光区域吸收波段的光敏剂是光动力疗法研究的重要内容之一。该研究依据密度泛函(DFT)及其含时理论(TD-DFT),对三类平面型卟啉衍生物[耳坠型卟啉(a), 三磺酸基酞菁(b), 三磺酸基酞菁合Ni(Ⅱ)(c)]的基态和激发态性质进行了严格的密度泛函计算。几何优化计算显示：分子(a)的最稳定构型中,所有原子都处于一个平面,分子直径大约是7 Å, 分子空穴达到5 Å。分子(b)所有的原子也处于同一平面,分子直径达到8 Å,但是分子空穴只有4 Å。分子(c)的最稳定构型与平面结构发生了偏离,这是由于金属Ni的四配位倾向形成变形四面体,分子的空穴变得更小。几何优化结果说明耳坠型卟啉分子大的空穴有助于其捕获更多的基态氧并进行能量传递。前线轨道能量和轨道布局计算显示：耳坠型分子(a)最高占据能量是最高的,即电子更易被激发。三类分子的最高占据轨道与最低空轨道的能级间隔分别为0.072, 0.076和0.075 a.u.,可以看出耳坠型分子(a)有最低的能级间隙。从轨道布局来看,三类分子中所有原子的p轨道参与了共轭大π键的形成,其中分子(c)中金属d轨道也参与了大π键的形成。对三类分子的吸收光谱进行了模拟,三类分子都具有卟啉特有的Soret带和Q带。(a)分子Q带位于450～900 nm,(b)分子和(c)分子的Q带位于400～800 nm, 其中(a)分子的最大吸收波段是939 nm。该研究从分子结构,轨道能量以及吸收光谱对三类卟啉类光敏剂的微观特性进行了理论计算和讨论,研究结果将为发现和开发近红外吸收的卟啉类高效光敏剂提供理论依据。     

密度泛函理论研究吲哚并咔唑同分异构体结构,芳香性和光谱性质

在B3LPY/6-31G(d, p)基组水平上,利用密度泛函理论(DFT)优化了吲哚并咔唑五种同分异构体的几何和电子结构.基于这五种同分异构体的几何结构下,其吸收和发射光谱的研究使用相同的基组水平并采用极化连续介质模型(PCM)下用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算.由于三种近似线性分子(吲哚并[2,3-a]咔唑、吲哚并[2,3-b]咔唑和吲哚并[3,2-b]咔唑)的电荷转移跃迁的振荡强度较大,这些异构体的发射光谱存在明显差异;基于吲哚并[2,3-c]咔唑和吲哚并[3,2-a]咔唑的构型特征,这两种同分异构体的发射谱具有高能量.比较计算结果表明,吲哚并[2,3-b]咔唑在这些分子中的振荡强度最大.这是因为当吲哚并咔唑的五种同分异构体的结构从基态变为激发态时,这些分子的分子轨道(MO)能级不同.由计算结果还得出,这五个分子适用于P型传输材料,并且每个分子的三个苯环均具有共轭效应.     

三碘甲状腺素团簇结构与光谱性质的密度泛函理论研究

我们利用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/Lan12mb基组水平上,得到了三碘甲状腺素团簇的几何和电子结构.在此基础上,利用含时密度泛函理论(TDDFT),使用相同的基组和采用极化连续介质模型(PCM),对其溶剂效应下的吸收光谱进行研究．研究结果表明,优化所得三碘甲状腺素团簇的对称性为C₁;在基态稳定结构基础上,研究了该分子的红外和拉曼分子振动谱特性,同时研究了其输运性质,即三碘甲状腺素团簇为p型输运材料;通过含时密度泛函理论,在优化好的基态结构基础上,又计算了它的溶剂效应,进一步得出该分子在水溶剂中的吸收光谱特性.     

四碘甲状腺素团簇结构与光谱性质的密度泛函理论研究

在B3LYP/Lanl2mb基组水平上,利用密度泛函理论(DFT)优化了四碘甲状腺素团簇的几何结构.基于该团簇的几何结构下,其吸收和发射光谱的研究使用相同的基组水平并采用极化连续介质模型(PCM)下用含时密度泛函理论(TDDFT).研究结果表明,优化所得甲状腺素团簇的几何结构对称性为C_1;在基态稳定结构基础上,得出其输运性质,即甲状腺素团簇为p型输运材料;通过含时密度泛函理论,在优化好的基态结构基础上,又计算了它的溶剂效应,进一步得出该分子在水溶剂中的吸收光谱和发射光谱特性.     

基于密度泛函理论下多肽光谱性质研究

多肽类物质在生物医药等领域是一种重要的生物大分子,而紫外-可见吸收光谱和荧光光谱是研究生物分子精细结构的重要手段.采用密度泛函理论(DFT/RI)计算了生长激素释放肽(GHRP-6)和催产素(Oxytocin)两种多肽的结构模型和分子前线轨道;在含时密度泛函理论(TDDFT)的基础上,引入了TDA等近似,建立了多肽类物...     

Sin（n≤30）团簇光谱和电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论对Sin（5≤n≤30）团簇的吸收光谱,能隙（HOMO-LUMO）及电子性质进行了模拟分析。硅团簇的吸收光谱计算采用含时密度泛函理论的ALDA内核。结果表明,随着Sin（5≤n≤30）团簇尺寸的增大,团簇的吸收光谱逐渐红移,表现出较强的量子尺寸效应。团簇Sin（5≤n≤30）的吸收峰主要集中在红外光区。团簇的吸收峰主要受团簇的原子个数和电子结构影响。     

Si_n(n≤30)团簇光谱与电子性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论对Sin(5≤n≤30)团簇的吸收光谱,能隙(HOMO-LUMO)及电子性质进行了模拟分析.硅团簇的吸收光谱计算采用含时密度泛函理论的ALDA内核.结果表明,随着Sin(5≤n≤30)团簇尺寸的增大,团簇的吸收光谱逐渐红移,表现出较强的量子尺寸效应.团簇Sin(5≤n≤30)的吸收峰主要集中在红外光区.团簇的吸收峰主要受团簇的原子个数和电子结构影响.     

含时密度泛函理论及应用的最新发展

密度泛函理论在材料计算研究领域得到了广泛的应用,然而它无法处理含时问题和材料的激发态性质。Runge-Gross定理奠定了含时密度泛函理论的基础,为研究这两类问题提供了有效的手段。经过三十多年的发展,含时密度泛函已被应用到量子化学、材料计算等多个领域,人们也更加了解其优势和不足。目前,含时密度泛函理论和方法仍在迅速发展。本文简要回顾含时密度泛函方法的发展历史,介绍近年来含时密度泛函在理论和应用方面的一些重要进展,总结当前在含时密度泛函领域存在的重要难题以及面临的挑战,展望其发展方向和趋势。     

C4分子在激光场中的密度泛函理论研究

采用含时局域密度近似与分子动力学相结合的方法计算了C4分子的光学吸收谱及它在激光场中的响应。研究表明,在激光场中C4分子的诱导偶极矩与电离之间有着直接的联系,最外层电子对电离的贡献最大。此外,通过对激光的极化方向与C4分子的激发的关系的研究表明,x方向的激光场唯一的激发起C4分子x方向的偶极矩,电离增强而且离子的振动增强。     

C4分子在激光场中的密度泛函理论研究

采用含时局域密度近似与分子动力学相结合的方法计算了C4分子的光学吸收谱及它在激光场中的响应.研究表明,在激光场中C4分子的诱导偶极矩与电离之间有着直接的联系,最外层电子对电离的贡献最大.此外,通过对激光的极化方向与C4分子的激发的关系的研究表明,x方向的激光场唯一的激发起C4分子x方向的偶极矩,电离增强而且离子的振动增强.     

Electronic and Resonance Raman Spectra of a Multibridged Iron Porphyrin

Abstract

Reported are the electronic and resonance Raman (rR) spectra of a multibridged iron porphyrin derived from meso-tetra(4-pyridil)porphynate iron(II) by complexing the pyridine residues with [Ru^II(edta)]^2- ions. The polymetallated system exhibits the characteristic Soret band at 428 nm (log ε = 5.2) and a shoulder around 465 nm (4.6). The rR enhancement of the porphyrin vibrational modes is similar to those previously reported for typical porphyrins; however, an additional feature appears around 465 nm, associated with the selective enhancement of some pyridine vibrational modes. Based on the rR excitation profiles the absorption band at 465 nm was assigned to a Ru^II-to-pyridine dπ→Pπ? charge-transfer transition.     

乙二醇和丙三醇的吸收光谱和荧光光谱研究

对乙二醇和丙三醇的紫外吸收光谱和荧光光谱进行了实验研究和理论分析,发现两者的最大吸收波长均位于198 nm,且在适当的紫外波长激励下均能发射出荧光,文章中给出了相应的荧光光谱图,但荧光相对强度和激发波长间似乎没有明显变化规律,其原因有待进一步探索。从乙二醇的一阶导数荧光光谱,得知在210 nm激发下荧光相对强度随时间变化最快,在225 nm激发下的绝大多数时间内变化速率最慢。另外,文章还从量子计算出发,采用一维势阱模型,根据电子从HOMO到LUMO的跃迁,计算出了两者的吸收波长值。比较分析了计算值与实验值之间的误差,考虑到将分子直链化后其键长与实际情况有所差别,结果认为理论计算有一定的参考价值。     

紫外照射下正丁醇溶液的吸收光谱及荧光光谱研究

分别从实验和理论上对紫外光激励下正丁醇溶液的吸收光谱和荧光光谱及其特性进行了分析研究,发现正丁醇对190～250 nm的紫外光都有很好的吸收,在210～250 nm激发下会发射出明显的荧光;以220 nm激发不同体积比混合的正丁醇和正己烷溶液,发现随着正丁醇体积比的增加,荧光强度逐渐增强,且基本成线性关系;同时还测量了正丁醇溶于乙醇后的荧光光谱,发现在不同波长紫外光照射下,不同配比的正丁醇乙醇溶液的荧光强度变化规律也有所不同。另外,文章给出了混合溶液荧光峰值位置的数学表达式,其计算值与实验值相比误差较小,这或许将对醇类物溶液荧光光谱的进一步研究有一定参考意义。     

Electric Spectra Study of Tetra-Hydrophenyl Porphyrin with Two Hexadecyl Chains in CTAB Micelle Aqueous Solutions

Abstract

UV-visible and fluorescence spectral studies shows that tetra-hydrophenyl porphyrin with two hexadecyl chains (P₂) could be solubilized in CTAB micelle, and that the hydrophilic ability of P2 increases with increasing bulk pH. The change in bulk pH lead to the changing of the solubilizing location of P₂ in the CTAB micelle. In neutral (pH 6.88) conditions, the hydrophilic head group of P₂ readily locates in the stern layer of CTAB micelle. However, the solubilizing location of P₂ takes a location change to the outer surface of the CTAB micelle with the bulk pH increasing up to 11.41. Furthermore, the CTAB micelle could provide a strong basic microenvironment (like 1.5 mol dm^?3 NaOH aqueous solution) to P₂ in mild basic conditions; resulting in the deprotonation of the pyrrole nitrogen of the porphyrin moiety in a mile basic CTAB micelle solution.     

叶黄素聚集体吸收光谱的实验分析与理论模拟

分子聚集体表现出单分子所不具备的特有功能,利用吸收光谱对聚集体分子结构特性的研究是理解其电子和能量转移功能的基础。实验中利用紫外-可见分光光度计,检测了叶黄素在乙醇溶液中的单体吸收谱和在1∶1乙醇水溶液中的聚集体吸收谱。并通过对叶黄素单体吸收谱的高斯分解,获得了激发态的振动能级结构参数。理论上采用时间相关函数描述的吸收谱线和Frenkel激子模型,通过模拟单分子吸收光谱,获得了叶黄素分子的激发能、特征模振动频率、Huang-Phys因子等参数。再利用这些参数进行了聚集体分子光谱的模拟,分析了叶黄素聚集体的分子结构影响光谱变化的原因。结果表明,(1) 分子间的相互作用是决定吸收光谱峰位移动的主要原因,实验中叶黄素H-聚集体的吸收光谱较单体蓝移了77 nm,模拟显示相互作用在2 000 cm-1附近;(2) 聚集体分子个数越多,聚集协作效应越大,吸收光谱半高宽变小,同时吸收峰进一步蓝移;(3) 环境的无序度对吸收光谱的半高宽也存在较大的影响,无序度越大,吸收光谱半高宽越大。实验结果为进一步研究聚集体在生物系统和材料系统中的功能提供了理论依据。     

醇类溶液的紫外吸收和荧光光谱研究

采用UV-240紫外分光光度计及Sp-2558多功能光谱测量系统,研究了正丙醇、异丙醇的紫外吸收光谱及荧光光谱,并对它们进行了比较。研究结果表明,使用紫外吸收光谱和荧光光谱很容易鉴别正丙醇与异丙醇,同时也对正丙醇与异丙醇间光谱有差异的原因做出了解释。并进而对甲醇、乙醇、正丙醇与异丙醇4类醇类物质的光谱进行了对照研究,研究结果为醇类物质的识别提供了一种新而有效的测量方法,对量子化学计算也有理论上的参考价值。     

四氧杂卟啉二价正离子共振拉曼光谱的TDDFT计算研究

采用DFT/TDDFF计算和极化率的态求和方法研究了四氧杂卟啉二价正离子(TOP²⁺)B态(S₂态)激发的共振拉曼(RR)光谱, 计算模型同时处理了A项和B项对拉曼极化率的贡献.用PBE1PBE、B3LYP、Cam-B3LYP、B3LYP-D3四种交换-相关泛函计算得到的RR光谱总体上相似,其中PBE1PBE和B3LYP 给出的RR 强度与实验吻合得更好一些. 对于全对称振动(A_1g),其拉曼谱带相对强度的理论计算结果与实验一致;TDDFF计算表明： 相对于基态,TOP²⁺的B态沿υ2、υ6、υ7、υ8简正模式有较大的无量纲位移, 导致相应的RR带有较大的强度. 非全对称的B_1g和B_2g 模式通过B项机理增强,其强度比A_1g模式小1～2个量级,与实验结果定性符合. 与实验相比,υ10模式(B_1g)RR强度的理论值过小,而υ11模式(B_1g)的理论值偏大;这可能是由于TOP²⁺的B-态(S₂态)具有Jahn-Teller效应.     

1,8-萘酰亚胺类衍生物的结构特性对其吸收和发射光谱影响的密度泛函研究

利用B3LYP/6-31G(d)方法优化了一系列N取代1,8-萘酰亚胺类物质的结构,利用含时密度泛函TD-B3LYP/6-31+G(d)方法及C-PCM模式,计算了它们在气相及二氯甲烷溶剂中的吸收和发射光谱。利用计算得出的前线轨道电子云分布及其对应的能级对它们的取代基对电子吸收光谱的影响进行了讨论。结果表明：此种方法计算出的二氯甲烷溶剂中的1,8-萘酰亚胺的吸收光谱与实验光谱比较吻和。取代CO基团的CN基团及其成环在吸收光谱和发射光谱中发挥了重要的作用。酰亚胺结构上的改性即CN基团的引入及在萘环上取代基一方面引入了结构上的不对称性,导致了衍生物的偶极矩的增大;同时结构上的改性扩展了萘酰亚胺共轭结构。4位取代NO₂衍生物从基态到第一激发态的Mulliken原子电荷比5位多一些,这意味着5位取代NO₂衍生物提供了较多的电子。对N(Ph)₂ 和N(Me)₂衍生物而言,他们4位取代衍生物提供了更多的电荷。前线轨道电子云表明：OCNCN基团改性扩展和N(Me)₂, N(Ph)₂和NO₂取代基拓展了这类分子的π—π*跃迁范围,从而使得前线轨道能级差降低,它们的吸收和发射光谱也发生了一定程度的红移。对给体取代基而言,它们的4位是电子传输态;对受体取代基NO₂而言,它们的5位是电荷传输态。当NO₂基团与CO基团在同一侧及当N(Me)₂和N(Ph)₂与在CN在同一侧时,此类化合物具有较好的传导特性。从化合物1到4,吸收光谱红移了139 nm。电荷传输越明显,吸收光谱红移的就越多。OCNCO的结构改性及其电荷传输机理为今后的萘酰亚胺类物质的分子设计提供了设计理论依据。     

金纳米棒状微粒的胶囊模型及吸收光谱

提出了金纳米棒状微粒的胶囊模型,用Waterman发展的T矩阵方法计算了金纳米棒状微粒的吸收光谱.计算谱和实验谱基本符合,520 nm左右处的吸收峰对应于金纳米棒的横向表面等离体子共振（横模）,长波长处的吸收峰对应于金纳米棒的纵向表面等离体子共振（纵模）.随着金纳米棒纵横比的增加,纵模吸收峰表现出显著的红移,横模吸收峰则微弱地蓝移.此外,计算结果表明,金纳米棒状微粒外部介质的介电常数必须随着金纳米棒纵横比的增大非线性地减小.