药物分子光敏过程中的电荷转移研究

药物分子光敏过程中的电荷转移研究

现代科学的研究重点之一,是原子分子尺度的物理化学过程。而飞秒激光的出现,则将这些研究的时间尺度,提升到了飞秒量级。在此基础上,可以观测到许多原子分子尺度的物理过程,例如内转换、系间交叉、质子转移、电子转移、电荷转移、共振能量转移、振动弛豫、荧光和磷光现象、受激辐射等。其中,超快电荷转移过程,常见于生物体系,例如光合作用、光裂合酶、隐花色素、DNA损伤等。在这些生物体系之中,电荷转移过程起到了电荷迁移和能量传递的作用:光受

体被激发后,通过电荷转移过程,将高能态电荷传递到其它分子,使其处于激发态,并使其带电,进而引起其它反应。而光受体自身被光激发后出现的分子内电荷转移过程,可能成为分子间电荷转移过程的前置过程和诱因。电荷转移是药物分子光敏过程中的主要原因之一。药物分子的光敏过程,主要表现为服药人受到UV-A或UV-B紫外光照射后,被照射部位出现特定变化:如果该变化对治疗疾病有帮助,称为光动

力治疗,对应的药物分子则称为靶向药物;如果对人体有害,则是光毒性,是药物开发中需要注意并尽量避免的。已知的药物分子光敏过程的作用机理,包括电荷转移与三重态的存在,电荷转移使得光敏药物

与周围分子发生相互作用,进而出现其它现象;而三重态,可以与基态的O2作用,使其处于激发态,导致其DNA和蛋白质被氧化。对药物分子光敏过程中的电荷转移进行超快动力学研究,可以获得其详细的光物理机制,分析分子中各个基团的作用,进而调整分子结构,增加有益效果,减少有害现象,达到优化药物效果的目的。本文使用飞秒瞬态吸

收光谱技术,研究了9-蒽醛、氧氟沙星、1-氨基蒽醌等三个分子的超快电荷转移过程。氧氟沙星是成品药物,具有光敏特性,研究其电荷转移过程,有助于分析其光敏机制;9-蒽醛和1-氨基蒽醌是药物中间体,可以作为光受体,部分以其为基础的药物具有光敏性和光毒性,研究

其电荷转移过程,可以为药物研发提供参考和依据。具体工作内容可以分为以下三个部分:第一部分用飞秒瞬态吸收光谱技术,结合量子

化学计算,研究了 9-蒽醛在不同极性溶剂(乙醇和正己烷)里光敏过

程中的电荷转移过程和系间交叉过程。9-蒽醛被400nm光激发至S1态Franck-Condon区,然后通过分子内电荷转移过程到达电荷转移态,此过程在乙醇和正己烷溶剂中的寿命分别为0.11 ps和0.23 ps。乙醇极性高于正己烷,受此影响,乙醇溶剂中的电荷转移速度高于正己烷。随后分子通过系间交叉过程进入三重态,这一过程在两个溶剂中的寿命分别为22.3 ps和21.4 ps。因为两个溶剂中,由S,态到三重态的能量相差不大,所以两个溶剂中的系间交叉过程寿命相近。电荷转移过程和系间交叉过程可能引起DNA和蛋白质损伤,而本工作表明9-蒽醛光敏过程中同时存在这两个过程,这意味着基于9-蒽醛开发的药物,可能具有光敏性和光毒性,对药物开发具有指导意义。第二部分用飞秒瞬态吸收光谱技术和量子化学计算方法研究了氧氟沙星光敏

过程中的分子内电荷转移过程和后续的非辐射过程的物理机制。氧氟沙星受330 nm光激发,到达S1态Franck-Condon区,然后通过分子内电荷转移过程到电荷转移态,此过程的寿命为τ1=1.4 ps。随后S1态通过系间交叉转移到三重态,其寿命为τ2=158 ps,系间交叉量子产

率为0.33。本工作通过证明氧氟沙星光敏过程中存在超快电荷转移过程和系间交叉过程,为研究氧氟沙星的光毒性机制提供了参考和依据。第三部分用飞秒瞬态吸收光谱技术和量子化学计算方法研究了1-氨基蒽醌光敏过程中的光致电荷转移过程。1-氨基蒽醌被460 nm 光激发至S1态Franck-Condon区,随后发生扭转的分子内电荷转移过程,其寿命为5 ps。在电荷转移过程中,有扭转变形,且存在着势垒,因而寿命较长。在电荷转移过程中,在势垒之前,有从S1态到三重态的系间交叉过程与电荷转移过程的竞争,其寿命为28 ps。另有从S1态到S0态的荧光过程,荧光寿命为550 ps。本工作通过研究1-氨基蒽醌光敏过程,与其它蒽醌类化合物对比,揭示了蒽醌类药物光敏过程中的光诱导电荷转移过程和非辐射动力学过程的物理图像,对解释蒽醌类药物的作用机制和对新型蒽醌类药物的开发、合成和改良具有参考意义。