全 文 ：第 38 卷 第 1期
科 学 通 报
C H I N E SE SC IE N C E B I U
J
L E T I N 一9 9 3 年 6 月
竹红菌甲素激发态结构 ’
— 激基缔合物和激基复合物王大辉 张志义 张过江 赫荣乔
( 中国科学院生物物理研究所 , 北京 10 01 01 )
关健词 竹红菌甲素 、 激基缔合物 、激甚盆合物 、 激发态单体 、 E s R
竹红菌甲素 ( H y p oc r e il n A , 简称 H A ) 是我国首先发现并应甲约一种高效光敏剂 , 并
已 用来治疗某些顽固性皮肤病 .la[ , . 它是从天然资源中分离的一种花醒颊 衍 生 物 (分 子 式
场。H 、 q 。 ) . 作为外源醒 , 它有可能发展成为一种抗癌药物 . 关于 H A 激发态特征已有一些
报道 〔3,4J . 众所周知 , 激基缔合物的光谱特征是在激发态单体荧光峰的红侧有一个新的 , 依浓
度而变化的无振动结构的宽峰 f,J ,但由于在极稀 H A 溶液中 , H A 单体发射 峰 ( 6 o on m ) 红
侧仍然存在肩峰因而对 H A 激基缔合物的存在产生怀疑 ,对肩峰的解释也有分歧 6t] . 鉴于这
一光化学中间体 对阐明 H A 激发态特征和光化学反应机制 ( 1型和 H 型 )都至关重要 , 本文
对 H A 在不同浓度 、极性 、 粘度的溶液中的荧光光谱和吸收光谱作了进一步的研究 , 并结合
E S R , 荧光碎灭及在质子给体溶液中的实验结果所提供的证据进行了综合分析 , 证明在 强 极
性有机溶液中 ,激发态 H A 分子经扩散与基态分子相结合成激基缔合物 , 同时可与溶剂分子结
合成激基复合物 , 阐明了它们形成的条件 、相互作用的光谱特征及其峰位置的归属 。
1 材 料 和 方 法
L l 试剂
竹红菌甲素由云南微生物研究所精制提供 ,二甲基亚讽 ( D M S O ) 为美国 aB ke r 公司 产
品 (光谱纯 ) ,二 甲基甲酞胺 ( D M F ) 、 乙醇 、苯 、丙酮 、 丙三醇均为国产分析纯试剂 , 并经测试
无本底吸收和荧光 .
L Z 荧光光谱测试
用 日立 8 , O~ 荧光分光光度计 ,狭缝宽度 E 二 ~ 5 , E . 一 , , 用 E , 一 4 8 0 n m 激发 .
.3 吸收光谱测试
用 日立 U 一 3 2 0 0 紫外 ,可见分光光度计 .
2 结 果 和 讨 论
.2 1 不同浓度 H A 溶液的荧光光谱
图 l 表明在 H A 的 D M F (或 D M S o ) 溶液中 ,随 H A 浓度增加 ,荧光峰 6 03 n m 逐渐减
19 9卜 09一 07 收稿 , 19 9 3一 0 1一 2今收修改稿 .
. 国家自然科学 基金资助项目 .
第 1期 科 学 通 报 10 3 3
小并在长波方向出现一个逐渐增长 ,无振动结构的新峰 6 , sn m , 荧光谱有一个 “ 等发射点 ” ,这
是 H A激基缔合物形成的标志 , 6 5 , n m 峰为该缔合物发射峰 (荧光量子产率见文献 [ 7 ] ) . 6 0 3 n m
为激发态单体发射 . 更有趣的是 , 随着 H A 浓度由高到低的变化 , 荧光峰 6 5 5 n m 和 6 0 3 n m
经历了由强到弱 , 最后消失并在红侧显露出另一个发射峰 6 4 0n m (图 2 ) ,它在极稀的 H A 溶液
巾依然存在 (图 2 线 4 , 简写图 2一叻 .
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56 0
4
60 0 640 680 6 4 0 6 80
几(n m )
图 1 H A 在 D M F 溶液中的荧光谱
随 H A 浓度增加而变化 ( m o l / L )
1— l 又 1 0一 , , 2— 3 . ,火 1 0一 , , 3—1火 10一 , 4— I X 1 0一 3
之(n m )
图 2 H A 在 D M F溶液中的荧光谱随
H A 浓度降低而变化 ( m o l / L )
l— 1又 1 0一 , , 2— 8火 1 0一 d , 3—6帐 1 0一矛 , 4— 5 火 10一 `
显然 ,新峰 ( 6 4 0n m ) 不再属于 H A 激基缔合物 , 由于它在不同浓度的极性溶液中始终存
在 , 而在非极性 、 弱极性溶液中不存在 , 因而 只能是激发态 H A 分子与基态溶剂分子结合形成
的激基复合物 . 图 卜 4 表明 , H A 浓度为 1 x 10一 , m ol / L 的 D M F 溶液中 , 荧光主要来 自激
基缔合物而只有少量 H A 激发态单体 . 图 2一 1 中 , H A 浓度为 1 x 10 一 , m o l/ L ,则主要来 自 H A
单体荧光 ,而两图谱中都混入上述激基复合物的荧光峰 6 4 o n m , 这可以从图 2 一4 明显看出 ; 当
H A 浓度低于 5 x 1 0一喻 ol / L (临界浓度 )时 , 既不能形成 H A 激基缔合物 , 也无单体荧光 ,全部
H A 激发态被极性溶剂所碎灭 , 其荧光也由 6 O3n m 红移至 6 4 0n m .结果还表明 , 激基缔合物生
成的浓度相关性与其寿命相关联 ;在高于临界浓度时 , 它与激基复合物竞争激发态 占有优势 ,
因为它的结合能 ( 3 . , x 4 z s 6 . s J /m o l ) 高于激基复合物的结合 能 ( 2 . 6 x 4 18 6 . 8 ) /m o l ) ; 该
激基复合物的形成与 H A 浓度无关 ,它的吸收峰礼 a : 已红移为 6 2 0n m , 这些特征与溶剂化激
发分子相似 . 之所以称它为激基复合物是因为在高于 6 x 1 0一 `m ol / L 的情况下仍有 H A 单体
荧光未被溶剂所碎灭 (图 2一 3 ) ,表明激发态 H A 与溶剂结合可能有固定化学组成阅 ,这与其特
定发射波长相一致 .
.2 2 溶剂极性的影响
表 1数据表明 , H A 的强极性有机溶液 ( D M F , D M s o ) 中显示 H A 激基缔合物强荧光峰
石5 5 n m ,而在非极性溶液 (如苯 )中既便是在极高浓度下 ,也只能观察到弱 H A激基缔合物荧 光 ,
荧光峰的位置随 H A 浓度改变 ,没有等发射点 . 在弱极性 (如丙酮 ) 溶液 中 , 浓度高 于 l x
1 03 4 科 学 通 报 第 38 卷
1 0一 3m ol / L 时 ,有较强 H A激基缔合物荧光峰 (6 50 ) ,低于此浓度只有其单体荧光 . 乙醇虽有极
性 , 但由于是质子性溶剂 , 几乎不能形成 H A 激基缔合物 ,而激基复合物 ( 6 4 On m ) 只能在强
极性有机溶剂中观察到 (如 D M s O , D M F ) , 弱极性溶液中只能观察到单体峰 6 O 3n m 红侧一
个弱肩峰 64 0 n m ·
表 1 H A溶液中的光谱数据
溶液
荧光峰 ( n m )
浓度 ( m o l / L )
吸收峰 又二 . 二 ( n m )
浓度 ( m o t l L )
l 义 1 0一 , I K 10 一 弓 I X 10一 , 5 X 1 0一 ` I X 10一 3 I X 10一 , l 火 1 0一 , , 丫 1 0一 `
H A / D M S O
H A /D M F
H鑫l乙醇
H A I丙酮
H A /苯
6 07 6 4 3
6 03 6 4 0
6 03 6 0 3
6 0 3 6 0 3
6 10 6 10
5 8乡 , 6 2 0 6 2 0
5 8 5 , 6 2 0 6 2 0
5 8 0 5 8 0
5 7 5 5 7 ,
5 8 0 5 8 0
曰,一Inùj甘OUn凡工`r八己月沪ù,ō,咤一ú、ó Jù“ 1ljnóǐ洲R一Q目甘了ù吕亡J工,曰一弓」八”一,O户,才`JOúf一n甘n1.1ro孟U`601、J八”nù0`1、J,`七弓口`6护06ù6`
o / H一 。 。 , , 甘 \ 。
CH
3 0
C H 3 0
·
C H 3 O
o \ H
, ·
o
一— C H 3 0
图 3
O
、 、
/ O
H
H A 激基缔合物和激基复合物形成都必须在强极性有机溶液中 , 这可能与 H A 分子的挣
殊结构和激发态的质子传递和由其引起的异构化有关 (图 3 ) . H A苑环两端的酚经基 、 酮默基具
有极性 , 在激发态这种极性增强 ,它们与极性溶剂分子之间的偶极一偶极作用也加强 , 使 H A 分
子构型改变 ,从而有利于激基缔合物的生成 . 在非极性和弱极性溶剂中 , 上述的偶极一偶极作
用减弱 , 使笼环上的 3 , 4 和 9 , 10 位的分子内氢键有所加强 , 从而增强了对激发态分子的稳定
作用 , 由于 H A 激基缔合物的结合能只有 3 . 5 x 4 1 8 6 . 8) /m ol 是比较微弱的 , 因而上述稳定
作用可能影响激基缔合物的形成 . 同理 , 激基复合物有更低的结合能 ( 2 . 4 X 4 1 8 6 8 ) /m o l ) ,
更不稳定 , 既便在高浓度的弱极性溶液中也不能观察到分辨良好的 6 4 o n m 荧光 .
.2 3 溶液粘度的影响
为了进一步证实 H A 激基缔合物 、 激基复合物的荧光特征和峰位归属 , 实验在不同粘度
溶液中进行的 . 激基缔合物 (或激基复合物 )存在时的 tS er n 一 v 。 lm e r 表达式
价: 一 ` f尸车一、,\ l 十 c h / c /
式中 币B 为激基缔合物发射的量子效率 , ` 为单体浓度 , ` 爪为 50 多碎灭时的浓度 , 价霎为高
第 1 期 科 学 通 报 1 0 3 5
浓度时激基缔合物的最大荧光效率 ,其中 l /` 五 依赖于溶液粘度 t9] , 即激基缔合物的形成是扩
散控制的 . 本实验中配制了 10 一 30 关一系列配比的 D M F /甘油混合溶液 ,并分别计算了 25 ℃
时粘度及测试 H A 的荧光谱 (图灼 , 证明随着溶液粘度增加 , 6 5 5n m 峰逐渐减小 ,相应单体峰
逐渐增加并有一等发射点 , 证明 6 , sn m 峰确实是经扩散控制过程产生的 . 在 H A 稀溶液中
(z x l。一 ,m 。 1/ )L 重复上述粘度实验 , 同样观察到随着溶液粘度增加 , 激基复合物 ( 6 4 0 o m )
减小 , 并出现随粘度增大而增大的单体荧光并有一 “等发射点 ” (图 , )若说明存在扩散控制过
程 ,也证明它是激基复合物而不是溶剂化激发分子 , 因为溶液中 l / 7的甘油分子存在不会影响
激发态分子的溶剂化 . 在非极性和弱极性溶液中没有粘度相关性 , 证明无激基缔合物 6 55n m
和激基复合物 6 4 0n m 生成 .
\ \产尸,
达6 0 的 O
、 、
、
、
、、
、
、
\ 之泛二 :〔
64 0
又 (n m )
图一 H A ( 2 x 1 0一 4 m o l / L ) 在 D M F /甘油混合溶
液中不同粘度时的荧光发射谱 ( 25 ℃ )
l~— l 义 10一 , P a . , , 2— 7 . 5 丫 1 0一 ; P a · s ,3— 2 . 2 5 又 1 0一 渔 P a 一 , 4— 3 . 7 5 丫 1 0一 I P a 一
成0 58 0 义0 6的 了叩
孟(帅 )
图 , H A ( 2 x 1 0一 , m o l / L )在 ( 2 5℃ ) D M F I
甘油混合溶液中 ,不同粘度时的荧光发射谱
l— 1 . 5 义 10一 Z P a · s , 2— 今. 5 只 10 , ZP a · s ,3— 7 。 5 又 1 0一 : P a 二 , 4— 1 . 0 , 又 In 一 J P a 二 ,,— 一 3 , 火 10一 盆 P a · s , 6— 1 . 6 , 火 10一 J P a 一 ,7— l 。 9 5 又 10一 I P a · ,
.2 4 吸收光谱证据
不同浓度 、粘度 、极性溶液中的吸收光谱一致 (表 1 ) , 说明全是来自激发单重态 H A 的吸
收 ,证明激基缔合物荧光 6 5 5 n m 是吸收光以后产生的 , 所以吸收光谱不变 . 值得指出的是在
强极性有机溶液中当浓度低于临界浓度 5 x 1 0一` m ol / L 时 , 吸收红移至 6 2 0n m , 证明是 H A
激发态与溶剂结合形成的激基复合物产生的吸收峰 .
.2 5 E S R 实验和质子性溶液中的实验
激基缔合物经电荷分离产生自由基离子对 [10J ,在大于 5 x 1 0一`m ol / L H A 强极性溶液中 ,
E S R 实验检测到 H A 自由基离子对 , 低于 5 x 1 0一` m ol / L 则检测不到 . 证明 H A 激基缔合
物存在 ,而激基复合物不能产生自由基离子对 .
在含水溶液 (如丙酮加水 )以及各种质子给体溶液中(如乙醇中) , 6 5 5 n m 荧光峰全部消失 ,
只有 6 o 3n m (或 6 0 7 n m ) 的单体荧光 , 因而证明溶液中增加质子给体加速了激发态质于传递并
1 0 36 第 8 3卷
不能产生长波方向的荧光峰 6 , sn m , 证明
训7 、
/ / 3 通(n m )
图 6 不同浓度碘化钾对溶液中 H A 激基缔
合物荧光的 碎 灭 ( H A / D M F 溶液 浓 度 为
( 1
x 2 0一 ’ nr o l / L )
6 5 , n m 荧光不是质子传递产生的 . E S R 实验证明
这种溶液中无自由基离子对 .
.2 6 荧光锌灭实验
激基缔合物和激基复合物荧光来自单 重 态 ,
而这些产物主要来自激发三重态 . 由于 H A 三重
态不发磷光无法检测 . 但碎灭实验中观察到 H A
激基缔合物的延迟荧光 . 碘化钾是典型的三重态
碎灭剂 , 将其加人 H A 溶液 中 (D M )F 使 H A
激基缔合物荧光 ( 6 5 , n m ) 和单体发射 ( 6 o 3 n m )都
明显降 低 (图 6 ) , 证明荧光 6 5 5 n m 和 6 0 3 n m 确实
是 H A 激基缔合物和 H A激发态单体所发射 , 也证
明前者主要来自三重态 . 而碘化钾碎灭了三重态 ,
却使单重态荧光减弱 , 而单重态分子减少又使缔
合物生成也减少 , 因此加人碘化钾 , 两荧光峰都减
弱 (图 6一 3 ) . 加人碘化钾 , 激基复合物荧光没有
任何变化 , 证明 H A 的激基复合物全部来自单重
态 。
1— 未加碘化钾时的缔合物荧光 ,2— 加碘化钾 2 . 5又 2 0一 2 m o l ) L (水中 ) ,3— 加碘化钾 5 . 0丫 1 0一 ’ m o l /L (水中 )
参 考 文 献
C五e n , W . 5 . , C h e n , Y . T . , W a n , X . Y . 口 t a l . , L 万君b i g , A 月 , . C人户邢 . , 19 8 1 , 3 8 :
万象仪 、 陈远腾 , 科学通报 , 19 8 0 , 25 ( 2 4 ) : 1 24 8一 1 1 4 , .
蒋丽金 , 科学通报 , 1 9 9 0 , 35 ( 2 1) : 16 0 8一 16 16 .
刘景瑶 , 科学通报 , 1 9 85 , 30 ( 1 4 ) : 1 0 7 7一 1 08 0 .
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.J 特罗 , 现代分子光化学 (姚绍明等译 ) ,科学出版社 , 北京 , 1 9 87 , 15 1一 巧 8 .
第五振军 、蒋丽金 、 张曼华 , 中国科学 , B 辑 , 19 8 9 , ( 2 ) : 1 13一 1 2 0 .
刘景瑶 、张曼华 、 安静宜 , 感光科学与光化学 , 1 98 6 , ( l) ; 36 一 4 1 .
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B e c k e r
,
H
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D
. ,
T 几口 c 而。 m i s t r y o f ,几, Q , i 二 o o o i d C o m P o 。 。 d s ( e d . S a u l P a t a i ) .
e a t i o n
,
J o五n W i le y 改 S o n . , 1 , 7 4 . 33 5一 3今3 .
18 8 0一 1 8 8, -IJIó月J, .J工I, .I1
[ 3
[ 呀
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[ 1 0 ] A n I n t e r s c i e n ` e P u b l i -