含时密度泛函方法研究阴离子荧光传感器的光物理过程及机理

Fluorescent sensors for anions are molecules that can convert anion recognition behavior into their fluorescence signals. It is a frontier and challenging study to calculate the photophysical behavior and the mechanism of anion recognition by quantum mechanics. The time-dependent density functional theory is the advanced method in the excited state electronic structure calculations. In this project, we will use the time-dependent density functional theory (TDDFT) to explain recognition mechanisms of various fluorescent sensors for environmental and health-related anions. By calculating the corresponding moleculars’ ground-state and excited-state configurations, energies, and photophysical properties, sensors’ fluorescence mechanisms before and after anion recognition can be obtained qualitatively and quantitatively. We can explain the reasons why fluorescent sensors are highly sensitive and selective, thus providing strong support for the design of the sensor for anions.

阴离子荧光传感器指的是能够将阴离子识别行为通过分子的荧光信号表达的分子。使用量子力学方法描述阴离子识别过程中光物理行为和机理，是一个富有前沿性和挑战性的课题。在本项目中，我们使用激发态电子结构计算中比较领先的含时密度泛函理论（TDDFT）进行计算，解释多种与环境和健康相关的阴离子荧光传感器的传感机理。通过计算相应分子基态和激发态下的构型、能量、以及光物理性质，分析传感器和被识别阴离子结合方式以及定性和定量的解释传感器分子在识别阴离子前后的荧光响应原理，可以得到详细的阴离子识别机理。我们可以由此解释荧光化学传感器具有高灵敏度和高选择性的原因，从而为阴离子传感器的设计提供强有力的支持。

根据项目计划，我们针对氟离子，氰根离子和氯离子，分别设计了不同取代基的柔性咪唑盐，酞菁亚铁，以及柔性咪唑-Zn(II)三类阴离子荧光传感器分子。使用了含时密度泛函理论（TDDFT），从中选择了性能较好的荧光传感器分子并解释其传感机理。通过计算相应分子基态和激发态下的构型、能量、以及光物理性质，分析传感器和被识别阴离子结合方式以及定性和定量的解释传感器分子在识别阴离子前后的荧光响应原理，得到了详细的阴离子识别机理。研究发现，我们可以通过取代基的电子效应控制传感器分子与阴离子的结合能力，改变荧光响应机理。这为阴离子传感器的设计提供强有力的支持。现已经发表论文7篇，其中SCI检索6篇。另有数篇论文已接收或在审稿过程中。辅助培养硕士研究生1名，本科毕业生9名。