复杂分子体系中激发态能量转移及其在光动力治疗中的应用研究

The photodynamic therapy (PDT) include photoinduced electron transfer, singlet excitation energy transfer and tripet-tripet energy transfer processes. Compared with the rich experimental studies, the theoretical calculations on the photophysic and photochemistry mechanisms are very few. This project will mainly employ the ab initio theory along with the density functional theory/constrained density function theory (DFT/CDFT), to shed deep light on the generation of the triplet state of boron dipyrromethene (BODIPY) derivatives and the excitation energy transfer process, which may find the key factor of the molecular structure-intersystem crossing property at the multi levels (molecule orbital-electronic state-structure and properties). Based on the QM/MM model and Fermi's Golden Rule as well as the time-dependent wavepacket method, the rates of excitation energy transfer will be calculated, and the effective of triplet-triplet energy transfer rate will be discussed in protein environment. This project will explore in detail the electronic structures of excitation states, and provides theory-based guidance about the long-range excitation energy transfer in biological systems.

光动力治疗(PDT)过程中包含了光致电子转移，单重激发态能量与三重激发态能量转移等多种机制。实验上对光敏剂光物理和光化学研究很多，但是对应的理论研究相对较少。本项目将主要采用从头算与密度泛函/限制密度泛函(DFT/CDFT)结合的方法，对氟硼二吡咯(BODIPY)衍生物的三重态生成与激发态能量转移过程进行理论研究，从分子轨道-电子态-结构性能多层面寻找三重态结构与系间窜越的关系。使用QM/MM计算结合费米黄金规则及含时波包理论对复杂环境下激发态能量转移速率进行计算，半定量/定量计算蛋白环境中三重态能量转移的有效性。本项目将为深入理解激发态电子结构，特别是生物体内激发态能量的长程转移等提供一定的理论指导。

光动力治疗是以光敏剂为治疗载体的物理化学治疗手段，其主要利用了光敏剂优异的吸光和激发态能量转移性能，促使人体内氧气分子受激生成活性氧化物（ROS），从而杀灭病变细胞。本研究主要使用密度泛函方法（DFT）和电子转移理论研究光敏剂受光激发后，能量转移和辐射的有效途径，从而为深入理解光敏剂退激的不同机理，设计改性新型光敏剂提供理论支持。.. 在项目执行的三年中，申请人基于现有实验和理论研究，设计并由实验合成了一系列新型BODIPY基的光敏剂，使用DFT和多组态自洽场方法准确计算了分子的系间窜越的速率，筛选了快速有效的计算方法；使用Marcus电子转移模型，区分了激发态能量转移过程中的驱动力，重组能以及自旋-轨道耦合常数对能量转移的影响，从单、三重态驱动力和自旋-轨道耦合的角度，判断激发态荧光和磷光发射的竞争通道；进一步，申请人选取六种不同光敏剂分子，从自然跃迁轨道分析，n 轨道组成成分以及SOC大小等角度，验证了半经验方法预测ISC速率的方法可行性。该方法可以仅依靠单、三重态的透热态即可快速判定电子翻转和能量转移的有效性，可以进一步推广到有机大分子以及双光子吸收等体系中。.. 通过本项目的研究，尤其是和实验工作者的紧密合作过程中，申请人逐渐由理论计算辅助实验过渡到理论计算指导实验。计算机辅助分子设计的初步成功和半经验方法的应用推广，将促使申请人构建大数据驱动的分子设计与筛选方法，加速特异分子的合成与应用，加深人们对复杂体系中电子转移过程的理解。