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DNA和RNA碱基电子激发态由于在核酸UV光损伤中的重要地位,受到了国内外科学研究小组越来越多的关注。这些激发态有时会衰变成有害的光化学产物,进而会造成诸如突变和阻碍DNA正常细胞内进程的伤害。
在过去的二十年间,众多科研小组致力于研究核酸碱基激发态弛豫动力学过程。他们发现第一电子偶极允许态(S1)的寿命非常短(大约在1ps左右),并且迅速经内转换衰变到基态。然而,衰变机理远非如此简单,近来已经提出了衰变过程存在其它转变的可能性。
本文采用共振拉曼光谱技术研究了胸腺嘧啶(T),胸苷(dT),胸苷单磷酸二钠(dTMP)等化合物在水,乙腈中的光诱导电子转移反应Franck-Condon区域的短时动力学特征,并结合密度泛函理论计算方法讨论了胸腺嘧啶(T),胸苷(dT),胸苷单磷酸二钠(dTMP)等化合物光化学反应在微观反应动力学上的调控因素,在以下几个方面做出了贡献。
(1)测得胸腺嘧啶在水中的最大吸收带在264.6nm左右;在乙腈中的最大吸收带在259.8nm左右,采用252.7nm和266nm的激发光获得其共振拉曼光谱,并进行了强度分析。研究结果显示,胸腺嘧啶在水中Franck-Condon区域短时动力学具有多维性,主要沿着C5=C6伸缩振动+C6-H弯曲振动v8(|△|=0.85,λv=603cm-1),嘧啶环的伸缩振动+C6-H弯曲振动v14(|△|=0.82,λv=460cm-1)和C5-CH3伸缩振动+嘧啶环的伸缩振动v15(|△|=0.73,λv=331cm-1)这三个简正模展开。胸腺嘧啶在乙腈相对在水中的光诱导短时动力学的情况改变。胸腺嘧啶在乙腈中的共振拉曼光谱1684cm-1附近出现了一个新峰,并且这一新峰被指认与胸腺嘧啶1(n,π*)激发态C4=O伸缩振动有关。因此,胸腺嘧啶在乙腈中Franck-Condon区域短时动力学主要沿着C4=O伸缩振动V.(|△|=0.63,λ=334cm-1),C5=C6伸缩振动+C6-H弯曲振动v8(|△|=0.66,λv=363cm-1),环的伸缩振动+C6-H弯曲振动V14(|△|=0.75,λv=381cm-1)和C5-CH3伸缩振动+环的伸缩振动V15(|△|=0.59,λv=212cm-1))这四个简正模展开。胸腺嘧啶在水中的振动重组能(λt=2075cm-1)比其在乙腈中的振动重组能(λt.1799cm-1)高276cm-1。比较胸腺嘧啶在乙腈和在水中的各主要振动模振动重组能可以发现,溶剂改变了振动重组能在各个振动模上的分配。没有可观的溶剂参数例如溶剂极性与此有关,而溶质与溶剂间形成的氢键能够有效的影响胸腺嘧啶Franck-Condon区域的光诱导短时动力学。胸腺嘧啶在两种溶剂中不同的重组能分布暗示溶剂能有效的调节两个相近激发态[明态1(π,π*)和暗态1(n,π*)]间的相对能量。两个态间的相对能垒可以控制1(π,π*)态无辐射衰变是通过圆锥交叉到Franck-Condon区域还是直接超快内转换到基态。
(2)测得胸苷在水中的最大吸收带在266.4nm左右;在乙腈中的最大吸收带在265nm左右,采用252.7nm和266nm激发光获取其共振拉曼光谱,并进行了强度分析。研究结果表明,胸苷在水中Franck-Condon区域短时动力学具有多维性主要沿着C5=C6伸缩振动+C6-H弯曲振动v17(|△|=0.75,λ=46.cm-1),嘧啶环的伸缩振动+C6-H弯曲振动+N1-C1,伸缩振动V29(|△|=0.73,λ=36.cm-1),嘧啶环的伸缩振动+C5-CH3/N1-C1,伸缩振动v37(|△|=0.69,λ=29.cm-1)这三个主要的振动模展开。与胸腺嘧啶类似,胸苷在乙腈中的情况相对于水中情况也是不相同的。胸苷在乙腈中的共振拉曼光谱中1684cm-1出现了一个新峰,并且这一拉曼带与胸苷1(n,π*)激发态C4=O伸缩振动有关,与胸腺嘧啶在乙腈中的情况类似。胸苷在乙腈和水中在各个模的振动重组能分配的不同暗示,胸苷激发态的无辐射能量衰变能被溶剂部分控制,这也同胸腺嘧啶的情况类似。另一方面由于糖环和嘧啶环之间存在着强烈的基态振动耦合,大多数胸苷Franck-Condon活性振动模具有糖环和嘧啶取代基之间耦合的特征。胸苷中最强共振拉曼带的简正模位移量相比于胸腺嘧啶中所对应拉曼带的简正模位移量要小。同时尽管这些最强的拉曼带有或多或少的耦合振动,但主要显示的是嘧啶碱基上的振动。这表明胸苷势能面移动,以致其1(π,π*)激发态经历了较小的几何结构重组,或者1(π,π*)态变的更平坦或有较小的跃迁能垒,根据胸苷与胸腺嘧啶的反应坐标不同。因此,相对胸腺嘧啶,糖环取代后缩短了胸苷1(π,π*)态的寿命。
(3)测得胸苷单磷酸二钠在水中的最大吸收带在266nm左右,采用252.7nm和266nm激发光获取其共振拉曼光谱,并进行了强度分析。研究结果显示,dTMP在水中Franck-Condon区域短时动力学具有多维性,主要沿着C5=C6伸缩振动+C6-H弯曲振动V1(|△|=0.78,λ=50.cm-1),嘧啶环的伸缩振动+C6-H弯曲振动+N1-C1,伸缩振动V4(|△|=0.74,λ=37.cm-1),嘧啶环的伸缩振动+C5-CH3/N1-C1,伸缩振动V.(|△|=0.68,λ=28.cm-1)这三个模展开。胸苷单磷酸二钠最强拉曼带简正模位移量与胸苷中对应的拉曼带的简正模位移量相似。这表明磷酸基团对胸苷Franck-Condon区域激发态衰变动力学无显著影响。