Study note：Fluorescence Probe - part B
tips：荧光探针的机理很杂很碎，而错误解读又很多，难以分辨。本文记录一下笔者学习过程中对各种基本原理的总结，内容仅供参考，未必完全正确，会随笔者学习理解过程随时更新。如果读者发现任何地方与已有认识不符，不要怀疑，一定是笔者理解有误，请务必在评论区指出！
在PartA中，笔者引入了势能面来辅助理解Jablonski图。限于篇幅，笔者把从荧光机理过渡到荧光探针机理的部分放在了PartB。
7 电荷转移：ICT、TICT与PET，以及五花八门的CT机理
普通的有机分子基态通常是闭壳层单线态，HOMO-LUMO gap常常在2 eV 以上，这表示它们的电子离域性比较差。如果借用周期性体系能带理论的概念，可以理解为普通的有机分子基态下“禁带”宽度很大，电子难以流动。而在激发态下，由于前线轨道中的一个电子跃迁到了更高能级，电子结构变为开壳层，定域性被削弱，可以理解为出现了“价带空穴”。“价带空穴”存在时，电子结构可以发生重排，从而形成更稳定的结构(当然，由于整体增加了一个光子的能量，就算变稳定了一些也比基态能量高)。重排引起了电子密度变化，这种变化可能发生在局部，也可能是长程的，由分子的结构决定。
我们以经典的D-π-A结构半花菁荧光染料为例。在基态下，Acceptor基团希望得到电子，而Donor基团想要给出电子，这种推拉电子效应使得电子有沿着共轭路径离域的倾向。然而，由于“禁带”的存在，二者通常只是有一个电荷转移的趋势。除非Acceptor吸电子能力极强，或是Donor基团给电子能力极强，否则基态下一般不容易发生电荷转移。
Fig. n 经典的D-π-A结构染料
而在激发态下，情况发生了变化。由于激发，电子结构变得松散，“价带空穴”出现了，由D→A的电子流动会变得容易得多，于是便形成了ICT(Intramolecular Charge Transfer，分子内电荷转移)：
Fig. n 激发态的分子内电荷转移
我们可以用PartA中展示的基础原理来预测ICT的形成对激发态性质产生的影响：
由于电子结构在重排中趋于稳定，体系的能量会降低，因此，其荧光发射波长相比于没有发生ICT的情况会产生红移；
Fig. n ICT导致发射红移- 由于电荷转移，初态与末态波函数的重叠程度减小了，跃迁偶极矩减小，由$(2.1)$ - $(2.3)$式可知这会引起振子强度的减小，对荧光产生削弱作用。从另一方面来讲，跃迁偶极矩减小也会引起两个态的混合程度降低，减小NAC矩阵元，由$(5.0.1)$式知内转换速率也会减小，对荧光产生增强作用。根据经验，电荷转移对辐射跃迁速率的影响更大，因此常常表现为削弱荧光强度。
- 高极性溶剂可以稳定电荷转移态，使其能量降低。若极性升高，可以预料ICT分子的荧光发射波长将红移，同时荧光强度会由于电荷分离程度增大而降低；若极性降低，则反之。
当电荷转移作用太强，以至于产生电荷彻底分离时，Acceptor将和Donor解耦。此时，有利于耦合的sp2平面构象能量较高，体系会倾向于避免发生基团旋转破坏平面以降低能量，从而形成sp3杂化的垂直构象，即形成TICT(Twisted Intramolecular Charge Transfer，扭曲的分子内电荷转移)态。由于TICT态电荷的彻底分离，体系的辐射跃迁速率通常很接近0，成为暗态。
Fig. n TICT态的形成
笔者初识TICT时，最大的疑惑就是”为什么这个基团能转？”“为什么那个基团不能转？”而这些问题在了解了TICT的根本驱动力后就迎刃而解了。旋转只是表象，形成电荷分离态最底层的逻辑还是体系能量的最小化要求。我们可以证明这一点。在二甲胺基罗丹明(TMR)中为二甲胺基的邻位上一个电子效应微弱的甲基(2-Me-TMR)，其量子产率立即从0.41降低至0.002，替换为氟、氯等原子后，其量子产率也有不同程度的下降，下降程度与旋转能垒呈现相关关系。虽然邻位甲基的引入对整体推拉电子效应影响不大，但由于位阻的增大，平面构象被人为地引入了一个不稳定因素，这为激发态势能面TICT极小点的形成创造了条件。
Sci. Adv. 2024, 10, eadi8847.
这些理论同样适用于没有π桥的结构。当Donor或Acceptor直连荧光团时，它们可能向荧光团转移电子/从荧光团获得电子，从而形成电荷分离态，这称为PET(Photoinduced Electron Transfer，光生电子转移)。由于没有π桥，PET要求Donor或Acceptor的能量与荧光团匹配，这样才能顺利转移电子。经典PET过程的特征是Donor的HOMO轨道或Acceptor的LUMO轨道插在荧光团的HOMO与LUMO之间，这样电子就可以从Donor向作为Acceptor的荧光团转移(A-PET)或从作为Donor的荧光团向Acceptor转移(D-PET)：
别找了，没有引文，这是我画的
除了经典PET以外，J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6777−6785还报导了一种延申的PET机理。当Donor或Acceptor与荧光团的连接处存在一定柔性，可以绕键旋转时，基态下常常不会形成电荷分离的垂直构象。此时Donor或Acceptor的前线轨道则不一定要夹在荧光团的前线轨道之间，因为在激发态下，随着基团旋转，H-1与H或L-1与L的轨道能量顺序可能发生对调，从而达成经典PET的条件。该过程类似于TICT，只是同样没有π桥。
这也是我画的
除PET外，还有大量围绕电荷转移发展出的机理，如空间电荷转移(TSCT)，跨键电荷转移(TBCT)等。这些机理虽然存在差异，但核心依然是利用电荷转移引起的能量变化或跃迁偶极矩变化。万变不离其宗，只要抓住本质，理解起来就相当容易了。
8 调控圆锥交叉：RACI与AIE，以及光化学反应
在5.3节中，笔者引入了势能面交叉的概念。在两个电子态简并的情况下，激发态的能量会迅速转换为分子的势能，这种内转换的速率数量级远高于辐射跃迁。因此，一旦激发态势能面上出现了一个容易触发的圆锥交叉(CI)区域，分子往往会通过内转换散耗能量，从而使得荧光猝灭。而若是有办法限制分子到达CI点，则荧光就可能恢复。
事实上，这个思路是RACI(Restricted Access to a CI, 限制通过圆锥交叉点)机理的核心思想。虽然RACI并不是很著名，但很多荧光探针的底层机理都与之密切相关，例如AIE(Aggregation Induced Emission，聚集诱导发光)。AIE的经典解释是RIR(Restricted Intramolecular Rotation，限制分子内旋转)阻止能量散失，从而开启荧光。RIR解释虽然直观地指出了产生AIE的途径，但对AIE现象的本质阐述不是很完善，导致其对许多AIE分子的描述是失败的。如下图，RIV、RIR不能解释在体系内根本没有可旋转或可异构的π键的情况下，双哌啶取代蒽分子的取代基位置异构体的AIE行为为什么存在显著差异：
Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59,9856 –9867
为了解释这个现象，我们需要理解一件事：构象改变只是表象，由构象改变引起的势能面圆锥交叉才是引发荧光猝灭的根本原因。由于取代基位置的差异会引起蒽分子势能面的变化，不同位置异构体的CI点在势能面上的位置也是不同的。假如到达CI的能垒较低，可以预料激发态分子将在溶液中将很容易沿CI途径失活，从而表现为荧光猝灭；而在聚集态时，由于位阻较大，CI点的能量升高，能垒也随之升高，于是这条失活途径被抑制了，体系便可以顺利地辐射出荧光。
Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59,9856 –9867
RACI机理用于解释经典AIE分子的荧光行为同样是成功的。我们四苯乙烯为例。在激发态下，四苯乙烯分子有着多个可以到达的CI结构，比如乙烯的双键旋转90度：
J. Phys. Chem. C 2018, 122, 245–251.
或是扭曲构象下苯环的偶联：
J. Phys. Chem. A 2017, 121, 2572–2579.
这些CI直接引起了四苯乙烯在溶液中的荧光猝灭。而在聚集态下，这些构象的旋转和扭曲受到抑制，四苯乙烯就能顺利辐射出荧光了。观察势能面形状，注意到由S1态分子由圆锥交叉点的漏斗“漏”到S0时，得到的基态分子有着非常扭曲的初始构象。可想而知，该分子从激发态得到的能量一旦高于分子内化学键的解离能，分子就有可能裂解，这是荧光团发生光漂白的重要途径；同时，由于CI改变了S0绝热势能面的走向，也常常引起光化学反应，如花菁化合物的光异构化。
如果能准确找到势能面上的CI点，许多奇怪的荧光猝灭就可以轻易解释。不幸的是，CI附近有强烈的非绝热耦合，破坏了Born-Oppenheimer近似，这使得大批基于Born-Oppenheimer近似的理论方法都不能正确描述该区域，造成了从理论方面进行研究的阻力。因此，在研究CI时，调查已有工作就变得尤为重要————如果能从文献中找到类似结构的CI构象，得到合适的初猜，则可以大大节省资源和时间。
9 系间窜越：自旋轨道耦合、Herzberg-Teller效应
在5.2节，笔者介绍了系间窜越的基本原理。多数情况下，荧光方向做的分子系间窜越能力并不强(当然，如果您是开发新荧光团的仙尊，请当我啥都没说)。不过有些方向会追求产生ROS，这就与系间窜越有关了。除此之外，在常见荧光团引入取代基时也时可能无意间触发系间窜越，造成奇怪的荧光猝灭。因此，即使用不上RTP之类的磷光机理，也应当对三重态进行基本的了解。由于笔者不是做磷光的，本节只对系间窜越做一些基本的介绍。
理想情况下，单重态与三重态之间的跃迁是不能发生的。不过，有两个因素可以影响这一禁阻：
- 自旋轨道耦合
- Herzberg-Teller效应
自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）
SOC是产生系间窜越的必要条件。根据$(5.2.1)$-$(5.2.2)$式，这些因素可以影响SOCME的值：
- 几何结构畸变可能会导致轨道分子轨道能级重新分布、能隙变化，以及轨道成分（如p、d轨道混合比例）和对称性的改变，进而影响轨道角动量特性，改变$\mathbf{L}\cdot\mathbf{S}$项，从而导致单重态与三重态之间产生耦合；
- 强电荷转移、外加电场或磁场的存在可以改变外势项$\frac{1}{r}\frac{dV(r)}{dr}$，导致单重态与三重态之间产生耦合。而一些重原子(如Br、I、Se等)的核电荷数很高，其原子核的库仑势场可以起到类似外加电场的效应，这称为重原子效应；
根据这些因素，可以进一步总结一些比较贴近实验的结论：
- 分子内含有重原子对系间窜越有利；
- 强吸电子基团/给电子基团的存在对系间窜越有利；
- 孤对电子参与的跃迁对系间窜越有利(轨道角动量的变化补偿了自旋角动量的变化)；
- 高位阻的拥挤结构等因素引起的几何结构畸变对系间窜越有利。
Herzberg-Teller效应
Herzberg-Teller效应描述了振动与电子的耦合。在$(4.1)$式中，我们给出了考虑Herzberg-Teller效应时跃迁强度的表达式。根据该表达式，可以推知：
- 对于荧光过程来说，当振子强度不低时，FC项的值常常比HT项高出几个数量级，占主要贡献；
- 在系间窜越过程中，不考虑SOC时，FC项精确为0，那么在SOCME较小时，HT项便是不可忽略的；
通常来讲，如果SOCME高于5 cm-1，忽略Herzberg-Teller项是可以接受的。
此外，单重态三重态能量差越小，HT微扰项对哈密顿量贡献越大，Herzberg-Teller效应的影响也就越大。因此，在单重态与三重态的能量接近的情况下，即使平衡结构没有产生旋轨耦合，体系依然有可能发生系间窜越。此类化合物最著名的例子是蒽。忽略HT项时，计算出蒽的kisc小于1 s-1，而考虑HT项的kisc为1.17×108 s-1，与实验吻合很好。
TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence,热激活延迟荧光)
这个我学学再写
大概就是ISC与RISC来回倒腾，这是OLED用的，做探针的可以不用管。