用占屯染料模拟光合作用

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第378页（1917字）

占屯(xanthene)染料的通式如下：

典型的占屯染料有荧光素(R=R₁=R₂=H)，曙红(R=H，R₁=R₂=Br)，赤鲜红(R=H，R₁=R₂=I)，玫瑰红(R=Cl，R₁=R₂=I)等。

用占屯染料模拟光合作用的意义在于：作为光敏剂，这类染料合成方便，稳定性好，性能富于变化，如需要单重态丰富的可选荧光素(荧光量子产率ф_F=0．92，系间穿跃量子效率ф_ISC=0．03)，而玫瑰红(ф_F=0．09，ф_ISC=0．77)，赤鲜红(ф_F=0．11，ф_ISC=0．60)等则以三重态为主，要兼顾单重态和三重态可选曙红(ф_F=0．48，ф_ISC=0．32)．

在人工模拟天然光合作用的光化学反应中心的研究中，1987年Gust和Moore等人把类胡萝卜素(C)作为给体，把醌类(Q)作为受体，同时共价联结到光敏染料卟啉(P)上，形成C－P－Q三元分子体系。在受光激发后，发生如下的光致电子转移：

C－P－Q+hv→C^－1P－Q→C⁺－P－Q

其寿命为2～3μs(原则上这就是可以被利用的化学势能)，量子产率在好的情况下近于0．3。1985年Seta等把这类分子装入双层类脂膜，照光以后就能观察到稳定的光电流。

在能量关系方面，类胡萝卜素的单重态能量可传给卟啉，表现了给体的天线作用。

另一方面，卟啉的三重态能量又可返回给类胡萝卜素，这样就可避免三重态的卟啉与空气中的氧气作用形成破坏力很强的单态氧对体系的破坏作用，这就是所谓的给体的保护作用。1990年Gust等又合成了四元体系和五元体系，光致电子转移效率得到了进一步的提高，而寿命已长达55μs。

沈涛等长期从事占屯染料的研究，在模拟光合作用的光电转换方面已做了相当的工作。

用占屯染料模拟光合作用的课题，今后的研究内容是合成多元占屯染料体系，研究它们在溶液中的构象，测定它们在溶液中的能量传递和光致电子转移的效率，电荷分离产物的寿命等光物理数据，同时把这些多元分子组装入LB膜、双分子类脂膜(BLM)中或薄层电池上，检验它们的光生电压和光生电流，相关这些性能，特别是光电转换性能与结构因素的关系。

这些结构因素包括：(1)占屯染料的性能，如单重态能量，三重态能量，氧化还原电位，荧光量子产率，荧光寿命，系间穿跃量子效率等；(2)给体的性质，如氧化电位，单重态能量，三重态能量等；(3)受体的性质，如还原电位，单重态能量，三重态能量等；(4)连接链的长度和刚性(与大分子的构象有关)；(5)连接的基团，如酯基，酰胺基，醚基，胺基等的影响；(6)发色团的个数，如三元，四元，五元等；(7)发色团的次序，如D－S－A，S－D－A，S－A－D等。

用占屯染料模拟光合作用的研究，预期应用比较简单的占屯染料与给体和受体的组合在性能上能接近国际先进水平，并注重应用背景，希望能够更加实际一些。

通过优化设计和合成，以期最终找到几种性能优良的、比较实用的光电转换功能分子。

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【参考文献】：

1 Seta P,et al. Nature,1985,316:653

2 Gust D,et al. J Am Chem Soc,1987,109:846～856

3 Shen T. Dyes and Pigments,1987,8(5):375～380

4 Shen T, et al. J Photochem Photobiol, A, 1989, 47: 203～ 212

5 Zhao Z G,et al. Spectrochimica Acta, 1989, 45A: 1113～1116

6 Gust D,et al. Science,1990,248:199

7 Zhou Q F,et al. J Photochem Photobiol,A,1990,51:229～

(中国科学院感光化学研究所博士生导师沈涛研究员撰)