什么是染料聚集Farbstoff-Aggregation？

更新時(shí)間：2023-10-17 點(diǎn)擊次數(shù)：1391

通過吸收光，染料分子進(jìn)入電子激發(fā)態(tài)。吸收的能量僅存儲很短的時(shí)間，并在激發(fā)態(tài)壽命結(jié)束后再次發(fā)射，例如作為熒光。

在染料溶液中，被激發(fā)的染料分子（被視為點(diǎn)偶極子或振蕩器）如果它們之間的距離足夠大，則不會相互影響。因此，整體中存在的發(fā)色團(tuán)的吸收和熒光不會改變。

發(fā)色團(tuán)之間的平均距離約為 5 - 10 nm，影響僅通過振蕩器的“輻射場"發(fā)生，即沒有直接接觸。例如，通過福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）模型描述了兩種染料分子之間的這種類型的相互作用。

如果發(fā)色團(tuán)之間的距離變得更小，例如在非常濃縮的溶液中，則由于各個(gè)振蕩器的靜電力，可能會產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互影響。由于單個(gè)染料分子的分子間相互作用，這種染料溶液的吸收和熒光行為都會發(fā)生顯著變化。

羅丹明 6G 水溶液
在羅丹明6G濃水溶液的紫外/可見光譜中，在主吸收帶的短波邊緣可以觀察到肩峰的出現(xiàn)。如果通過稀釋溶液來改變濃度（c），并以同樣的方式增加比色皿的層厚度（d），那么根據(jù)朗伯-比爾定律，人們總是可以預(yù)期相同的消光，則以下過程是觀察到：等吸光點(diǎn)的出現(xiàn)。

- 所有相關(guān)物質(zhì)的濃度變化是線性的，dE/dc = 0 - 表明兩種（或更多）物質(zhì)以一種確定的方式相互轉(zhuǎn)化或彼此處于平衡狀態(tài)。所以這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

解離或二聚常數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)確定：在稀釋系列中，溶液的稀釋始終通過層厚度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，可以計(jì)算“有效消光系數(shù)"。初始濃度由未發(fā)生二聚化的高度稀釋溶液的紫外光譜確定。由于各個(gè)吸收在朗伯-比爾定律中表現(xiàn)相加，因此可以使用反應(yīng)方程或質(zhì)量作用定律來制定有效消光或有效消光系數(shù)。

疏水相互作用
有機(jī)染料的聚集尤其發(fā)生在水或具有高離子強(qiáng)度的溶劑中。主要原因是分子間范德華力：通過所謂的“疏水相互作用"，親脂性分子試圖“避開"親水性水分子，即為水化殼提供盡可能小的表面積。這種現(xiàn)象還導(dǎo)致玻璃表面上的染料吸附或與基質(zhì)分子的非特異性結(jié)合。

形成二聚體或更高聚集體的傾向取決于

-染料的濃度——濃度越高，聚集越強(qiáng)

-溶劑——與乙醇或其他有機(jī)溶劑相比，在水或甲醇中通常可以觀察到聚集。通過比較ATTO 565在水性 PBS 緩沖液（pH 7.4）和乙醇與TFAc中的等濃度溶液的吸收光譜，令人印象深刻地證明了這一點(diǎn)：

-存在任何電解質(zhì)（鹽），特別是當(dāng)氯仿等有機(jī)溶劑中出現(xiàn)離子對時(shí)

-溫度- 在較高溫度下，熱運(yùn)動(dòng)使聚集更加困難

-染料的 分子結(jié)構(gòu)- 具有親水基團(tuán)的染料，如ATTO 488、ATTO 532、ATTO 542等，在水溶液中不會表現(xiàn)出任何聚集，與疏水性染料如ATTO Rho6G、ATTO Rho11、ATTO相比Rho12等：

由于這是動(dòng)態(tài)平衡（如上所述），因此可以通過稀釋溶液將二聚體轉(zhuǎn)化回單體。當(dāng)測量的吸收光譜不再隨著進(jìn)一步稀釋和層厚度的相應(yīng)增加而變化時(shí)，達(dá)到“單體光譜"。對于大多數(shù)疏水性ATTO染料，這種情況發(fā)生在消光度約為 0.04 時(shí)（層厚 1 cm；c = 10 -7 – 10 -6 mol/l）。

蛋白質(zhì)綴合物中的分子內(nèi)相互作用/DOL 測定
當(dāng)染料-NHS 酯與蛋白質(zhì)的氨基反應(yīng)時(shí)，可以形成染料綴合物，其中共價(jià)結(jié)合的染料分子非常接近并且可以彼此相互作用。這以同樣的方式通過吸收光譜的強(qiáng)烈變化來表達(dá)，正如在 ATTO 565-steptavidin 綴合物的示例中可以清楚地看到的：在綴合物光譜中觀察到額外的短波吸收帶，

類似于濃度足夠高的染料水溶液的“二聚體帶"。由于在這種情況下共價(jià)結(jié)合的染料分子之間存在分子內(nèi)相互作用，因此當(dāng)綴合物溶液稀釋時(shí)吸收光譜不會改變！
對于這種情況，染料-蛋白質(zhì)比率（標(biāo)記度，DOL）的確定在我們的“蛋白質(zhì)標(biāo)記"工作說明中進(jìn)行了描述。

兩種形式的聚集體之間存在基本區(qū)別：

H-聚集體（H = 低色），短波長。
當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)染料分子以一種其躍遷偶極矩（通常在 S 0 - S 1過渡中彼此平行（沿著發(fā)色團(tuán)系統(tǒng)的縱軸運(yùn)行）。觀察到向低色位移的吸收帶 - 與單體吸收相反。

由于空間接近，電子結(jié)構(gòu)相互影響，可以說，兩個(gè)分子必須一起觀察。能級被分裂，并且量子力學(xué)現(xiàn)在允許的吸收躍遷能量更高，因此波長更短。從這種較高的激發(fā)態(tài)，發(fā)生快速內(nèi)部轉(zhuǎn)換（IC），從而使熒光猝滅。

J-聚集體（根據(jù) EE Jelley 的說法），長波
這種類型的聚集會導(dǎo)致吸收帶的長波偏移，這與能帶半寬度的顯著減小有關(guān)。

J-聚集體通常存在于聚次甲基染料中，例如花青、部花青或類似的發(fā)色團(tuán)。Jelley 和 Scheibe 使用假異花青染料獨(dú)立觀察到了這一現(xiàn)象。對于由單個(gè)染料組裝形成的“超分子聚合物"的模型描述，已經(jīng)提出了各種類型。對分子關(guān)系簡單的描述是這樣的想法：各個(gè)分子一個(gè)接一個(gè)地排列，使得躍遷偶極矩也位于一條線上。分子的共同考慮導(dǎo)致能級的分裂：量子力學(xué)允許的躍遷現(xiàn)在能量較低，

溶劑成分、鹽或其他物質(zhì)的添加以及濃度會極大地影響聚集。在理想條件下，可以在紫外/可見光譜中找到所描述的極窄吸收帶。此外，與 H 聚集體相比，這里當(dāng)然可以觀察到熒光，特別是在較低溫度下：發(fā)射帶的最大值也很窄，僅比吸收最大值長幾納米。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，文獻(xiàn)還描述了吸收帶的“加寬"，這可以通過包含 J 聚集體的禁電子躍遷來解釋。

ATTO 488 標(biāo)記的磷脂
溶液純氯仿中的ATTO 488標(biāo)記磷脂最初因其意想不到的顏色而令人驚訝：暗淡的溶液呈現(xiàn)粉紅色至洋紅色，而不是帶有亮綠色熒光的淺黃色。長波位移吸收可以通過 J 聚集體的存在來解釋。當(dāng)所討論的溶液用甲醇稀釋時(shí)，顏色變?yōu)橥ǔ５狞S色，并且可以看到強(qiáng)烈的熒光。通過改變?nèi)軇┏煞郑奂w被推回。
下圖顯示了ATTO 488標(biāo)記的1,2-二棕櫚酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺 (DPPE) 在純氯仿和氯仿/甲醇（8:2，v/v）溶劑混合物中的溶液：

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