典型的光诱导电子(Photoinduced electron Transfer, PeT)体系是由受体(receptor)、间隔基团(spacer)和荧光团(fluorophore)相连构成。如图1所示，荧光团部分是光能吸收和荧光发射的场所，识别基团部分则用于结合客体，这两部分被间隔基隔开，又靠间隔基相连而成一个分子，构成了一个在选择性识别客体的同时又给出光信号变化的超分子体系。PeT荧光探针中，荧光团与受体之间存在着光诱导电子转移，对荧光有非常强的淬灭作用，因此在未结合客体之前，探针分子不发射荧光，或荧光很弱，一旦受体与客体相结合，光诱导电子转移作用受到抑制，甚至被完全阻断，荧光团就会发射出强烈荧光(见图1)。
图1. PeT荧光探针的一般性原理图
PeT荧光探针作用机制可由前线轨道理论来解释，如图2所示，当荧光团受到激发时，位于最高占用轨道(HOMO)的一个电子跃迁到最低空轨道(LUMO)上，当受体的HOMO轨道能级介于荧光团的HOMO和LUMO轨道能级之间时，受体HOMO轨道上的孤对电子就会向荧光团的HOMO轨道跃迁，而荧光团本身处于LUMO轨道上的电子就不能再跃迁回到荧光团的HOMO轨道上，因此荧光团的激发态电子无法就无法直接回到基态，即产生了PeT效应并造成了荧光团的荧光猝灭。当受体与客体结合后，受体的HOMO轨道能级低于荧光团的HOMO轨道能级，因此其与荧光团HOMO轨道之间的电子跃迁就会受阻，PeT效应消失并使得荧光团LUMO轨道上的电子就可以直接跃迁回到荧光团的HOMO轨道上，从而恢复荧光团的荧光发射。
图2. PeT荧光探针的前线轨道原理图
量子化学计算可以准确计算分子的HOMO-LUMO轨道能量，因此可以被用来进行荧光探针的设计和改造，接下来我们就通过介绍两个案例来说明量子化学是如何通过计算HOMO-LUMO轨道来揭示PeT荧光探针的发光原理。
如图3所示，BODIPY片段和Phenylamino片段组成了一个在低pH可以发射荧光，高pH下不能发射荧光的分子。通过进行HOMO-LUMO的计算发现，当在低pH时，Phenylamino会发生质子化，从而使得其上的HOMO轨道能量低于BODIPY的HOMO轨道能量，因此当电子由BODIPY的LUMO轨道返回基态时就会直接回到BODIPY的HOMO轨道，而不会经过Phenylamino的HOMO轨道，因此可以很明显地观察到荧光的发射；但当在高pH时，Phenylamino不会发生质子化，呈现中性化，从而使得其上的HOMO轨道能量高于BODIPY的HOMO轨道能量，这也就导致电子由BODIPY的LUMO轨道返回基态时就会先经过Phenylamino的HOMO轨道，再返回到BODIPY的HOMO轨道，而这个过程正好导致了荧光的猝灭。上述计算结果得到了实验上的验证。
图3. HOMO-LUMO轨道能量计算揭示不同pH下的荧光强度不同的原理
如图4和图5所示，需要计算的小分子在不同浓度的甲苯-甲醇溶液中发射出不同强度的荧光。分析发现该小分子具有烯醇-酮式两种形式，通过对烯醇-酮式反应过程以及过渡态结构地计算发现该分子在不同溶液中，其烯醇-酮式转化过程呈现出不同的难易程度，这就决定了烯醇式和酮式在不同溶液中分布概率不同(图4)，而进一步的HOMO-LUMO计算发现，只有烯醇式才能发射荧光，而酮式无法发射荧光(图5)，因此小分子在不同浓度的甲苯-甲醇溶液中发射出不同强度的荧光。上述计算结果得到了实验上的验证。
图4. 烯醇-酮式之间转化的反应曲线图
图5. HOMO-LUMO轨道能量计算揭示同分异构体产生不同荧光强度的原理
Reference:
1. A Simple BODIPY-Aniline-Based Fluorescent Chemosensor as Multiple Logic Operations for the Detection of pH and CO2 Gas. Dalton Transactions 2014, 43(22), 8499-8507.
2. Experimental and Theoretical Study of Enol-Keto Prototropic Tautomerism and Photophysics of Azomethine-BODIPY Dyads. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16(30), 16290-16301.