本章節中，我們主要介紹與討論三種紫質衍生物的靜態光譜、時間解析的瞬態螢光 光譜及其動態學，來瞭解紫質分子內的重原子效應對於激發態的去激化過程的影響和紫 質分子在蛋白質內之中的動態學。第一種紫質為雙苯基鋅離子紫質化合物，包含 ZnBPP、ZnBPPBr 與 ZnBPPBr2；第二種紫質為雙苯基原紫質化合物，其中有H2BPPBr 和H2BPPBr；第三種為另一類的鋅離子紫質分子(protoporphyrin IX Zinc II, ZnPP)在脫輔 基肌紅蛋白(apomyoglobin, apoMb)中的動力學研究。
3-1 原紫質分子與鋅離子紫質分子的光譜與動力學研究回顧
紫質分子的吸收及螢光性質以及奈秒時間範圍的S1激發態生命期及毫秒時間範圍 的T1激發態生命期已被廣泛的研究1, 2。其中，四苯基原紫質(free-base 5,10,15,20- tetraphenylporphine，H2TPP）及四苯基鋅離子紫質(zinc 5,10,15,20-tetraphenylporphine，
ZnTPP）為最常用來研究動態學的分子，這兩種分子的結構如圖 3-1 所示。
N
NH N
HN
H2TPP
N
N N
N
ZnTPP Zn
圖3-1 H2TPP 與 ZnTPP 的結構圖
H2TPP 溶於苯中的吸收及螢光光譜已有文獻發表，如圖 3-2(A)所示3。其吸收光譜 具有兩個頻帶，B（或稱 Soret 頻帶，S2←S0躍遷）及Q 頻帶（S1←S0躍遷），其中最大 強度吸收的Q 頻帶為 Qy(1,0)，其括號內的數字分別表示較高及較低電子組態的
Franck-Condon active vibrational mode 的量子數（quantum number）。其T1激發態的能階 位置低於Qx激發態。在其螢光光譜上，主要有Qy(0,0)或 Qx(0,0)兩頻帶，螢光量子效率 為0.11 或 0.131, 4, 5。然而，B 頻帶螢光放光則不易觀測到，其量子效率預估小於 0.00013。 基於非常小的Stokes shift 可知，H2TPP 在苯溶劑中幾乎沒有溶劑效應。H2TPP 在 Qx(0,0) 頻帶所觀測到的放光生命期經由單光子計數系統（single photon counting）偵測為 12.4 ns，主要經由系間交叉過程（intersystem crossing，ISC）的過程緩解到 T1激發態上；T1
激發態則在除氧的情況下可得到毫秒範圍的生命期1, 2。
ZnTPP 的吸收及螢光光譜如圖 3-2(B)所示6。其吸收光譜具有兩個頻帶，B 及 Q 頻 帶，唯一小於1Q(π，π*)的激發態為3T(π，π*)。在其螢光光譜上，為 S2→S0及S1→S0
躍遷螢光放光。由文獻結果可知S1激發態的螢光量子效率為0.033 或 0.03。4, 5由於紫質 的剛性結構，S2激發態的吸收及螢光頻帶之間的Stokes shift 並不大，使得兩頻帶大部分 位置互相重疊，在高濃度溶液的情況下造成螢光放光的自我吸收（self-absorption）現象 使得S2螢光不易進行偵測。1984 年，Kokubun 研究組測得 ZnTPP 在乙腈（acetonitrile）
溶劑中的S2螢光量子效率為3.7 10× −4，並藉由螢光偏振（fluorescence polarization）及 Strickler-Berg 方程式分別估算出 S2激發態生命期為小於3 ps 及 240 fs7。S1激發態的生 命期為2.0 ns，主要經由非放光形式的系間交叉到 T1能態，T1激發態的生命期在室溫、
除氧的情況下為1-2 ms，在溫度 77 K、除氧的情況下則為 23-26 ms1, 2。
圖3-2 H2TPP(A)與 ZnTPP(B)的吸收與螢光光譜。(取自 ref 3 and 6)
1976 年，Martarno 等人測得 Y(III)、Lu(III)、Th(IV)的 tetraphenylporphine(TPP)錯合 物的 S2螢光量子效率幾乎一致，分別為 1×10-3、1×10-3及 4×10-4。8這三種原子的原子 序各為 39、71、90。由此可知，重原子效應並不會加速 S2激發態的非輻射衰減過程，
因此 S 能態系間交叉 S →T 的推論並不成立。相對的，S 激發態的量子效率則分別為
主要由 S1能態經由系間交叉過程到 T1態的假設相吻合。紫質的系間交叉(S1→T1)過程 中，重原子效應已被廣泛的研究，藉由取代紫質中不同的中心金屬或在紫質週遭位置以 重原子取代來進行研究。Gouterman 等人曾經研究不同的中心金屬及其軸（axial）上的 配位基（ligand）的影響，例如氯、溴及碘原子 9。他們發現自旋-軌域偶合（spin-orbit coupling）的程度受到配位基的影響比中心金屬大。Kim 等人合成了一系列四芳香烴基 紫質（tetraarylporphines），並對其苯基鄰位上的氫進行取代 10。他們研究了這些化合物 的光譜性質並發現某些取代基的存在降低了Q（0,0）頻帶放光的強度。這個效應尤其以 鹵素原子取代時更為有效，鄰位為甲基取代時則幾乎沒有影響。
1998 Gurzadyan 等人利用螢光上轉移系統測量 ZnTPP 在乙醇溶液中 S2能態的去激 化過程，藉由觀測S2能態的螢光衰減過程與S1能態的螢光上升過程來推論S2能態的生 命期，他們發現兩過程的時間常數是相同的，而且S2能態的衰減時間常數為2.35 ps11。 Akimoto 等人也使用螢光上轉移技術來測量 ZnP 與 H2P12。對於ZnP 的去激化過程有三 個，各別的衰減時間常數為150 fs、600 fs 和 1.5 ns。他們將前兩個過程各別指定為 S2
能態的內轉換過程與S1能態的振動弛緩過程，1.5 ns 的去激化過程為系間交叉過程。對 於H2P 而言，亦測得三個去激化的過程，各別為 90 fs、1.5 ps 和 12 ns，90 fs 的去激化 過程則為Qy→Qx的內轉換過程。ZnP 的內轉換過程比 ZnTPP 快許多，這是因為 ZnP 的 紫質環之吡咯上有甲烷基與乙烯基的關係，但是ZnTPP 的紫質環的吡咯上並無任何取 代基。因此Akimoto 認為內轉換過程變快的原因為吡咯上的取代基效應。
Mataga 教授也研究 ZnTPP 在乙醇中的動態學13，他亦測得S2→S1的內轉換過程為 2.3 ps，並且在 600 nm 以後的螢光瞬態光譜中觀測到 2.3 ps 的上升時間常數。然而在 530-580 nm 的螢光範圍中觀測到屬於高振動能之電子激發態的緩解過程，故提出了圖 3-3 的去激發機制。
圖3-3 ZnTPP 的去激化機制圖。
ZnTPP 被激發至 S2能態後經內轉換至S1v能態，S1v能態的緩解過程有兩途徑，一 是由S1v能態緩解至S1b能態(接近其 S1能態的最低振動能階)，再由 S1b能態去激化至其 他能態，另一條途徑為S1v能態經分子內電子振動重新分配(intramoleuclar vibronic redistribution)至 S1h能態，S1h能態是屬於高能振動能階，此能態會與其他的振動態偶合 發生緩解，其緩解速率比在S1b能態的緩解速率快許多。此外，Mataga 等人也提出了 ZnDPP 的衍生物的去激化過程與 ZnTPP 相似，但並無提供任何螢光瞬態光譜的資料。
2002 年 Zewail 教授等人發表了 H2TPP 與 ZnTPP 在苯液中的超快動態學研究3, 6， 對於H2TPP 而言，其去激化的過程如圖 3-4(A)所示，S2能態→{Qy，Qx}能態與 Qy→Qx
電子激發態的緩解過程為小於100 fs 的過程，在 Qx能態上觀察到三種不同的去激化過 程，第一過程為分子內電子振動的重新分配，其過程約100-200 fs；第二過程為溶劑分 子彈性碰撞造成的振動態的重新分配(vibrational redistribution)，其過程為 1.4 ps；最後為 與溶劑之間能量交換的熱平衡過程，其過程約10-20 ps。對於 ZnTPP 而言，以 397 nm 激發至S2能態，其內轉換過程為1.45 ps，但是用 550 nm 雙光子激發(two-photon excitation) 的話, 則會激發至 S2’ 能態，而 S2’ 能態的內轉換有兩生命期，各為 200 fs 與 1.0 ps。由 S2或S2’ 能態緩解至 S1能態的高振動能階，其去激化過程可分成兩種緩解過程，一種為 偵測在560-575 nm 的螢光頻帶，顯示其緩解過程來自於 S2’ 能態，其振動弛緩的過程為 3.7-5.5 ps；另一種為偵測在 600 nm 以後的螢光頻帶，其振動弛緩的過程為 12 ps。
圖3-4 HTPP(A)與 ZnTPP(B)在苯液中的去激化機制圖。(取自 ref 3 and 6)
3-2 ZnBPP、ZnBPPB 和 ZnBPPBr2在溶液中的光譜與動力學研究
3-2-1 ZnBPP、ZnBPPBr 與 ZnBPPBr2在苯液中的穩定吸收與螢光光譜
圖3-6 為鋅離子紫質分子(ZnBPP)與在間位(meso)位置有溴基之衍生物(ZnBPPBr 和 ZnBPPBr2)在苯溶液中的吸收光譜與螢光發射光譜。由圖 3-6(A)中我們可以發現 ZnBPP 在411 nm 有一強吸收頻帶(Soret band)，其峰值的莫耳吸收係數約為 5×105 M-1 cm-1，而 在496、538 和 573 nm 有一次弱的吸收帶，這三個吸收峰個別指定為 Q(1,0)、Q(0,0)與 Q(0,1)。如前所述，鋅離子紫質分子在紫光區(400-450 nm)為允許(allowed)躍遷之吸收，
所以其莫耳消光係數(molar extinction coefficient )較大，而在綠光至紅光區(~500-650 nm) 為禁制(forbidden)躍遷的吸收，因此其莫耳消光係數(~2×104 M-1 cm-1)較小。從比較圖 3-6(B)與 3-6(C)，當鋅離子紫質分子在 meso 位置上有溴的取代基時，其 Soret 頻帶的吸 收峰位置發生紅移的現象，每增加一個溴取代基約紅移8 nm，對於 Q 頻帶而言，則每
增加一個溴取代基則紅移10 nm。這表示若鋅離子紫質具有溴取代基的話，會使得第二 發射頻帶的強度比Q(0,1)頻帶強，如 ZnBPP、ZnTPP、ZnBPPBr 等。然而，對於 ZnBPPBr2
其在Q(0,0)頻帶的螢光強度與在 Q(0,1)頻帶相似。
600 Absorption
Fluorescence
*5
ZnBPP
R e la ti ve F lu o re scen ce / a. u .
ε
/ 10
3M
-1cm
-1350 400 450 500 550 600 650 700 750
0
Wavelength / nm
圖3-6 ZnBPP、ZnBPPBr 與 ZnBPPBr2在苯液中的吸收光譜與螢光光譜。
此三種紫質利用時間相關單光子計數(TCSPC)的技術，於皮秒時間-解析螢光光譜的 測量已由本研究室江佳珍同學所研究過，其測量結果發現，對於ZnBPP 而言，在不同
系間交叉(ISC)過程的速率愈快，表示鋅離子紫質分子在系統間轉換的速率受到環境中的 重原子效應的影響，此效應為分子間的重原子效應。另外，在苯溶劑中，ZnBPP、
ZnBPPBr、ZnBPPBr2的皮秒時間-解析的螢光光譜測量顯示，分子內的溴原子數目也會 影響其系統間轉換的速率，並且其加速的因子遠大於分子間的重原子效應，此現象表示 對於紫質分子的系間交叉過程，分子內的重原子效應比分子間的重原子效應明顯。但是 因為江同學的實驗只能測得系間交叉的速率而且ZnBPPBr2的螢光瞬態光譜顯示其去激 化過程小於50 ps (時間相關單光子計數儀器的相關函數(IRF)約為 50 ps)，對於內轉換(IC) 和振動弛緩過程的速率是否會因重原子而影響等均無法以TCSPC 的技術取得，故以飛 秒雷射系統來測量當鋅離子紫質衍生物被激發至第二激發態時，觀測在不同螢光頻帶上 的瞬態光譜。
3-2-2 ZnBPP、ZnBPPBr 與 ZnBPPBr2在第二激發態上的動力學研究
利用螢光上轉移技術，我們將ZnBPP、ZnBPPBr 與 ZnBPPBr2各溶在苯液中，以飛 秒雷射之紫外光波段來激發此三化合物至第二激發態，當我們將偵測波長設在第二激發 態的螢光訊號時，如圖3-7 所示呈現單指數衰減行為，因為其偵測位置接近激發光的波 長，所以有少量的激發雷射散射光的干擾，因此在螢光瞬態光譜中，有一雷射光之訊號 (以虛線來表達)，我們用高斯函數來比擬此一雷射散射光的訊號。對於 ZnBPP 而言，經 內轉換過程由S2能態緩解至S1能態需要1.91 ps，但是對 ZnBPPBr 和 ZnBPPBr2而言，
其內轉換時間常數各為1.42 ps 與 1.49 ps。基本上影響內轉換速率的因素有五個，第一 因素為分子結構的影響，由於分子的振動可以是無輻射躍遷的促進劑和受體，因此剛性 的提高將減少分子內的振動能態，減慢其內轉換速率；第二因素為能隙大小的影響，發 生內轉移時，兩個相關能態的能隙會影響到內轉移速率，內轉移速率隨著能隙的增加而 成指數下降，也就是兩能態之間的能隙愈大，則內轉移的速率就會愈慢，此現象又稱之 為能隙定律(energy gap law)，但是此兩能態的振動重疊積分很小(Franck-condon factor 很
其內轉換時間常數各為1.42 ps 與 1.49 ps。基本上影響內轉換速率的因素有五個，第一 因素為分子結構的影響，由於分子的振動可以是無輻射躍遷的促進劑和受體，因此剛性 的提高將減少分子內的振動能態，減慢其內轉換速率；第二因素為能隙大小的影響，發 生內轉移時，兩個相關能態的能隙會影響到內轉移速率，內轉移速率隨著能隙的增加而 成指數下降，也就是兩能態之間的能隙愈大，則內轉移的速率就會愈慢，此現象又稱之 為能隙定律(energy gap law)，但是此兩能態的振動重疊積分很小(Franck-condon factor 很