从单体到五聚体：通过光谱学和分子动力学模拟研究亚甲蓝的溶剂驱动聚集途径

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：From monomer to pentamer: solvent-driven aggregation pathways of methylene blue investigated via spectroscopy and molecular dynamics simulations

溶剂极性、粘度及氢键能力对MB聚集的影响及机理研究。通过光谱分析与MD模拟发现，MB在聚乙二醇中形成三聚体，水溶液中形成五聚体，不同溶剂的介电常数和氢键作用显著调控聚集程度及临界浓度（水2.85e-4mol/L，甘油3.7e-4mol/L，乙二醇7.02e-4mol/L）。

　　甲基蓝（Methylene Blue，MB）是一种常见的阳离子噻嗪染料，广泛应用于工业、生物医学等多个领域。由于其独特的光学性质和氧化还原活性，MB在溶液中表现出复杂的聚集行为，这种行为对光物理特性如吸收光谱、荧光量子产率和激发态动力学产生显著影响。近年来，研究人员通过实验与计算相结合的方法，深入探讨了溶剂性质对MB自组装路径的调控作用。本研究通过紫外-可见吸收光谱、稳态与时间分辨荧光光谱以及分子动力学（MD）模拟，揭示了溶剂极性、粘度和氢键能力如何影响MB的分层聚集过程。

在实验中，研究人员发现MB在不同溶剂中呈现出不同的聚集形式。在水溶液中，MB的吸收光谱显示出660–664 nm处的单体峰和612–614 nm处的二聚体峰，而295 nm处的吸收峰则表明存在更高阶的聚集结构，如三聚体或五聚体。相比之下，在甘油和乙二醇等聚醇溶剂中，MB的吸收峰主要出现在664 nm和295 nm处，同时614 nm和330 nm处的肩峰也较为明显。这些结果表明，MB在不同溶剂中表现出不同的聚集倾向，这与溶剂的极性、粘度和氢键能力密切相关。例如，水的高介电常数和疏水效应使得MB在水溶液中更容易形成高阶聚集结构，从而表现出更强的聚集倾向。

荧光光谱研究进一步支持了上述结论。单体MB在水溶液中发射波长约为695–743 nm，而在甘油和乙二醇中，发射波长则略有变化。二聚体MB的发射波长在695–743 nm与738–760 nm之间，而更高阶的聚集结构（如三聚体或五聚体）则显示出更长的发射波长，范围在780–807 nm之间。这种发射波长的差异与溶剂对MB分子间相互作用的影响有关，反映了不同溶剂环境中MB的聚集状态和结构特征。此外，时间分辨荧光测量显示，在粘度较高的溶剂（如甘油和乙二醇）中，MB的激发态寿命更长，这可能是由于非辐射衰减路径受到限制所致。

为了更深入地理解MB在不同溶剂中的聚集机制，研究人员采用了分子动力学（MD）模拟。MD模拟结果表明，MB在乙二醇和甘油中主要形成三聚体，而在水中则倾向于形成五聚体。这一差异与溶剂中π-π堆叠作用和疏水相互作用的强度有关。水的高介电常数促进了MB分子之间的强π-π相互作用，从而增强了其聚集能力。而甘油和乙二醇的高粘度则减缓了MB分子的运动，使得聚集过程更加缓慢，但更稳定。此外，通过聚类分析和溶剂可接触表面积（SASA）计算，研究人员进一步验证了MB在水溶液中形成的高阶聚集结构的稳定性和紧凑性。

本研究不仅提供了MB在不同溶剂中形成五聚体的直接证据，还通过实验和计算方法的结合，建立了一个定量的框架来描述MB的聚集过程。该框架强调了溶剂极性、粘度和氢键能力在调控MB聚集行为中的关键作用。通过确定不同溶剂中的临界聚集浓度，研究人员能够更准确地预测MB在特定溶剂中的聚集倾向。例如，在水中的临界浓度为2.85×10?? mol/l，而在甘油和乙二醇中的临界浓度分别为3.70×10?? mol/l和7.02×10?? mol/l。这一结果表明，水的极性更强，使得MB更容易在较低浓度下形成高阶聚集结构。

MB的聚集行为对多种应用领域具有重要意义。在染料化学中，MB的聚集特性可以用于优化染料的性能，例如提高其在特定溶剂中的溶解度或稳定性。在光动力疗法中，MB的聚集状态可能影响其光敏性能，从而影响治疗效果。此外，在分子传感领域，MB的聚集行为可以作为检测环境变化的手段，例如通过荧光强度的变化来判断溶剂性质的变化。因此，理解MB在不同溶剂中的聚集机制不仅有助于基础科学研究，还对实际应用具有指导意义。

MB的聚集行为还受到其他因素的影响，如温度、离子强度和pH值。这些因素通过改变MB分子间的相互作用，进而影响其聚集状态。例如，温度升高可能会促进MB分子的热运动，从而增加其聚集的可能性。而离子强度的增加可能会通过屏蔽电荷相互作用，改变MB的聚集行为。此外，pH值的变化也会影响MB的聚集，因为MB分子的电荷状态会随着pH值的变化而改变，从而影响其与其他分子的相互作用。因此，在研究MB的聚集行为时，需要综合考虑这些因素的影响。

MB的聚集行为在不同溶剂中的差异也反映了溶剂对分子间相互作用的调控能力。例如，水的高介电常数使得MB分子之间的静电相互作用更加显著，而甘油和乙二醇的高粘度则限制了MB分子的运动，从而影响其聚集过程。此外，溶剂的氢键能力也会影响MB的聚集，因为氢键可以作为分子间相互作用的一种方式，促进或抑制MB的聚集。因此，溶剂的性质在很大程度上决定了MB的聚集路径和最终结构。

在实验方法方面，研究人员采用了多种技术手段来研究MB的聚集行为。紫外-可见吸收光谱是一种常用的手段，可以用于研究MB在不同浓度下的吸收特性。稳态与时间分辨荧光光谱则提供了关于MB分子间相互作用和聚集状态的更详细信息。例如，稳态荧光光谱可以用于研究MB在不同溶剂中的荧光强度变化，而时间分辨荧光光谱则可以用于研究MB的激发态寿命，从而揭示其聚集动力学。此外，分子动力学模拟则提供了原子级别的信息，能够更直观地展示MB在不同溶剂中的聚集过程和结构演变。

在理论研究方面，研究人员通过建立数学模型来描述MB的聚集行为。例如，通过计算单体与聚集物之间的荧光强度比，研究人员可以定量分析MB的聚集过程。此外，通过计算二聚体常数（Kd），研究人员可以更准确地描述MB的聚集行为。这些模型不仅有助于理解MB的聚集机制，还为优化MB的应用提供了理论依据。例如，在染料化学中，通过调节溶剂的极性、粘度和氢键能力，可以控制MB的聚集状态，从而优化其性能。

本研究的成果为MB的聚集行为提供了新的视角，不仅揭示了溶剂性质对MB自组装路径的调控作用，还建立了定量的分析框架。通过结合实验与计算方法，研究人员能够更全面地理解MB在不同溶剂中的聚集机制。此外，本研究还强调了MB在实际应用中的重要性，特别是在染料化学、光动力疗法和分子传感等领域。因此，本研究不仅具有重要的科学价值，还对实际应用具有指导意义。

总之，MB的聚集行为是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。通过深入研究MB在不同溶剂中的聚集机制，研究人员能够更准确地预测其聚集行为，并优化其在实际应用中的性能。本研究通过实验与计算相结合的方法，为MB的聚集行为提供了新的证据，并建立了定量的分析框架，这对于理解溶剂对分子自组装的调控作用具有重要意义。未来的研究可以进一步探索MB在不同溶剂中的聚集行为，以及其在实际应用中的潜力。