探秘加替沙星（GFX）基态与低激发态：光降解机制的深度解析

随着环境污染问题日益严重，新兴污染物加替沙星（GFX）对环境和人类健康的潜在威胁备受关注。研究人员通过 DFT 和 TD - DFT 方法研究 GFX 分子基态与低激发态。结果表明 S1、S4、S5态可能被激发，这为理解 GFX 光降解机制提供理论依据。

　　在当今时代，环境污染与人类健康之间的紧密联系如同高悬在人们头顶的达摩克利斯之剑，时刻引发着科学界的高度关注。各种源自农业、工业生产等人类日常活动的化学物质，肆意地向大气、水和土壤中释放，逐渐成为了各类疾病的 “幕后推手”。近年来，微污染问题更是如异军突起，成为环保科研领域的焦点。那些曾经被忽视的新兴污染物，如今却被证实会对环境、水生生物以及人类生活造成巨大威胁。加替沙星（Gatifloxacin，GFX）作为一种备受瞩目的药物类微污染物，其在环境中的行为和影响引发了诸多科研人员的好奇与探索。

此前，已有研究尝试用各种方法去除环境中的 GFX，比如使用新型生物炭、活化过氧单硫酸盐等材料对其进行处理。然而，这些研究大多聚焦于实际应用层面，对于 GFX 在光降解过程中的深层次机制，即其基态和低激发态的相关特性，仍缺乏深入了解。为了填补这一知识空白，来自国外的研究人员（Iuri N. Soares、Gabriel L.C. de Souza 等）开展了一项极具意义的研究，该研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上。

研究人员采用了密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）和含时密度泛函理论（Time - Dependent Density Functional Theory，TD - DFT）这两种强大的理论计算方法。在研究过程中，使用了 CAM - B3LYP、M06 - 2X 和 LC - ωPBE 等交换 - 相关泛函，搭配 6 - 311 + G (d,p)、6 - 311++G (d,p)、def2 - TZVP 和 aug - cc - pVTZ 等不同的基组，同时利用极化连续介质模型考虑溶剂效应，对 GFX 分子的质子化和两种去质子化形式进行了全面深入的研究。

在研究结果部分，首先关于 GFX 分子的基态结构，研究人员通过计算得到了不同质子化和去质子化形式下的键长、氢键相互作用以及相对能量等重要性质。结果发现，使用 CAM - B3LYP 交换 - 相关泛函和某一特定基组计算得到的基态结果，与使用 M06 - 2X 泛函搭配其他基组计算的结果高度吻合。

对于 GFX 分子的激发态，研究人员通过 TD - DFT 方法探究了垂直激发能、振子强度（Oscillator Strength，OS）和结构等参数。在五个最低的激发单重态中，发现 S₁、S₄和 S₅态具有潜在的可及性。例如，在水中，以 CAM - B3LYP/6 - 311 + G (d,p) 理论水平计算，S₁态的激发能为 4.22 eV，振子强度 OS = 0.1159；S₄态激发能为 4.60 eV，OS = 0.7243；S₅态激发能为 4.94 eV，OS = 0.1672。

进一步研究发现，S₁态与 GFX 分子在 UVA 光照射下的降解路径相关联；而 S₄和 S₅这两个具有非零振子强度的激发单重态（其中 S₄态的振子强度较大），则与 UVC 光照射下 GFX 更快的降解速率有关。此外，激发态结构显示，GFX 在 UVA 和 UVC 光照射下更倾向于发生光分解（即在激发态发生化学反应），而非直接光解。

综上所述，该研究通过对 GFX 分子基态和低激发态的系统研究，揭示了其在 UVA 和 UVC 光降解过程中的潜在机制，为进一步理解和控制 GFX 在环境中的行为提供了重要的理论依据。这不仅有助于优化现有的 GFX 去除技术，还为解决其他类似微污染物的环境问题提供了新的思路和方法，对环境保护和人类健康保障具有重要的意义。

在研究方法上，研究人员主要运用了密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD - DFT）。通过选择多种交换 - 相关泛函与不同基组，结合极化连续介质模型考虑溶剂效应，对 GFX 分子不同质子化和去质子化形式进行计算，从而获得分子的结构和能量等关键信息，以探究其光降解机制。