《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Redox activity and biomolecular affinity of gallium octacarboxyphthalocyanine hydroxide investigated by spectroscopic and DFT methods
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镓酞菁的氧化还原行为、聚集特性及与生物分子相互作用研究。通过UV-Vis荧光光谱和DFT计算，揭示其在pH7-11呈单体主导，溶剂DMSO/DMF导致Q带红移，还原生成稳定阴离子自由基，与氨基酸及BSA结合增强光稳定性（结合常数~10^6 L/mol）。DFT表明轴向相互作用及色散力主导稳定，导致酞菁环扁平化。光谱分析证实其电子特性。
乔安娜·纳基维茨（Joanna Nackiewicz）、玛尔塔·克利贝尔-雅西克（Marta Kliber-Jasik）和玛格戈扎塔·A·布罗达（Ma?gorzata A. Broda）
波兰奥波莱大学（University of Opole）化学与药学院物理化学与分子建模系，奥莱斯卡48号，奥波莱45-052
摘要
本文通过紫外-可见光谱（UV–Vis）和荧光光谱技术，并结合密度泛函理论（DFT）计算，研究了八羧基酞菁酸镓氢氧化物（Ga(OH)PcOC）的氧化还原行为、聚集特性及其与生物相关分子的相互作用。实验考察了pH值和溶剂环境对Ga(OH)PcOC光谱特性的影响，发现其在pH 7–11范围内主要以单体形式存在；而像DMSO和DMF这样的配位溶剂则会导致Q带的明显红移现象。用NaBH4还原Ga(OH)PcOC会生成稳定的阴离子自由基，该自由基具有近红外吸收峰，并且能被I2可逆氧化。与特定氨基酸和牛血清白蛋白（BSA）的相互作用显著改变了该复合物的光谱特征并提升了其光稳定性，其中芳香族氨基酸的稳定作用最为显著。荧光淬灭实验表明Ga(OH)PcOC与BSA的结合强度极高，结合常数约为10^6 L/mol。M06-2×/6–31 + G(d,p)水平的DFT计算揭示了Ga(OH)PcOC与氨基酸结合时的结构和能量变化：与两性氨基酸的轴向相互作用在气相中表现出约34 kcal/mol的强结合能，并导致酞菁核心发生明显的几何变形（尤其是扁平化）。分散力被认为是这些相互作用中的关键稳定因素。此外，对Ga(OH)PcOC在DMSO中的氧化还原过程及其发射光谱的光谱分析进一步揭示了其电子性质。这些发现有助于理解该化合物在各种生物和化学环境中的行为，突显了溶剂、pH值及分子相互作用对其光谱和结构特性的调控作用。
引言
金属酞菁（MPcs）是一类广泛应用于光动力疗法（PDT）和基于荧光的肿瘤诊断中的第二代染料[1][2][3][4]。其中，八羧基酞菁酸镓氢氧化物（Ga(OH)PcOC，见图S1）因其在生物溶液中的高溶解度而备受关注。其扩展的π电子体系使其在650–700 nm范围内具有强吸收能力，这有利于经皮照射[5]。
在体内条件下，光敏剂的活性不仅取决于其光物理性质，还与其与生物大分子的相互作用有关。人血清白蛋白（HSA）或牛血清白蛋白（BSA）是脂肪酸、胆红素、类固醇激素及多种药物的主要天然转运蛋白[6][7][8]，因此成为包括Ga(OH)PcOC在内的光敏剂的理想“内部载体”。许多酞菁与白蛋白的结合常数在10^4–10^6 L/mol范围内[9][10][11]。与血浆蛋白白蛋白结合后，该染料保持单体形式，防止聚集并保持完全的光反应性[12]。因此，详细表征Ga(OH)PcOC与白蛋白的结合参数是设计光敏剂输送系统的重要步骤[13]。
先前的研究显示，八羧基酞菁衍生物与氨基酸和白蛋白的相互作用可显著提高其光稳定性并维持其在水介质中的单体形态。例如，锌八羧基酞菁（ZnPcOC）与氨基酸或白蛋白的结合增强了其光稳定性，同时略微改变了其特征Q带的强度，但未改变其位置，证实了这些为弱非配位性相互作用[14]。类似现象也出现在铝八羧基酞菁氢氧化物（Al(OH)PcOC）中：与白蛋白和氨基酸的相互作用提高了其光降解抗性并导致光谱强度轻微变化，这表明其中可能存在氢键作用而非轴向配位[15]。这些结果表明，此类生物分子相互作用可在生理条件下稳定金属酞菁结构，为本研究中使用的镓类似物的研究提供了重要参考。
金属酞菁对色氨酸和酪氨酸残基荧光的淬灭作用有助于基于经典Stern–Volmer模型分析其结合机制，从而确定结合常数、淬灭类型（静态或动态）及结合位点数量[16]。这些参数对于预测化合物在蛋白质环境中的行为（包括光动力效率和潜在毒性）至关重要。
尽管关于镓酞菁在医疗和诊断应用方面的研究日益增多[5][17][18][19][20]，但目前仍缺乏对Ga(OH)PcOC氧化还原光谱特性的详细研究，尤其是在其与白蛋白和芳香族氨基酸相互作用方面的研究。相关研究探讨了还原剂和氧化剂对该化合物吸收和发射光谱的影响，以及氨基酸和白蛋白如何共同导致光谱变化。
Ga(OH)PcOC的氧化还原特性在光动力癌症治疗中起着关键作用，因为它能生成具有治疗效果的活性氧物种。这些特性还决定了化合物的稳定性和抗光降解能力，从而影响其在生物环境中的持久性和安全性。其与白蛋白和氨基酸的相互作用会改变其氧化还原电位和光诱导过程的效率。分析这些相互作用有助于更深入地理解Ga(OH)PcOC在生物系统中的行为。
材料与方法
Ga(OH)PcOC的合成方法及其性质详见Nackiewicz等人的研究[5]。相关材料信息见补充资料[21][22]
pH值对Ga(OH)PcOC溶液紫外-可见光谱的影响
本研究考察了pH值对八羧基酞菁酸镓氢氧化物水溶液紫外-可见光谱的影响，以确定该化合物以单体形式存在的pH范围，因为聚集程度会显著影响光敏剂的效率[21][22]。图1展示了不同pH值下Ga(OH)PcOC溶液的紫外-可见光谱，可见其光谱特征发生了变化。
结论
研究表明，Ga(OH)PcOC的光谱特性受溶剂类型和化学环境的显著影响。在DMSO和DMF等配位溶剂中，观察到Q带的光谱红移，表明激发态得到稳定且分子间发生了相互作用；而在浓H2SO4环境中则发生了部分质子化及分子对称性的降低。在氨基酸和白蛋白存在下，该化合物保持了单体结构。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
