Các thơng tin về tính chất quang học (hấp thụ và phát xạ huỳnh quang) của sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với chất phân tích là vơ cùng quan trọng trong nghiên cứu về sensor huỳnh quang. Một sensor phải có khả năng hấp thụ ánh sáng đáng kể trong vùng bước sóng phù hợp. Các thơng tin về hấp phụ và phát xạ của fluorophore thường được biết trước. Tuy nhiên, khi lắp ráp thành một phân tử sensor dự kiến, do tương tác với các bộ phận khác như receptor, các đặc tính hấp thụ và huỳnh quang của fluorophore ban đầu có thể bị thay đổi ngồi dự kiến. Mặt khác, sự tương tác giữa receptor với chất phân tích phải đủ mạnh và sự thay đổi tín hiệu huỳnh
quang do tương tác này phải được dự đoán để đảm bảo khả năng hoạt động của sensor. Đây là những trở ngại chính cho q trình phát triển các sensor mới. Các khảo sát lý thuyết sử dụng DFT đã và đang trở thành công cụ mạnh mẽ để vượt qua các trở ngại này. Rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng tính tốn DFT để khảo sát tính chất quang học của sensor ở dạng tự do và dạng liên kết với chất phân tích. Ở mức độ khảo sát định tính, các đặc tính quang học này có thể được dự đốn dựa vào tính tốn ở trạng thái cơ bản, cụ thể ở đây là phân tích các orbital phân tử biên (frontier molecular orbital: FMO). Vì các q trình kích thích cũng như phát xạ phần lớn liên quan đến bước chuyển electron giữa các FMO, nên sự phân bố cũng như năng lượng của các FMO này sẽ cung cấp thơng tin định tính về bản chất q trình kích thích (như kích thích cục bộ hay chuyển điện tích,…), năng lượng kích thích cũng như khả năng phát xạ huỳnh quang [119].
Hình 1.24. Các MO biên của phức ITTP1-TTP và quá trình PET dập tắt huỳnh quang của sensor
Ma và cộng sự [120] đã phát triển sensor huỳnh quang ITTP1 phát hiện piric acid (TTP). Khảo sát DFT (B3LYP/6-31G(d,p)) cho thấy ITTP1 tương tác xếp chồng π– π với TTP (π–π stacking interaction). Tính tốn TDDFT cho thấy q trình kích thích trong phức ITTP1-TTP được đóng góp chính bởi chuyển đổi electron từ HOMO
lên LUMO+2. Hình ảnh các FMO xác nhận q trình kích thích này gồm hai thành phần: chuyển điện tích cục bộ (trên phân tử sensor) và chuyển điện tích từ ITTP1 đến TTP. Q trình dập tắt huỳnh quang trong phức ITTP1-TTP được giải thích là do quá trình PET từ LUMO+2 về LUMO nằm trên TTP (Hình 1.24). Các tính tốn ở trạng thái cơ bản khơng phản ánh chính xác hình học và cấu trúc electron của phân tử ở trạng thái kích thích. Tuy nhiên, các tính tốn ở trạng thái cơ bản tương đối đơn giản, khơng địi hỏi sức máy tính nhiều và có thể cung cấp một số thơng tin về trạng thái kích thích.