双光子NO荧光探针的理论表征：响应机理、光物理性质和质子化效应

01 引言

一氧化氮（NO）是生物体内的重要信号分子，与许多生理和病理过程紧密相关。实时、准确地检测NO对生物诊断和临床治疗具有重要意义。双光子荧光探针是一种灵敏度高、响应速度快和操作简便的检测方法。实验上，科学家大多基于经验性的光致电子转移（PET）原理设计NO荧光探针，邻苯二胺常用作探针结构中识别NO的受体单元。结合NO以后，邻苯二胺单元会发生反应，从而转变为苯并三氮唑（TZ）。

然而，PET机理并未得到充分地论证，光物理过程也缺乏清晰的物理图像。此外，由于生物体内不同细胞器中的PH环境不同，荧光探针在相应生理环境中的耐受性也至关重要。因此，从理论层面表征双光子荧光探针的响应机理、光物理性质和pH效应迫在眉睫。本研究选取了荧光团不同的NINO和PYSNO（两种NO荧光探针）及NINO-TZ和PYSNO-TZ（结合NO后的产物）进行对比研究，使用鸿之微MOMAP软件对上述体系的激发态衰减动力学过程进行了详细的计算研究，分析了光物理过程中涉及的关键因素。

02 成果简介

研究者结合极化连续介质模型（PCM）、含时密度泛函理论（TD-DFT）和热振动关联函数方法（TVCF）方法，系统地研究了NINO和PYSNO探针在水溶液中的响应机理、荧光辐射过程、无辐射弛豫过程和双光子吸收过程，以及质子化后的相应过程是否发生变化。使用鸿之微MOMAP软件，研究者计算了非绝热电子耦合、振动弛豫能、黄昆因子和激发态衰减速率。

研究者发现，NINO探针对NO的响应机理是PET的“开-关”效应，而PYSNO探针的NO感应机制则是无辐射弛豫过程受限。理论预测结果表明，在近红外区域（>700 nm），PYSNO相比于NINO具有更大的双光子吸收截面，其根源在于噻吩基团的引入。质子化效应结果表明，溶酶体靶向的吗啉环是质子结合的最佳位点，酸性pH环境对NINO和PYSNO探针的响应机理和光物理性质影响不大。

0****3 图文导读

图1 两种探针不同的光物理图像

图2 响应机理分析

图3 荧光辐射过程分析

图4 无辐射弛豫过程分析

图5 双光子吸收过程分析

图6 质子化效应分析

0****4 小结

我们对两种双光子NO荧光探针的响应机理、光物理性质和质子化效应进行了深入的理论研究。响应机理分析结果表明，NINO探针是PET的“开-关”效应，PYSNO探针则是无辐射弛豫过程受限。荧光辐射过程分析结果表明，NINO因空穴-电子分离导致kr很小荧光微弱，NINO-TZ则由于空穴-电子重叠导致kr增大荧光恢复。

PYSNO和PYSNO-TZ因具备充足的空穴-电子重叠，荧光辐射过程并未受阻。无辐射弛豫过程分析结果表明，PYSNO-TZ因绝热激发能增大和振动弛豫能减小导致knr减小从而荧光增强。双光子吸收过程分析结果表明，虽然NINO已成功用于双光子荧光成像，但我们预言PYSNO在近红外区域具有更优异的双光子吸收截面。质子化效应分析结果表明，两种探针都能在酸性溶酶体环境中有效工作。






审核编辑：刘清