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问题二
为实现生物与环境中金属离子快速检测，研究人员借助 TD-DFT 等方法，探究 SNN 探针及其复合物的动力学过程与发光特性。发现 SNN 激发态 TICT 抑制 ESIPT 致荧光猝灭，与 Al3?或 Zn2?结合限制分子扭转使荧光增强，为探针设计提供理论指导。
问题五
在生命科学与环境领域，金属离子的精准检测至关重要。铝（Al3?）作为地壳中最丰富的金属元素，虽微量无害，但过量会损伤人类中枢神经系统、影响淡水生态与土壤植被；锌（Zn2?）是人体重要过渡金属，其浓度失衡会引发精神障碍、皮肤疾病甚至癌症，还可能造成环境污染。传统检测金属离子的方法如原子吸收 spectrometry（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等，虽准确但存在操作复杂、检测耗时、成本高及设备要求严苛等问题。在此背景下，荧光探针凭借高选择性、高灵敏度、操作简便、检测快速且成本低等优势，成为极具潜力的检测手段。然而，部分荧光探针的作用机制尚不明确，限制了其进一步优化与应用。
为深入探究 SNN 荧光探针检测 Al3?和 Zn2?的机制，国内研究人员开展了相关研究。该研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上，旨在揭示 SNN 探针在结合金属离子前后的光物理变化，为新型荧光探针的设计提供理论依据。
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），在 CAM-B3LYP/6-311++G (d,p) 水平下，对探针 SNN 及其与 Al3?、Zn2?形成的复合物的基态（S?）和激发态（S?）结构进行优化，并通过前线分子轨道（FMOs）分析激发态的激发特性。同时，扫描势能面并进行玻恩 - 奥本海默分子动力学（BOMD）模拟，以解释 SNN 探针的非发光机制。
几何结构
通过对探针及复合物在 S?和 S?态的构象优化发现，SNN 分子在基态时沿 C?-N?单键存在明显扭转（用二面角 Φ 表示），光激发后 Φ 与基态相比变化极小。而与 Al3?或 Zn2?结合后，分子结构扭转受到显著限制，二面角 Φ 大幅减小，分子构象趋于平面化。
发光机制
研究表明，SNN 在激发态发生了分子内电荷转移（TICT）过程，这一过程抑制了激发态分子内质子转移（ESIPT），导致荧光猝灭，这解释了实验中 SNN 本身难以观察到荧光的现象。当 SNN 与 Al3?或 Zn2?结合形成复合物后，金属离子的配位作用限制了分子的扭转，使得 TICT 过程减弱，ESIPT 过程得以顺利进行，从而显著增强了荧光发射。其中，SNN-Al3?复合物的荧光发射波长比 SNN-Zn2?复合物更长。
结论
本研究利用 DFT 和 TD-DFT 方法，系统探究了 SNN 探针分子对 Al3?和 Zn2?的双重检测机制。结果显示，SNN 在激发态发生明显的结构扭曲和电子 - 空穴分离，TICT 过程抑制了 ESIPT，致使其自身荧光难以显现。而与 Al3?或 Zn2?结合后，大角度的分子扭转被限制，复合物构象趋于刚性平面结构，荧光得以显著增强。该研究不仅阐明了 SNN 检测 Al3?和 Zn2?的光物理机制，还为探针分子的设计与优化提供了重要的理论参考，有助于推动高选择性、高灵敏度荧光探针在环境监测、生物成像及医学检测等领域的应用与发展，为解决金属离子检测难题及相关健康与环境问题开辟了新的路径。
