基于扭曲分子内电荷转移机制的两种“OFF - ON”型荧光探针在次氯酸根检测中的应用研究

推荐 为解决传统次氯酸根检测方法灵敏度不足的问题，研究人员以荧光探针ADM和ADT为对象，通过理论计算揭示其“OFF - ON”荧光响应机制。结果表明，探针的荧光淬灭源于激发态下的扭曲分子内电荷转移（TICT）过程，而荧光恢复则由平面内分子内电荷转移驱动。该研究为开发高灵敏度荧光探针提供了理论依据。

　　

论文解读
次氯酸（HClO）作为生物体内重要的活性氧物种，在免疫防御中发挥关键作用，但其异常水平会导致多种疾病，如神经退行性疾病和癌症^[4-6]。传统检测方法如比色法和电化学色谱法存在灵敏度低、操作复杂等缺陷，而荧光探针因其高灵敏度和选择性成为研究热点^[11-12]。然而，现有探针的响应机制尚不明确，尤其是荧光淬灭与恢复过程中的电子转移机理缺乏系统研究。为此，中国科研团队通过密度泛函理论（DFT）和时间相关密度泛函理论（TD - DFT）对荧光探针ADM和ADT的响应机制进行了深入探讨。

研究人员首先通过几何结构分析发现，探针ADM和ADT的荧光淬灭源于激发态下的分子内电荷转移过程。以ADM为例，其顺反异构体的几何优化显示，探针-3和探针-4在基态的能量分别为-1405.98765 Hartree和-1405.99123 Hartree，其中探针-4能量更低且结构更稳定^{[Fig. S1]}。进一步的前线分子轨道分析表明，TICT态的形成导致电荷从荧光团向识别基团转移，从而淬灭荧光^{[Fig. 3]}。

在激发态动力学研究中，团队通过扫描二面角势能曲线发现，线性响应（LR）溶剂模型高估了TICT态的能量，而修正线性响应（cLR）模型则能更精确地描述该状态^{[Fig. 4]}。对于ADT探针，其基态能量计算显示ADT-2（-1406.02431 Hartree）比ADT-1（-1406.02100 Hartree）更稳定^{[Fig. 6(a)]}。实验结果表明，当ClO^-与探针反应时，识别基团的亚胺基团被氧化为醛基，导致荧光恢复^[34-35]。

研究结论指出，ADM和ADT的“OFF - ON”荧光响应机制源于激发态下的电荷转移过程。探针的荧光淬灭由TICT态的形成引起，而荧光恢复则通过平面内分子内电荷转移实现。该研究不仅阐明了探针的作用机制，还为设计新型高灵敏度荧光探针提供了理论指导，对生物医学检测具有重要意义。

技术方法
本研究采用密度泛函理论（DFT）结合时间相关密度泛函理论（TD - DFT）进行计算，使用CAM - B3LYP泛函和TZVP基组优化探针的基态（S₀）、第一单重激发态（S₁）及TICT态几何结构，并通过含时密度泛函理论分析激发态过程。溶剂效应采用极化连续介质模型（PCM）的水溶液环境进行校正^[36-43]。

研究意义
该研究通过理论计算系统揭示了荧光探针ADM和ADT在次氯酸根检测中的“OFF - ON”响应机制，明确了TICT态在荧光淬灭中的作用及平面内电荷转移对荧光恢复的贡献。研究结果不仅为理解探针的作用机理提供了新视角，还为开发高选择性、高灵敏度的荧光探针奠定了理论基础，对疾病标志物的检测具有重要应用价值。