功能化碳量子点释放一氧化氮的机制洞察：基于密度泛函理论（DFT）的研究

《ACS Omega》：Mechanistic Insights into NO Releasing by Functionalized Carbon Quantum Dots: A DFT Study

碳量子点（CQDs）通过密度泛函理论（DFT）和时依赖性DFT（TD-DFT）研究，揭示了光致硝普钠（NO）释放机制：CYS去质子化形成S-NO键，550 nm光激发驱动n→π*跃迁，电子从硫转移至氮，削弱键并释放NO。系统在生理pH下稳定，强酸性环境易破坏其结构。

　　碳量子点（CQDs）作为一种新兴的纳米材料，近年来在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。其独特的物理化学性质，如优异的光稳定性、高量子产率、可调控的表面化学性质以及固有的水溶性，使其成为化学传感、生物成像、光电子学和药物递送等领域的理想材料。特别是在药物递送方面，CQDs因其微小的尺寸和良好的分散性，能够高效地被细胞摄取，并作为稳定的纳米载体用于递送治疗性分子。此外，通过功能化策略，可以进一步提升CQDs的生物相容性、选择性和递送效率，为精准医疗和可控的细胞内反应提供了新的可能性。

在诸多功能化策略中，以硫醇基团（CYS）和三苯基膦（TPP）修饰的CQDs系统引起了广泛关注。这类系统能够通过可见光诱导释放一氧化氮（NO），从而有效触发线粒体凋亡。然而，尽管已有实验研究证实了该系统的NO释放能力，对其背后的分子机制仍缺乏深入理解。特别是，CQD的功能化如何影响其对NO的结合与释放，以及生理环境中的pH值变化对这一过程的影响，尚未得到充分探讨。这些关键因素对于开发更稳定、更具可控性的CQD基药物递送平台至关重要。

本研究通过理论计算的方法，系统性地解析了功能化CQD系统（CQD_CA^CYS+TPP···NO）中NO释放的分子机制。我们利用密度泛函理论（DFT）和时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）计算手段，深入分析了该系统的电子结构、激发态特性、稳定性及局部反应性。研究发现，CYS的脱质子化对于形成S–NO键具有关键作用。脱质子化的CYS硫原子能够有效地捕获NO分子，并在可见光照射下发生光诱导的电子转移，从而削弱S–NO键，促进NO的释放。这一过程在实验中被观察到，并且在本研究中得到了理论上的支持。

值得注意的是，虽然极端酸性条件可能破坏该系统的稳定性，但在生理pH（约7.4）下，系统仍然保持良好的稳定性。这表明，CQD基NO递送系统在正常生理环境下具备较强的耐受性，能够在体内维持较长的稳定性，从而避免不必要的副作用。同时，通过分析不同pH条件下的局部反应性，我们发现该系统在酸性环境下依然能够保持一定的NO释放能力，这为设计适用于肿瘤微环境等酸性条件下的药物递送平台提供了理论依据。

此外，本研究还探讨了CQD的表面化学修饰对其光响应性的影响。通过引入羧基（COOH）基团，CQD的表面得到了有效修饰，从而增强了其与CYS和TPP的结合能力。同时，这种修饰策略也为系统的稳定性提供了保障。CQD_CA在结构上展现出比其他类型的CQD更高的反应性，这使其成为理想的电子供体，能够支持光诱导的电子转移过程。

在电子结构分析中，我们发现CQD_CA的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）在功能化后发生了显著变化。这些变化直接影响了系统的电子传递特性，并为NO的释放提供了必要的条件。进一步地，通过计算不同激发态下的电荷转移路径，我们确认了NO释放过程主要发生在S–NO键区域。在550 nm波长的可见光照射下，该区域表现出显著的电子转移现象，从而有效降低了S–NO键的强度，实现了NO的释放。

为了更全面地理解NO释放的机制，我们还分析了系统在不同溶剂环境下的反应特性。结果显示，水分子对系统的局部反应性有重要影响，尤其是在模拟生理条件时，通过极化连续模型（PCM）进行计算，能够更准确地反映系统的实际行为。同时，我们还对比了不同溶剂（如DMSO）对系统反应性的影响，进一步验证了水溶性环境对NO释放的促进作用。

在分析过程中，我们还发现TPP在系统中扮演着至关重要的角色。TPP的正电荷性质使其能够通过静电相互作用有效靶向线粒体，从而提高NO递送的靶向性。同时，TPP的极化特性在光响应过程中得以保留，确保了其在复杂生物环境中的功能稳定性。这一发现为设计更高效的CQD基NO递送系统提供了理论支持。

本研究的另一个重要发现是，CQD_CA^CYS+TPP···NO系统在脱质子化状态下表现出更高的局部反应性。这种状态下的CYS能够更有效地与NO结合，并在可见光照射下发生电子转移，从而释放NO。同时，我们还发现，脱质子化状态下的系统在光响应过程中表现出更高的稳定性，这可能与CQD_CA的电子供体特性有关。

在分析NO释放机制时，我们还关注了系统在不同pH条件下的表现。尽管酸性环境可能削弱S–NO键的稳定性，但研究结果表明，在生理pH范围内，系统仍能保持良好的结构完整性，并有效释放NO。这表明，CQD基NO递送系统在正常生理条件下具有较高的稳定性和可控性，能够避免不必要的释放，提高治疗的靶向性和安全性。

综上所述，本研究通过理论计算方法，揭示了CQD基NO递送系统的分子机制。研究发现，CYS的脱质子化是形成S–NO键的关键因素，而TPP的正电荷特性则确保了系统的靶向性和稳定性。同时，系统的局部电子结构和激发态特性为光诱导的NO释放提供了理论基础。这些发现不仅深化了我们对CQD功能化机制的理解，也为开发更高效、更稳定的CQD基药物递送平台提供了重要的理论依据。未来，基于这些研究成果，有望设计出适用于特定生理环境的CQD基NO递送系统，从而在生物医学领域实现更广泛的应用。