水介导氢键调控可逆荧光探针BT-Se激发态质子转移(ESIPT)的TD-DFT机制研究

本研究通过DFT/TD-DFT方法揭示了PBS溶剂中水分子介导的氢键网络对荧光探针BT-Se及其氧化衍生物BT-SeO激发态质子转移(ESIPT)过程的调控机制。研究发现水分子通过形成IMHBs显著降低ESIPT能垒，同时FMO分析表明电荷转移(CT)特性保持稳定，为设计适用于生物水环境的高性能ESIPT探针提供了理论依据。

　　

在生物传感和细胞成像领域，荧光探针的激发态质子转移(ESIPT)过程因其独特的超快响应(₁₀
^-12
-10^-15
秒)和双荧光发射特性备受关注。然而在真实生物环境中，水分子介导的氢键网络如何调控ESIPT动力学，始终是制约探针设计优化的关键科学难题。吉林大学研究团队针对硒化苯并噻唑类探针BT-Se在PBS缓冲液中的异常荧光行为，开展了系统的理论化学研究。

研究采用B3LYP(D3)/6-311G(d,p)方法进行基态(DFT)和激发态(TD-DFT)几何优化，结合红外振动光谱(IR)和约化密度梯度(RDG)分析氢键强度变化。通过构建水分子链模型(BT-Se-nH₂
O, n=1-3)进行势能面扫描(PES)，并利用前线分子轨道(FMO)理论解析电荷转移特性。

【Optimization of geometric structures】部分揭示：光激发使BT-Se的N1…H1氢键缩短0.095 ?，其氧化产物BT-SeO的收缩幅度达0.129 ?，RDG分析证实氢键作用增强直接促进ESIPT发生。

【Computational details】显示：水分子链形成后，BT-Se-3H₂
O模型的ESIPT能垒较单体降低67%，证实IMHBs与IAHBs存在协同效应。FMO分析表明水分子的介入未改变电荷转移(CT)本质，但BT-Se的扭转分子内电荷转移(TICT)特性较BT-SeO更显著。

结论指出：水介导的IMHBs通过"氢键接力"机制显著降低ESIPT活化能，而探针分子骨架刚性差异导致BT-Se比BT-SeO更易产生TICT效应。该研究首次从理论上阐明水环境中分子内/间氢键的协同作用规律，为开发抗溶剂干扰的ESIPT生物探针提供了设计范式。论文成果发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，对推动活细胞动态监测技术的发展具有重要指导价值。