扭转、氢键与激发复合体形成：探究氨基萘酰亚胺衍生物荧光淬灭的多重机制及其生物成像应用

研究人员针对氨基萘酰亚胺(ANI)衍生物在极性溶剂中荧光淬灭机制不明的问题，通过溶剂极性、粘度和氢键调控实验，揭示了其非辐射衰减途径包含分子内激发复合体(E)和扭转电荷转移(TICT)态竞争，并首次实现ANI对革兰氏阴/阳性细菌的高对比度荧光成像，为极性敏感型生物探针设计提供新思路。

　　

在生命科学和材料化学领域，开发高灵敏度荧光探针始终是研究热点。氨基萘酰亚胺(ANI)衍生物作为经典的蓝色光敏剂，其强吸收和荧光特性使其在生物成像、电荷转移(CT)材料和自旋电子学中备受关注。然而，这类染料在水相环境中显著的荧光淬灭现象长期缺乏合理解释，传统理论认为仅由扭转分子内电荷转移(TICT)态导致，但实验发现粘度依赖性不符合预期。这一认知缺口严重限制了ANI在生物医学中的应用。

为破解这一难题，研究人员通过系统研究水溶性ANI衍生物(ANI-NH₂)的光物理行为，发现其"增溶"脂肪胺竟会形成分子内激发复合体(E)，开辟了无需显著构象变化的非辐射衰减新途径。研究采用合成化学、稳态/瞬态光谱和TD-DFT计算相结合的策略，通过改变溶剂极性(从正己烷到水)、粘度(甘油vs甲醇)和氢键特性，解析出三重衰减机制：在非极性溶剂中直接内部转换(IC)主导；极性介质中TICT态形成；而氢键环境则促进激发复合体途径。特别值得注意的是，即使在高粘度极性醇中，抑制构象变化仅微弱恢复荧光，这颠覆了传统分子转子染料的粘度响应模式。

研究首先通过核磁共振和质谱确认了ANI-NH₂的结构，其关键设计是在4-氨基-1,8-萘酰亚胺骨架上引入乙二胺侧链。稳态光谱显示，溶剂极性增加导致斯托克斯位移增大和量子产率(Φ_f)骤降——从二氯甲烷中的0.46到水中的0.00056。瞬态吸收光谱捕捉到450nm(局域激发态LE)和500nm(CT态)特征峰动力学：在甲醇中，LE→E转换仅需8ps，随后47ps内完成非辐射衰减，这与计算的E态IC速率常数(3.2×10¹⁰ s^-1)高度吻合。

理论计算揭示了三重淬灭机制的结构基础：APFD/6-31+G(d,p)水平优化显示，S₁势能面上存在LE态(Ω=35°)、E态(Ω=62°)和TICT态(Ω=90°)三个极小点。氢键作用使E态能级降低0.3eV，同时将IC速率提升5000倍。这种"氢键放大效应"解释了为何ANI-NH₂在水中的荧光寿命(τ)仅10ps，而非极性溶剂中达10ns。

研究最终将这一发现转化为生物应用：利用ANI-NH₂在水相中Φ_f<10^-3、在疏水环境中Φ_f>0.4的特性，首次实现对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的免洗荧光标记。细胞结合使发射蓝移25nm，强度提升5倍，显微镜下信噪比超过10:1。

这项研究不仅阐明了ANI衍生物光物理行为的复杂调控网络，更开辟了"氢键响应型"荧光探针新方向。其意义在于：理论上，提出溶剂氢键能力可作为独立于极性的光物理调控维度；应用上，为细菌活力检测、细胞微环境探测提供了新型工具。发表于《The Journal of Organic Chemistry》的这项成果，将推动CT染料在生物医学领域的精准应用。