基于2-吡啶-2-基喹啉结构的荧光探针开发及其铜离子特异性检测机制研究

研究人员针对铜离子(Cu(II))检测需求，开发了新型PyQ系列荧光探针(PyQ1-PyQ4)，通过DFT计算和NBO分析揭示了配体-金属激发态电荷重排导致的荧光猝灭(CHEQ)机制，实现1.0-2.4 μM检测限(LOD)，对阿尔茨海默症等铜代谢相关疾病研究具有重要价值。

　　

铜离子作为人体必需的微量元素，其代谢失衡与阿尔茨海默症、帕金森病等神经退行性疾病密切相关。然而，传统检测方法难以实现高选择性、高灵敏度的铜离子监测，特别是对生物体系中Cu(II)的特异性识别仍面临挑战。针对这一科学难题，印度西隆东北山大学（North-Eastern Hill University）的研究团队设计开发了基于2-吡啶-2-基喹啉结构的新型荧光探针系统，相关成果发表在光化学领域权威期刊《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》上。

研究采用密度泛函理论(DFT)计算与自然键轨道(NBO)分析相结合的方法，通过系统考察PyQ1-PyQ4四种探针在不同溶剂中的光物理性质变化，重点阐明了其铜离子特异性识别机制。实验采用稳态/瞬态荧光光谱技术测定量子产率与寿命，结合理论计算揭示了配体-金属电荷转移(LMCT)过程。

【溶剂依赖性荧光行为】研究发现PyQ系列探针表现出显著的溶剂化显色效应，斯托克斯位移范围达2318-7480 cm^-1，荧光量子产率和寿命分别呈现40倍和14倍的溶剂依赖性变化，证实分子极性对激发态行为的调控作用。

【铜离子特异性识别】所有探针均展现"关-闭"型荧光响应，与Cu(II)以1:1化结合后荧光强度降低98%。DFT计算表明喹啉氮原子配位导致配体向金属的激发态电荷重排，形成荧光猝灭(CHEQ)效应，LOD低至1.0-2.4 μM。

【多金属检测应用】PyQ1还可作为比率型探针检测Zn(II)和Hg(II)，检测限分别为4.2 μM和11.0 μM。NBO分析证实不同金属结合时分子轨道能级重组模式的差异是选择性的结构基础。

该研究通过分子设计实现了三重突破：首次在2-吡啶-2-基喹啉体系中观察到显著的CHEQ效应；开发出兼具溶剂响应性与金属选择性的多功能探针；为神经退行性疾病的铜代谢研究提供了新型分子工具。特别值得注意的是，理论计算预测的LMCT过程与实验观测的荧光猝灭现象高度吻合，为后续设计更高效的金属离子探针奠定了理论基础。研究人员强调，这种模块化分子平台可通过简单修饰拓展至其他过渡金属检测领域。