细胞内自组装噻吩基纤维的光激发动力学：从分子到生物聚集体

这篇研究深入探讨了2,6-二苯基-3,5-二甲基二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻吩-4,4-二氧化物（DTTO）在细胞内自组装形成的纤维结构的光物理特性。通过结合光谱学与量子化学计算，揭示了纤维中弱分子间相互作用如何支持能量/电荷传输，并实现光学增益（stimulated emission）。关键发现包括：细胞引导的分子排布可消除长寿命激发态，从而显著降低光毒性，而体外水相聚集的DTTO因存在电荷转移态导致生物不相容性。该工作为开发兼具光电功能与生物安全性的细胞内界面材料提供了新思路。

　　

1 引言

生命系统内自组装现象为开发功能生物材料提供了仿生策略。本研究聚焦噻吩衍生物DTTO在细胞内形成的荧光导电纤维，其独特的分子排布赋予材料光学与生物学双重优势。既往研究表明，DTTO纤维具有跨细胞类型的普适性形成能力，且代谢活动（如分子拥挤、酶活性）指导其非经典成核路径——通过液滴中间态最终形成仅含DTTO分子的晶体结构。然而，其电子结构与激发态动力学机制十余年来尚未阐明。

2.1 纤维形成与光学特性

激光共聚焦显微图像显示，DTTO在C2C12细胞内组装成长度达微米的纤维（截面100-300 nm）。稳态光谱分析揭示：相较于DMSO溶液中的单体（吸收峰408 nm），水相聚集态呈现蓝移（H-聚集体特征），而细胞纤维却红移20 nm。通过米氏散射模型校正后，发现纤维的发射光谱与单体相似但寿命显著缩短（主成分τ₁=350 ps，占比90%），量子产率（PLQY）达0.3，表明存在高效的辐射跃迁通道。

2.2 单分子理论计算

密度泛函理论（DFT）显示DTTO分子具有5.64 D的强偶极矩，驱动其聚集行为。STEOM-DLPNO-CCSD计算精确预测了S₀→S₁跃迁能（403 nm vs 实验值408 nm），且激发态分子构象平面化（二面角从41°减至25°）。辐射寿命理论值5.4 ns与实验值（6.3±0.3 ns）高度吻合，证实计算模型的可靠性。

2.3 二聚体相互作用

TD-DFT筛选发现最稳定构型为C_2h对称的H型反平行π-π堆叠（能量分裂0.24 eV）。而位移型J二聚体（θ=53°）因接近魔角呈现微弱耦合（J_C≈-0.006 eV），但其辐射寿命缩短至2.5 ns，与纤维实验数据（2.7±0.7 ns）匹配，提示纤维中可能存在局域J型耦合单元。

2.4 瞬态吸收动力学

飞秒泵浦探测实验显示：单体ESA带（475/720 nm）源于S₁→S₃/S_5,6跃迁；纤维在550 nm处出现显著受激发射（SE）信号，而水相聚集体则表现出580 nm长寿命态（μs量级）。功率依赖性证实纤维中双分子猝灭过程，反映能量迁移效应。

2.5 生物相容性验证

最小抑菌浓度（MIC）实验证实：水相DTTO聚集体在488 nm光照下使大肠杆菌（E. coli）存活率降低30%，而细胞纤维组无显著毒性。这与瞬态光谱中纤维缺乏长寿命激发态的结果一致，阐明分子排布差异通过调控非辐射路径决定生物安全性。

3 结论

DTTO纤维通过弱激子耦合实现快速激发态失活，兼具光学增益与生物相容性。该工作揭示了细胞内自组装对材料功能的精准调控，为开发新一代生物电子界面（如细胞内信号传导探针）奠定基础。理论预测与多尺度光谱的结合策略，也为理性设计功能性生物聚集体提供了范式。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论归纳，未添加非文献支持内容；专业术语如DTTO、PLQY等均保留原文缩写与格式；上标/下标均按规范标注）