《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Elucidating the sensing mechanism of a fluorescent probe for formaldehyde detection: A computational study under acidic and neutral conditions
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摘要基于激发态分子内质子转移（ESIPT）的探针 HBT-BA1 能够实现快速的光学响应，并在甲醛（FA）检测方面展现出广阔的前景。然而，ESIPT 介导的发光调控机制仍未得到充分探索，特别是环境条件如何决定关键中间体的后续反应路径。本研究采用量子化学方法，对环境依赖性、双路
摘要
基于激发态分子内质子转移（ESIPT）的探针 HBT-BA1 能够实现快速的光学响应，并在甲醛（FA）检测方面展现出广阔的前景。然而，ESIPT 介导的发光调控机制仍未得到充分探索，特别是环境条件如何决定关键中间体的后续反应路径。本研究采用量子化学方法，对环境依赖性、双路径 FA 传感机制进行了系统的理论研究。在中性条件下，探针捕获 FA 并发生自发光环化，在 711 nm 处发出强烈的深红光，斯托克斯位移高达 392 nm。前沿分子轨道（FMOs）分析证实，环化降低了电子跃迁的能量间隙并增强了电子离域，从而促进了长波长发射。在酸性环境中，中间体发生酸催化水解，释放出经典的 ESIPT 荧光团 HBT，后者自发质子化生成 HBT+，在 413 nm 处发出明亮的蓝紫光。总体而言，这项工作从分子水平上充分阐明了环境依赖性的识别机制，为开发环境适应性探针以实现 FA 的精准检测提供了重要的理论指导。
引言
基于激发态分子内质子转移（ESIPT）机制工作的荧光探针，由于其光化学和光物理过程（如大的斯托克斯位移、高光稳定性，以及通过结构修饰易于调节的发射波长），已成为分子传感的多功能平台 [1], [2], [3]。由于吸收和发射带之间显著分离，ESIPT 探针有效避免了自吸收干扰，提供了改进的信噪比，使其特别适合在复杂基质中灵敏检测痕量分析物 [4]。迄今为止，基于 ESIPT 的荧光传感器已被广泛用于检测从金属离子和生物硫醇到有害有机污染物等多种目标物 [5]。
ESIPT 探针的光学输出高度依赖于识别单元与目标分析物之间的特异性相互作用，这反过来调节了 ESIPT 过程的效率及相关激发态失活路径。根据反应类型和导致的结构变化，可以观察到不同的荧光现象：一些探针在分析物滴定过程中表现出具有显著波长位移（例如，从蓝变绿或红发射）的比率双发射响应，从而实现自校准定量检测 [6]；另一些探针由于分子内氢键断裂、荧光团共轭中断或非发射扭转分子内电荷转移（TICT）态的形成而发生荧光猝灭 [7], [8]；第三类探针在与分析物反应后，当 ESIPT 过程恢复或非辐射衰减通道被抑制时，表现出开启型荧光响应 [9]。尽管报道的传感现象多种多样，但对潜在反应机制和激发态动力学的详细理论阐述仍然不足，特别是对于由环境条件控制的过程。 [10], [11]
在有害分析物中，甲醛（FA）是一种具有广泛环境存在和明确剂量依赖毒性的代表性亲电羰基物种。急性过度暴露会导致中毒和皮肤刺激，而慢性接触会导致多系统损伤并增加包括白血病在内的致癌风险，这使得 FA 成为高优先级的检测目标 [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]。小分子荧光探针具有高灵敏度、快速响应和操作简单的特点，已被广泛用于环境、食品和生物医学场景中的 FA 检测 [19], [20]。特别是，利用氨基作为 FA 特异性识别位点的苯并噻唑（HBT）基 ESIPT 探针已成为一种有前景的设计骨架 [10], [21]。然而，大多数报道的 ESIPT FA 探针依赖于单一反应路径，未能阐明不同环境下的差异化 FA 检测机制，这为先进探针的开发留下了重要空白。
受氨基取代 HBT 基 FA 探针近期实验进展的启发，我们对 HBT-BA1 的荧光传感机制进行了系统的理论研究，HBT-BA1 是一种用于 FA 的 ESIPT 活性荧光传感器 [22]。作为典型的供体–π–受体（D–π–A）体系，苯并噻唑基 ESIPT 探针在低粘度环境中容易发生分子内扭转运动形成 TICT 态，其中主导的非辐射衰减耗散激发能并导致显著的荧光猝灭。基于这些固有的光物理特性，我们证明了 FA 结合后生成的反应中间体 HBT-BA1-FA 遵循两条环境依赖性反应路径：中性条件下的自发光环化和酸性条件下的酸催化水解，分别产生红色和蓝紫色荧光发射（方案 1）。通过系统计算关键光物理参数和反应过渡态，我们阐明了支配这种双路径传感行为的内在机制。这项工作不仅提供了提高 FA 检测选择性和准确性的稳健策略，为优化快速现场试纸提供了实用指导，而且还建立了环境响应型智能 ESIPT 传感器合理设计的一般框架。
章节片段
计算细节
基于密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT），所有计算均在 B3LYP/6–31G(d, p)//B3LYP/6–31 + G(d, p) 理论水平下使用 Gaussian 16 软件包完成 [23], [24], [25]。所有计算均包含 DFT-D3(BJ) 色散校正，以准确考虑弱相互作用 [26], [27]。B3LYP 泛函被广泛用于有机发色团的理论模拟 [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]
ESIPT 现象及 HBT-BA1 检测 FA 的过程
在本工作中，选择了之前研究 [22] 中设计和合成的苯并噻唑衍生物 HBT-BA1 作为荧光探针，以系统研究 FA 的传感机制。值得注意的是，所有理论计算均在纯水中进行，而不是实验测量中采用的 PBS 缓冲液。HBT-BA1 的基态几何优化在 B3LYP/6–31G(d, p) 水平进行，优化后的结构如图 1a 所示.
结论
本工作以具有 ESIPT 的荧光探针 HBT-BA1 为研究对象。通过 DFT 和 TD-DFT 模拟，理论水平为 B3LYP/6-31G(d, p)//B3LYP/6-31+G(d, p)，我们充分阐明了其在中性和酸性条件下的环境依赖性识别机制。首先，氨基位点的亲核加成实现了高效的 FA 捕获，而特征性的 ESIPT 荧光猝灭提供了低背景信号以增强检测灵敏度。
竞争利益声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。
致谢
我们感谢得到 中央引导地方科技发展基金项目（编号 246Z1408G）支持的项目；感谢得到 河北省创新能力提升项目（编号 22567605H）支持的项目；感谢得到 河北省自然科学基金（F2024203001）支持的项目。
Yaotian Fan|Xinyu Wang|Zuzhi Chen|Dan Zhang|Yunfan Yang|Mingli Wang
燕山大学理学院，河北省微结构材料物理重点实验室，亚稳态材料科学与技术国家重点实验室，中国河北省秦皇岛市 066004
