雙光子NO熒光探針的理論表征：響應(yīng)機(jī)理、光物理性質(zhì)和質(zhì)子化效應(yīng)

01引言

一氧化氮（NO）是生物體內(nèi)的重要信號(hào)分子，與許多生理和病理過程緊密相關(guān)。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測NO對生物診斷和臨床治療具有重要意義。雙光子熒光探針是一種靈敏度高、響應(yīng)速度快和操作簡便的檢測方法。實(shí)驗(yàn)上，科學(xué)家大多基于經(jīng)驗(yàn)性的光致電子轉(zhuǎn)移（PET）原理設(shè)計(jì)NO熒光探針，鄰苯二胺常用作探針結(jié)構(gòu)中識(shí)別NO的受體單元。結(jié)合NO以后，鄰苯二胺單元會(huì)發(fā)生反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)變?yōu)楸讲⑷颍═Z）。

然而，PET機(jī)理并未得到充分地論證，光物理過程也缺乏清晰的物理圖像。此外，由于生物體內(nèi)不同細(xì)胞器中的PH環(huán)境不同，熒光探針在相應(yīng)生理環(huán)境中的耐受性也至關(guān)重要。因此，從理論層面表征雙光子熒光探針的響應(yīng)機(jī)理、光物理性質(zhì)和pH效應(yīng)迫在眉睫。本研究選取了熒光團(tuán)不同的NINO和PYSNO（兩種NO熒光探針）及NINO-TZ和PYSNO-TZ（結(jié)合NO后的產(chǎn)物）進(jìn)行對比研究，使用鴻之微MOMAP軟件對上述體系的激發(fā)態(tài)衰減動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算研究，分析了光物理過程中涉及的關(guān)鍵因素。

02 成果簡介

研究者結(jié)合極化連續(xù)介質(zhì)模型（PCM）、含時(shí)密度泛函理論（TD-DFT）和熱振動(dòng)關(guān)聯(lián)函數(shù)方法（TVCF）方法，系統(tǒng)地研究了NINO和PYSNO探針在水溶液中的響應(yīng)機(jī)理、熒光輻射過程、無輻射弛豫過程和雙光子吸收過程，以及質(zhì)子化后的相應(yīng)過程是否發(fā)生變化。使用鴻之微MOMAP軟件，研究者計(jì)算了非絕熱電子耦合、振動(dòng)弛豫能、黃昆因子和激發(fā)態(tài)衰減速率。

研究者發(fā)現(xiàn)，NINO探針對NO的響應(yīng)機(jī)理是PET的“開-關(guān)”效應(yīng)，而PYSNO探針的NO感應(yīng)機(jī)制則是無輻射弛豫過程受限。理論預(yù)測結(jié)果表明，在近紅外區(qū)域（>700 nm），PYSNO相比于NINO具有更大的雙光子吸收截面，其根源在于噻吩基團(tuán)的引入。質(zhì)子化效應(yīng)結(jié)果表明，溶酶體靶向的嗎啉環(huán)是質(zhì)子結(jié)合的最佳位點(diǎn)，酸性pH環(huán)境對NINO和PYSNO探針的響應(yīng)機(jī)理和光物理性質(zhì)影響不大。

0****3圖文導(dǎo)讀

圖1 兩種探針不同的光物理圖像

圖2 響應(yīng)機(jī)理分析

圖3 熒光輻射過程分析

圖4 無輻射弛豫過程分析

圖5 雙光子吸收過程分析

圖6 質(zhì)子化效應(yīng)分析

0****4 小結(jié)

我們對兩種雙光子NO熒光探針的響應(yīng)機(jī)理、光物理性質(zhì)和質(zhì)子化效應(yīng)進(jìn)行了深入的理論研究。響應(yīng)機(jī)理分析結(jié)果表明，NINO探針是PET的“開-關(guān)”效應(yīng)，PYSNO探針則是無輻射弛豫過程受限。熒光輻射過程分析結(jié)果表明，NINO因空穴-電子分離導(dǎo)致kr很小熒光微弱，NINO-TZ則由于空穴-電子重疊導(dǎo)致kr增大熒光恢復(fù)。

PYSNO和PYSNO-TZ因具備充足的空穴-電子重疊，熒光輻射過程并未受阻。無輻射弛豫過程分析結(jié)果表明，PYSNO-TZ因絕熱激發(fā)能增大和振動(dòng)弛豫能減小導(dǎo)致knr減小從而熒光增強(qiáng)。雙光子吸收過程分析結(jié)果表明，雖然NINO已成功用于雙光子熒光成像，但我們預(yù)言PYSNO在近紅外區(qū)域具有更優(yōu)異的雙光子吸收截面。質(zhì)子化效應(yīng)分析結(jié)果表明，兩種探針都能在酸性溶酶體環(huán)境中有效工作。






審核編輯：劉清