01引言

一氧化氮（NO）是生物體內的重要信號分子，與許多生理和病理過程緊密相關。實時、準確地檢測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、響應速度快和操作簡便的檢測方法。實驗上，科學家大多基于經驗性的光致電子轉移（PET）原理設計NO熒光探針，鄰苯二胺常用作探針結構中識別NO的受體單元。結合NO以后，鄰苯二胺單元會發生反應，從而轉變為苯并三氮唑（TZ）。

然而，PET機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，由于生物體內不同細胞器中的PH環境不同，熒光探針在相應生理環境中的耐受性也至關重要。因此，從理論層面表征雙光子熒光探針的響應機理、光物理性質和pH效應迫在眉睫。本研究選取了熒光團不同的NINO和PYSNO（兩種NO熒光探針）及NINO-TZ和PYSNO-TZ（結合NO后的產物）進行對比研究，使用鴻之微MOMAP軟件對上述體系的激發態衰減動力學過程進行了詳細的計算研究，分析了光物理過程中涉及的關鍵因素。

02 成果簡介

研究者結合極化連續介質模型（PCM）、含時密度泛函理論（TD-DFT）和熱振動關聯函數方法（TVCF）方法，系統地研究了NINO和PYSNO探針在水溶液中的響應機理、熒光輻射過程、無輻射弛豫過程和雙光子吸收過程，以及質子化后的相應過程是否發生變化。使用鴻之微MOMAP軟件，研究者計算了非絕熱電子耦合、振動弛豫能、黃昆因子和激發態衰減速率。

研究者發現，NINO探針對NO的響應機理是PET的“開-關”效應，而PYSNO探針的NO感應機制則是無輻射弛豫過程受限。理論預測結果表明，在近紅外區域（>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的引入。質子化效應結果表明，溶酶體靶向的嗎啉環是質子結合的最佳位點，酸性pH環境對NINO和PYSNO探針的響應機理和光物理性質影響不大。

0****3圖文導讀

圖1 兩種探針不同的光物理圖像

圖2 響應機理分析

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 質子化效應分析

0****4 小結

我們對兩種雙光子NO熒光探針的響應機理、光物理性質和質子化效應進行了深入的理論研究。響應機理分析結果表明，NINO探針是PET的“開-關”效應，PYSNO探針則是無輻射弛豫過程受限。熒光輻射過程分析結果表明，NINO因空穴-電子分離導致kr很小熒光微弱，NINO-TZ則由于空穴-電子重疊導致kr增大熒光恢復。

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果表明，PYSNO-TZ因絕熱激發能增大和振動弛豫能減小導致knr減小從而熒光增強。雙光子吸收過程分析結果表明，雖然NINO已成功用于雙光子熒光成像，但我們預言PYSNO在近紅外區域具有更優異的雙光子吸收截面。質子化效應分析結果表明，兩種探針都能在酸性溶酶體環境中有效工作。






審核編輯：劉清