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本研究设计合成了两种新型bis-2-萘甲醛功能化荧光分子HF-NAP1和HF-NAP2，通过调控邻位取代基（羟基或甲氧基）实现激发态内分子质子转移（ESIPT）的激活或抑制。两者在THF-水混合物中表现出显著的聚集诱导发光（AIE）特性，发射颜色分别为绿色（HF-NAP1）和蓝色（HF-NAP2），并通过单晶X射线衍射、溶剂依赖吸收与发射光谱及荧光寿命等分析验证了ESIPT与AIE的协同效应。生物成像实验证实其高效细胞摄取和明亮胞内荧光，为生物医学成像提供了新型探针。
莫蒂里·马蒂瓦南（Moorthy Mathivanan）| 坦加拉杰·蒂鲁帕蒂拉贾（Thangaraj Thiruppathiraja）| 大卫·维拉曼（David Villaman）| 杰比蒂·哈里巴巴布（Jebiti Haribabu）| 克里希纳莫蒂·尚穆加拉杰（Krishnamoorthy Shanmugaraj）| 森蒂尔库马尔·拉克希米帕蒂（Senthilkumar Lakshmipathi）| 内斯托尔·诺沃亚（Néstor Novoa）
智利康塞普西翁大学化学科学学院分析化学与无机化学系无机与有机金属化学实验室，地址：Edmundo Larenas 129, Casilla 160-C, 康塞普西翁
摘要
我们设计并合成了两种新型的双萘醛官能化荧光团HF-NAP1和HF-NAP2，其核心结构为4,4-(六氟异丙叉)二苯胺。在亚胺基团相邻的邻位进行结构修饰，从而能够调控激发态分子内质子转移（ESIPT）现象。HF-NAP1含有邻位羟基，表现出ESIPT活性，而含有邻位甲氧基的HF-NAP2则抑制了这一过程。这两种分子在THF-水混合物中显示出不同的发射颜色（HF-NAP1发出绿色荧光，HF-NAP2发出蓝色荧光），并具有聚集诱导发射（AIE）特性。单晶X射线衍射分析确认了分子的几何结构，而溶剂依赖的吸收和发射研究进一步证实了ESIPT的作用。荧光寿命、动态光散射（DLS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和量子产率分析进一步验证了聚集对分子内运动的限制作用。详细的密度泛函理论（DFT）和时依赖DFT计算支持了分子的酮-烯醇互变异构及电子跃迁。最后，在活HeLa细胞中的生物成像实验表明，HF-NAP1和HF-NAP2具有高效的细胞摄取能力和强烈的细胞内荧光，证明了它们作为下一代ESIPT/AIE活性探针在生物医学成像中的潜力。
引言
设计和开发具有独特且可调荧光特性的新型材料一直是材料科学的研究重点[1]、[2]、[3]、[4]。发光有机材料（LOMs）在受到激发时能够发光，在材料科学领域是一个热门的研究方向。与其他无机发光体（如量子点或稀土材料）相比，LOMs具有制备简单、多色荧光以及易于与柔性平台集成等优点。这些分子可以通过结构修饰在特定波长下发光，具有较长的荧光寿命和较高的发光效率，因此在发光器件、生物成像、光动力疗法（PDT）、太阳能转换、信息存储和逻辑门等领域有广泛的应用[1]、[3]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。然而，传统的有机荧光团分子常常会发生聚集导致荧光淬灭（ACQ），这限制了它们在生物系统中的应用。相反，具有AIE（聚集诱导发射）特性的分子在聚集过程中会变得更加活跃，从而在实际应用中更具优势。在开发功能性AIE荧光团的过程中，分子设计在调控激发态行为方面起着关键作用[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。一种有效策略是引入能够促进或抑制ESIPT（激发态分子内质子转移）的结构元素。具有质子供体羟基（-OH）和相邻质子受体氮（N）或氧（O）原子的ESIPT活性分子可以表现出双发射带、较大的斯托克斯位移、更好的光稳定性和环境敏感性。通过将羟基替换为甲氧基，可以有效地关闭ESIPT过程[15]、[16]、[17]、[18]。这种结构修饰为研究ESIPT如何影响AIE活性分子的光物理性质提供了可控的方法。因此，同时具备AIE和ESIPT特性的有机材料引起了广泛的研究兴趣。这些双功能系统在分子传感、生物成像（体内和体外）、光电子学、刺激响应材料、数据存储和光动力疗法等领域具有巨大应用潜力[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。
荧光席夫碱化合物因其易于制备、结构灵活性和可调的光学特性而备受关注[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。特别是基于4,4′-(六氟异丙叉)二苯胺（HFI）的对称席夫碱体系，已成为先进功能材料的有希望的平台。HFI核心含有两个高电负性的三氟甲基（-CF3），具有更强的电子吸引能力、更高的化学和热稳定性以及更好的有机介质溶解性。这些特性有助于促进分子内电荷转移（ICT）和聚集行为，对于设计AIE和ESIPT活性系统非常重要。这些席夫碱的对称性使得分子具有明确的堆积结构和优异的荧光性能，使其非常适合用于机械荧光变色材料、细胞成像、法医和安全应用、光刻、分子开关和执行器等领域[32]、[33]、[34]、[35]。此外，刚性氟化骨架与动态质子转移和聚集敏感性的结合使这些材料在溶液和固态环境中都能高效工作，包括活细胞荧光成像和金属离子检测。
因此，在本研究中，我们报道了两种新型荧光分子HF-NAP1和HF-NAP2，它们均以4,4′-(六氟异丙叉)二苯胺为核心，并分别引入了萘醛官能团（图1）。其中一个分子在亚胺（CH=N）基团相邻的位置含有邻位羟基（OH），可能促进ESIPT现象，而另一个分子含有邻位甲氧基（-OCH3），从而抑制了ESIPT。这两种化合物在THF-水混合物中均表现出明显的AIE特性和不同的发射行为：ESIPT活性化合物发出绿色荧光，而非活性化合物发出蓝色荧光。这些差异突显了激发态质子转移对发射波长和强度的影响。本研究对比分析了ESIPT活性和非活性AIE荧光团在活细胞成像中的应用，为下一代荧光探针的设计提供了宝贵的指导。通过调控取代基对分子内过程的影响，可以调节发射特性并优化材料科学和生物医学成像中的应用性能。
实验部分
电子支持信息详细介绍了用于合成的仪器方法、试剂详情、样品制备程序、细胞毒性评估以及用于HeLa细胞研究的荧光成像实验。
设计策略
激发态下的分子内质子转移因其吸收峰和发射峰之间的能量差较大以及较大的斯托克斯位移而受到广泛关注，这有效减少了荧光自淬灭现象，从而提高了发射效率[16]、[21]、[36]、[37]。因此，具有ESIPT能力的AIE荧光分子是癌症细胞生物成像的理想候选者，即使在复杂环境中也能提供明亮稳定的荧光信号。
结论
本研究提出了一种合理的分子设计策略，通过在对刚性六氟异丙叉基萘基席夫碱平台进行最小的邻位取代基修饰，实现了对激发态分子内质子转移和聚集诱导发射的精确控制。通过选择性切换羟基和甲氧基功能团，可以有目的地激活（HF-NAP1）或完全抑制（HF-NAP2）ESIPT过程，从而建立分子性能与实验结果之间的直接关联。
CRediT作者贡献声明
杰比蒂·哈里巴巴布（Jebiti Haribabu）：数据验证、形式分析、数据管理。
大卫·维拉曼（David Villaman）：数据验证、软件开发、形式分析。
坦加拉杰·蒂鲁帕蒂拉贾（Thangaraj Thiruppathiraja）：数据验证、软件开发、形式分析、数据管理。
莫蒂里·马蒂瓦南（Moorthy Mathivanan）：撰写与编辑、初稿撰写、数据验证、项目管理、方法学研究、资金申请、形式分析、概念构思。
内斯托尔·诺沃亚（Néstor Novoa）：撰写与编辑、可视化处理、项目监督、资金管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者莫蒂里·马蒂瓦南衷心感谢智利国家研究与发展局（ANID）在FONDECYT博士后项目编号3230372（2023年）和FONDEQUIP MEDIANO EQM200138-ANID（智利）项目下提供的资金支持，用于单晶X射线衍射实验。
