基于苯并噻唑衍生物的荧光探针在检测ONOO?（超氧阴离子）方面的理论研究

《Chemical Physics Letters》：Theoretical investigation of benzothiazole-derived fluorescent probes for ONOO? detection

该研究通过DFT/TDDFT方法揭示了苯并噻唑衍生物荧光探针BMP检测ONOO?的机理，发现ONOO?与BMP的C1位反应生成醛基产物BA，能量势垒较低表明反应合理。FMO分析表明荧光淬灭源于分子构象扭曲导致的PET机制，而荧光增强归因于ESIPT机制。摘要验证了计算方法的可靠性，并阐明了探针与ONOO?的相互作用过程及荧光变化原理。

　　

宋佳琪|刘新伟|吕美恒|刘润泽|马英华|尚芳健|李文泽

沈阳化工大学理学院，中国沈阳110142

摘要

在本研究中，利用密度泛函理论（DFT）和时依赖密度泛函理论（TDDFT）方法详细探讨了一种基于苯并噻唑衍生物的荧光探针BMP检测ONOO^?的机制。ONOO^?与BMP中的C1位点反应生成醛基。能量分析表明，反应物与过渡态之间的能量障碍较低，说明该反应过程是合理的。通过FMO分析，BMP的荧光淬灭现象可归因于分子构象扭曲引起的PET机制。产物的荧光增强和较大的斯托克斯位移则归因于ESIPT机制。

引言

过氧亚硝酸盐（ONOO^?）并非由生物体直接产生，而是由两种关键信号分子（它们本身也是自由基）：一氧化氮（NO）和超氧阴离子（•O₂^?）通过极快速反应生成的[1]。由于其双重破坏性（强氧化能力和强硝化作用）[2]，过氧亚硝酸盐在生物学中受到了广泛关注[2]。它具有强氧化性，会导致细胞膜中的脂质过氧化，从而破坏其结构[3]。此外，它还作为一种强硝化剂，引发蛋白质硝化并形成硝基酪氨酸[4]。而且，硝基酪氨酸的存在被视为过氧亚硝酸盐产生的标志[5]。过氧亚硝酸盐的产生及其效应是一把双刃剑：在生理过程中，少量的过氧亚硝酸盐可以作为信号分子参与细胞信号转导，例如在免疫防御中帮助杀死病原体[6]。但在病理过程中，当NO和•O₂^?同时过量产生时，会生成大量的ONOO^?，导致严重的氧化损伤。这一过程与多种疾病（包括阿尔茨海默病、帕金森病、动脉粥样硬化、炎症性肠病和糖尿病等）的发病机制密切相关[7]。因此，开发一种快速准确的ONOO^?检测方法对于深入理解其在生物系统中的生理和病理作用至关重要。

迄今为止，已经开发出多种检测ONOO^?的分析方法，包括高效液相色谱[8]、电子自旋共振[9]、化学发光[10]、电化学分析[11]、紫外-可见吸收光谱[12]和荧光光谱[13]等。其中，荧光探针方法因其出色的选择性、高灵敏度、实时检测能力和非破坏性而受到广泛关注。由于过氧亚硝酸盐的半衰期极短（约10–20毫秒）且浓度较低[14]，高灵敏度的荧光检测技术比其他方法更为适用。目前，根据反应位点的不同，已报道的过氧亚硝酸盐荧光探针可分为几类，包括硼酸酯/硼酸盐[15]、[16]、[17]、C=C/C=N键[18]、[19]、α-酮酰胺基团[20]、[21]、磷酸酯[22]、[23]等。

近年来，合成了许多用于检测ONOO^?的荧光探针。Qu等人[24]合成了一种名为DCM-KA的荧光探针，其识别位点为α-酮酰胺基团，能与ONOO^?发生氧化反应，去除α-酮酰胺基团并转化为氨基，从而恢复荧光。Wang等人[25]报道了一种名为W-3a的荧光探针，用于检测ONOO^?，该探针含有二氰甲基-4H-吡喃结构。ONOO^?会对探针中的硼酸基团进行亲核攻击，使硼酸基团释放并生成酚羟基，最终产物具有发光性。Wu等人[26]开发了一种基于苯并噻唑的荧光探针HBT-PON用于检测ONOO^?，该探针以1,1-二苯肼基团作为识别位点，由于CN异构化而不发出荧光。加入ONOO^?后，CN键断裂，导致荧光显著增强。Wei等人[27]设计了一种基于萘酰亚胺的探针HN-ONOO用于检测ONOO^?，该探针与ONOO^?发生氧化还原反应，使羟基醌基团脱离并转化为含羟基的化合物，从而增强荧光。

最近，Gu等人[28]报道了一种基于苯并噻唑的溶酶体靶向荧光探针BMP用于检测ONOO^?。与ONOO^?反应后，含有NN单键的 morpholine hydrazone化合物断裂并转化为醛基，导致荧光显著增强。然而，他们没有详细讨论BMP与ONOO^?的反应机制，该系统的荧光机制仍不清楚。这阻碍了未来对BMP和ONOO^?相关检测机制的研究，以及高效荧光探针的改进和设计。因此，在本工作中，采用了高精度的理论方法来研究探针BMP识别ONOO^?的机制和荧光机制。通过能量计算验证了识别过程的可行性。模拟了探针BMP及其产物BA的电子光谱，以验证计算方法选择的合理性。基于优化后的基态和激发态的键长和键角，分析了分子内氢键强度的变化。通过分析基态和激发态的红外振动频率和吉布斯自由能，评估了产物构型的合理性。最后，通过前沿分子轨道（FMO）分析阐明了探针BMP的荧光淬灭机制和产物的荧光增强机制。

计算细节

本研究中的所有计算均使用Gaussian 16软件包中的DFT/TDDFT方法进行[29]。采用B3LYP-D3BJ泛函（Becke的三参数混合交换函数，关联Lee-Yang-Parr梯度校正[30]，并结合Grimme的D3色散校正和Beck-Johnson阻尼函数[31]）以及def-TZVP基组[32]、[33]来研究系统在基态和激发态下的性质。

几何构型

图1展示了BMP和ONOO^?识别过程中涉及的优化几何构型。图1a显示了荧光探针BMP的优化基态几何构型；图1b显示了BMP与ONOO^?识别反应过程中的中间体结构IM1；图1c显示了识别过程中的过渡态结构TS；图1d展示了识别过程中的中间体结构IM2；图1e显示了...

结论

总结来说，本研究采用高精度的DFT/TDDFT方法全面研究了探针BMP与ONOO^?的识别过程和传感机制。计算得到的探针BMP及其产物BA的吸收和发射光谱与实验结果吻合良好，验证了计算方法的合理性和准确性。根据能量分析，BMP通过与ONOO^?在C1位点反应生成含醛基的产物BA来识别ONOO^?

CRediT作者贡献声明

宋佳琪：撰写——原始草稿，研究，数据整理。刘新伟：可视化，研究。吕美恒：撰写——审稿与编辑，概念构思。刘润泽：方法学研究。马英华：验证。尚芳健：资金获取。李文泽：监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22308222、22305023）、沈阳化工大学优秀青年支持计划（2023YQ006）、辽宁省自然科学基金博士研究启动项目（2025-BS-0442）以及山东省青年创新团队计划（2024KJH154）的支持。