Bioorganic Chemistry:中国药科大学王鹏课题组、陈俊青课题组设计的基于AIE机理的高荧光选择性鉴定Cys/HCy

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文献来源：Highly selective fluorescent probe based on AIE for identifying cysteine/homocysteine - PubMed (nih.gov)

一、AIE机理在荧光探针设计方向的应用：

参考文献：几种代表性的AIE的发光特点和机制（2020-10-11） - 知乎 (zhihu.com)

1.AIE发光的机理：

1.1基于Π-Π重叠相互作用实现荧光增强：

通过限制单键旋转，从而抑制了无辐射衰减，加强了辐射衰减，产生聚集诱导发光。唐本忠院士通过增加溶剂的黏度和降低溶剂的温度并且限制单键旋转实现荧光增强。四苯乙烯衍生物（TPE）的单个分子发光强度较弱，通过限制单键旋转促使能量升高(S1)，便于聚集从而出现“聚集诱导发光现象”。

1.2聚集诱导发光现象（AIE）相较于聚集荧光淬灭（ACQ）机理的差异：

在低粘度的稀溶剂中，由于TPE中的苯环可以自由的转动或者振动，激发态（S1）的能量通过结构松弛而稳定，而基态（S0）的能量明显升高，两态之间的能量间隙减少，这使得激发态分子通过辐射衰减到基态（从而产生荧光淬灭）。而在固体或者晶体态中，由于相邻分子的空间位阻（离得比较近），激发态的能量在激发过后会急剧上升，分子内的运动由于较大的能量势垒从而阻断了非辐射衰减，加强了辐射衰减，形成聚集诱导发光现象。

2.AIE现象和卡莎规则的区别：

根据卡莎规则，发光体的辐射衰减只能来源于最低激发态（S1， T1）。然而1，根据理论计算和实验结果证明（Aprahamian），存在双发射磷光的有机光电材料（AIEgen）。T1和T2间具有较低的能级差，室温下两个激发态具有不同的电子组态，T1是以Π-Π*为主的慢磷光辐射过程，而T2是以n-Π*为主的快荧光过程。

3.传统AIE发光材料和新AIE材料的改进方式：

传统的发光材料以Π共轭体系为发光团，近年来一些具有富电子原子（电负性大），如N，O，S，P。或者基团（羰基，亚胺，羧基）能起到AIE效应。

二、背景介绍：

1.生理学条件：

在生命系统中半胱氨酸（Cys）和同型半胱氨酸（Hcy）参与维持体内稳态，但是Cys/Hcy在体内的含量远低于谷胱甘肽（GSH)。

2.特异性发光机制：

作者设计的探针SQM-NBD本身没有荧光，而在GSH的干扰下(GSH也可以发生Micheal加成)，探针的荧光信号可以被Cys/Hcy打开释放分子SQM-OH和Cys/Hcy-NBD，释放的SQM-OH可以继续被Cys/Hcy通过Micheal加成淬灭，实现对细胞内的Cys/Hcy的特异性定位（LOD分别为54nM和72nM）。

3.PET效应（光致电子转移效应）以及探针分子设计中的应用：

光的诱导下，电子进行分子内或者分子间转移的现象。典型的光诱导电子转移体系由包含电子给体的供体部分（Receptor）间隔基团（Spacer，比如亚甲基）和荧光团F(Fluorophore)三个部分组成。电子从供体转移到激发态荧光团，一旦供体和荧光团断裂，PET效应收到抑制或者阻断，荧光团会辐射衰减发射荧光。

在SQM-NBD探针设计中，我们首先将荧光团SQM-OH和电子供体NBD-Cl结合起来，从而不发生PET电子效应。再通过生物硫醇（GSH,Cys,Hcy）对电子供体发生 $S_{n2Ar}$ 反应抑制PET电子转移效应释放荧光团SQM-OH，释放的荧光团先发射红光然后再被生物硫醇淬灭。而电子供体通过分子内电子转移机理发射绿光，实现对Hcy/Cys的定位。

三、数据解读：

1. 紫外图像数据解读：

1.1图像(a),(b)数据解读：

通过设计一系列浓度梯度的PBS-DMSO溶液和水混合比例（ $F_{w}$ ）实现对SQM-OH和SQM-NBD的聚集体探究，图像(a)和图像(b)分别为在不同溶剂比例下的紫外吸收。可以观察到，在 $F_{w}$ =60%时，SQM-OH的紫外吸收强度开始下降，可能是因为随着水组分的增加，SQM-OH会形成聚集体，产生的散射效应导致紫外吸收强度的降低（AIE）。

1.2图像(c),(d)数据解读：

根据上述图像(a),(b)可以发现SQM-OH和SQM-NBD的最大吸收波长为430nm和400nm，作者采用430nm和400nm对不同含水量的探针SQM-OH和SQM-NBD进行激发。①发现当溶液中不含水组分时(Fw = 0)， SQM-OH的荧光信号峰仅存在于600 nm处。此外，在Fw = 0 ~ 50%范围内，SQM-OH的荧光变化不大。