用于生物体内锌离子探测的双光子荧光探针的设计与研究

In recent years, two-photon fluorescent probe is becoming an important tool for the detection of metal ions in living system. However, two-photon fluorescent probes used for detecting zinc ion in an organism are still limited, and the theoretical research of this series of probes is rare. In this project, based on typical probe molecules that were synthesized in experiment, better two-photon fluorescent probes used for zinc ion detection will be legitimately designed according to different angles, such as reaction mechanism, fluorophore, identifying group and so on. Quantum chemical method will be adopted to systematically study the change of optical property after combining with zinc ion, and identify the reaction and detection mechanisms. In order to exclude the interference of other metal ions on the detection of zinc ion, the calculation of thermodynamic property will be carried out to analyze binding energy, stability, sensitivity and selectivity of the probe binding to zinc ion. The project integrates the theoretical calculation with the experimental study closely, which will provide important theoretical basis for the synthesis of excellent two-photon biological fluorescent labeling materials for zinc ion detection.

近年来，双光子荧光探针逐渐成为探测生命体系中金属离子的一种重要工具。然而，用于探测生物体内锌离子的双光子荧光探针仍非常有限，理论上对此系列探针的研究也很少。本项目将基于实验上已合成的典型探针分子，从反应机制、荧光团、识别基团等不同角度合理地设计出性能更好的锌离子双光子荧光探针分子。采用量子化学计算方法，系统地研究荧光探针分子与锌离子结合引起的光学性质的变化规律，辨别其反应机制和探测机理。通过热力学性质的计算，分析探针分子对锌离子的结合能力、稳定性、敏感性以及选择性，以排除其它金属离子对锌离子探测的干扰。本项目将实验研究与理论计算紧密结合，将为锌离子双光子生物荧光标记材料的合成与研究提供重要的理论依据。

近年来，双光子荧光探针逐渐成为探测生命体系中金属离子的一种重要工具。但用于生物体内锌离子探测的双光子荧光探针仍非常有限，此方面的理论研究也很少。本项目选取了分枝型、吸附碱的多体结构、以及联吡啶结构等分子进行了理论研究。结果表明：（1）通过改变分枝数设计了单、双、三分枝的探针分子。与锌离子结合后，荧光发射波长发生红移，荧光强度增强。大多数分子在近红外区呈现双光子吸收峰。其中，具有三分枝结构的分子具有较好的三维空间分布，能够对锌离子进行很好的探测。双光子吸收截面在近红外范围内有重要改进。通过热力学性质分析，得出探针分子对锌离子具有较好的结合能力、稳定性、敏感性以及选择性。最终得出此系列探针分子可作为双光子荧光探针用于锌离子探测。其中，双分枝的探针分子与锌离子结合后在较长的通讯波长范围内具有较大的双光子吸收截面。（2）基于吸附碱的单体结构设计了其二体及三体结构。与锌离子结合后，单光子吸收和荧光发射波长大多发生红移，而且具有较大的斯托克斯位移。双光子吸收截面大幅度增大。大多数分子在近红外区具有较强的双光子吸收峰。此外，探针分子对锌离子具有较好的结合能力、稳定性及敏感性。最终得出具有吸附碱二体结构的探针分子更适合作为锌离子的双光子荧光探针。（3）通过数据分析确定了一种以联吡啶为中心的探针分子与锌离子的配位形式。与锌离子结合后，单光子吸收波长向长波长移动；加入氰离子后，向短波长移动。荧光发射和双光子吸收波长具有相同的变化趋势。但双光子吸收截面先减少，再增大到一个较大的值。通过自然键轨道分析了分子内电荷转移的探测机制，最终得出此探针分子有望成为用于锌离子探测的比率型荧光探针。本项目的研究为实验上锌离子双光子荧光探针的合成、光学性质分析、探测机理研究、以及探测选择性的研究提供了重要的理论依据。为锌离子双光子生物荧光标记材料的合成与研究提供了重要的理论基础。