基于葫芦[7]脲分子识别的指示剂置换荧光染料研究：一项实验与计算联合研究

《ChemPhysChem》：On a Fluorescent Dye for Indicator Displacement From Cucurbit[7]uril-Based Molecular Recognition: A Joint Experimental-Computational Study

　　

研究人员研究了一种名为7-(二乙氨基)-4-羟基喹啉-2(1H)-酮（QD）的新荧光探针及其与葫芦[7]脲（CB7）大环的包合复合物的主客体络合作用。研究人员成功合成了QD，并对游离探针及其相应的QD•CB7加合物进行了广泛表征。光谱测量表明，该络合作用增强并改善了QD的光物理性质，使其量子产率提高了4.6倍。研究人员还通过结合密度泛函理论（DFT）波函数、分子中的原子量子理论（QTAIM）描述符以及半经典分子动力学（MD）技术，研究了水相中的QD和QD•CB7。所得图景表明，自发的CB7基分子识别在机械上阻碍了QD分子内沿二乙氨基取代基的光驱动自由旋转，从而避免了非发射扭转分子内电荷转移（TICT）态的形成。此外，加入酪胺（TA）——一种对CB7具有高亲和力的生物源性伯胺——导致了荧光关闭响应。这些结果证明，TA分析物有效地将染料QD从CB7主客体复合物中置换出来。因此，该染料被提议作为一种荧光指示剂置换（IDA）测定方法，用于生物源性胺的检测和结合常数测定。

## 研究背景与意义

超分子化学领域，利用合成大环受体（如环糊精、葫芦脲等）包结客体分子以调控其性质，已成为一个重要的研究方向。其中，葫芦脲[n]（CB[n]）家族因其独特的对称结构、亲水性羰基端口和疏水性空腔，在水相中展现出卓越的分子识别能力。特别是CB[7]（CB7），因其良好的水溶性而被广泛应用，被证实能够调控客体分子的荧光量子产率、pKa值、荧光寿命及溶解度等多种性质。基于此，CB[n]与荧光客体结合构建的指示剂置换（IDA）分析法，在测定结合常数以及选择性、特异性检测非荧光或弱荧光分析物方面展现出巨大潜力，尤其是在生物源性胺类的检测领域。酪胺（TA）作为一种重要的生物源性胺，广泛存在于发酵食品中，其过量摄入存在健康风险，因此开发灵敏的检测方法具有重要意义。喹啉酮衍生物因其优异的光学性质（如推拉电子效应和分子内电荷转移特性），是开发光学探针的优良骨架。然而，其7-位取代氨基的自由旋转常导致形成非发射的TICT态，不利于荧光应用。考虑到CB[n]已被证明能够抑制此类扭转运动，研究人员旨在将两者结合，开发一种新的超分子荧光检测体系。

本研究正是在这一背景下展开，旨在通过实验与理论计算相结合的方式，深入探究一种新型喹啉酮衍生物（QD）与CB7的主客体相互作用，并探索其在生物源性胺（如TA）分析检测中的应用潜力。研究不仅验证了超分子限域效应对分子光物理性质的显著调控机制，还成功建立了一种基于荧光指示剂置换（F-IDA）的分析方法，为开发新型超分子传感器提供了理论依据和实践方案。该研究发表在学术期刊《ChemPhysChem》上。

研究人员开展了一项整合有机合成、光谱学表征、热力学分析与多层次计算模拟的联合研究。首先，研究人员通过Knorr喹啉合成法成功制备了目标荧光探针QD，并利用核磁共振（NMR）和高分辨率质谱（HR-MS）对其结构进行了确认。随后，通过紫外-可见（UV-vis）吸收光谱、稳态与时间分辨荧光光谱、等温滴定量热法（ITC）等手段，系统研究了QD本身的光物理性质、其与CB7在水相中的包结行为、包结过程的热力学驱动力，以及TA作为客体置换QD的可行性。为了从微观机理上阐明上述实验现象，研究人员采用了基于密度泛函理论（DFT）的量子化学计算，结合分子动力学（MD）模拟、分子中的原子量子理论（QTAIM）拓扑分析以及Hirshfeld表面分析等计算方法。这些计算与实验数据相互印证，共同揭示了CB7空腔对QD分子内旋转的机械抑制作用，这是其荧光增强的关键。

## 主要研究方法

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法开展研究：(1) 合成与结构表征：通过有机合成制备QD，并利用核磁共振（NMR）、高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）和高分辨率质谱（HR-MS）进行结构确认。(2) 光谱学表征：使用紫外-可见（UV-vis）分光光度计和荧光光谱仪测定吸收和发射光谱，采用时间分辨荧光光谱仪测量荧光寿命，通过参比法（硫酸奎宁）计算量子产率。(3) 热力学与结合常数测定：通过等温滴定量热法（ITC）直接测量包结过程的焓变、熵变和吉布斯自由能变；通过荧光光谱滴定结合竞争模型计算QD与CB7、TA与CB7的结合常数。所有光谱实验均在298 K的恒温条件下进行，样品溶剂主要为水或水-二甲基亚砜（DMSO）混合溶液。研究样本为自行合成的QD化合物。

## 研究结果与讨论

### 喹啉酮衍生物QD的表征与吸收特性
研究人员通过Knorr喹啉合成了7-(二乙氨基)-4-羟基喹啉-2(1H)-酮（QD），并经NMR和质谱确认了其结构。QD在水/DMSO混合溶液中的UV-vis吸收光谱显示出位于约352 nm和300 nm处的吸收带。通过自适应QM/MM/C-PCM方法计算的UV-vis光谱与实验观测结果吻合良好，证实其最低能吸收带主要源于HOMO→LUMO跃迁，具有明确的1π–π*特征。计算表明，溶剂化效应（尤其是氢键作用）会适度调制QD的光谱性质。

### 水溶液中TICT过程的调控
为理解QD的光物理行为，研究人员通过片段间电荷转移（IFCT）分析和激发态势能面扫描，深入研究了其激发态过程。基态优化的QD在激发后发生从二乙氨基取代基（片段2）到喹啉酮母核（片段1）的电荷转移（CT）。然而，当二乙氨基取代基沿C-N键发生较大角度旋转时，会形成一个能量较低的激发态构象。该构象的振子强度接近于零，表明其为非发射态，对应于经典的TICT态。这一计算预测解释了游离QD在水溶液中荧光较弱的原因。

### CB7–QD主客体自组装及其机制
荧光光谱滴定实验表明，随着CB7的加入，QD的荧光强度显著增强（增色效应），并计算出两者的结合常数Kb为4.54?×?10⁵?M^–1。进一步研究发现，QD•CB7复合物的量子产率（0.56）相对于游离QD（0.12）提高了近5倍，荧光寿命也从0.59 ns大幅延长至4.87 ns。这些光物理性质的显著变化强有力地表明，CB7的包结抑制了QD分子内非辐射弛豫通道（特别是TICT态的形成）。基于DFT优化的QD•CB7复合物结构，研究人员利用QTAIM拓扑分析和非共价相互作用（NCI）可视化，揭示了驱动自组装的超分子作用力网络，主要包括QD的N—H基团与CB7羰基之间较强的氢键作用，以及众多较弱的C—H···O型氢键和范德华力。计算出的结合自由能ΔG为–7.2?±?0.1?kcal/mol。

### 超分子结合的热力学
通过等温滴定量热法（ITC）测量，研究人员获得QD•CB7包结过程的热力学参数：ΔH?=?–9.9?±?0.3?kcal/mol，TΔS?=?–2.7?±?0.3?kcal/mol。结果表明，该自组装过程是焓驱动的（ΔH?
### 基于QD的指示剂置换分析法用于酪胺检测
基于QD•CB7复合物的高荧光响应，研究人员构建了荧光指示剂置换（F-IDA）体系。向QD•CB7溶液中加入对CB7具有高亲和力的酪胺（TA）后，观测到荧光强度逐渐淬灭。这证实了TA能够竞争性地将QD从CB7空腔中置换出来。利用竞争性结合模型，成功计算出TA与CB7的结合常数Kb,TA•CB7为5.5?×?10⁵?±?0.2?M^–1，该值与文献报道的CB7对胺类物质的结合能力相符。这表明合成的QD染料有潜力作为一种F-IDA试剂，用于水溶液中生物源性胺类物质的结合亲和力分析。

## 结论
研究人员研究了一种新荧光探针QD与CB7在室温溶液中的主客体包结作用。紫外-可见光谱测量表明，所观测到的QD•CB7自组装有效增强并促进了QD系统的光物理性质，使其量子产率相较于无CB7主体时大幅提升。研究人员自洽地分析了密度泛函理论（DFT）收敛的电子波函数，结合分子中的原子量子理论（QTAIM）描述符以及半经典分子动力学（MD）图景，以推导水相QD和QD•CB7分子系统的电子结构特性。有趣的是，所呈现的图景让我们有理由推测，当客体物种被限制在大环内时，其周围的环境在纳米尺度上抑制了QD•CB7系统中光诱导TICT态的形成，从而实际促进了发射性的Franck-Condon局域激发（LE）态。最后，加入酪胺——一种对CB7具有高亲和力的伯胺——导致了荧光淬灭机制，这是由于QD染料从大环中被置换出来所致。鉴于这些发现，合成的QD染料被提议作为一种潜在的荧光指示剂置换测定（F-IDA）方法，用于自然界中生物源性胺类物质结合亲和力的分析测定。