荧光探针作为现代分析与生物成像领域的关键工具，其设计范式正经历着从经验试错向理性分子工程的深刻转型。在此趋势下，比率型荧光探针凭借优异的抗干扰能力与自校准特性，成为该领域的研究焦点。然而，如何在单一分子骨架内精准调控双发射行为仍面临严峻挑战。究其原因，现有主流比率机制（如FRET或ESIPT）普遍面临分子构筑复杂、骨架高度受限等普适性瓶颈，严重制约了高性能探针的设计与构建。以亚硝酸盐（NO2⁻）检测为例，该活性氮物种既是食品安全领域的“隐形杀手”，也是生物体内一氧化氮（NO）稳态的关键调节剂。然而，其极高的反应活性与传统Griess比色法缓慢的反应动力学之间存在着难以调和的矛盾。在此背景下，尽管开发快速响应的比率型NO2⁻探针迫在眉睫，但受限于传感机制在分子设计与精准调控上的双重缺陷，高性能比率探针的研发仍面临巨大瓶颈。
近日，深圳大学李明乐教授、王超助理教授与广西大学曾林涛教授合作，提出了一种基于“扭曲分子内电荷穿梭”（TICS）机制驱动的分子设计策略，突破了比率型探针设计中传感机制匮乏的瓶颈，成功实现了对亚硝酸盐（NO2⁻）的高灵敏、超快比率检测与成像。这一成果不仅证实了TICS作为通用设计平台的巨大潜力，更标志着功能染料化学领域正从“经验试错”稳步迈向“理性机制驱动的分子工程”新时代。
通过在pyronin骨架的meso-位点引入邻苯二胺（OPD）识别单元，作者构建了一种精确的分子内级联反应体系（图1b）。该体系通过耦合质子化过程与重氮化-环化反应，实现了对NO2⁻的高灵敏检测。为阐明比率传感机制，作者系统计算了激发态势能面及各激发态（LE、CT、TICS）的自然跃迁轨道（图1a、1d和1c）。结果表明，在PY-OPD的meso-位取代基旋转（θ）过程中，探针沿LE态→CT态→TICS态路径发生无势垒演变。其中LE态（f = 1.413）呈现典型局域激发特征；当旋转至垂直构象时，探针进入全电荷分离的非发射TICS态（f = 0.009），空穴与电子分别定域于OPD与PY骨架。该发现颠覆了传统认为OPD类探针主要依赖PET猝灭机制的观点，明确证实无势垒TICS是荧光猝灭的主导途径。在反应进程中，PY-OPD-Pro因OPD质子化削弱供电子能力，CT态被显著抑制并导致TICS势垒抬升；最终产物PY-BTA中，TICS过程完全禁阻，分子仅展现以PY骨架为中心的强发射LE态（f = 1.520）。上述计算完整揭示了"TICS猝灭→TICS抑制→TICS禁阻"的级联调控机制，为探针实现高效比率传感提供了坚实的理论支撑。光谱实验进一步验证了设计有效性。当NO2⁻浓度从0增至10 μM时，PY-OPD的荧光发射峰从565 nm（对应PY-OPD-Pro）红移至615 nm（对应PY-BTA），形成高对比度比率响应（图1e-f）。该探针展现出卓越的综合性能，检测限低至6.6 nM，显著优于主流荧光探针及Griess比色法。受益于meso-位超高反应活性，其响应速度较Griess法提升13倍，成功实现对瞬态亚硝酸盐的动态捕捉（图1g）。粘度依赖性荧光增强实验（图1h）证实激发态旋转过程，与TICS理论预测高度一致。通过meso-位修饰策略，PY-OPD同步优化了反应动力学与传感机制，成为首例兼具比率荧光响应与超快动力学的NO2⁻探针，在生物实时定量检测中展现出重要应用前景。
图1. PY-OPD的TICS传感机理、理论计算结果及其对亚硝酸盐的比率荧光检测性能表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
为探究温度与氧浓度对NO2⁻代谢的调控，作者利用APY-OPD原位示踪了植物肉质根在不同环境胁迫下的NO2⁻时空分布。实验发现，低氧（<1%）及低温（4°C）均显著诱导了红色荧光增强（图2a-b），证实低温、低氧环境会引发植物体内亚硝酸盐异常累积，阐明了环境胁迫调控植物氮代谢的分子机制（图2c）。
图2. 利用APY-OPD对植物细胞内NO2⁻动态变化的共聚焦荧光成像分析及环境诱导机制示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是广西大学轻工与食品学院博士研究生叶欢，其研究方向主要集中在荧光探针的设计与合成，及其在食品安全、环境监测和生物成像领域的应用。
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Twisted Intramolecular Charge Shuttle (TICS) EnablesUltrafast Ratiometric Sensing and Imaging of Nitrite
Huan Ye, Mingchao Li, Yuzhe Zhao, Lintao Zeng, Chao Wang, Mingle Li, Xiaojun Peng
Angew. Chem. Int. Ed., 2026, DOI: 10.1002/anie.4057924
研究团队介绍
曾林涛，广西大学轻工与食品工程学院教授，博士生导师。2010年于中国科学院理化技术研究所获得博士学位，2010年至2012年在新加坡国立大学化学系从事博士后。2020年加入广西大学轻工与食品工程学院，主要从事食品安全检测方法与生物成像研究，以第一作者或通讯作者在相关领域发表SCI论文110余篇，包括Chem. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Biomaterials, Chem. Sci., Anal. Chem., Food Chem.等。获授权发明专利6项，其中3项已实现成果转化。
https://www.x-mol.com/university/faculty/590654
王超，博士，深圳大学材料学院助理教授。2016年在华东理工大学获得材料科学与工程博士学位，之后分别在浙江大学和新加坡科技设计大学从事博士后研究。2025年1月加入深圳大学材料学院，担任助理教授。研究方向为有机染料的理论计算与分子设计。目前共发表SCI论文52篇，第一及通讯作者论文18篇，其中包括1篇Chem. Soc. Rev.， 1篇J. Am. Chem. Soc.，4篇Angew. Chem. Int. Ed.，1篇Chem. Sci.等。近5年引用数2800+，h因子26。
李明乐，深圳大学特聘教授，博士生导师，国家级青年人才。2019年博士毕业于大连理工大学，师从我国智能分子材料专家、中国科学院院士彭孝军教授。2019-2023担任韩国高丽大学化学系研究教授（Jong Seung Kim院士团队）、Brain Pool学者。2023年6月回国加入深圳大学材料学院。主要研究方向为智能医用光敏染料、生物光催化、肿瘤I型光动/免疫医学。以第一或通讯作者发表论文40余篇，包括Nat. Chem. 1篇、Nat. Rev. Chem. 1篇、Nat. Protoc. 1篇、PNAS 2篇、J. Am. Chem. Soc.12篇、Angew. Chem. Int. Ed.3篇、Chem. Rev. 1篇、Chem. Soc. Rev. 2篇、Acc. Chem. Res. 2篇。主持国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金青年基金、韩国KRF/BP基金等项目。担任中国感光学会青年理事会理事，National Science Open、Smart Molecular、CCL等期刊青年编委。
https://www.x-mol.com/university/faculty/385544
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