一种基于苯醌的ESIPT型荧光探针,用于检测活细胞中的次氯酸盐

《Journal of Molecular Liquids》:An ESIPT-type fluorescent probe based on benzoquinoline for the detection of hypochlorite in living cells

【字体: 时间:2025年10月02日 来源:Journal of Molecular Liquids 5.2

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  设计并合成了一种新型荧光探针Bq-CN,基于苯醌啉骨架和氨基甲酸酯基团,通过氧化断键实现ClO?的特异性检测,具有快速响应、低细胞毒性及宽pH稳定性,适用于活细胞和斑马鱼成像。

  
赵宏伟|郭世佳|建亚洲
山西大学化学与化学工程学院,中国太原030006

摘要

次氯酸根(ClO?)作为关键的活性氧(ROS),在多种病理和生理过程中发挥着重要作用。因此,我们报道了一种新型荧光探针Bq-CN的设计与合成,用于检测ClO?。该探针以10-羟基苯醌为分子骨架,二氨基马来腈为识别基团,能与次氯酸根离子反应,触发荧光“开关”响应。这种探针能够快速、特异性地识别ClO?,且不受干扰物质的影响。此外,实验表明该探针具有较低的细胞毒性,可用于活细胞和斑马鱼中内源性和外源性ClO?的成像。

引言

次氯酸根作为一种强氧化剂,在众多生物和化学环境中起着至关重要的作用。它不仅对免疫系统中的白细胞生成至关重要,还参与防御机制,包括体内的抗菌和抗病毒作用[[1], [2], [3]]。此外,次氯酸根在各种工业过程、废水处理和环境监测中也具有重要作用[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。然而,次氯酸根的过量或不足都可能导致健康问题[[13]]。研究表明,高水平的次氯酸根会引起细胞氧化应激和组织损伤[[14,15]],并与心血管疾病、神经退行性疾病和癌症等疾病的发病密切相关[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。因此,准确、灵敏地检测次氯酸根离子浓度,特别是在复杂的生物系统中的动态变化,已成为现代生物医学研究和环境监测的关键焦点。
传统的次氯酸根离子检测方法,如化学分析、电化学方法和色谱技术,具有较高的准确性和可靠性。然而,这些方法通常繁琐、耗时且成本较高,因为需要专门的设备。此外,它们无法实时监测次氯酸根浓度的变化。其中一些方法还需要大量的样品处理,并可能受到复杂生物样品中干扰物质的影响,从而影响结果的准确性[[23], [24], [25], [26]]。荧光探针因其高灵敏度和快速响应特性而受到广泛关注,能够实现实时监测。目前,已经开发出多种多功能荧光探针用于检测次氯酸根[[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]]。然而,如图1所示,尽管这些探针在检测灵敏度和选择性方面有所改进,但仍存在许多问题,如反应速率慢、荧光信号不稳定以及背景干扰严重[[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]]。因此,开发性能更优的新型荧光探针以检测次氯酸根离子仍是当前研究的核心课题。
本研究旨在设计并合成一种新型荧光探针Bq-CN,用于检测次氯酸根离子。该探针基于苯醌骨架,通过引入特定的反应基团,在次氯酸根存在下可产生显著的荧光变化。Bq-CN探针能够有效追踪活细胞和斑马鱼中的外源性和内源性ClO?。预期这项研究将为快速、灵敏地检测次氯酸根提供新的工具,并为相关领域的研究提供有力支持。

材料与设备

所有试剂和溶剂均来自商业供应商,未经进一步纯化即使用。1H NMR和13C NMR光谱使用JEOL BCS 400 MHz光谱仪获得。质谱数据使用连接LQC系统的ESI质谱仪获取。UV–Vis吸收光谱在Varian Cary 4000分光光度计上记录。单光子荧光光谱使用Hitachi F-7000荧光光谱仪测量。pH值测量使用...

Bq-CN的合成

该探针按照方案1合成,首先以10-羟基苯醌为起始底物,利用六亚甲基四胺(HMTA)的甲酰化反应性质制备醛中间体Bq-1,随后Bq-1与二氨基马来腈缩合生成最终产物Bq-CN。当探针与ClO?反应时,双键断裂并被去除,生成苯醌荧光母核,该母核能够发生结构变化...

结论

Bq-CN探针可用于检测次氯酸根。该探针利用次氯酸根对腙基的氧化断裂作用,释放出具有ESIPT效应的荧光核,实现荧光信号的“开关”响应。它具有较快的响应时间、强的抗干扰能力,并能在较宽的pH范围内稳定工作。活细胞成像和斑马鱼实验表明,该探针能够实时追踪ClO?的浓度,为相关研究提供了重要的工具。

作者贡献声明

赵宏伟:项目监督、资源调配、项目管理、资金筹集。郭世佳:初稿撰写、验证、软件开发、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。建亚洲:审稿与编辑、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

太原市科学技术局支持了这项研究。感谢匿名审稿人的宝贵意见。
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