基于纤维素的双响应荧光探针在关节炎小鼠模型中实现pH与次氯酸同步检测及成像

本文开发了一种新型纤维素基双响应荧光探针，可高灵敏度、高选择性同步检测pH与次氯酸（HClO）。该探针通过将4-(2-氨乙基氨基)-1,8-萘酰亚胺（pH响应单元）与修饰尼罗红（HClO响应单元）接枝于甲苯磺酰活化纤维素制备而成，在560 nm和670 nm处分别对pH降低和HClO浓度升高呈现显著荧光增强，检测限（LOD）达0.186 μM。探针具备良好生物相容性，成功应用于细胞、斑马鱼及关节炎小鼠模型的实时成像，为临床关节炎监测提供新工具。

　　

¹仪器与试剂

实验所用全部仪器与试剂详见补充信息。

²NM的合成

合成流程如方案2所示。参照文献方法稍作修改制备化合物1和2。将4-溴-1,8-萘二甲酸酐（277.0 mg, 1.0 mmol）与叔丁基（2-氨乙基）氨基甲酸酯（330.0 mg, 2.0 mmol）在乙醇（10 mL）中氮气保护下回流4小时。冷却至室温后，反应混合物经减压浓缩，残余物通过硅胶柱层析纯化，得到黄色固体产物NM。其结构经核磁共振氢谱（¹H NMR）和高分辨质谱（HRMS）验证。

³Ts-NM-NR的合成与表征

如方案2所示，通过多步功能化策略合成纤维素基双响应荧光探针Ts-NM-NR。中间体及终产物采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、¹H NMR和¹³C NMR进行系统表征。

FT-IR谱图（图1a）显示，纤维素中位于3400 cm^-1附近的宽O-H伸缩振动峰在Ts-NM-NR和Cel-Ts中均变窄减弱，表明羟基被有效取代。XRD图谱（图1b）表明纤维素结晶度在改性后发生改变，证明小分子成功接枝。XPS分析（图1c）进一步证实了碳、氧、氮、硫元素的存在及其化学环境变化，符合预期结构。SEM图像（图1d）显示探针呈现多孔网状形貌，有利于分析物扩散和荧光响应。

⁴光学性能研究

探针Ts-NM-NR的光学性质被详细研究。在pH响应测试中，随着溶液pH值降低，探针在560 nm处荧光强度增强约5倍，归因于NM单元的质子化过程。在HClO响应测试中，随着HClO浓度增加，探针在670 nm处荧光显著增强，这是由于NR单元的特异性氧化反应。探针对HClO的检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别约为0.186 μM和0.621 μM，显示出高灵敏度。通过密度泛函理论（DFT）计算和高分辨质谱（HRMS）分析探讨了检测机理。

⁵生物成像应用

凭借其高生物相容性和灵敏度，Ts-NM-NR成功应用于活细胞和斑马鱼中pH和HClO的动态变化监测。在细胞实验中，探针能清晰显示炎症刺激引起的pH下降和HClO爆发。在斑马鱼模型中，探针实现了对体内ROS水平变化的实时成像。进一步地，在关节炎小鼠模型中，探针有效可视化关节部位的酸性微环境和HClO过表达，荧光成像稳定性可持续3小时，12小时后信号强度仍超过50%。

⁶总结

本研究设计了一种能够同步检测pH和HClO的纤维素基双响应荧光探针Ts-NM-NR。利用FT-IR、XRD、XPS和¹H NMR等技术确认了其结构，并深入研究了其光学性质。该探针因其纤维素基底而具备高灵敏度、优异选择性和良好生物相容性。凭借这些优势，Ts-NM-NR成功用于关节炎小鼠模型的体内评估，证明了其作为临床关节炎实时监测工具的潜力。