综述：面向食品安全与疾病诊断的硫化氢精确检测的综合见解

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Comprehensive insights about accurate susceptibility detection towards hydrogen sulfide for food safety and disease diagnosis

本综述系统阐述了荧光探针在H2S检测领域的最新进展，重点介绍了其设计策略（如DNP、N3等识别基团）与传感机制。文章强调开发能实时成像并准确定量生物体内H2S的新型探针，对阐明其病理生理学机制（如调控HIF-1α/VEGF通路）及评估食品新鲜度（作为挥发性生物标志物）的双重意义，为生物医学研究和食品安全监测提供了创新思路。

　　

Abstract

Background

氢硫化（H₂S）是一种具有特征性刺激性气味的无色气体，既是超过一定阈值的有毒环境污染物，也是生物系统中第三种内源性气体信号分子。它在维持氧化还原稳态和介导多种细胞保护效应方面发挥关键作用，从而参与多种生理和病理过程。同时，H₂S是高蛋白食品中关键的挥发性新鲜度生物标志物，其积累与腐败变质密切相关。

Results

随着荧光成像技术的快速发展，小分子荧光探针因其无创性、高选择性以及原位实时检测能力，已成为可视化生物信号过程和监测食品安全的最有力工具之一。因此，实时监测H₂S对于阐明其药理学和病理生理学机制至关重要，也对食品质量评估变得不可或缺。本综述总结了在生物和食品基质中用于H₂S检测的荧光探针的设计策略和响应机制的最新进展。我们强调了开发能够实时成像和准确定量体内H₂S的新型探针的重要性，这将极大地促进对其功能作用的理解并支持相关疾病的早期诊断。此外，我们讨论了基于荧光的检测方法在监测食品样品中H₂S生成方面的应用，强调了其在确保食品安全方面的实际效用。

Significance

本系统概述旨在为开发针对H₂S的新一代荧光探针提供有价值的见解和指导，并在生物医学研究和食品质量监测中具有双重应用。所有这些努力将有利于确保食品安全，并加速关于疾病诊断和病理机制的进一步研究，从而为相关疾病治疗提供更多新思路和新方法。

Introduction

氢硫化（H₂S）是一种重要的信号调节分子，普遍存在于哺乳动物中，是一种能够直接或间接影响神经中枢的内源性气体。氢硫化还可以参与机体免疫系统和心血管系统的调控，而异常的氢硫化浓度可能与许多有害疾病有关，例如高血压、亨廷顿病、唐氏综合症等。H₂S的代谢会影响机体的调节，因此准确监测H₂S浓度的变化极为迫切。作为一种气体信号调节分子，H₂S的生理机制备受关注，其存在与人类健康和生命密切相关。研究表明，H₂S可以通过多种机制促进肿瘤血管生成，例如降低肿瘤组织间的流体压力、增加血管通透性、改善缺氧环境以及减少免疫抑制。此外，H₂S可能通过调节缺氧诱导因子（HIF-1α）的表达和刺激血管内皮生长因子（VEGF）来促进肿瘤血管生成。研究还发现，由胱硫醚-β-合酶（CBS）产生的H₂S维持结肠癌细胞的生物能量，支持肿瘤生长和增殖，并促进血管生成和血管舒张。CSE、CBS和3-MST表现出不同的组织分布和亚细胞定位：CBS主要位于肝脏和中枢神经系统；CSE是心血管系统中H₂S的主要来源，也表达于外周血管系统；同时，3-MST主要位于线粒体。H₂S的亲脂性和产H₂S酶的定位优势共同决定了H₂S在调节血管舒张、血管生成和抗内皮细胞衰老中起着至关重要的作用，这与人体内的各个系统密切相关。例如，H₂S参与中枢神经系统的调节，对于延缓和治疗痴呆具有重要价值。H₂S表现出多种生物活性，尤其在器官保护方面作用显著。在抗病毒防御方面，内源性H₂S已被证明能有效控制呼吸道合胞病毒（RSV）诱导的肺部疾病，突显了其在宿主防御中的关键功能。值得注意的是，H₂S表现出深远的肾脏保护作用：它通过抑制细胞凋亡和活性氧（ROS）信号通路来减轻慢性肾损伤。此外，通过其联合的抗氧化、抗凋亡和抗炎特性，H₂S可减轻肾缺血再灌注损伤，并通过恢复Na⁺/K⁺-ATP酶活性来抵消高盐诱导的高血压。另外，H₂S对骨骼系统具有保护作用。在骨骼肌内，它发挥抗氧化作用，减轻氧化应激并抑制金属肽酶活性，从而减少脊髓损伤相关的骨丢失。在细胞水平上，H₂S通过抑制氧化应激、调节MAPKs信号传导和激活PI3K/Akt通路来保护MC3T3-E1成骨细胞免受H₂O₂诱导的细胞凋亡。

除了医学诊断应用，H₂S这种具有恶臭的有毒气体，常被用作食品腐败的生物指示剂，尤其是在肉制品中，其水平直接影响产品的新鲜度。荧光探针也已用于食品安全评估，特别是在食品保鲜和腐败特性的鉴定方面。在食品样品中实施H₂S增强检测技术，并结合潜在污染物的即时检测，可以显著提高全球食品供应网络的安全性。此外，氢硫化对食品质量评估和人类健康具有显著影响。传统的H₂S检测方法，如亚甲蓝分光光度法，存在灵敏度中等、重现性差和过程耗时等局限性。同样，气相色谱/质谱法（GC/MS）需要复杂的样品制备，涉及昂贵的仪器，并且不适用于体内应用。电化学方法虽然具有优势，但易受硫醇干扰，选择性不理想，并且常常破坏生物样品。目前，虽然有许多精确检测H₂S的方法，但由于空间分辨率差和组织穿透浅，它们在活体生物中的应用仍然具有挑战性。因此，迫切需要建立可靠的方法来定量检测食品商品和生物样本中的H₂S，这不仅有助于促进食品安全标准的提高和阐明氢硫化在病理生理过程中的作用，而且为某些疾病的预防和控制提供重要的科学依据。

随着人类技术和认知的提高，对快速、精确检测方法的需求日益迫切。与其他检测方法相比，荧光探针的优势逐渐显现，例如对细胞无毒、高灵敏度、实时检测和高信噪比。基于荧光探针的检测已成为常用方法之一，荧光探针的构建逐渐吸引了科学家的关键关注并被不断探索。这些优势通过开发用于检测H₂S等信号分子的多种荧光探针得到了有力例证，使得能够在复杂生物系统中可视化其产生和功能。在此进展中，基于对具有识别机制的硫化氢荧光探针的总结，很好地组织了用于硫化氢识别的探针的机制、特性和应用。这应为食品安全专家提供有价值的基础研究知识库和创新思路，并拓展生物医学发展的潜在视野。

Current fluorescent probes, design strategy and sensing mechanisms

有机分子荧光探针因其良好的生物相容性、高灵敏度、快速响应、低成本和多功能集成而日益受到人们的青睐。目前，已经开发出许多具有优异结构的荧光团衍生物探针，包括吡啶类、罗丹明类、香豆素类和荧光素类等。这些探针大多具有低细胞毒性、实时检测和高选择性等特点，并有望实现对H₂S的高灵敏度和特异性检测。探针的设计策略通常基于H₂S的特异性化学反应，例如亲核加成、还原反应或金属配合物解离。常见的识别基团包括2,4-二硝基苯醚（DNP）、叠氮基团（N₃）和2,4-二硝基苯磺酸酯等。这些基团与H₂S反应后，会引起探针分子结构或电子状态的变化，从而导致荧光信号的开启、关闭或波长移动，实现对H₂S的传感。

Summary and prospect

在过去几年中，用于H₂S检测的活性基荧光探针已展现出相当大的多样性和高灵敏度，然而，一个普遍理想的探针仍然难以找到。在食品科学和生物医学研究领域，H₂S荧光探针的开发和应用呈现出明显差异化的需求。当前利用2,4-二硝基苯醚（DNP）、叠氮基（N₃）和2,4-二硝基苯磺酸酯等识别部分的探针在灵敏度和选择性方面取得了显著进展，但在生物相容性、组织穿透深度、以及复杂基质中的抗干扰能力方面仍需进一步优化。未来的研究方向可能包括开发近红外或双光子探针以改善活体成像深度，设计多模式探针结合其他检测技术，以及创建能够区分不同活性硫物种的智能探针。所有这些努力将共同推动H₂S在基础生物学、疾病诊断和治疗以及食品安全监测中的应用。

Declaration of competing interest

作者声明，他们没有已知的、可能影响本报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgement

我们感谢福建省科技厅创新联合基金（项目编号：2023Y9415）和2024年福建省科技厅指导性项目（项目编号：2024N0056）的财政资助。