基于空间位阻调控ICT机理的近红外荧光探针：氟离子的超灵敏检测与生物成像应用

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Ultrasensitive near-infrared fluorescent probe for precise fluoride detection and its application in bioimaging

本研究针对传统氟离子(F?)检测方法无法实时监测、仪器复杂等瓶颈问题，开发了一种基于二氰亚甲基-4H-苯并吡喃(DCM)骨架的近红外(NIR)荧光探针。该探针通过硅醚门控的分子内电荷转移(ICT)机制，实现了对F?的高选择性检测（检测限11.3 nM），并成功应用于活细胞成像。这项研究为生物环境中的氟离子监测提供了新型光学工具，对理解氟离子的生物效应具有重要意义。

　　

氟离子在生物体和环境中扮演着双重角色：适量时对牙齿健康和骨骼发育至关重要，但过量摄入会导致氟斑牙、氟骨症等健康问题。随着氟化物在饮用水处理、口腔护理产品和工业生产中的广泛应用，开发高效精准的氟离子检测方法成为环境监测和生物医学研究的重要课题。传统检测方法如离子选择电极和色谱技术虽然成熟，但存在操作复杂、需要大型仪器、无法实现实时原位监测等局限性，特别是在活体生物样本中的应用受到很大限制。

在这一背景下，荧光探针技术因其高灵敏度、快速响应和良好的生物相容性等优势脱颖而出。近日发表在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》上的研究报道了一种创新型近红外荧光探针，为解决氟离子实时监测难题提供了新方案。

研究团队采用了几项关键技术方法：基于二氰亚甲基-4H-苯并吡喃(DCM)骨架的分子设计合成、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析、密度泛函理论(DFT)计算以及共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)生物成像。实验使用了来自济南大学嘉子湖和山东东营黄河段的实际水样，以及iCell Bioscience Inc.提供的HeLa细胞模型。

光学性质与选择性

研究人员通过系统评估探针与多种干扰离子的相互作用，证实了其对氟离子的高度特异性。紫外-可见吸收光谱显示，只有氟离子能引起探针特征吸收峰的显著变化，而其他阴离子如氢氧根(HO^?)、碳酸氢根(HCO₃^?)、氰根(CN^?)等均不产生明显干扰。这种选择性源于硅-氧(Si?O)键对氟离子的特异性响应机制。

响应性与稳定性

该探针展现出卓越的检测性能：响应时间在5分钟内达到平衡，发射波长位于近红外区域(650 nm)，并具有205 nm的超大斯托克斯位移(Stokes shift)。这一特性有效降低了生物样本中自发荧光的干扰，显著提高了信噪比。检测限低至11.3 nM，在0-10 μM浓度范围内呈现良好的线性关系(R²>0.999)。探针在pH 5.5-10.0范围内保持稳定，适用于生理环境下的检测需求。

传感机制解析

通过密度泛函理论计算和核磁共振氢谱(¹H NMR)分析，研究团队揭示了独特的"空间位阻调控的分子内电荷转移(ICT)"机制。在探针分子中，三异丙基硅基(TIPS)保护基团通过空间位阻效应抑制了给体-受体间的电子转移。氟离子触发硅-氧键断裂后，酚羟基暴露，恢复了完整的ICT过程，从而激活近红外荧光发射。理论计算表明，最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)的能级变化与实验观测高度一致。

实际水样应用

在实际水样检测中，探针表现出优异的准确度和精密度。对济南大学嘉子湖水和黄河水样的检测结果显示，相对标准偏差(RSD)≤3.5%，显著优于传统离子选择电极方法(RSD≤6.5%)。加标回收实验进一步验证了该方法在实际环境样品中的可靠性。

生物成像应用

细胞实验表明，探针具有低细胞毒性和良好的生物相容性。在HeLa细胞模型中，探针成功实现了对 exogenous F^?的可视化监测。共聚焦显微镜成像显示，荧光信号主要定位于细胞膜区域，且强度随氟离子浓度(5μM→20μM)增加而增强，证明其具有浓度依赖性检测能力。释放的荧光团也显示出优异的成像性能，进一步验证了识别机制的可行性。

该研究成功构建了一种基于DCM骨架的近红外荧光探针，通过创新的空间位阻调控ICT机制实现了对氟离子的高选择性、高灵敏度检测。探针不仅在实际水样检测中表现出优于传统方法的性能，更重要的是成功应用于活细胞成像，为实时监测生物体内氟离子动态变化提供了有力工具。这项工作的意义在于将先进的荧光团工程与实际问题解决相结合，为环境监测和生物医学研究提供了新的技术路径，对理解氟离子的生物效应和开发相关诊疗方法具有重要价值。研究揭示的分子设计策略也为开发其他离子检测探针提供了有益借鉴。