基于汞诱导的二硫乙醛水解反应的汞离子（Hg2+）颜色测定和荧光“关闭”传感器

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Colorimetric and fluorescent “turn-off” sensors for Hg2+ based on mercury-induced hydrolysis of dithioacetals

本文设计并合成了三种基于二硫代甲酯荧光探针（Hg-5、Hg-6、Hg-7），通过调节环大小优化空间位阻与杂环稳定性，实现Hg2+的高选择性检测。探针在生理pH下对Hg2+响应迅速（<1分钟），检测限低至0.04 μM，并成功应用于细胞成像。

　　

罗宇琪|杨文怡|薄远芳|宋润泽|张伟兵|钱俊宏

中国华东科技大学化学与分子工程学院功能材料化学上海重点实验室，上海，200237

摘要

本研究设计并合成了三种针对Hg²⁺的荧光探针，分别命名为Hg-5、Hg-6和Hg-7，这些探针在N,N-二乙基-7-氨基香豆素荧光团中引入了环状二硫缩醛识别单元。在生理pH条件下，这些探针对Hg²⁺表现出高度的选择性和强烈的抗干扰能力，优于其他竞争离子。这些探针既可用于水溶液中Hg²⁺的比色定量分析，也可用于活细胞中Hg²⁺的共聚焦荧光成像。值得注意的是，二硫缩醛基团的环大小由于空间效应和杂环稳定性而对响应动力学有显著影响。对Hg²⁺的响应时间顺序为Hg-5 > Hg-6 > Hg-7。此外，Hg-7在0.5–20 μM浓度范围内，其吸光度比A₄₄₆/A₄₀₀以及485 nm处的荧光强度与Hg²⁺浓度之间呈现出良好的线性关系（R² = 0.99），其检测限（LOD）为0.04 μM。

引言

汞是一种高毒性和危险性的重金属，具有易迁移、高生物累积性、靶向蛋白质以及难以生物降解的特性[1]。它主要以元素汞、无机汞和有机汞的形式存在[2]。在生物酶的催化作用下，无机汞可被微生物转化为高毒性的甲基汞，并在低等植物和动物体内富集，最终通过食物链进入人体[3],[4],[5]。汞能迅速与蛋白质和生物酶结合，导致中枢神经系统损伤、免疫功能障碍和肾脏损伤[6],[7],[8],[9]。因此，开发高灵敏度和选择性的Hg²⁺检测方法具有重要意义[10,11]。

由于荧光技术具有高灵敏度、良好选择性和实时成像等优点[12],[13],[14]，在生命科学、环境监测和疾病诊断领域具有广泛的应用前景。迄今为止，已有许多基于含氧（O）、氮（N）和硫（S）配体的Hg²⁺螯合荧光探针被报道[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21]。然而，一些共存离子（如Ag⁺、Al³⁺、Co²⁺和Cu²⁺）也可能与这些配体形成复合物，干扰汞的检测。保护基团（如硫缩醛、硫代碳酸酯、腙、丙烯醚）的脱保护可能会引起电子性质的显著变化，这也是设计荧光探针的另一种策略[22],[23],[24],[25],[26]。在温和条件下，Hg²⁺可诱导硫缩醛水解生成醛，从而改变荧光探针的电子效应和分子内电荷转移（ICT）效率，进而改变其光物理性质。基于硫缩醛的荧光探针预计对Hg²⁺具有高度选择性，并能有效避免其他共存离子的干扰[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33],[34],[35]。尽管一些已报道的硫缩醛基团探针存在响应速度较慢或需要有机溶剂等缺点，且其功能在一定程度上受分子结构的影响，但本研究通过优化分子结构，致力于开发性能优良的荧光探针。

香豆素因其高稳定性、良好的荧光量子产率、优异的溶解性和易于修饰的特性，在荧光探针的设计中得到了广泛应用[36],[37],[38],[39],[40]。在本研究中，基于二硫缩醛的脱保护反应，设计并合成了三种针对Hg²⁺的荧光探针，分别为Hg-5、Hg-6和Hg-7（见图1）。N,N-二乙基-7-氨基香豆素和环状二硫缩醛分别作为荧光团和识别单元。环状二硫缩醛的3位和7位（N,N-二乙胺）取代基均为电子给体（D），使探针具有D-π-D结构，具有相对较短的吸收和发射波长。3位二硫缩醛的脱保护生成吸电子的醛基团，增强了电子的推拉效应，从而导致光谱红移。因此，这些探针应能对Hg²⁺产生比色和比率荧光响应。此外，还研究了杂环稳定性和受体空间阻碍对探针对Hg²⁺光谱响应的影响。实验结果表明，这三种探针均对Hg²⁺表现出比色和荧光“关闭”响应，可用于活细胞中Hg²⁺的生物成像。此外，探针的性能还受到二硫缩醛环大小的影响，这可能为探针设计提供一些参考信息。

部分内容

Hg-5、Hg-6和Hg-7的合成

Hg-5、Hg-6和Hg-7的合成过程见图1，其结构通过¹H NMR、¹³C NMR和HR-MS（图S18–20）进行了验证。

中间产物m1和m2是根据我们之前的工作[41]合成的并进行了纯化。¹H NMR（400 MHz，氯仿-d）显示m1的核磁共振谱为：δ (ppm)：7.54 (d, J = 9.3 Hz, 1H), 7.24 (d, J = 8.8 Hz, 1H), 6.57 (dd, J = 8.8, 2.5 Hz, 1H), 6.49 (d, J = 2.5 Hz, 1H), 6.04 (d, J = 9.3 Hz, 1H), 3.41 (q, J = 7.1 Hz, 4H), 1.21 (t, J = 7.1 Hz, 6H)。

结果与讨论

测试介质对荧光探针的光物理性质和光谱响应有显著影响。为了获得最佳的检测系统，我们在三种常用缓冲液（pH 7.4）Tris-HCl、HEPES和PBS中测定了Hg-6的吸收和发射光谱（见图S1）。结果表明，在Tris HCl和HEPES缓冲液中，Hg²⁺的存在对其影响很小。

结论

基于Hg²⁺诱导的二硫缩醛脱保护作用，设计并合成了三种比色和荧光探针Hg-5、Hg-6和Hg-7。Hg²⁺导致所有探针的吸收光谱发生红移，并显著抑制了荧光强度。反应产物Hg-CHO的荧光较弱，可能是由于非辐射跃迁路径（如与水的氢键结合或分子振动）所致。响应时间明显受到二硫缩醛大小的控制。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFD1700800）的财政支持。