《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Alkyl cyclization effects on the polarity response mechanism and properties in difluoroboron
β-diketonate based fluorescent probes
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荧光探针MTO高效检测环氧氯丙烷及其在环境与生物中的应用
张雪|侯梦涵|周慧萍|刘鹏|张光友|王雪英|郭文娟|姜娜
济南大学化学与化学工程学院，中国济南250022。
摘要
环氧氯丙烷（ECH）作为一种在工业生产中广泛使用的关键有机化合物，若过量释放会对生态环境和人类健康造成严重威胁。为了有效评估和减轻ECH带来的环境风险，开发快速、准确且高效的检测方法已成为紧迫的研究课题。本文介绍了一种新型荧光探针（MTO），用于ECH的检测。值得注意的是，这种荧光传感策略是迄今为止首次报道的ECH检测技术。MTO在纯水体系中能够对ECH产生“开启”荧光响应，表现出优异的灵敏度和选择性，较大的斯托克斯位移（Stokes shift），检测限为7.7 μM。在实际应用中，MTO已成功用于检测多个地区的水样和食品样品中的ECH，并在HeLa细胞和拟南芥中实现了生物检测，显示出其在环境监测和生物研究中的广泛应用潜力。
引言
水是生命的基本资源，其污染直接影响人类健康[1]。环氧氯丙烷（ECH）被确认为致癌物，由于其在化学工业中的广泛应用及其可能污染水源的能力，引起了越来越多的关注[[2], [3], [4]]。另一方面，作为生命的基本资源，水极易受到此类污染，这对人类健康构成重大风险。据报道，ECH对人类的毒性主要通过两种机制发挥作用[[5], [6], [7]]：（1）ECH作为一种强效的烷基化剂，能够与DNA中的亲核位点形成共价加合物，从而引发基因毒性并可能导致突变；（2）由于其内在的亲电性，ECH对细胞蛋白质中的巯基（-SH）具有明显的反应性，包括还原型谷胱甘肽（GSH），导致氧化应激、硫醇依赖性的氧化还原平衡破坏，以及重要的代谢和解毒途径受损。鉴于其毒性，国际癌症研究机构（IARC）将ECH归类为2A类致癌物，表明它可能对人类具有致癌性[[8], [9], [10]]。因此，长期或高浓度暴露于ECH可能会显著增加患呼吸道和造血系统恶性肿瘤（如肺癌和鼻咽癌）的风险[11,12]。因此，监测ECH的环境浓度非常重要。
已经开发了几种常用的ECH检测方法，如气相或液相色谱质谱[[13], [14], [15]]、电化学技术[16]等。然而，这些方法的效率较低，且预处理过程繁琐，分析结果常受到一些不利因素的干扰[[17], [18], [19]]。近年来，基于荧光的分析方法因具有高灵敏度、快速响应、良好的重复性和简单操作性而受到广泛关注[[20], [21], [22], [23], [24], [25]]。由于荧光探针的优势，一些荧光探针已被成功用于检测挥发性有机化合物，例如甲醛[26]、丙烯酰胺[27]等。遗憾的是，关于它们在ECH特异性检测方面的应用研究尚较少。迄今为止，文献中尚未有报道在水中和活细胞中检测ECH的方法。
本文合成了一种荧光“开启”响应探针5-(2-巯基噻唑-4-基)噻吩-2-羧酰胺（MTO），以药物阿普雷诺洛尔（Alprenolol）的药用中间体作为结构基础来检测ECH。在荧光探针分子的设计中，我们利用了阿普雷诺洛尔中的酰胺结构，酰胺作为一种吸电子基团，有助于分子内的电荷转移（ICT）。为了在分子内建立推拉电子系统，在探针的另一端引入了一个供电子基团。考虑到ECH具有高度活性的环氧环，并且已知容易与巯基发生开环反应[28]，我们在供电子基团处引入了巯基。这种合理的设计促成了MTO的开发，这是首个用于检测ECH的荧光探针。MTO在纯水中对ECH表现出高选择性和灵敏度，对ECH的线性荧光响应的检测限低至7.7 μM。此外，它还具有较大的斯托克斯位移（168 nm），可以有效减弱自吸收的影响并减少自发荧光的干扰[[29], [30], [31]]。值得注意的是，MTO已成功应用于环境水、中国白酒、牛奶、茶叶、西瓜和土壤中ECH的检测。此外，MTO还能在HeLa细胞和拟南芥中成像ECH。这些优异的性能表明MTO具有强大的ECH检测能力，使其成为环境污染物监测、食品安全保障和生物标志物检测等实际应用中的有希望的候选探针。
材料与设备
实验中使用的有机化学试剂和实验设备详见支持信息。
MTO的合成
二甲基噻吩-2,5-二羧酸（M2）的合成：将噻吩-2,5-二羧酸（M1，172.00 mg，1 mmol）和甲醇（10 mL）加入反应烧瓶中。在室温下逐滴加入硫酰氯（0.29 mL，4 mmol）。加完反应物后，将混合物加热至回流状态4小时，然后冷却至室温。
MTO的制备
本文开发了一种新型荧光“开启”探针MTO，用于检测ECH，该探针基于药物阿普雷诺洛尔（Alprenolol）的药用中间体。MTO是一种具有较大斯托克斯位移和优异生物相容性的分子内电荷转移（ICT）荧光团。如图1所示，酰胺键作为吸电子基团，而巯基不仅作为供电子基团，还是ECH的识别位点。与ECH反应后，分子内部形成推拉电子系统
结论
总结来说，本研究成功开发了一种新型荧光探针MTO，用于高效检测ECH。在纯水中，MTO对ECH表现出明显的荧光“开启”效应。作为首个基于荧光的ECH检测方法，MTO表现出优异的选择性、灵敏度和较大的斯托克斯位移，检测限为7.7 μM。此外，通过理论计算和MTO与ECH之间的分子间相互作用机制
实验对象声明
HeLa细胞样本购自中国科学院上海分院的类型培养物库。
CRediT作者贡献声明
张雪：撰写 – 原始草稿，实验研究，数据管理。侯梦涵：方法学设计。周慧萍：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。刘鹏：数据管理。张光友：实验研究。王雪英：数据可视化。郭文娟：监督，软件操作。姜娜：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢河南三门峡奥克化工有限公司（W2024294）提供的财务支持。同时感谢山东省自然科学基金（2016ZRB01AHM）的资助。
