一种由信息通信技术（ICT）激活的香豆素-马来腈“开关型”探针，用于超高灵敏度的肼检测和细胞成像

《Microchemical Journal》：An ICT-activated Coumarin-Malononitrile “turn-on” probe for ultra-sensitive hydrazine sensing and cellular imaging

本研究开发了一种新型基于coumarin的荧光探针CBM1，通过malononitrile基团实现选择性检测氢化物。该探针在60%水/乙醇、pH7.4条件下对0.20-100 μM浓度氢化物线性响应（R2=0.9904），检测限0.079 μM，具有低细胞毒性，并在环境样本和A549细胞中有效成像。

　　

Xin Liu|Dandan Yu|Zhiguang Song|Guodong Feng

吉林大学化学学院，中国长春市，吉林130012

摘要

肼（N?H?）是一种高毒性和环境持久性的试剂，广泛用于火箭推进剂、农用化学品、制药和有机合成领域。本文介绍了一种新型的基于香豆素的“开启型”荧光探针CBM1，该探针含有马来酰亚胺识别基团。CBM1在未与肼反应时几乎不产生荧光，而与肼反应后会在511纳米处发出强烈的荧光。在优化条件下（60% H?O/EtOH，pH 7.4，反应时间20分钟），511纳米处的荧光强度随肼浓度从0.20微摩尔增加到100微摩尔线性增加（R2=0.9904），检测限为0.079微摩尔（3σ/k）。CBM1对常见金属离子和阴离子具有优异的选择性，并在添加了肼的自来水及湖水样品中表现出可靠的检测性能（回收率在87.31%到112.2%之间）。此外，CBM1具有较低的细胞毒性，能够有效实现对A549细胞内肼的成像。这种简便且成本较低的探针为环境和生物环境中肼的灵敏选择检测提供了有力工具。

引言

肼（N?H?）是一种无色、易燃的液体，具有刺鼻的气味，因其强还原能力而被广泛用于火箭推进剂[[1], [2], [3], [4], [5]]、农用化学品合成、制药和有机反应。由于其高水溶性和急性毒性[[6], [7], [8]]，肼污染对环境和健康构成重大风险，包括肝毒性、肾毒性和神经毒性。此外，肼可通过呼吸道和口腔黏膜轻易进入人体，过量摄入可导致肝脏、肾脏和神经系统的不可逆损伤。鉴于这些危害，美国环境保护署已将饮用水中肼的最大允许浓度设定为10 ppb[9]，这凸显了开发快速、用户友好且高灵敏度检测方法的必要性。

传统的肼定量技术，如电化学传感器[10]和高性能液相色谱[11; 12]，虽然灵敏度较高[13; 14]，但需要昂贵的仪器设备，样品制备过程复杂，且通常不适用于原位或生物分析。相比之下，小分子荧光探针具有操作简便、成本低廉和实时监测的优势[[15], [16], [17], [18], [19]]，因此受到广泛关注。肼选择性荧光探针通常包含乙酰基[[20], [21], [22]]、邻苯二甲酰亚胺[[23], [24], [25]]、丙酮酸酯[[26; 27]]和马来酰亚胺[[28; 29]]等识别基团，这些基团与肼反应会改变荧光性质。其中，马来酰亚胺作为一种强吸电子基团[[30,31]]，能与肼形成腙，从而引发显著的光学变化[[32,33]]。

香豆素衍生物因其高量子产率、光稳定性和较大的斯托克斯位移[[34], [35], [36], [37], [38], [39]]而被广泛用作荧光团。在本研究中，我们通过将香豆素与含有氮原子的杂环结构在7位连接，限制其旋转并增强腙形成时的荧光强度，开发了一种新的肼响应探针CBM1。我们合成了三种具有不同7位取代基的衍生物（CBM1–CBM3），并确定CBM1为最佳候选探针。对其光物理性质、传感机制（DFT, B3LYP/6-31G*）、分析性能、实际样品分析和细胞成像能力进行了全面评估。

材料与测量

所有试剂和溶剂均为分析级，除非另有说明，否则无需进一步纯化即可使用。关于CBM前体、马来酰亚胺及其他合成所用起始材料的详细信息，请参见补充信息中的“通用信息”。¹H NMR和¹³C NMR光谱是在Bruker AVANCE III 400 MHz光谱仪上使用TMS作为内标记录的。紫外-可见吸收光谱使用Shimadzu UV-2700分光光度计测定。荧光数据也通过该仪器获得。

CBM探针的设计与合成

香豆素衍生物因其高荧光量子产率、光稳定性和优异的溶解性而成为设计荧光探针的理想选择。在本研究中，我们设计了一系列基于香豆素的荧光分子用于检测肼（N?H?），其中香豆素作为电子供体，马来酰亚胺作为电子受体。为了研究取代基对香豆素荧光性质的影响，我们进行了相关实验。

CRediT作者贡献声明

Xin Liu：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据整理。Dandan Yu：方法学设计、实验实施、数据分析。Zhiguang Song：撰写修改稿、监督工作、资金筹集。Guodong Feng：撰写修改稿、监督工作、概念构思。

未引用参考文献

[11], [12], [13], [14], [26], [27], [28], [29]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢吉林省发展和改革委员会（2023C043-3）提供的财政支持。