一种基于四苯乙烯衍生物的新型智能手机辅助“开-关-开”荧光探针，用于焦磷酸盐检测

《Dyes and Pigments》：A Novel Smartphone-Assisted “on-off-on” Fluorescence Probe Based on Tetraphenylethylene Derivative for Pyrophosphate Detection

本研究开发了一种基于四苯乙烯衍生物（LBTPE-8DHAB）的智能手机辅助“on-off-on”荧光探针，用于灵敏检测水溶液中的焦磷酸（PPi）。通过UV-Vis吸收和荧光光谱表征，探针与Fe3+形成非发射性复合物，PPi竞争结合释放探针并恢复荧光，检测限达1.89×10^-5 M。结合智能手机RGB分析策略，该方法实现了便携、低成本、用户友好的定量检测，适用于生物医学和食品安全分析。

　　

黄汉军|涂佳俊|黄世清|田凯丽|刘俊杰|Wittaya Ngeontae|韩晔|孙海军|任向奎

天津大学化学工程与技术学院，天津膜科学与海水淡化技术重点实验室，中国天津市300350

摘要

开发了一种基于四苯乙烯衍生物（LBTPE-8DHAB）的智能手机驱动的“开-关-开”荧光探针，用于检测水溶液中的焦磷酸盐（PPi）。通过紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱研究了LBTPE-8DHAB的光物理性质，并通过荧光寿命测量、Job图分析和Zeta电位表征进一步阐明了其传感机制。LBTPE-8DHAB通过与Fe³⁺的配位诱导淬灭形成非发光复合物，随后加入PPi后释放探针并恢复荧光。这种机制实现了选择性和灵敏的PPi检测，检测限为1.89 × 10^-5 M。此外，还整合了智能手机辅助的RGB分析策略，实现了便携式和定量的荧光传感。本研究提出了一种简单、成本低廉且基于智能手机的荧光传感方法，用于痕量PPi的检测。

引言

焦磷酸盐（P₂O₇^4-，PPi）是一种重要的阴离子物质，在许多生物过程中发挥关键作用，包括三磷酸腺苷（ATP）的水解和DNA/RNA的聚合[1]、[2]。PPi稳态的破坏与多种病理状况相关，如软骨钙质沉着症和磷酸钙二水合物晶体沉积[3]、[4]、[5]、[6]、[7]，这突显了其作为早期疾病诊断生物标志物的重要性[8]。除了生理相关性外，PPi还广泛用作食品添加剂，以改善感官特性并增强产品稳定性[9]、[10]。然而，过量摄入可能带来潜在的健康风险[11]。因此，开发选择性、灵敏且实用的方法来检测PPi仍然是生物医学和食品安全分析中的重要目标。

已经建立了多种用于PPi定量的分析技术。代表性的方法包括酶法测定[12]、[13]、毛细管电泳[14]、高效液相色谱[15]、表面增强拉曼散射[16]、[17]和电感耦合等离子体原子发射光谱[18]。尽管这些方法提供了出色的分析性能，但它们的常规使用往往受到高成本、操作复杂和便携性不足的限制。基于荧光的检测方法被广泛认为是PPi分析的有效方法，因为它结合了操作简便、高灵敏度、快速响应和直观的读数[19]、[20]、[21]、[22]。与基于智能手机的成像技术相结合，进一步增强了这些优势，实现了便携式、低成本、用户友好的现场定量测量[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。然而，许多报道的探针依赖于简单的“开”或“关”响应，这些响应容易受到环境波动和仪器漂移的影响[28]、[29]，从而可能降低分析准确性。通过利用可逆荧光变化的“开-关-开”传感策略可以实现更可靠的检测[30]、[31]。

四苯乙烯（TPE）及其衍生物作为荧光探针的构建块引起了广泛关注。传统的荧光团通常会因聚集而发生淬灭（ACQ），而基于TPE的发光体则表现出聚集诱导发射（AIE），即在聚集状态下其发射增强[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。TPE衍生物还具有高光稳定性、强固态荧光和易于结构调节的特性，使其在防伪[38]、有机半导体[39]、[40]、有机发光二极管（OLEDs）[41]、[42]和生物医学[43]、[44]等领域具有应用潜力。这些优势使TPE成为构建灵敏荧光探针的理想平台。可修饰的TPE结构便于引入功能基团，从而调节结合亲和力、分子相互作用和传感性能[45]、[46]、[47]、[48]。

在这项研究中，设计并合成了一种基于TPE的荧光探针（LBTPE-8DHAB，图1），用于在水介质中灵敏选择性地检测PPi。该探针表现出典型的AIE行为和“开-关-开”荧光响应：与Fe³⁺配位时其发射被淬灭，随后加入PPi后由于PPi与Fe³⁺的竞争性结合而恢复发射。这种竞争性配位机制反映了探针的精确分子设计，其中TPE核心提供基于AIE的荧光，而功能化的羧基团作为特异性结合位点。此外，将这种检测过程与基于智能手机的图像采集相结合，实现了一种低成本、广泛适用且用户友好的快速现场定量分析方法。

节选内容

LBTPE-8DHAB的合成

LBTPE-8DHAB的化学结构及其相应的合成步骤如图1所示。化合物1（1-溴-4-[1,2,2-三(4-溴苯基)乙烯基]苯）、化合物2（乙基3-(乙氧基羰基)-5-{4-[三(4-{3,5-二(乙氧基羰基)苯基)苯基]乙烯基]苯}苯甲酸）和化合物3（5-{4-[1,2,2-三(4-{3,5-二羧基苯基)苯基)乙烯基]苯}苯-1,3-二羧酸）是根据文献[38]合成的。详细的合成步骤和结构信息

光物理性质

在乙醇溶液（10 μM）中测量了LBTPE-8DHAB的紫外-可见吸收光谱和光致发光（PL）光谱。如图1所示，吸收最大值出现在283 nm，这可归因于π-π*跃迁。摩尔吸收系数（ε）计算为0.70 × 10⁵ M^-1cm^{-1_ex = 365 nm），测得的荧光寿命（τ）为4.8785 ns。}

结论

总之，开发了一种基于四苯乙烯的新型探针（LBTPE-8DHAB），具有“开-关-开”荧光响应，可用于在水环境中灵敏检测焦磷酸盐（PPi）。LBTPE-8DHAB表现出典型的AIE特性，具有明亮的蓝绿色荧光，与Fe³⁺配位时荧光被有效淬灭。随后PPi的竞争性结合释放了被淬灭的复合物并恢复了荧光，实现了选择性PPi检测，检测限为1.89 × 10^-5 M。

CRediT作者贡献声明

黄汉军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，数据管理。任向奎：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。孙海军：资源，研究。韩晔：资源，研究。Wittaya Ngeontae：资源，概念化。刘俊杰：研究。

利益冲突

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22175129, 22475149）和宁波市“创新 Yongjiang 2035”关键研发计划下的国际科技合作项目（项目编号2024H017）的支持。