基于三氰基呋喃的比色/荧光双信号探针设计及其在衰老细胞β-半乳糖苷酶检测中的应用

本研究针对衰老研究中β-半乳糖苷酶（β-Gal）动态监测的技术瓶颈，开发了新型三氰基呋喃（TCF）基双信号探针。通过氯原子修饰策略实现420 nm→575 nm吸收红移及>80倍荧光增强（λem =622 nm），检测限达7.4×10-5 U mL-1 ，成功实现A549衰老细胞中β-Gal的24小时长效追踪，为衰老机制研究提供创新工具。

　　

随着全球老龄化进程加速，细胞衰老机制研究成为生命科学领域的热点。作为衰老标志物的β-半乳糖苷酶（β-Gal）检测面临重大挑战：传统荧光探针易受生物背景干扰，而现有比率型探针又存在灵敏度不足、信号波长短等问题。更棘手的是，衰老相关疾病如阿尔茨海默病、骨关节炎等的发展往往与β-Gal活性异常密切相关，但缺乏能同时实现高灵敏度检测和长期动态追踪的技术手段。

针对这些难题，来自山东的研究团队在《Dyes and Pigments》发表创新成果。他们巧妙利用三氰基呋喃（TCF）这一具有强分子内电荷转移（ICT）特性的荧光团，通过引入氯原子的分子设计策略，构建出新型双信号探针。该研究主要采用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱分析、密度泛函理论（DFT）计算等技术手段，并结合人肺腺癌A549细胞衰老模型进行验证。

【合成与结构特性】
研究团队在传统TCF探针（2）基础上，于酚羟基邻位引入氯原子得到探针1。这种结构修饰使β-Gal水解产物1-O的酚氧负离子稳定性显著提升，通过DFT计算证实氯原子的引入使最高占据分子轨道（HOMO）能级升高0.3 eV，这是实现红移信号的关键。

【光物理性能】
探针1展现出惊人的光学响应：β-Gal作用下吸收峰从420 nm红移至575 nm，同时发射622 nm近红外荧光且强度增强80倍。这种双重信号变化源于1-O酚氧负离子增强的给电子能力，其摩尔消光系数达5.6×10⁴
M^-1
cm^-1
，荧光量子产率提升至0.32。

【分析性能】
在灵敏度方面，探针1创下新纪录：比色检测限1.2×10^-4
U mL^-1
，荧光检测限7.4×10^-5
U mL^-1
，较同类探针提高1-2个数量级。选择性实验显示，其对β-Gal的响应信号是其他生物硫醇和活性氧的15倍以上。

【细胞应用】
在氧化应激诱导的衰老A549细胞中，探针1成功实现24小时连续监测，清晰显示β-Gal活性随时间的变化趋势。共定位实验证实其信号与衰老标志物SA-β-Gal高度重合，验证了探针的生物学可靠性。

这项研究通过精准的分子工程，建立了多模态光学探针设计的新范式。探针1兼具比率型分析的准确性和近红外荧光穿透深的优势，其长达24小时的监测能力尤为适合衰老过程的动态研究。该成果不仅为阐明衰老分子机制提供利器，更为开发衰老相关疾病的诊断试剂奠定了技术基础。研究揭示的氯原子稳定化效应，也为后续探针设计提供了重要理论指导。