新型线粒体靶向近红外荧光探针SDI的构建及其在食品、水质和细胞H2S检测中的应用

针对H2S在食品腐败与疾病中的双重作用，南京林业大学团队开发了线粒体靶向NIR探针SDI。该探针通过α-三噻吩与吡啶阳离子构建D-π-A体系，实现56 nM检测限、150 nm斯托克斯位移及60秒快速响应，成功应用于水质检测、食品腐败监测及活细胞成像，为环境与生物医学领域提供创新工具。

　　

硫化氢（H₂S）是一种具有"臭鸡蛋"气味的毒性气体，却在生物体内扮演着"双面角色"——既是重要的内源性信号分子，又与高蛋白食品腐败密切相关。这种看似矛盾的特性，使得H₂S检测技术成为食品安全和生物医学领域的研究热点。然而，现有检测方法面临诸多挑战：传统色谱法设备昂贵，电化学法易受干扰，而多数荧光探针存在灵敏度低、响应慢、组织穿透性差等问题。特别是在食品新鲜度监测和活细胞成像场景中，亟需开发兼具高特异性和深组织穿透力的新型检测工具。

南京林业大学的研究团队在《Journal of Food Composition and Analysis》发表的研究中，创新性地从植物源α-三噻吩（α-trithiophene）出发，设计合成了一种线粒体靶向近红外（NIR）荧光探针SDI。该探针通过Knoevenagel缩合反应将α-三噻吩（电子供体D）与吡啶阳离子（电子受体A）通过双键桥连，构建了典型的D-π-A分子系统。当H₂S与SDI的双键发生亲核加成反应时，分子内电荷转移（ICT）过程被阻断，导致680 nm处荧光猝灭。这种独特的响应机制使SDI展现出56 nM的超低检测限、150 nm的大斯托克斯位移（Stokes shift）以及4-11的宽pH适应性，突破了现有探针的技术瓶颈。

研究团队运用核磁共振（NMR）滴定、高分辨质谱（HRMS）和密度泛函理论（DFT）计算验证了反应机制。在应用层面，SDI不仅成功检测了自来水、河水和海水中的H₂S含量（回收率达96.3-104.8%），其负载的试纸条更能实时监测肉类腐败过程中产生的H₂S。更引人注目的是，凭借吡啶阳离子的线粒体靶向特性，SDI在HeLa细胞和植物组织中实现了高对比度成像，首次揭示了α-三噻吩类探针在亚细胞器水平的检测潜力。

关键技术方法包括：1）通过Knoevenagel缩合和季铵化反应两步合成探针；2）采用稳态/瞬态荧光光谱评估光学性能；3）使用共聚焦显微镜进行线粒体共定位实验（MitoTracker Red为参照）；4）通过标准加入法检测实际样品回收率。

主要研究结果：
• 光学性能优化：SDI在680 nm处发射NIR荧光，与H₂S反应后荧光量子产率从0.26降至0.03，响应时间仅60秒。
• 特异性验证：在GSH、Cys等17种干扰物存在下，SDI对H₂S仍保持高度选择性。
• 食品监测应用：牛肉在25°C储存48小时后，SDI试纸条荧光强度下降76%，与TVB-N值变化趋势一致。
• 细胞成像突破：共定位实验显示SDI与线粒体标记物Pearson系数达0.92，首次实现α-三噻吩探针的亚细胞器定位。

这项研究的意义在于：1）开创性地将植物源α-三噻吩应用于H₂S探针设计，拓展了天然产物在分析化学中的应用边界；2）通过D-π-A结构工程化设计，同步实现NIR发射、线粒体靶向和快速响应等多重功能；3）构建了从食品检测到细胞成像的全链条应用体系，为食品安全预警和疾病机制研究提供了新型分子工具。研究团队特别指出，SDI在酸性食品（如发酵制品）和碱性生物体液中的稳定表现，使其在复杂实际场景中具有显著优势。未来通过修饰吡啶阳离子的烷基链长度，可能进一步优化探针的脂溶性和细胞穿透性，这为探针的迭代开发指明了方向。