量化红树林在卡塔尔红树林森林中碳封存中的作用

《Ecological Informatics》：Quantifying the role of mangroves in carbon sequestration in Qatar's mangrove forests

过氧化氢探针 PT 通过低浓度时红黄双发射通道的比率荧光变化实现痕量检测（21 nM），高浓度时单通道荧光增强显著，成功应用于活细胞中 HClO 动态监测，兼具高灵敏度和环境耐受性。

　　

摘要

次氯酸（HClO）作为一种内源性活性氧（ROS），由于其在生物系统中的浓度异常，与多种疾病密切相关。然而，传统的荧光探针通常需要高浓度才能获得足够的信号强度和分辨率。在这项工作中，我们设计并合成了一种新型的低浓度比率荧光探针和高浓度增强荧光探针（PT），用于可视化检测HClO。在HClO浓度较低（0–0.5 eq）时，PT通过从红色到黄色的明显荧光变化表现出比率荧光，其检测限低至21 nM。在HClO浓度较高（0.6–1.5 eq）时，PT在550 nm处显示出荧光增强，信号强度与HClO浓度呈强线性相关。该探针在体外表现出快速、灵敏和选择性的HClO检测能力，并已成功应用于活细胞成像，以监测不同浓度的HClO。我们预期这种探针可以成为阐明生物系统中HClO水平与氧化应激之间关系的宝贵工具。

引言

次氯酸（HClO）作为一种活性氧（ROS），在免疫防御、炎症反应以及多种病理过程中起着关键作用，包括动脉粥样硬化、类风湿性关节炎、癌症和神经退行性疾病[1]、[2]、[3]。因此，开发能够高效且灵敏地检测HClO的分析工具对于早期疾病诊断和病理生理学研究具有重要意义[4]、[5]、[6]、[7]。荧光探针因其非侵入性、高灵敏度和实时监测的优点而成为检测HClO的强大工具[8]、[9]、[10]、[11]。最近，已经开发出多种用于检测HClO的荧光探针，包括基于有机染料的探针和基于金属纳米粒子的探针，在灵敏度和选择性方面取得了不同程度的成功[12]、[13]、[14]、[15]。然而，这些探针通常存在响应时间长、选择性差以及易受其他氧化物质干扰等局限性[16]。此外，大多数报道的探针通常只有一个发射通道，使其容易受到各种环境和仪器干扰的影响。

比率荧光探针通过监测双发射信号提供了一种内在的自校准机制，近年来因其能够减少背景干扰并提高信号准确性而受到广泛关注[17]、[18]。然而，传统的比率荧光探针通常需要高浓度才能产生足够的信号强度和分辨率，这往往会导致探针快速消耗、生物毒性增加以及在生物样本中非特异性结合目标等问题，特别是在细胞或体内成像应用中，高浓度的探针可能会破坏细胞微环境并影响生理相关性[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。因此，在低浓度下保持稳定比率响应特性的荧光探针的开发仍然是构建高性能生物传感系统的一个关键挑战。

在这项研究中，我们设计并合成了一种新型的低浓度比率荧光探针和高浓度信号增强荧光探针，用于HClO的可视化检测。该探针在低浓度下表现出稳定的比率荧光，通过两个发射通道的同步变化实现HClO的准确量化，从而显著提高了检测灵敏度和可靠性。在较高浓度的HClO下，探针显示出单通道荧光增强，便于特定应用的强信号识别和宏观可视化。这种双模式响应策略既允许痕量级监测，也允许高通量筛选，弥合了灵敏度和实际应用之间的差距。值得注意的是，我们的设计实现了响应模式的浓度依赖性调节，同时在复杂的生物环境中表现出卓越的选择性、灵敏性和成像性能。这项研究不仅为ROS响应探针的合理设计提供了一种新方法，还为早期识别和机制研究疾病病理中的HClO失调提供了有前景的工具。

部分摘录

计算细节

为了阐明化合物基态的电子结构，进行了时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）计算研究。TD-DFT计算是在优化后的结构上进行的。所有计算，包括优化和TD-DFT，均使用G03软件完成。

HClO的检测

为了评估探针的选择性，准备了各种潜在干扰物质的储备溶液（10 mmol/L），包括H₂O₂、OH、¹O₂、ONOO^-、NO、O₂^-、GSH、Cys、Hcy、Fe³⁺、Fe²⁺等。

PT的合成

将苯噻嗪二醛（80 mg，0.23 mmol）加入100 mL圆底烧瓶中，然后加入丙二腈（38 mg，0.575 mmol）、乙醇（10 mL）、乙腈（5 mL）和DMF（1 mL）。随后加入哌啶（2.3 μL，0.049 mmol，0.1 eq）作为催化剂。反应混合物在80°C下搅拌回流3小时。完成后得到红色固体（94.3 mg，产率94.3%）。¹H NMR（400 MHz，DMSO）δ 8.21（s，1H），7.80（d，J = 6.7 Hz，1H），7.65（d，J = 2.1 Hz，1H）。

结论

双位点荧光探针PT的设计和开发代表了HClO选择性及灵敏检测方面的重大进展。该探针利用HClO对硫原子的特定氧化反应性，能够在广泛的浓度范围内检测HClO。PT能够对不同浓度的HClO作出不同的荧光响应，使其成为活细胞成像的多功能工具，具有高灵敏度。

CRediT作者贡献声明

侯毅：软件处理、数据整理。罗顺琪：数据整理。张宁：数据整理。吴娟娟：数据整理。孙春燕：软件开发。黄永宝：数据整理。孙婉：撰写 – 审稿与编辑、方法学、资金获取、概念构思。董荣倩：撰写 – 初稿、方法学、实验研究。杨帆：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。陈浩：正式分析、数据整理。程振远：撰写 – 初稿、方法学、实验研究。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有需要声明的利益冲突。

致谢

本研究得到了山东省科技创新计划（2023KJ271）、山东省自然科学基金（ZR2024QB406）、德州市研究生创业基金（2019xjrc335, 2021xjrc206）、大学生创新创业培训项目（S202410448036, S202410448008）以及德州市实验技术项目（SYJS25003, SYJS25018）的支持。