基于芘的FRET比率型双通道荧光探针QP在食品质量控制和活体成像中的Zn2+/Cd2+高选择性检测研究

为解决食品和环境样品中Zn2+/Cd2+同步检测难题，苏州科技大学团队开发了基于芘的FRET比率型荧光探针QP。该探针具有1.85×10-8 M（Zn2+）和1.83×10-8 M（Cd2+）的超低检测限，25-30秒快速响应，并在pH 4.0-11.0范围内稳定工作。研究通过ESI-MS、DFT计算揭示了FRET机制，成功应用于食品（大米、苹果、牡蛎）、药品（葡萄糖酸锌口服液）检测及4T1细胞和小鼠活体成像，为食品安全与生物医学监测提供了新工具。

　　

在工业化和现代农业快速发展的今天，锌（Zn²⁺）与镉（Cd²⁺）这对"双面元素"正引发日益严峻的公共卫生挑战。锌作为人体必需微量元素，参与超过300种酶的活性调节，其缺乏会导致阿尔茨海默病、癫痫等神经系统疾病，而过量则可能引发脑缺血；镉作为剧毒重金属，通过食物链富集后可能造成肾衰竭和癌症。更棘手的是，这两种离子在环境中常共存且化学性质相似，传统检测方法如原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）虽准确但设备昂贵、操作复杂，难以满足食品安全快速筛查和活体动态监测的需求。

苏州科技大学的研究团队在《Analytica Chimica Acta》发表的研究中，创新性地将芘的强荧光特性与喹啉-吡啶受体的选择性结合能力相结合，通过一步法合成出比率型双通道荧光探针QP。该研究采用电喷雾电离质谱（ESI-MS）验证结合位点，通过核磁滴定和Job's plot确定配位比，并利用密度泛函理论（DFT）计算阐明了荧光共振能量转移（FRET）机制。在4T1乳腺癌细胞和小鼠模型中，研究人员首次实现了内源性Zn²⁺波动与外源性Zn²⁺/Cd²⁺摄入的同步可视化追踪。

光物理性质研究
探针QP在四氢呋喃（THF）中展现最佳荧光性能，其双发射峰（383 nm/398 nm）在结合Zn²⁺/Cd²⁺后发生显著比率变化。通过紫外-可见光谱分析，发现Zn²⁺结合使吸收红移23 nm，而Cd²⁺导致32 nm红移，这种差异为双离子区分提供了理论基础。

选择性验证
在含18种竞争离子的测试中，QP对Zn²⁺/Cd²⁺的选择性系数高达10³-10⁴倍。特别值得注意的是，与化学性质相近的Hg²⁺和Cu²⁺相比，QP的识别能力仍保持两个数量级优势。

实际应用验证
在食品安全领域，QP负载棉签可现场检测苹果表皮Zn²⁺残留（回收率98.2%-102.3%），而大米样品检测显示籼稻比粳稻积累更多Cd²⁺。对牡蛎、白萝卜等样品的检测结果与ICP-MS法高度一致（相对误差<5%）。在生物医学方面，QP成功捕捉到4T1细胞内Zn²⁺的脉冲式释放现象，并首次在小鼠肝脏中绘制出Cd²⁺的时空分布图谱。

这项研究突破了传统单离子检测的局限，其创新的FRET设计使Zn²⁺/Cd²⁺检测限达到纳摩尔级，比同类探针灵敏度提高3-8倍。更重要的是，QP在宽pH范围内的稳定性解决了生物样品检测的适用性难题。该技术不仅为食品安全快速筛查提供了便携式解决方案，其活体成像功能更为重金属毒理学研究提供了动态观测工具，标志着金属离子检测技术向精准化、可视化迈出了关键一步。未来通过探针结构的进一步优化，这种设计策略有望拓展至其他重金属离子的同步检测领域。