一种用于同时检测H?S和粘度的比率型近红外荧光探针：在环境监测和生物成像中的应用

《Talanta Open》：A Ratiometric NIR Fluorescent Probe for Simultaneous Detection of H 2S and Viscosity: Applications in Environmental Monitoring and Bioimaging

氢硫基团（H2S）和细胞粘度是影响生理功能及病理状态的关键参数，但现有检测方法多为单一参数分析。本文报道了一种基于三苯胺的近红外（NIR）比色探针T-N，通过Michael加成反应特异性捕获H2S并伴随荧光强度比变化，同时利用扭曲内禀电荷转移（TICT）机制对粘度变化产生响应，实现双通道检测。探针在DMSO/Hepes缓冲体系中展现出0.012 μM的超低检测限，对H2S和粘度均具有高选择性和灵敏度。实验证实T-N可精准定位线粒体，成功用于活细胞中内源性/外源性H2S及粘度动态成像。基于探针的试纸法无需仪器即可半定量检测环境水和啤酒中的H2S，并成功监测虾、蔬菜及水果的腐败过程。该探针为食品安全、环境分析和疾病机制研究提供了多功能检测平台。

　　氢硫化物（H?S）是一种重要的内源性气体信号分子，其功能与多种生理过程密切相关，包括胰岛素分泌、心血管功能调节、神经信号传递以及细胞凋亡等。在正常的生理浓度下，H?S对生命活动具有调节作用，但当其浓度异常升高或降低时，可能会引发一系列病理变化，例如肝硬化、糖尿病和阿尔茨海默病等。此外，H?S广泛存在于自然水体和食品系统中，尤其在食品腐败过程中，它是主要的挥发性硫化物之一，其含量变化直接反映了食品的新鲜度和安全性。因此，对H?S进行准确、快速的检测对于食品安全监测具有重要意义。

与此同时，线粒体黏度作为细胞微环境的重要物理参数，对代谢物的扩散、信号传导和分子相互作用等过程产生显著影响。线粒体黏度的异常变化与多种疾病状态相关，包括恶性肿瘤、糖尿病和神经退行性疾病等。因此，开发能够同时检测H?S和黏度的分析方法，对于深入理解这些参数在生理和病理过程中的相互作用具有重要意义。

在现有研究中，许多荧光探针被设计用于单一参数的检测，如H?S或黏度，但这些探针往往无法满足多参数同时监测的需求。由于生物系统中多个参数通常同时发生变化，因此需要多功能的探针，能够实现双通道和比率型检测，以提高检测的准确性和可靠性。此外，大多数现有的H?S探针采用单信号输出模式，容易受到探针浓度和环境干扰的影响，限制了其定量检测的可靠性。相比之下，比率型荧光探针可以通过自校准消除干扰，显著提升检测精度。因此，开发具有明显发射光谱变化的双功能比率探针，具有重要的应用价值。

针对上述挑战，本研究设计并合成了一种新型的三芳胺基近红外（NIR）比率型荧光探针T-N，用于特异性地同时检测H?S和线粒体黏度。该探针具有典型的D-π-A结构，并具备线粒体靶向能力。T-N不仅能够通过迈克尔加成反应实现对H?S的高选择性和比率荧光响应，还能通过扭曲内分子电荷转移（TICT）机制对黏度变化产生灵敏的荧光增强效应。这种双通道的检测方式，使得T-N能够在复杂的生物环境中实现对H?S和黏度的同步监测，从而为相关疾病的诊断和食品质量评估提供新的工具。

在实验验证方面，T-N表现出优异的生物相容性、高信噪比和抗干扰能力。通过共聚焦激光扫描显微镜对HeLa细胞进行成像实验，T-N能够清晰地显示出线粒体内的H?S分布情况。此外，T-N还被成功应用于食品样品中H?S的检测，通过测试纸方法实现了“裸眼”半定量检测。测试纸在不同浓度的H?S作用下，颜色从红色逐渐变为粉色，最终变为无色，同时在紫外光照射下，荧光颜色从红色变为蓝色，表明其在实际样品中的检测能力。这种可视化检测方式不仅操作简便，而且无需专业仪器，为现场快速检测提供了便利。

为了进一步验证T-N的检测机制，本研究还进行了核磁共振（NMR）和高分辨率质谱（HRMS）分析。结果显示，T-N在与H?S反应后，其分子结构发生了显著变化，导致发射光谱向蓝移，同时荧光强度增强，从而形成比率型荧光信号。这些变化进一步验证了T-N作为H?S检测探针的有效性。此外，通过密度泛函理论（DFT）计算，研究者分析了T-N在与H?S反应前后的分子轨道分布和能量变化，发现H?S的加入中断了T-N的ICT过程，使其荧光特性发生改变，这一理论分析为T-N的检测机制提供了有力支持。

T-N在检测黏度方面也表现出良好的性能。通过将细胞与Monensin（Mon）或Nystatin（Nys）预处理，这些物质能够增强线粒体膜的通透性，从而改变细胞微环境的黏度。实验结果显示，T-N在这些预处理后的细胞中，红色荧光信号显著增强，表明其对黏度变化具有高度敏感性。这一特性使得T-N不仅能够检测H?S，还能够用于监测细胞微环境的黏度变化，从而为相关疾病的诊断和治疗提供新的视角。

此外，T-N在实际水样和啤酒样品中的检测能力也得到了验证。通过将T-N加入不同浓度的H?S溶液中，观察到其颜色和荧光信号发生显著变化，表明其在复杂样品中的适用性。在实际水样和啤酒样品中，T-N同样能够产生明显的颜色和荧光响应，显示出其在环境监测和食品质量评估中的广泛前景。这些实验结果表明，T-N不仅能够用于实验室条件下的精确检测，还能够适用于现场快速检测的需求。

在食品腐败监测方面，T-N被用于实时跟踪不同食品样品（如虾、油菜和橙子）在储存过程中H?S的生成情况。通过将T-N测试纸放置在含有这些食品样品的培养皿中，并在不同储存时间（0天、3天、7天）下记录测试纸的颜色变化，研究人员发现，随着食品腐败程度的增加，H?S的释放量逐渐上升，导致测试纸的颜色从红色变为淡黄色，同时荧光颜色从红色变为蓝色。这些变化为食品的新鲜度评估提供了直观的视觉信号，使得T-N能够作为一种有效的“裸眼”指示工具，用于食品腐败的快速监测。

综上所述，本研究开发的T-N探针不仅具有优异的检测性能，还具备良好的生物相容性和实际应用潜力。通过其独特的双通道比率荧光响应，T-N能够在复杂的生物环境中实现对H?S和黏度的同步监测，为食品安全评估和生物医学研究提供了新的方法和工具。此外，T-N的测试纸方法进一步拓展了其在环境监测和现场快速检测中的应用范围，显示出其在实际应用中的广阔前景。这一研究为未来开发更高效、更便捷的多参数检测系统奠定了基础，并为相关领域的研究提供了重要的理论和技术支持。