《Speech Communication》：Development of near-infrared fluorescent probes with AIE properties and their application in the detection and imaging of CN? in environmental water samples and multiple species (zebrafish/cells/plants)
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高效检测氰离子（CN?）的新型近红外荧光探针OTB基于AIE机制设计，具有174 nm超大斯托克斯位移和640 nm近红外发射，通过CN?介导的亲合加成作用破坏分子共轭结构实现荧光猝灭，检测限低至0.451 μM，在环境水和多物种生物样本中均表现出优异选择性和稳定性。
张玉坤|李莉|李晓丽|刘瑞媛|曲金清
华南理工大学化学与化学工程学院，中国广州510640
摘要
氰离子（CN?）是具有高毒性的污染物，广泛存在于工业废水和环境中，对生态系统和人类健康构成严重威胁。开发高灵敏度和选择性的CN?检测技术是环境监测和生物医学领域迫切需要的。在这项研究中，我们设计并合成了一种基于聚集诱导发射（AIE）机制的近红外荧光探针OTB。该探针以甲氧基修饰的三苯胺作为荧光基团，并包含苯并噻唑结构，实现了174 nm的超大斯托克斯位移和640 nm的近红外发射。当CN?与OTB发生亲和反应时，会破坏其共轭结构，导致荧光淬灭，其检测限低至0.451 μM。此外，该探针还具有优异的抗干扰能力和宽pH稳定性。该探针已成功应用于各种环境水样（如自来水和湖水）中CN?的定量分析（回收率94%–110%），并在包括4T1细胞、斑马鱼和拟南芥在内的多种生物样本中实现了CN?的荧光成像。本研究为高效检测氰离子提供了一种新的技术方法，促进了危险物质检测在环境和生物医学领域的交叉应用。
引言
氰离子（CN?）是具有高毒性的阴离子，在生活环境和工业残留物中广泛存在，对生态系统和人类健康构成严重威胁[1,2]。在工业领域，电镀、冶金、采矿等行业排放的废水中通常含有高浓度的CN?。在日常生活中，香烟烟雾、燃烧的塑料制品以及某些植物代谢物也会释放微量氰离子[[3], [4], [5]]。一旦CN?进入人体，会与细胞色素氧化酶中的铁离子结合，抑制呼吸链，导致组织缺氧，进而引发呕吐、抽搐、昏迷甚至死亡[6,7]。世界卫生组织（WHO）将饮用水中CN?的安全阈值定为1.9 μM[8]。然而，环境水样中的微量CN?可能通过食物链积累，长期暴露的潜在风险不容忽视[9]。因此，开发高效、灵敏且高度选择性的CN?检测技术对于确保生态安全和公共卫生具有紧迫的实际意义。
传统的CN?检测方法（如离子色谱法、电化学分析和分光光度法）在某种程度上具有准确性，但存在设备昂贵、操作复杂和样品预处理繁琐等局限性，难以满足快速现场检测和实时监测的需求[[10], [11], [12]]。相比之下，荧光探针技术近年来在环境和生物分析研究中成为热点，因为它具有高灵敏度、可视化检测、快速响应以及在生物体内进行原位成像的能力[[13], [14], [15]]。特别是基于聚集诱导发射（AIE）机制的荧光探针可以克服传统的聚集诱导荧光淬灭（ACQ）效应，在聚集条件下仍能保持优异的发光性能，进一步提高检测效率[16,17]。此外，近红外（NIR）发射探针由于其较低的生物背景干扰和较强的组织穿透特性，在生物样本检测中显示出独特的应用潜力[18,19]。然而，同时具备超大斯托克斯位移、高选择性和广泛应用范围的CN?荧光探针仍然相对较少（见表S1）[[20], [21], [22], [23], [24]]。因此，迫切需要开发新的材料来克服现有的技术瓶颈。
基于上述背景，本研究设计并合成了一种AIE型近红外荧光探针OTB，该探针以甲氧基修饰的三苯胺作为荧光基团，并结合了苯并噻唑结构。三苯胺骨架赋予探针AIE特性，而甲氧基的引入增强了电子供体能力，使发射波长移至近红外区域（640 nm）[25]。该探针的斯托克斯位移达到174 nm，显著减少了光谱重叠干扰。此外，当CN?与OTB发生加成反应时，会破坏其共轭结构，抑制分子内电荷转移（ICT）机制，从而降低荧光强度，实现对CN?的高选择性和高灵敏度检测，检测限低至0.451 μM。本研究进一步验证了OTB在多种场景下的应用潜力：它已成功应用于PBS、超纯水和自来水等不同水样中CN?的定量分析，并在包括4T1细胞、斑马鱼和拟南芥在内的多种生物样本中实现了CN?的可视化成像。本研究为有效检测CN?提供了新的技术手段，为环境、生物和植物科学等领域的污染物检测提供了潜在工具。
材料与仪器
除非另有说明，本实验中使用的所有化学品均从商业平台购买，直接使用无需纯化。有关仪器和表征方法，请参阅支持信息。
光谱测量的一般程序
将探针OTB溶解在DMSO溶液中，制备2 μM的储备溶液。取10 μL该储备溶液，加入PBS（pH = 7.4）溶液中，得到10 μM的测试体系。然后，加入不同浓度的CN?，在室温下反应
探针的光谱特性和光学响应
通过结构表征验证了OTB探针的结构后，对其AIE性能进行了测试。在不同水体积分数的溶液中，OTB探针的吸收波长没有显著变化（图1a）。荧光发射光谱测试显示，当水体积分数在0%到40%之间时未检测到荧光信号，这归因于ACQ效应的主导；当水体积分数在50%到99%之间时，
结论
本研究成功设计并合成了一种具有大斯托克斯位移（174 nm）的近红外AIE探针OTB。该探针通过电子供体的三苯胺骨架和电子吸引体的苯并噻唑单元激活ICT机制，通过荧光信号的变化实现对CN?的高灵敏度和选择性检测。实验结果表明，OTB对CN?的检测限为0.451 μM，远低于世界卫生组织设定的安全阈值
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2022YFB3806404）、国家自然科学基金（编号21878109）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2025A1515011900）以及广东省江门市科学技术计划（编号2022660200040010484）的财政支持。
