一种新型荧光探针，用于食品样品及体内环境中铜的灵敏检测

《Bioorganic Chemistry》：A novel fluorescent probe for sensitive detection copper in food samples and in vivo

铜离子检测荧光探针开发及其应用研究。该探针（HCY-Cl-Cu）基于吡啶羧酸酯结构设计，具有快速响应（10分钟）、低检测限（66 nM）和优异选择性，成功应用于HepG2细胞和斑马鱼模型中的生物成像，并在水、土壤、食品等复杂基质中实现高效检测，为环境监测和食品安全提供新工具。

　　

曹叶|赵勇|范彩玲|张天宇|杨福豪|张宇|池伟杰|舒伟|张天一

吉林医科大学，吉林132013，中国

摘要

铜（Cu²⁺）在环境和生物系统中都起着关键作用，但过量的铜会破坏生物体的自我净化能力并在体内积累，从而带来健康风险。本文开发了一种新的荧光探针HCY-Cl-Cu，用于选择性和灵敏地检测Cu²⁺。该探针对铜离子具有强烈的荧光响应，线性检测范围为0–4 μM，检测限（LOD）为66 nM，反应时间为10分钟，并且具有优异的选择性。此外，HCY-Cl-Cu的细胞毒性较低，已成功用于监测HepG2细胞和斑马鱼模型中的Cu²⁺，证实了其在生物学应用中的有效性。重要的是，HCY-Cl-Cu可以用于水、土壤和食品基质等实际样品中的Cu²⁺检测，并具有优异的回收率。这些结果表明，HCY-Cl-Cu是食品分析和涉及Cu²⁺的生物医学研究中的有前景的工具。

引言

铜（Cu²⁺）是生物体中必需的微量元素，在多种生物过程中发挥着重要作用，如酶催化、神经信号传递和细胞呼吸[[1], [2], [3]]。然而，体内铜平衡的破坏可能导致各种健康问题。过量摄入Cu²⁺可能引发氧化应激、肝肾损伤以及阿尔茨海默病、威尔逊病和帕金森病等神经退行性疾病[[4], [5], [6]]。而铜缺乏则可能导致贫血、中性粒细胞减少和脊髓疾病[[7], [8], [9]]。此外，铜在农业生产、工业废水排放和食品加工中的使用不断增加，加剧了环境污染，对生态系统安全、食品质量和公共卫生构成了严重威胁[[10], [11], [12]]。因此，建立可靠的分析平台以实现复杂基质中Cu²⁺的快速灵敏检测对于推进环境监测和降低公共卫生风险至关重要。

传统的分析方法（如电感耦合等离子体质谱法和原子吸收光谱法）虽然精度高，但通常需要复杂的仪器和样品预处理过程，不适合原位或实时监测[13,14]。因此，荧光探针因其高灵敏度、选择性、操作简便和实时可视化能力而成为重要的检测技术[[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]]。近年来，研究人员设计了多种针对Cu²⁺的荧光探针。王某报道了一种基于激发态质子转移（ESPT）机制的探针PBI，其对Cu²⁺具有“开-关”响应，检测限为39.4 nM，并在真实水样中验证了其性能[27]。张某开发了一种基于半萘荧光团的探针，可在活细胞和斑马鱼中成功应用[28]。冯某设计了一种近红外探针DDAO-Cu，实现了小鼠脑组织中的成像[29]。曹某报道了一种基于卟啉的“关闭型”探针WSPD，用于检测水和细胞中的Cu²⁺[7]。然而，许多现有探针存在局限性，例如“关闭型”荧光响应或在对复杂食品基质中的选择性较差[[30], [31], [32], [33]]。因此，开发高选择性、快速且生物相容的荧光探针以在食品样品和体内检测Cu²⁺仍然是一个重要挑战。

我们设计了一种新的荧光探针HCY-Cl-Cu，用于选择性和灵敏地检测Cu²⁺。HCY-Cl-Cu含有一个吡啶羧酸基团，该基团可以抑制分子内的电荷转移（ICT），使其在未与Cu²⁺反应时不发光；当与Cu²⁺反应时，会引发明显的荧光增强响应。该探针具有快速响应、66 nM的低检测限以及出色的选择性。此外，其良好的生物相容性使其能够成功应用于监测活HepG2细胞和斑马鱼模型中的Cu²⁺。除了生物成像外，HCY-Cl-Cu在包括水、土壤和食品基质在内的实际样品中也表现出优异的性能。这种多功能性使HCY-Cl-Cu成为食品安全分析和生物医学研究中监测Cu²⁺的实用方法。

HCY-Cl-Cu的合成

将1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚鎓碘化物（301 mg，1 mmol）和3-氯-4-羟基苯甲醛（188 mg，1.2 mmol）溶解在20 mL无水乙醇中。随后逐滴加入15 μL哌啶。混合物在氩气氛围下于90°C下反应12小时。反应完成后冷却至室温，会析出棕红色固体。通过真空过滤并在65°C下真空干燥6小时，得到260 mg（0.83 mmol）的HCY-Cl-OH棕色粉末

HCY-Cl-Cu对Cu²⁺的光谱特性

首先，我们研究了HCY-Cl-Cu对Cu²⁺的光谱响应。HCY-Cl-Cu在380 nm处有一个特征吸收峰，与Cu²⁺反应后该吸收峰红移至510 nm（图S4）。HCY-Cl-Cu中的吡啶羧酸基团有效抑制了ICT过程，使得探针在未与Cu²⁺反应时不发光；与Cu²⁺反应后，在560 nm处观察到明显的荧光增强响应（图S5）。二阶反应速率常数（k₂）为...

结论

我们成功开发并表征了一种新型荧光探针HCY-Cl-Cu，能够灵敏且选择性地检测Cu²⁺。该探针响应迅速，稳定性高，对Cu²⁺的特异性显著，优于其他干扰物质。其在0–4 μM范围内的线性相关性良好，检测限为66 nM。此外，HCY-Cl-Cu的细胞毒性低，生物相容性好，可成功用于活细胞和斑马鱼中Cu²⁺的成像。

CRediT作者贡献声明

曹叶：撰写原始稿件、方法学设计、实验研究。赵勇：撰写原始稿件、验证结果、数据管理。范彩玲：撰写、编辑、数据可视化、数据分析。张天宇：实验研究、数据管理。杨福豪：数据可视化、方法学设计。张宇：资源准备、数据分析。池伟杰：软件开发、数据分析。舒伟：撰写、编辑、项目管理、资金申请、概念构思。张天一：撰写、编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢山东省自然科学基金（-->ZR2025MS433-->）和吉林省自然科学基金（-->20230204068YY-->）的财政支持