一种深红色荧光探针，用于差异检测：可简便地检测食品和植物中的肼，并通过智能手机实现过氧亚硝酸盐的监测

《Talanta》：A Deep-Red Fluorescent Probe for Differential Detection: Simple Sensing of Hydrazine in Food and Plants and Smartphone-Based Monitoring of Peroxynitrite

本研究开发了一种新型双响应荧光探针PPL，可高效选择检测肼（N?H?）和过氧化亚硝酸根（ONOO?）。PPL基于供体-π-受体结构，对N?H?和ONOO?分别产生红-蓝移和红-绿移荧光变化，检测限低至0.13 μM和0.66 μM，并成功应用于植物、食品样本及活细胞成像。

　　

Xing Peng|Cong-Cong Jiang|Ying-Kun Liu|Jing-Ru Xiao|Liang Jiang|Bei-Bei Qin|Saffar Andaloussi Rim|Xiao-Yun Chen|Jian-Yong Wang

江苏科技大学环境与化学工程学院，镇江，中国

摘要

过氧亚硝酸盐（ONOO^-）是一种高反应性的氮物种，在病理条件下显著加剧氧化应激并促进各种疾病的发展。肼（N₂H₄）在工业过程中被广泛使用，但它是一种危险的化合物，对环境生态系统构成严重威胁，尤其是通过水污染以及对动物、植物和人类健康的毒性。本文介绍了一种能够同时检测这两种分析物的新型探针，显示出显著的潜力。在本研究中，我们开发了一种新型荧光探针——乙基（E）-2-氰基-3-(5-(4-(二甲氨基)苯基)噻吩-2-基)丙烯酸酯（PPL），该探针具有供体-π-受体（D–π–A）结构特征，并能发出长波长光，用于选择性和灵敏地检测N₂H₄和ONOO^-。PPL探针对N₂H₄和ONOO^-的响应迅速（N₂H₄为80分钟，ONOO^-为3分钟），具有高选择性和灵敏度。其检测范围分别为0–1.5 mM（N₂H₄的 LOD：0.13μM）和0–1.1 mM（ONOO^-的 LOD：0.66μM）。此外，我们还开发了一个基于智能手机的传感平台用于ONOO^-的分析，得到了线性关系（y = 0.0208x + 1.4040）。实际应用包括在植物和食品样本中检测N₂H₄，以及在活细胞和斑马鱼中进行荧光和比色成像，凸显了其在生物和环境监测中的实用性。这项工作提供了一种强大且多用途的基于D–π–A的工具，用于N₂H₄和ONOO^-的环境和生物监测。

引言

N₂H₄由于其高燃烧热和大量气体产生，被用作航天器（包括火箭、导弹和战斗机）的推进剂[1]。如今，由于其高还原性和碱性，N₂H₄也被用作工业原料，用于合成多种有用的产品，如乳化剂、药物、农药、抗氧化剂和染料[2],[3]。然而，N₂H₄具有高毒性、致突变性、致癌性和致畸性，其广泛使用不可避免地导致空气、水和土壤的严重污染[4],[5],[6]。长期或高剂量暴露于N₂H₄可能导致神经毒性并对关键器官（特别是肺、肝和肾）造成损害[7],[8]。此外，它还可能引起基因毒性效应和致癌作用[9],[10],[11],[12]。因此，美国环境保护署（USEPA）已将N₂H₄列为潜在致癌物，其在水溶液中的阈限值（TLV）为0.312 μM（10 ppb）[13],[14]。

过氧亚硝酸盐（ONOO^-）是一种重要的内源性强氧化剂，通过一氧化氮（•NO）和超氧阴离子（O₂•^-）之间的扩散控制反应在体内生成[15],[16]。ONOO^-的强氧化性、硝化性和亲核性使其能够与DNA、蛋白质和膜脂质等生物分子发生自由基反应，导致DNA损伤、线粒体功能障碍等。这些效应显著促进了氧化应激、炎症性疾病、神经退行性疾病和癌症的发病机制[17],[18],[19],[20],[21],[22]。值得注意的是，ONOO^-水平的升高会导致细胞酶、蛋白质和DNA的氧化修饰，最终促进细胞凋亡和组织损伤[23],[24],[25],[26],[27]。

众所周知，吸入N₂H₄会导致体内超氧化物歧化酶（SOD）水平急剧下降[28]。SOD的减少会导致超氧阴离子（O₂•^-）浓度升高，进而促进过氧亚硝酸盐（ONOO^-）的形成[29]。因此，检测外源性N₂H₄和内源性ONOO^-的方法具有重要的科学价值。同时，荧光探针凭借其操作简便性、成本效益、优异的灵敏度、高时空分辨率和非侵入性检测优势，优于其他传统分析方法[30],[31],[32],[33],[34]。迄今为止，已有许多探针被报道能够高度选择性地检测环境介质和生物系统中的ONOO^-[35],[36],[37],[38],[39],[40],[41],[42],[43],[44],[45],[46],[47],[48],[49]或N₂H₄[50],[51],[52],[53],[54],[55],[56],[57],[58],[59],[60],[61],[62],[63],[64],[65]。然而，目前尚未有能够同时检测ONOO^-和N₂H₄的荧光探针。

在这里，我们开发了一种双响应深红色荧光探针PPL，用于快速检测环境和生物系统中的N₂H₄和ONOO^-（图1）。N, N-二甲基苯胺基团作为电子供体，而乙基氰基乙酸酯基团作为受体，诱导典型的分子内电荷转移（ICT）效应，使PPL在672 nm处发出强烈的红色荧光。PPL中的双键容易被N₂H₄切断，形成腙化合物，从而抑制ICT效应并导致荧光光谱蓝移（从672 nm变为514 nm）。此外，PPL中的双键也能被ONOO^-切断，生成醛化合物，同样削弱ICT效应并引发荧光响应（从672 nm变为572 nm）。PPL探针已在HepG2细胞和斑马鱼中展示了检测N₂H₄的荧光成像能力。我们预计这一策略有望成为检测和成像生物系统中ONOO^-和N₂H₄的化学工具。

合成与表征

合成与表征

将4-溴-N,N-二甲基苯胺（300.1 mg, 1.50 mmol）、(5-甲酰噻吩-2-基)硼酸（155.9 mg, 1.00 mmol）、四苯基膦钯（57.8 mg, 0.05mmol）和碳酸钾（207.3 mg, 1.5 mmol）溶解在5 mL四氢呋喃中，放入圆底烧瓶中。脱气后迅速充入N₂三次，最终反应混合物在N₂气氛下回流12小时[66]。反应完成后，向反应混合物中加入15 mL盐水。

探针的检测机制、密度泛函理论计算和光物理性质

基于对化合物PPL的结构分析，我们观察到α,β-不饱和单元中的C=C键容易发生迈克尔加成反应，随后发生消除反应，在亲核试剂存在下形成新的衍生物。N₂H₄和ONOO^-都具有强亲核性，因此可以与PPL反应生成PPA和PPH，破坏共轭体系并断裂C=C键。为了确认检测N₂H₄后的产物结构

结论

成功开发了一种深红色双响应荧光探针PPL，用于同时检测N₂H₄和ONOO^-。该化合物PPL可通过4-溴-N,N-二甲基苯胺的简单铃木交叉偶联反应以及随后的Knoevenagel缩合反应以72%的产率合成。经过迈克尔加成和消除反应后，N₂H₄会生成腙（PPH），导致荧光从红色变为亮黄色（λ_em = 672 nm变为514 nm）。相比之下，ONOO

CRediT作者贡献声明

Jian-Yong Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，数据管理，概念构思。 Xiao Yun Chen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源获取，项目管理，资金筹集，形式分析，数据管理，概念构思。 Ying-Kun Liu：撰写 – 原稿，可视化，研究，形式分析，数据管理。 Cong-Cong Jiang：撰写 – 原稿，方法学。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xing Peng报告称获得了中国江苏省研究生研究与实践创新计划（编号KYCX25_4388）的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢中国江苏省研究生研究与实践创新计划（编号KYCX25_4388）提供的财政支持。