一种新型荧光探针，用于智能手机辅助的双模式检测方法，可在食品和环境样品中检测草甘膦，并可用于活细胞成像

《Analytica Chimica Acta》：A novel fluorescent probe for smartphone-assisted dual-mode detection of glyphosate in food and environmental samples and live-cell imaging

　　

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  开发了一种用于检测草甘膦的新型荧光探针
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  该探针能够实现对草甘膦的高度敏感、快速和选择性检测
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  该探针可在食品和水样中实现草甘膦的灵敏检测
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  基于试纸/水凝胶的智能手机辅助检测平台已被开发出来
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  该探针已成功用于活细胞线粒体中草甘膦的检测

引言

草甘膦是一种高效的有机磷除草剂，对多种杂草具有显著的抑制效果[1]、[2]。它已成为全球广泛使用的除草剂，预计其使用量在未来会持续增加[3]、[4]。然而，由于草甘膦在农业中的广泛应用，其在土壤中的残留物通过径流和淋溶过程不断积累并迁移到地表水和地下水中，导致水生环境中普遍存在草甘膦[5]、[6]、[7]、[8]。近年来，草甘膦对生态系统和人类健康的潜在影响引起了广泛关注[9]、[10]、[11]。研究表明，草甘膦可诱导细胞氧化应激和线粒体功能障碍，并具有神经毒性、内分泌干扰性和致癌性[12]、[13]、[14]、[15]。鉴于其广泛的用途以及在环境中的持久性，它对公共卫生构成了严重威胁[16]、[17]。因此，开发准确和灵敏的草甘膦检测方法对于有效监测环境和水中的污染水平、研究其在细胞中的作用机制以及保护生态环境和人类健康具有重要意义。

目前，草甘膦的检测主要依赖于高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）和毛细管电泳（CE）等分析方法[18]、[19]、[20]、[21]。尽管这些方法具有较高的准确性和良好的选择性，但它们通常需要昂贵的仪器设备、复杂的操作程序和繁琐的样品预处理过程，这使得它们难以用于现场的快速检测以及活体生物中草甘膦的检测[22]。近年来，基于荧光的技术作为一种有前景的替代方案出现，因为它具有高灵敏度、快速响应、低成本和操作简便等优点[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。已经设计了一些基于荧光技术的草甘膦检测探针，这些探针通常依赖于与金属离子（如Cu²⁺）的竞争性配位[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。例如，Guan等人使用双(吡啶-2-基甲基)胺作为Cu²⁺配体，通过Cu²⁺置换策略来检测草甘膦[35]。Che等人开发了一种离子液体-Cu²⁺探针（PHQCA-Cu²⁺），可用于茶叶样品中的草甘膦检测[36]。Zhu等人报道了一种Cu²⁺配位复合物（HYBC-Cu²⁺），能够检测和成像环境、生物和植物样品中的草甘膦[37]。尽管取得了这些进展，大多数现有的荧光传感器在实际应用中仍存在局限性：它们通常缺乏便携性，只能提供定性或半定量结果，并且无法检测细胞内的草甘膦，从而限制了它们在现场定量测试和生物系统中的应用（表S1）。

为了解决这些问题，我们设计了一种Cu²⁺介导的荧光探针（BiDPA），使用二(2-吡啶基)胺（DPA）作为Cu²⁺的识别基团[35]、[38]，并将其与N-甲基化苯并吲哚结合（方案1）。该探针可以与Cu²⁺配位形成BiDPA-Cu²⁺复合物，并伴随荧光淬灭现象。由于草甘膦对Cu²⁺的亲和力更强，它可以竞争性地从BiDPA-Cu²⁺中置换Cu²⁺，从而触发荧光恢复。这种“开启”响应使得草甘膦的检测变得快速、选择性和高度灵敏，该方法已被用于检测各种作物和水样中的草甘膦。值得注意的是，BiDPA-Cu²⁺溶液体系在草甘膦浓度变化时表现出从淡黄色到粉红色的颜色变化。基于R/G值与浓度之间的线性关系，开发了一个便携式定量平台，该平台可通过智能手机RGB分析实现检测。此外，还制备了加载了BiDPA-Cu²⁺的试纸和水凝胶。结合智能手机RGB分析，这些设备可以无需专用仪器即可实现现场检测。此外，该探针可以靶向细胞线粒体并检测其中的草甘膦，这是首个能够在线粒体中检测草甘膦的荧光探针，从而提供了一种可视化线粒体内草甘膦分布的工具。本研究提供了一种用于细胞成像的高性能探针，并建立了一个基于智能手机的便携式平台，用于现场定量检测食品和环境样品中的草甘膦，为实验室和现场应用提供了多功能的工具。

章节摘录

材料与仪器

本研究中使用的所有仪器和材料详见支持信息。

合成

化合物1、2和3的合成方法参考了之前的文献（方案1）[39]、[40]。将化合物2（152毫克，0.5毫摩尔）、化合物3（183毫克，0.5毫摩尔）和哌嗪（43毫克，0.5毫摩尔）加入无水乙醇中，回流6小时。反应完成后，用二氯甲烷提取产物以获得粗产品，最后通过硅胶柱纯化

BiDPA的设计与传感机制

基于草甘膦分子中的羧基、膦基和氨基对Cu²⁺的强螯合能力，本研究采用竞争性配位策略来检测草甘膦。因此，设计并合成了Cu²⁺介导的荧光探针BiDPA（方案2）。该探针使用对Cu²⁺具有高亲和力的DPA部分[38]、[43]作为识别单元，与N-甲基化苯并吲哚共价连接。BiDPA的结构通过NMR和HRMS得到了确认。

结论

总之，我们成功开发了一种Cu²⁺介导的荧光探针（BiDPA），用于快速和高度灵敏地检测草甘膦。该探针使用DPA作为识别单元，N-甲基化苯并吲哚作为荧光团。其检测机制基于竞争性配位：BiDPA与Cu²⁺配位形成非荧光性的BiDPA-Cu²⁺，随后草甘膦取代Cu²⁺使荧光恢复，从而实现快速（<1秒）和选择性的检测，检测限为21.3纳摩尔。

CRediT作者贡献声明

朱宝春：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。王中鹏：撰写 – 审稿与编辑，监督。侯凤莉：形式分析。刘彩云：方法学，概念构思。荣孝迪：撰写 – 原始草稿，实验研究，数据管理

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

我们衷心感谢山东省自然科学基金（ZR2023MB012和ZR2023MB100）和国家自然科学基金（22176070和21777053）的财政支持。

Xiaodi Rong|Caiyun Liu|Fengli Hou|Zhongpeng Wang|Baocun Zhu