《Talanta》：A novel camphor-based fluorescent probe for sensing thiophenols in food analysis and biological imaging via a PET-TICT integrated mechanism
编辑推荐：
基于香豆素衍生物的新型荧光探针CQXPN通过DNP基团识别硫酚类化合物，利用a-PET-TICT整合机制实现高效检测，具有快速响应（<180秒）、低检测限（0.1243 μM）和优异选择性，可区分硫酚与生物硫醇，并成功应用于食品、活细胞和斑马鱼的检测。
张勇|崔豆豆|任轩轩|赵新然|赵海瑞|高子琴|戴思雅|刘明轩|郑小娟|罗曼|高瑞东|孙小军|季敏|王月松|袁振伟|孙兰
江苏省食品与制药科学学院药学工程学院，中国江苏省淮安市梅城路4号，223003
摘要
噻吩酚作为重要的有机中间体和流行的调味成分，如果使用不当，会对生物体和环境具有高毒性。本文设计了一种新型的从樟脑衍生的传感器CQXPN，其识别位点为2,4-二硝基苯（DNP）基团，专门用于检测噻吩酚。与大多数已报道的探针不同，CQXPN中的DNP基团不会淬灭荧光。我们提出了一种受体激发光诱导的电子转移-分子内电荷转移（a-PET-TICT）集成机制来解释这一独特现象，其中DNP基团起到a-PET阻断和限制旋转的作用，从而使荧光保持“开启”状态。同时，CQXPN表现出非常快的响应速度（<180秒），检测限低至0.1243 μM，并且对噻吩酚具有优异的选择性，能够与生物硫醇（半胱氨酸、谷胱甘肽和同型半胱氨酸）有效区分，且具有良好的比色差异。此外，CQXPN对带有电子给体和电子吸引基团的噻吩酚都表现出敏感的响应。特别是，CQXPN成功用于检测不同食品样品（回收率范围为95.20–107.60%）、活细胞和斑马鱼中的噻吩酚。
引言
作为化学工业中一种有价值的有机中间体，噻吩酚被广泛用于制备各种工业产品[1]，[2]。在食品工业中，由于其类似肉类、烘烤和香肠的气味，噻吩酚被普遍用作调味成分来改善肉制品和调味品的口感[3]，[4]，[5]。食品添加剂制造商协会（FEMA）已批准在食品样品中适当添加噻吩酚[4]，[5]，中国食品添加剂标准（GB2760-2014）将苯硫醇（FEMA 3616）、邻甲苯硫醇（FEMA 3240）、2-乙基噻吩酚（FEMA 3345）、2,6-二甲基噻吩酚（FEMA 3666）和2-巯基茴香酚（FEMA 4159）列为安全的食品添加剂。然而，过量摄入和吸入噻吩酚会对个人健康造成危害，导致严重的中枢神经系统损伤、肌肉无力、后肢瘫痪、昏迷甚至死亡[6]，[7]，[8]，[9]。此外，土壤和水中的噻吩酚对水生生物和自然栖息地具有高毒性，对鱼类的致死浓度（LC50）为0.01–0.4 mM，对小鼠为46.2 mg/kg[7]，[10]，[11]。因此，美国环境保护署（EPA）将噻吩酚列为优先污染物（EPA废物代码：P014）[12]，[13]。鉴于噻吩酚的广泛使用和高毒性，建立可靠的分析方法来监测食品和生物样品中的噻吩酚变得十分必要。
迄今为止，已经开发了多种检测噻吩酚的方法，包括气相色谱[14]、高效液相色谱[15]、紫外-可见光谱[16]、基于纳米材料的传感器[17]，[18]和非线性光学光谱[19]。然而，这些传统方法总是需要大型仪器和复杂的预处理步骤。此外，这些方法测试成本高、检测时间长且程序复杂。近年来，基于荧光探针的检测技术因操作简单、选择性高、成本低以及非侵入性而受到广泛关注，适用于体外和体内检测噻吩酚[20]，[21]，[22]，[23]。
迄今为止，已有许多荧光探针被报道用于检测噻吩酚[13]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]。根据最常见的设计策略，通常将芳香荧光团与电子吸引基团2,4-二硝基苯（DNP）或2,4-二硝基苯磺酸盐（DNBS）连接起来，这些基团的荧光会因供体激发光诱导的电子转移（d-PET）[29]或分子内电荷转移（ICT）[26]，[31]而淬灭。当噻吩酚去除DNP或DNBS基团时，荧光团被释放，荧光恢复（方案1a）。上述策略中使用的荧光团包括罗丹明[9]，[32]、花青素[13]、香豆素[26]，[33]、萘酰亚胺[34]，[35]、二氰异佛尔酮[36]，[37]、花青素[38]、BODIPY[39]等。然而，这些通用荧光探针存在固有问题。例如，许多探针无法有效区分噻吩酚和生物硫醇（半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷胱甘肽），因为它们的硫醇基团相似。一些探针对带有电子给体基团的噻吩酚衍生物表现出显著响应，而对带有电子吸引基团的噻吩酚衍生物响应较弱[11]，[25]，[26]，[27]，[28]，[30]，[40]，[41]，[42]，[43]，[44]，[45]。某些探针对噻吩酚的反应速度慢（30 ～60分钟），限制了在实际样品中实时可视化噻吩酚的能力[23]，[30]，[34]，[38]，[46]。特别是，天然产物很少被用作这些探针的构建块。实际上，天然产物是一类丰富且可再生的资源，具有独特的化学结构和药理活性[47]，[48]。
作为一种丰富且可再生的天然萜类化合物来源，樟脑被广泛用作制备各种生物活性产品的理想起始材料[49]，[50]。基于樟脑骨架的分子也显示出良好的生物相容性和细胞通透性[51]，[52]，[53]。然而，很少有人尝试将樟脑整合到荧光材料中。事实上，樟脑的刚性结构会严重限制分子间相互作用，降低碰撞过程中的能量消耗，从而显著提高荧光分子的光学效率[51]，[52]，[53]。在这项工作中，首先通过将樟脑醌与苯[c][1]，[2]，[5]噻二唑-5,6-二胺环化，然后选择DNP基团作为识别位点，开发了一种新型的樟脑基骨架（方案1b）。在探针CQXPN中，DNP基团不充当荧光淬灭基团，而是作为受体激发的PET（a-PET）阻断基团和限制分子内旋转的庞大基团，使荧光保持“开启”状态。当噻吩酚去除DNP基团时，CQXP中的羟基在未结合和自由旋转条件下激活a-PET过程（TICT状态），最终导致荧光“关闭”状态（方案1b）。据我们所知，CQXPN是第一个采用“a-PET+ TICT”机制检测噻吩酚的荧光探针。此外，CQXPN能够轻松区分噻吩酚和生物硫醇，并对带有电子给体和电子吸引基团的噻吩酚衍生物表现出显著响应。该探针响应速度快（在180秒内），灵敏度高。此外，该探针已成功应用于食品样品、活细胞和斑马鱼中噻吩酚的检测，表明其作为检测水溶液和生物系统中噻吩酚的便捷工具具有优异潜力。
材料与仪器
所有化学品和溶剂均从BidePharm、Energy Chemical或Leyan Chemical购买，无需进一步纯化即可使用。起始材料樟脑醌由淮安兄弟生物技术有限公司提供。核磁共振（NMR）光谱在Bruker NMR光谱仪上进行测定。质谱在Agilent 6230仪器上获得。吸收光谱和发射光谱分别在Shimadzu 2700 UV-vis光谱仪和Hitachi F2700荧光分光光度计上记录。
探针CQXPN
的设计策略
在我们的初步设计中，荧光团CQXP是一种供体-受体-供体（D-A-D）类型的分子，其中樟脑融合噻二唑-吩嗪作为受体，酚单元作为供体（方案1b）。从供体到受体的分子内电荷转移（ICT）可以产生强烈的发射。由于DNP基团的强烈荧光淬灭效应（通过ICT或d-PET机制），CQXPN本应表现出极弱的发射。
结论
总之，基于新型樟脑衍生的骨架并采用DNP基团作为识别位点的荧光探针CQXPN成功合成。与大多数已报道的噻吩酚探针不同，CQXPN采用了一种独特的a-PET-TICT集成机制，其中DNP基团起到a-PET阻断和限制旋转的作用，使荧光保持“开启”状态。这种新探针对噻吩酚表现出良好的灵敏度和选择性，优于生物硫醇。
CRediT作者贡献声明
赵新然：方法学研究、数据分析。郑小娟：研究工作。罗曼：研究工作、数据分析、数据管理。戴思雅：方法学研究、数据分析。刘明轩：研究工作。崔豆豆：资源获取、方法学研究、数据分析。季敏：监督工作、资源获取、资金筹措。王月松：资源获取、方法学研究、资金筹措、概念构思。任轩轩：方法学研究、数据分析。高瑞东：
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（81671745）、江苏省产学研合作项目（BY20240968）、江苏省高等教育机构自然科学基金（25KJB310002）、江苏省科技副项目（FZ20251367）、江苏省高层次人才培训项目（333）以及江苏省高层次创新创业人才引进计划（双创博士）的支持。
