用于脂滴成像的双极性-粘度响应型荧光探针及基于智能手机的现场作物油检测技术

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Dual polarity-viscosity responsive fluorescent probes for lipid droplet imaging and smartphone-based on-site crop oil screening

　　

摘要

本文中，我们合理设计并合成了两种具有内在分子内电荷转移和扭曲分子内电荷转移特性的D-π-a型红光荧光探针。传统用于检测农作物中脂质滴的方法存在依赖大型仪器、样品预处理繁琐以及无法现场定量的问题。为调节分子结构，我们在探针中引入了甲氧基团，使其能够通过對极性和粘度的协同光谱响应来高度特异性地识别脂质滴微环境。这两种探针均表现出典型的启亮型荧光响应以及良好的亲脂性，从而可精准定位脂质滴的疏水区域。由于具备比率荧光特性，经修饰的OCH₃-Phe-FCN探针能有效降低复杂基质带来的信号干扰，并且还明确了其对油酸的检测下限。通过结合基于智能手机的RGB颜色测量与图像灰度分析，我们构建了一个便携式检测平台，利用荧光信号实现对农作物中脂质滴的可视化分析。通过细胞成像和细胞毒性评估，这些制备的探针展现了良好的生物相容性和靶向能力，而经修饰的探针则实现了更优的成像质量及信噪比。借助密度泛函理论计算，我们系统阐明了这两种微环境因素协同调控激发态跃迁的光谱机制。这项工作不仅深入了解了双响应荧光探针的响应机制，还为农作物中脂质滴的现场光谱检测提供了一种有前景的技术策略。

引言

此处所介绍的是脂质滴，它是真核细胞中负责能量储存和代谢平衡的重要细胞器，其含量和分布直接决定了油料作物的营养价值、抗逆能力以及商业价值[1]、[2]、[3]。实现脂质滴的高灵敏度、高特异性、现场快速定量检测，对于农业育种、品质评估以及食品安全监管而言至关重要[4]、[5]、[6]。尽管传统的脂质滴分析方法，如透射电子显微镜、拉曼成像以及细胞器质谱分析，具有较高的准确性[7]、[8]、[9]、[10]，但它们仍存在仪器昂贵、操作复杂、流程耗时以及无法现场检测等缺陷，因此不适用于农产品的大规模快速筛查。

由于其优异的光学性能，荧光探针技术已成为分析细胞器微环境的主流工具[11]、[12]、[13]、[14]，但目前用于检测脂质滴的荧光材料仍存在明显不足。大多数荧光体系仅对单一环境因素产生响应，且其光谱信号易受生物组织和食物基质的干扰，无法适应脂质滴低极性和高粘度的独特微环境[15]、[16]、[17]。短波长发射信号还容易被植物组织自身的自荧光掩盖，进一步降低了光谱检测的可靠性[18]。市售染料仅能实现简单的静态标记，而传统的小分子探针既无法建立环境参数与荧光光谱之间的定量关联，也离不开大型光谱仪器才能进行现场检测[19]。

针对上述研究背景，本研究从分子光谱调控的角度设计了基于苯并噻嗪的D-π-A型荧光分子，并构建了一种能够同时感知极性和粘度的双光谱响应系统[20]、[21]、[22]。我们在分子骨架中引入甲氧基团，以调节电荷转移效率及光物理性质，从而得到了发射波长红移且响应灵敏度更高的修饰探针。基于这种双响应光谱特性，我们建立了比率传感模式，并在光谱层面提升了信号的稳定性[23]、[24]、[25]、[26]。此外，我们将荧光光谱检测与便携式成像设备相结合，探索了新的简化光谱定量策略[27]、[28]、[29]、[30]。通过密度泛函理论计算，我们阐明了微环境对分子激发态的调控作用，为类似双响应荧光探针的分子设计及光谱机制研究提供了指导[31]、[32]、[33]。

当作为理想电子给体单元的苯并噻嗪与强电子吸电子受体结合时，便可以构建高效的电荷转移体系并实现红色发光。本研究合成了两种结构相似的荧光探针。我们比较分析了取代基对分子光物理性质及对微环境光谱响应行为的影响，明确了分子结构与光谱性质之间的构效关系。该研究将光谱机制的基础探索与实际样品检测有机结合在了一起。

章节节选

化学材料与试剂

苯并噻嗪（98%）、苯并[b]噻吩-3(2H)-酮1,1-二氧化物（98%）、2-(5,6-二氟-3-氧代-2,3-二氢-1H-吲哚-1-亚基)丙二腈（98%）、对氟苯甲醛（99%）、三碱式磷酸钾（97%）以及硫酸钠（98%）均购自中国天津的HEOWNS公司。

材料表征

稳态吸收光谱是使用紫外-可见分光光度计（Shimadzu UV-2600i）测定的，而稳态发射光谱则是通过荧光光谱仪（Edinburgh FS5）进行的。

Phe-FCN与OCH₃-Phe-FCN的设计

在本研究中，我们重点研究了基于苯并噻嗪的荧光探针的结构优化以及用于双重场景的生物脂质检测。如方案1所示，我们选择苯并噻嗪和二氟吲哚酮丙二腈作为构建模块，设计并制备了两种具有典型D-π-A结构的荧光探针——Phe-FCN和OCH₃-Phe-FCN，旨在利用分子内电荷转移实现特定的荧光识别（见图S5）。这两种探针均以苯并噻嗪单元作为

结论

本研究成功开发出了两种新型的基于苯并噻嗪的D-π-A型荧光探针，即Phe-FCN和经甲氧基修饰的OCH₃-Phe-FCN。我们系统研究了它们的极性-粘度双响应荧光特性、脂质滴识别性能以及实际检测应用潜力。与传统只能监测单一环境参数的单响应荧光探针不同，这两种制备的探针都具有内在的双重响应能力

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了河北省自然科学基金（项目编号：E2025209079）、河北省教育厅科技项目（项目编号：BJ2026077）以及华北理工大学重点研究项目（项目编号：ZD-YG-202301）的支持。

郑丽燕|张倩|岳雨辰|张静然|左贵福

中国河北唐山063210，华北理工大学材料科学与工程学院，河北省无机非金属材料重点实验室