一种基于寡噻吩的“开关型”荧光探针：用于环境和生物系统中次氯酸的超灵敏检测与成像

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：An oligothiophene-based “turn-on” fluorescent probe: Ultrasensitive detection and bioimaging of hypochlorite in environmental and living systems

　　

摘要

次氯酸根（ClO^?）被广泛用于消毒和杀菌，但其过度使用会对环境、食品安全以及人类健康带来风险。因此，开发有效的检测工具至关重要。本文报道了一种基于寡硫菲的荧光探针2TS，可用于检测环境和生物样本中的ClO^?。该探针对ClO^?具有高度特异性的“开启型”荧光响应，响应速度极快（<10秒），灵敏度极高（检测限为6.3纳摩尔），光稳定性良好（≥6小时），且能在较宽的pH范围内（4–10）正常工作。2TS不仅能够在水、漂白剂、消毒剂和土壤样本中实现高灵敏度的定量检测，检出率在97.20%至102.20%之间，还能用于新鲜农产品中ClO^?的现场可视化检测，从而助力食品安全监测。含有2TS的试纸可快速通过肉眼检测水介质中的ClO^?，而借助智能手机进行的RGB分析则无需仪器即可实现对食品表面及试纸上ClO^?的定量检测。此外，由于其良好的生物相容性，该探针还可用于活细胞、洋葱组织及斑马鱼中ClO^?的实时生物成像。这项研究为多种环境和生物系统中的ClO^?可视化监测与生物成像提供了一种简单高效的荧光工具。

引言

次氯酸根（ClO^?）是一种高活性氧化剂，被广泛用于消毒、水处理及工业制造领域[1]、[2]、[3]。作为一种重要的活性氧物种，它还在多种生理和生物过程中发挥着关键作用[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。在COVID-19疫情期间，含ClO^?的消毒剂被大量用于病毒预防[9]、[10]、[11]。然而，过量的ClO^?会造成细胞损伤，并与多种疾病相关，包括心血管疾病、神经系统疾病以及癌症[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。此外，其过度使用还会导致水、土壤和食品污染，进而威胁生态系统和食品安全[19]、[20]、[21]。因此，开发高性能的ClO^?监测与生物成像工具具有重要意义。

传统的ClO^?检测方法（如分光光度法、滴定法、电化学法）往往存在操作复杂且不适于现场分析的缺陷[22]、[23]、[24]、[25]。相比之下，荧光探针具有操作简便、灵敏度高/选择性好、无创、时空分辨率高，以及可在活体系统中实现实时可视化等独特优势[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。目前已有许多针对ClO^?的小分子荧光探针被报道[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]，但这些探针仍存在诸多局限性，如合成过程繁琐、易受共存物质干扰、检测限高、响应速度慢、会出现“关闭型”信号，且在实际样本或活体系统中的应用范围有限[41]、[42]、[43]。因此，迫切需要开发出新型高效、能实现快速超灵敏检测的“开启型”荧光探针，用于环境和生物系统中的ClO^?监测。

在本研究中，我们介绍了一种新的基于寡硫菲的“开启型”荧光探针2TS，可用于特异性且高灵敏度地检测ClO^?。2TS能够准确量化水、消毒剂、漂白剂和土壤样本中的ClO^?，同时还可用于新鲜蔬菜的快速现场可视化检测，以及活体系统（HepG2细胞、洋葱组织、斑马鱼）中的生物成像。含有2TS的试纸则为快速、现场、实时的ClO^?可视化检测提供了便捷工具。该探针具备出色的分析性能，包括“开启型”响应、快速响应时间、超高灵敏度、优秀的选择性、良好的光稳定性、宽pH适用范围以及良好的生物相容性。其传感机制涉及CN键的氧化断裂，生成相应的醛类物质（2?T-CHO），这一结论已通过高分辨率质谱、¹H核磁共振、傅里叶变换红外光谱以及密度泛函计算得到验证。因此，2TS是一种有效可靠的工具，可用于环境污染监测和疾病早期预防。

章节节选

仪器与化学品

所有化学品均为分析级或光谱级，购自商业供应商（Sigma-Aldrich、Alfa Aesar）。紫外-可见吸收光谱是在Agilent Cary 5000分光光度计上测得的。荧光光谱则是用Edinburgh FLS 1000荧光光谱仪检测的。高分辨率质谱数据是通过Thermo Fisher Q Exactive Focus质谱仪获得的。傅里叶变换红外光谱是在Shimadzu FTIR-8100光谱仪上记录的。核磁共振光谱则是通过……

设计与合成

由于寡硫菲是一种具有优良光学性质和生物相容性的供电子荧光团，因此被选用来构建基于ICT的荧光探针2TS[45]、[46]。2TS的合成流程如图1所示。它可通过寡硫菲醛与2-噻吩肼的缩合反应轻松制得，产率为82.6%，其结构也已通过光谱学方法得到确认（图S1–S4）。鉴于已知ClO^?对CN键的强反应性[32]，我们预计2TS……

结论

总之，我们成功开发了一种基于寡硫菲的荧光探针2TS，可用于环境和生物系统中的ClO^?高效监测。2TS具有优异的选择性、极低的检测限（6.3纳摩尔）、快速的响应速度（<10秒）、宽的pH工作范围（4–10），以及良好的光稳定性（≥6小时）。其传感机制已通过高分辨率质谱、¹H核磁共振、傅里叶变换红外光谱以及密度泛函计算得到证实。2TS能够在多种水、土壤、消毒剂和漂白剂样本中实现可靠的ClO^?检测，此外……

未引用参考文献

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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财务利益或个人关系。

梁利民|李宝坤|金志晨|胡婷婷|魏涛|牛庆芬

中国山东省科学院齐鲁工业大学化学与化工学院分子工程重点实验室，济南250353