基于Pyronin的比率荧光探针，用于生物胺的检测及借助智能手机实现肉类变质过程的监测

《Microchemical Journal》：Pyronin-based ratiometric fluorescent probes for biogenic amine detection and smartphone-assisted monitoring of meat spoilage

　　

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  设计了三种基于焦琳（pyronin）的荧光探针（PYR、PYU、PYT），用于检测生物胺。
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  这些探针对 spermine 的响应迅速，检出限（LOD）低至 0.16 μM。
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  密度泛函理论（DFT）计算和动力学研究阐明了其亲核取代反应机制。
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  基于智能手机的 RGB 分析平台实现了 spermine 的现场定量检测。
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  探针 PYR 能够实时监测鱼和鸡肉的变质情况，相关系数 R² 为 0.99。

引言

生物胺是一类含氮有机化合物，广泛存在于生物体中，在生理和病理过程中发挥着关键作用 [1]、[2]。在食品安全领域，它们是新鲜度和质量的关键指标，尤其是在富含蛋白质的食品（如肉类、鱼类和乳制品）中，微生物分解会导致生物胺的积累 [3]、[4]、[5]。生物胺过量不仅会破坏食品的风味和质量，还会对消费者的健康造成严重风险，包括高血压、过敏反应和致癌作用 [6]、[7]、[8]。在生物医学研究中，生物胺参与多种生理过程，如神经传递、细胞增殖和分化，因此准确检测生物胺对于疾病诊断和监测至关重要 [9]、[10]、[11]、[12]。因此，开发高效、准确和快速的生物胺检测方法对于确保食品安全和推进生物医学研究具有重要意义。

尽管迫切需要高效的检测方法，但现有技术面临诸多挑战。传统的分析方法，如高效液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC），虽然准确度高，但受到样品预处理复杂、成本高昂、分析时间较长以及无法进行现场实时监测的限制 [13]、[14]、[15]、[16]。近年来，荧光探针因其高灵敏度、快速响应、操作简单和易用性而成为一种强大的替代方案 [17]、[18]、[19]、[20]、[21]。通过合理设计识别基团，可以实现针对特定生物胺的高选择性 [22]、[23]、[24]。此外，荧光探针可以与成像技术结合，实现生物样本中生物胺的可视化分布检测，为深入研究生物胺的生理功能和病理机制提供了有力工具 [25]、[26]、[27]。已经开发了多种探针平台，包括基于 BODIPY 的 [28]、基于 azo-BODIPY 的 [29] 和基于分子内电荷转移（ICT）的比率探针 [30]、[31]，这些平台已广泛应用于肉类新鲜度检测 [32]。值得注意的是，一些探针具有双重检测能力（肉眼可见的颜色变化和荧光传感）[33]、[34]，并可与基于智能手机的颜色识别软件集成，实现便携式实时定量，便于在食品变质监测中的实际应用 [35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。除了食品安全，荧光探针还被用于光动力疗法（PDT）等治疗应用，展示了小分子探针平台的广泛应用性 [41]。近年来，还报道了许多便携式纳米酶比色传感系统 [42]、[43]、[44]、[45]、[46]。此外，还开发了基于 DNA 模板的铜纳米团簇（Cu NCs）作为食品样品中组胺检测的替代探针平台 [47]。然而，该领域仍存在一些未解决的问题：(1) 许多现有探针的反应动力学较慢，限制了其在快速检测中的应用；(2) 选择性常受到结构相似的干扰物（如其他胺类和氨基酸）的影响；(3) 信号放大策略在复杂生物基质中显示出提高检测灵敏度的潜力，但将其与小分子探针结合仍具有挑战性 [48]；(4) 大多数探针设计依赖于经验性试错，而非基于结构优化的理性设计，缺乏对分子电子结构如何控制反应速率和灵敏度的系统理解。此外，尽管基于焦琳的探针在之前的研究中表现出潜力 [49]，但通过取代基修饰精确调节其性能的能力尚未得到充分探索。

为了解决这些问题，我们报告了一系列新的基于焦琳的探针（PYR、PYU 和 PYT）（见图 S1），这些探针是通过合理的结构-活性关系（SAR）方法设计的。与以往的经验性设计不同，我们通过引入具有不同诱导效应的取代基来调节反应中心的电子性质，从而创建了一个电子梯度：在 PYR 中选择了一个强吸电子的 4-溴丁基基团以增强亲电性并加速反应动力学；在 PYU 中使用了一个弱供电子的丁基基团作为对照；在 PYT 中使用了一个中等的丁烯基基团，提供了平衡的电子特性。这种前瞻性的设计方法使我们能够系统地研究取代基的电子性质如何影响检测性能。如表 S1 所总结的，这些新探针的性能优于现有方法，包括超快的响应时间、对 spermine 的高选择性（优于常见的干扰物（离子、氨基酸、ROS 和 RNS），以及具有竞争力的检测限（LOD：0.16–0.29 μM）。此外，它们还支持方便的双模式检测（肉眼可见的颜色变化和荧光传感），以及基于智能手机的定量分析，用于实时监测肉制品中的生物胺浓度。通过将实验验证与密度泛函理论（DFT）计算相结合，我们阐明了取代基电子性质与反应性之间的机制联系，为高性能化学传感器的合理设计提供了通用策略。这项工作不仅为快速食品安全评估提供了实用工具，还推进了荧光传感领域探针设计原理的基本理解。

章节摘要

仪器和通用程序

使用配备 1.0 cm 石英比色皿的 PERSEE TU-1901 分光光度计获得了 UV–vis 吸收光谱。荧光测量在 Shimadzu RF-6000 荧光分光光度计上进行，激发波长为 440 nm。激发和发射狭缝宽度均设置为 5 nm。核磁共振（¹H NMR 和 ¹³C NMR）光谱在 JEOL 400 MHz NMR 分光仪上记录。化学位移以四甲基硅烷（TMS）为基准进行报告。

spermine 的浓度依赖性光谱响应

使用水溶液中的 spermine 作为目标分析物，评估了三种探针（PYR、PYU 和 PYT）对生物胺的检测性能。随着 spermine 浓度的增加，所有三种探针在 580 nm 处的吸收峰逐渐减弱，同时在 440 nm 处出现并增强了新的吸收带（图 1a、d、g）。在荧光光谱中，610 nm 处的初始发射峰随着 spermine 浓度的增加而减弱

结论

总结来说，本研究系统地设计和比较了三种基于焦琳的荧光探针（PYR、PYU、PYTPYT 探针具有最高的灵敏度（spermine 的 LOD 为 0.16 μM；腐胺和 spermidine 分别为 0.58 μM 和 0.61 μM），而 PYR 的响应动力学最快。

CRediT 作者贡献声明

Hongfang Li: 写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，监督，资金获取，概念构思，项目管理。Hantao Wang: 实验研究，正式分析，方法学。Huixian Yang: 数据可视化，数据管理，验证。Shuyan Han: 数据管理，验证。Yinyin Wu: 验证，可视化。Lingli Bu: 写作 – 审稿与编辑，资源获取，监督。Jiaheng Zhang: 写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢 河南省自然科学基金（252300420764）；河南理工大学启动基金（2023BS069）；以及 河南理工大学横向研究项目（370H2024QY370）的支持。

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