一种针对亚硫酸氢盐和粘度的双响应荧光探针及其实际检测应用

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A dual-responsive fluorescent probe for bisulfite and viscosity and its practical detection applications

　　

摘要

本研究介绍了一种双检测荧光探针MCC-DMQ，能够同时检测亚硫酸氢盐和粘度。该探针通过将奎宁鎓盐作为电子受体和6-甲氧基色烯作为电子供体，通过环外乙烯桥连接，形成典型的D-π-A共轭体系。乙烯桥既作为亚硫酸氢盐检测的反应位点，又作为负责粘度感知的分子内旋转体。MCC-DMQ对两种分析物均展现出卓越的荧光响应性能，具有大的斯托克斯位移（160 nm）、干扰小、选择性强、灵敏度高等优势。利用这些优异的光学性能，探针MCC-DMQ已成功实现对食品样品中亚硫酸氢盐含量的定量检测和食品增稠体系中的粘度监测。此外，我们通过将装有色彩提取应用程序的智能手机与浸渍MCC-DMQ的测试条相结合，开发了一种简单、便携且有效的分析平台，成功实现了实际样品中亚硫酸氢盐的现场定量分析。值得注意的是，由于其低细胞毒性和优异的细胞渗透性，MCC-DMQ已被用于活细胞成像实验，并实现了内源性和外源性亚硫酸氢盐的可视化。

引言

二氧化硫（SO?）是一种众所周知的环境污染物，是酸雨等大气问题的主要贡献者。根据世界卫生组织的统计数据，大气SO?暴露导致的全球呼吸系统疾病发病率呈显著上升趋势[1], [2], [3]。在水溶液和生物体内，SO?主要以亚硫酸氢盐（HSO??）和亚硫酸盐（SO?2?）衍生物的形式存在，摩尔比为2:1。亚硫酸氢盐广泛应用于农业、医药和食品保鲜，通过发挥防腐、抑菌和抗氧化作用来维持各类产品的感官品质并延长其保质期。例如，在白砂糖、葡萄酒和果汁等产品中[4], [5]，其有效浓度通常控制在50-500 mg/kg范围内，以抑制微生物生长并延缓氧化反应。近期研究表明，在生物系统中，SO?衍生物还作为内源性气态信号分子发挥作用，主要通过含硫氨基酸（如半胱氨酸）的代谢途径产生，并在多种生理过程中发挥重要作用[6], [7], [8]，参与调节多种关键生物功能[9], [10]，包括血管舒张、增强抗氧化防御系统和维持细胞内氧化还原稳态。然而，过量摄入亚硫酸氢盐与多种健康风险密切相关，如呼吸系统疾病、心血管功能障碍和神经退行性障碍[11], [12], [13], [14]。流行病学研究表明，长期暴露于高浓度SO?环境会导致哮喘和慢性支气管炎的风险增加，暴露人群的肺功能下降风险比普通人群高出40%以上。因此，开发高灵敏度的分析方法实时监测HSO??对公共健康和医学研究具有重要的现实意义。

另一方面，食品增稠剂在调节液态食品粘度方面起着至关重要的作用，这对于吞咽困难的患者尤为重要[15], [16], [17]。通过增加液体的稠度，这些增稠剂有助于防止误吸并促进更安全的吞咽，从而显著改善受影响患者的生活质量[18], [19]。鉴于粘度在确保增稠食品的安全性和适口性方面的关键作用，准确便捷地监测食品增稠剂中的粘度变化对于确保吞咽困难患者的安全食用具有重要的实际意义[20], [21], [22]。传统的粘度测量方法，如旋转粘度计，通常需要笨重的仪器，不适合快速现场分析[23], [24], [25], [26]。因此，开发能够灵敏响应粘度变化的荧光探针对于食品增稠剂评估和增稠食品产品的质量控制等实际应用来说具有高度吸引力。

如今，有机小分子荧光探针凭借其相对于传统仪器方法的独特优势，如高灵敏度和选择性、低背景噪声、成本低廉、非破坏性原位分析、优异的时空分辨率以及实时动态可视化能力，在检测和成像领域获得了广泛关注[27], [28]。此外，由于其分子尺寸小，它们能够轻松穿透活细胞膜，对细胞造成最小的干扰。目前，小分子荧光探针已成为检测各种分析物的强大分析工具。随着小分子荧光探针技术的发展，双响应荧光探针的开发引起了广泛关注，因为它们能够规避在单一系统中使用两种不同探针所带来的挑战，即定位和代谢差异以及光漂白干扰。此外，使用单一探针进行双检测提供了增强的便利性，包括缩短分析时间、降低成本、减少样品消耗和简化工作流程[29]。尽管双检测荧光探针工程取得了显著进展，但许多针对亚硫酸氢盐和粘度的双响应平台仍存在若干缺陷，例如双发射检测过程中的光谱重叠，导致信号串扰和假阳性结果。此外，其较差的实用性极大地限制了其在实际样品现场定量分析中的部署。因此，开发高性能的双功能荧光探针以同时检测亚硫酸氢盐和粘度仍然具有高度吸引力。

针对上述挑战，本文成功设计并合成了一种针对亚硫酸氢盐和粘度的双检测荧光探针MCC-DMQ，该探针由作为电子受体（A）的吸电子2-甲基奎宁鎓盐单元和作为电子供体（D）的给电子7-甲氧基-2H-色烯基团通过环外乙烯桥连接而成，形成典型的供体-π-共轭受体（D-π-A）结构。光学实验结果表明，所构建的探针MCC-DMQ非常适合双检测方式，允许两条不同的且完全独立的响应路径。在一条路径中，环外π桥联的CC双键通过Michael型亲核加成作为亚硫酸氢盐特异性反应位点，破坏了延伸的D-π-A共轭，导致620 nm处的荧光彻底猝灭。在另一条路径中，可旋转的环外双键的存在驱动探针在非粘性介质中受激发时进入畸变的扭曲分子内电荷转移（TICT）态，从而在近红外620 nm处产生弱荧光发射。随着环境粘度的增加，自由旋转受到抑制，620 nm处的荧光发射增强，从而产生对粘度的荧光响应，如图1a所示。值得注意的是，与先前报道的探针相比，MCC-DMQ在选择性和灵敏度方面优于某些现有荧光探针，斯托克斯位移为160 nm，检测限为0.47 μM，详见表S1。

MCC-DMQ被设计为单波长、相反响应的探针，用于平行检测而非同时检测。亚硫酸氢盐和粘度在明确的、单变量条件下进行测量：亚硫酸氢盐在恒定粘度介质中检测，荧光猝灭作为报告信号；粘度在无亚硫酸氢盐体系中测量，荧光增强指示粘度变化。虽然这种设计不支持一步法双分析物检测，但从实际应用角度来看，它具有若干明显优势，使其特别适合靶向应用。其中最主要的是，当一种分析物保持恒定时，探针作为另一种分析物的高特异性传感器工作，无需复杂的双通道检测器或双发射硬件，从而以最少的仪器要求实现双功能。除了硬件简化之外，这种策略还简化了分子架构，使单一荧光团能够对两种不同的分析物作出响应，无需复杂的合成路线。这种简洁性对于商业化尤为有利，特别是在高级光谱仪器不易获得的资源有限环境中。此外，相反方向的响应在紫外光下产生明显的视觉对比（如荧光褪色与变亮），使该探针非常适合肉眼检测和基于智能手机的便携式传感。这一特征便于在明确的基质中进行快速、低成本的筛查。鉴于其卓越的光学性能，基于装有色彩提取应用程序的智能手机与负载MCC-DMQ的测试条相结合，建立了一种简单、便捷且便携的检测平台（图1b），实现了对食品样品中亚硫酸氢盐的实时、现场定量测定，从而使该平台真正具备现场部署能力。此外，该探针还展现出优异的生物相容性，并成功应用于外源性和内源性亚硫酸氢盐的原位可视化（图1c）。在实际粘度检测方面，MCC-DMQ已成功应用于评估不同食品增稠剂的效果，通过测量相应的粘度变化，实现无需复杂仪器的快速现场粘度监测和质量控制。

片段设计

MCC-DMQ的设计与表征

为了实现亚硫酸氢盐和粘度的平行检测，探针的结构设计需要不同的独立响应路径。按照这一设计理念，双检测荧光探针MCC-DMQ被合理设计为D-π-A（供体-π-受体）分子框架，通过共轭的环外CC双键桥将给电子色烯基团连接到吸电子的2-甲基奎宁鎓盐。因此，该探针将实现荧光……

结论

总之，我们合理设计并开发了一种双检测荧光探针MCC-DMQ，该探针对HSO??和粘度均表现出特异性选择和高度灵敏度。其优异的光学性能使其能够有效地检测食品样品中的亚硫酸氢盐和食品增稠体系中的粘度。重要的是，构建了一种简单便携的智能手机辅助检测平台，允许方便地现场定量测定亚硫酸氢盐水平。

CRediT作者贡献声明

侯欣宇：调查、方法学、数据整理。姜云和：调查、方法学、数据整理。梁天宇：调查、资金获取、撰写-原稿。李阳：撰写-审阅与编辑。田明宇、吴成言和孙小飞：正式分析、验证、数据整理。唐丽军和中可立：审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到辽宁省重点研发计划（民用科学技术，2024JH2/102500053）、大连民族大学教育部生物技术与生物资源利用重点实验室开放基金（KF2024009）、辽宁省教育厅科学研究项目（LJ212410167039, JTTMS1618）、国家自然科学基金（22278038, 12374368）和辽宁振兴人才计划的资助。

作者信息

侯欣宇|姜云和|梁天宇|李阳|田明宇|吴成言|孙小飞|钟可立|唐丽军

渤海大学化学与材料工程学院，锦州 121013，中国