一种用于次氯酸和二氧化硫的双功能比值型荧光探针：在环境样品和生物成像中的应用

《Dyes and Pigments》：A dual-functional ratiometric fluorescent probe for hypochlorous acid and sulfur dioxide: applications in environmental samples and bioimaging

　　

• •
  开发了一种新型红光探针TPATB，用于HClO和SO₂的双比率检测。
• •
  TPATB已成功应用于水、食品和土壤样品中HClO和SO₂的检测。
• •
  基于TPATB的智能手机辅助检测平台实现了HClO和SO₂的便捷现场检测。
• •
  TPATB成功实现了豆芽、细胞和斑马鱼中HClO和SO₂动态变化的成像。

引言

次氯酸（HClO）作为一种高活性氧物种，在水分析中发挥着至关重要的作用，其浓度直接反映了含氯消毒剂的转化效率和残留风险，是饮用水生物安全的最后一道防线[1]，[2]。在食品安全领域，HClO残留物的痕量监测是平衡微生物控制与化学风险的关键控制点，确保终端消费者安全[3]，[4]，[5]。在土壤和植物中，HClO已被鉴定为植物天然免疫的关键信号分子，其在植物根部的分布对于阐明作物抗病机制和评估土壤及植物微生态系统健康至关重要[6]，[7]，[8]。在生物系统中，内源性HClO的双重作用（防御性和损伤性）使其成为连接免疫代谢、细胞命运以及动脉粥样硬化、神经退行性疾病和癌症等重大疾病机制的重要分子[9]，[10]，[11]。二氧化硫（SO₂）作为主要空气污染物之一，主要来源于工业生产和燃料燃烧[12]，[13]，[14]。在水样分析中，SO₂是水质污染的关键指示物，其浓度监测直接影响饮用水安全和 aquatic 生态系统健康[15]，[16]。在食品安全领域，SO₂作为一种广泛使用的防腐剂和漂白剂，其残留量的准确检测是保障消费者健康的核心步骤[17]，[18]，[19]。在土壤和植物系统中，SO₂通过亚硫酸盐形式影响土壤酸碱平衡和植物生理代谢，其定量分析是评估农业环境质量的关键步骤[20]，[21]，[22]。在生物体中，内源性SO₂作为气体信号分子参与心血管调节、炎症调控和氧化应激反应等重要生理过程[23]，[24]。因此，开发高灵敏度的HClO和SO₂检测方法对于实现从环境暴露到健康影响的全面监测具有重要意义。

荧光探针技术因其高灵敏度、强特异性和最小的细胞损伤而不断发展[25]，[26]。用于检测HClO[27]，[28]，[29]或SO₂[30]，[31]，[32]的高性能荧光探针已被广泛报道。然而，开发一种能够同时检测HClO和SO₂且互不干扰的单一荧光探针仍然是一项重大挑战。目前，主要的设计策略可分为两类：1）在单一共轭体系中同时引入用于HClO氧化的富电子基团和用于SO₂亲核加成的缺电子基团，通过不同的双反应位点实现同时检测。例如，韩金利等[33]和张辉等[34]分别利用噻嗪盐和吡喃鎓盐作为HClO和SO₂的反应位点。包夏珍等[35]分别利用噻嗪盐和吲哚鎓盐作为HClO和SO₂的反应位点。高宏帅等[36]和张立[37]均使用吲哚鎧盐作为SO₂反应位点，分别以N,N-二甲基硫代氨基甲酸硫代脲基团和苄硫醚作为HClO反应位点。2）利用单一反应位点与HClO发生氧化反应和与SO₂发生加成反应，利用这两种反应对探针推-拉电子效应的不同影响实现同时检测。于慧团队[38]将2,5-二甲氧基苯甲醛与基于吲哚鎓的半花青素分子骨架缩合，构建了探针DPF。窦坤团队[39]通过双键将6-羟基-2-萘甲醛衍生物与丙二腈相连，形成探针DNB。在这两种设计中，C=C双键既是HClO和SO₂的反应位点。这种设计要求精确调谐，因为双键的电子密度必须同时满足与HClO的氧化反应和SO₂亲核加成的条件。此外，相关文献研究表明，无论采用何种探针设计策略，荧光发射光谱在与HClO和SO₂反应后都需要出现在不同的通道中，发射峰之间的分离越大，交叉干扰效应越弱。值得注意的是，先前报道的大多数HClO和SO₂双检测探针均表现出双通道"开启型"荧光响应模式。因此，开发结构精细、发射通道显著分离的双比率荧光探针对于实现HClO和SO₂的高精度同时检测具有重要意义。

基于上述分析，本研究通过三苯胺-噻吩甲醛（TPAT-CHO）与1,3-二乙基-2-硫巴比妥酸的缩合反应构建了探针（TPATB）（方案1a）。TPATB能够实现HClO和SO₂的同时检测，并表现出以下优势：1）TPATB中的双键（C=C）可分别与HClO发生氧化裂解反应和与SO₂发生亲核加成反应。2）TPATB对HClO表现出红-黄位移的比率型荧光响应，对SO₂表现出红-蓝位移的比率型荧光响应，并伴随明显的颜色变化。反应后荧光发射120 nm的差异确保了信号之间无相互干扰。3）TPATB在HClO和SO₂的光谱检测中表现出高灵敏度、宽线性范围、快速响应和优异的抗交叉干扰性能。4）TPATB已成功应用于环境水、各种食品样品和土壤中HClO和SO₂的定量监测。利用其明显的颜色变化并整合到智能手机平台中，建立了便捷快速的现场检测方法。5）在生物应用中，TPATB实现了豆芽培养过程中HClO和SO₂的荧光成像分析。此外，它还显示出动态监测HeLa细胞和斑马鱼模型中HClO和SO₂水平的潜力。

章节摘要

TPATB的合成

TPATB的合成通过两步进行，如方案1a所述。TPAT-CHO按照先前报道的方法制备[40]，[41]，然后与1,3-二乙基-2-硫巴比妥酸进行缩合。详细的实验步骤如下：将TPAT-CHO（0.5 mmol，177.7 mg）和1,3-二乙基-2-硫巴比妥酸（0.6 mmol，130 mg）溶解在10 mL无水乙醇中，然后逐滴加入50 μL哌啶。混合物在加热条件下

TPATB的设计策略

在TPATB的分子结构中，噻吩乙烯桥连接了供电子的三苯胺基团和吸电子的1,3-二乙基-2-硫巴比妥酸，形成典型的D-π-A结构，在低极性环境中发射红色荧光。C=C双键易被HClO氧化裂解，产生发射黄色荧光的TPATB-CHO。同时，分子中同一双键作为SO₂的反应位点，由于

结论

总之，本研究开发了一种新型近红外荧光探针TPATB，通过单一反应位点实现HClO和SO₂的双比率检测。TPATB中的C=C双键经历不同的反应路径：HClO诱导氧化裂解产生黄色荧光，而SO₂引发亲核加成产生蓝色荧光。所得产物表现出良好分离的发射峰（Δλ = 120 nm），有效减少了信号重叠和交叉干扰。TPATB

作者贡献声明

王晓敏：撰写——审阅与编辑，验证。石利红：软件，资源。李金宇：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，调查。颜伟玲：撰写——审阅与编辑，验证。张彩红：撰写——初稿，项目管理，资金获取。张国美：撰写——审阅与编辑，资金获取。双少敏：撰写——审阅与编辑，项目管理

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由中央引导地方科技发展专项资金（编号：YDZJSX2025D002）、国家自然科学基金（编号：22177065）、山西省基础研究计划（编号：202303021221078）和中国山西省留学基金委员会（编号：2023-026）资助。

李金宇|颜伟玲|王晓敏|石利红|张彩红|张国美|双少敏