综述：通过多种小分子荧光探针在复杂环境中可视化二氧化硫衍生物

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Visualizing sulfur dioxide derivatives in multiplex environments through diverse small-molecule fluorescent probes

　　

摘要：

二氧化硫（SO₂）在人体中作为一种气态信号分子，参与维持细胞内的氧化还原平衡，并调节生理和病理过程。由于其抗氧化和抗菌特性，它也被广泛用作食品防腐剂。然而，过度暴露于SO₂可能会导致一系列不良健康影响，这突显了在生物和食品相关领域中准确检测SO₂的必要性。在过去几十年中，已经开发了许多用于检测SO₂衍生物的荧光探针，这些探针的数量和种类正在以惊人的速度增加。这些探针提供了一种强大的分析平台，能够实现灵敏、选择性且侵入性最小的监测，同时具有高空间和时间分辨率。尽管如此，这些探针的构建策略尚未得到系统总结，其识别机制也缺乏充分分类。这些限制阻碍了对它们结构-性质相关性的理解，并阻碍了下一代SO₂荧光探针的合理设计。本文综述了基于亲核加成反应的小分子SO₂探针，根据两种主要的反应基团对其进行分类：活性炭-碳双键（C=C）和羰基（C=O）。SO₂衍生物与这些亲电位点的相互作用会改变π-共轭结构，从而引发可测量的荧光响应变化。本文详细分析了分子结构、反应机制和光物理行为之间的相互作用，并通过典型案例展示了它们在各种条件下对SO₂化学传感和生物成像的实际应用。最后，本文讨论了这一快速发展的领域当前面临的挑战和前景。

引言

二氧化硫（SO₂）是一种重要的内源性气态信号分子，通过含有硫的氨基酸的代谢反应产生[1], [2], [3]。在生理条件下，它主要以亚硫酸盐（SO₃^2-）和亚硫酸氢盐（HSO₃^-）的形式存在。在适当的浓度下，这些物质在多种生理过程中起着重要作用，包括调节血压、维持血管结构、调节心脏负性肌力以及控制细胞内氧化还原平衡[4], [5], [6]。除了其生物学意义之外，SO₂及其衍生物长期以来还被用作食品添加剂，并在安全范围内使用[7], [8]。如今，由于SO₂及其衍生物在保持新鲜度、抑制微生物生长和防止褐变方面的有效性，它们在水果和蔬菜的保存中仍然不可或缺[9], [10]。

然而，SO₂及其衍生物也被认为是有害的环境污染物和化学应激源，可能引起多种不良影响，包括氧化应激、DNA损伤、离子通道功能紊乱和信号转导途径障碍以及膜损伤[11], [12], [13]。流行病学和毒理学研究表明，过度暴露于SO₂及其衍生物会通过降解关键成分和降低营养价值来损害食品质量。它还与严重的健康威胁相关，如不可逆的细胞损伤、呼吸和心血管功能障碍、中枢神经系统疾病，甚至某些类型的癌症[14], [15], [16], [17]。为应对这些风险，多个国家和国际组织已经制定了严格的法规，以标准化食品中SO₂（或其衍生物）的含量[18], [19]。例如，美国食品药品监督管理局（FDA）规定，如果食品标签上的总SO₂浓度≥10 ppm，则必须声明亚硫酸盐的存在[20], [21], [22]。因此，开发有效的SO₂（或其衍生物）检测分析方法对于疾病相关研究和食品安全监测至关重要[6], [23], [24], [25]。

为此，已经建立了多种传统的SO₂及其衍生物检测方法，包括化学滴定[26]、液相色谱-质谱[27]、电化学测定[28]和流动注射分析[29]。然而，这些方法通常需要复杂的仪器、繁琐的样品预处理、专业的操作知识和严格的实验条件[20], [30]。因此，仍然迫切需要快速高效的分析策略，能够在复杂的环境和生物环境中灵敏地原位监测SO₂及其衍生物。相比之下，荧光探针由于其高灵敏度、操作简便性和在食品添加剂分析、有害环境物种检测以及生物过程可视化方面的广泛应用而受到越来越多的关注[31], [32], [33], [34]。

在Chang团队首次开发出基于反应的SO₂荧光探针之后[35]，随后开发了多种有机荧光探针，通过特定的化学反应选择性识别SO₂及其衍生物。在过去五年中，该领域的研究显著加速，并成为越来越重要的研究焦点。SO₂衍生物传感器的进展也反映了研究重点的转变，相关出版物的持续增加证明了科学界对此主题的兴趣日益增长。Bao等人（2018年）[36]、Yu及其同事（2019年）[24]、Zhang等人（2021年）[37]以及Hu团队（2022年）[38]的综述已经总结了SO₂衍生物荧光探针的研究情况。然而，对于最近进展的覆盖仍然有限，很少有研究能够全面概述过去五年的进展。本文旨在通过对SO₂衍生物小分子荧光探针的最新进展进行综合概述，以填补文献中的空白并促进进一步的创新。文章对分子结构、传感机制和实际应用进行了分类和讨论，特别强调了用于SO₂（或其衍生物）检测的荧光激活和比率测量策略。此外，本文还强调了近红外（NIR）体内荧光成像在SO₂（或其衍生物）检测中的优势，因为它具有更好的组织穿透性和更低的背景干扰。此外，本文还探讨了将这些探针整合到实际分析平台中的可能性，如试纸条、水凝胶和智能手机辅助设备，从而展示了它们的转化潜力。最后，本文概述了未来的研究方向，需要在几个方面取得平衡：不断提高荧光探针的分析性能，推动机制创新，简化合成和检测程序以降低成本并提高实用性；同时推进集成了荧光探针与数据处理算法和人工智能的智能SO₂（或其衍生物）检测系统。这些智能平台不仅能够提高检测效率，还能实现自适应的实时分析，为在复杂的食品基质或生物系统中更灵活、更有效地监测SO₂（或其衍生物）铺平道路。

章节摘录

根据亲核加成反应模式对现有的SO₂衍生物小分子荧光探针进行分类

从分子设计的角度来看，根据参与SO₂衍生物亲核加成的亲核加成反应类型，小分子SO₂衍生探针大致可分为两大类：基于烯基（C=C）的探针和基于羰基（C=O）的探针。根据具体的识别机制，这两类探针可以进一步细分为若干子分支（图1）。

香豆素（2H-色萘-2-酮）及其衍生物因其较大的斯托克斯位移、高量子产率、优异的生物相容性以及易于合成和结构修饰而被广泛用作荧光探针[39], [40], [41], [42]。因此，已经开发出了许多具有不同分子结构的香豆素基探针，用于生物医学研究、食品分析和环境监测中的SO₂检测（图2和图3）。

总结与未来方向

本文系统地回顾了过去五年中报道的SO₂衍生物小分子荧光探针，重点关注这一快速发展的领域中的新兴研究趋势。特别关注了自2021年以来开发的探针，这些探针根据其识别机制进行分类，特别是针对电子缺乏的C=C键和羰基（包括酮类和醛类）的亲核加成。关键的光物理和

吴成艳：研究。田明宇：形式分析。钟凯莉：软件、形式分析。李杨：研究、资金获取、形式分析。唐丽君：监督、资源管理、项目管理、资金获取。沈天若：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、形式分析。王晨晓：可视化、研究、形式分析。梁新宇：撰写-初稿、验证、研究、形式分析。梁天宇：

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。