一种具有良好分离通道的双功能荧光探针，用于评估生物系统和食品样本中的亚硫酸盐含量及粘度

《Dyes and Pigments》：Dual-functional fluorescence probe with well-separated channels for evaluating bisulfite/viscosity in biosystem and food samples

　　

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  该探针能够同时检测亚硫酸盐和粘度，并具有良好分离的通道。
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  超快响应速度，高灵敏度和高选择性。
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  荧光信号会因ICT和TICT过程而发生变化。
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  该探针可用于生物系统和食品领域的研究。

引言

亚硫酸盐（HSO₃^?）作为一种多功能合成化合物，在工业制造中是最常用的化学添加剂之一，其作为酶抑制剂、自由基清除剂和微生物生长抑制剂的效果尤为显著[1,2]。这种物质广泛用于食品加工、药品制备和饮料制造，主要用作漂白剂和防腐剂。通过抑制氧化降解和微生物繁殖，亚硫酸盐有助于延长商业产品的储存稳定性，减少生产后的变质和相关经济损失[3,4]。尽管具有这些重要的工业优势，但最终产品中过量的亚硫酸盐残留越来越多地与对人类健康的严重负面影响相关联[5]。越来越多的证据表明，过量接触HSO₃^?可能诱发一系列病理生理障碍。在人体内，内源性SO₂是在硫化氢和含硫氨基酸氧化过程中产生的。由于其不稳定性，SO₂会迅速转化为更稳定的衍生物——亚硫酸盐（HSO₃^?）和亚硫酸盐（SO₃^2?），它们在生理环境中保持动态平衡[[6], [7], [8]]。HSO₃^?水平升高与多种健康问题有关，包括呼吸系统疾病、心血管疾病和神经系统疾病。

粘度是流体内部摩擦力的宏观反映，本质上源于阻碍流动的分子间相互作用。在食品体系中，粘度既是核心属性，也是一个与分子构型、相变特性和微生物调控过程密切相关的关键生物标志物[9,10]。在食品变质过程中，包括蛋白质变性、多糖降解和微生物代谢产物积累在内的物理化学变化会引发粘度的显著变化，这使其成为质量退化的敏感指标[4,[11], [12], [13], [14]]。例如，酸奶储存过程中粘度下降20%通常表示其蛋白质网络结构发生了破坏。相反，食用油粘度上升15–30%往往预示着脂质氧化的加速。粘度的明显变化可以提供微生物繁殖和酶诱导降解的早期可测量预警[15]。因此，持续监测动态粘度变化有助于获取预测食品变质事件（如微生物过度生长和相关水解反应）的关键前体标志物[16]。此外，口咽部吞咽困难（OD）可能导致气道保护能力下降、口腔食物摄入减少，进而引发营养不良。通过添加增稠剂来调节摄入流体的粘度可以减缓吞咽过程，提高安全性和效率，并为吞咽困难提供治疗干预[17]。因此，监测二氧化硫（SO₂）衍生物和粘度对于相关疾病的研究、环境检测和食品分析具有重要意义。

传统的有害物质检测方法，包括光学、电化学和气体传感技术，在分析应用中显示出有效性[[18], [19], [20], [21]]。然而，这些方法往往受到高设备成本、复杂程序以及专用环境要求的限制，因此不适合在活细胞或生物组织中进行实时和动态测量。纳米技术的进步带来了基于纳米聚合物的气体传感器的发展，这些传感器提供了改进的检测能力[22]。尽管有这些创新，但在动态生物条件下实现准确、经济且原位检测仍然存在挑战。荧光探针已成为生物成像和细胞分析的有希望的替代方案[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]]。这些探针的特点是光毒性低、分辨率高和组织穿透深度深。然而，现有的荧光探针通常存在局限性，如生产成本高、对活细胞有毒性、检测灵敏度有限和响应范围狭窄，限制了它们的广泛应用[[40], [41], [42], [43]]。分子转子作为一种荧光探针的子类，可以通过抑制扭曲的分子内电荷转移（TICT）机制来缓解这些问题，使其适用于检测细胞环境中的粘度变化。粘度是调节生物分子相互作用、细胞内运输和代谢扩散的关键生理参数。细胞粘度的变化，特别是在线粒体中，会损害细胞功能，并与帕金森病、糖尿病和阿尔茨海默病等疾病有关。

为了解决这些传统检测技术的局限性，本研究介绍了一种新型双响应荧光探针CSO-SN，它基于噻吩偶氮染料。该探针设计用于实时检测亚硫酸盐和粘度变化。通过迈克尔加成反应，CSO-SN能够敏感地识别HSO₃^?的存在。此外，它还利用TICT机制监测环境粘度的变化。该探针具有强大的抗干扰性和优良的生物相容性，使其成为生物诊断和食品安全测试的有前景工具。通过提供一种经济高效、多功能的方法进行实时监测，CSO-SN在复杂环境中的生物医学研究和分析测试方面具有显著潜力。

章节摘要

基本信息

实验中使用的所有化学品和食品样品均直接从当地商业供应商处获得。除非另有说明，实验中使用了去离子水和分析级溶剂。此外，仪器设置的详细描述和相对特征数据（图S15–S18）在补充文档中提供。

合成部分

将化合物3（298.0?mg，1?mmol）、2-巯基吡啶-4,6-二醇（144?mg，1?mmol）和0.02?mL哌啶作为催化剂溶解在10?mL干燥...

传感机制

在氧化反应中，迄今为止已广泛使用亲核加成反应来开发亚硫酸盐探针。由于这类方法对亲核试剂的反应性增强，因此使用了电子缺乏的底物。这些底物使得检测HSO₃^?变得更加容易。经历扭曲分子内电荷转移（TICT）的分子通常具有强电子供体和受体基团。为了开发CSO-SN荧光探针，选择了N,N-二乙氨基...

结论

在这项研究中，我们设计了一种双功能荧光探针CSO-SN，它具有分离良好的通道，用于检测亚硫酸盐/粘度。CSO-SN通过迈克尔加成反应有效检测HSO₃^?衍生物，导致荧光从弱红色变为绿色。同时，该探针还能通过TICT机制检测粘度变化。在光学性质研究中，该探针表现出优异的选择性、快速响应和抗干扰性。

CRediT作者贡献声明

马俊岩：撰写 – 审稿与编辑，监督。刘毅：数据整理。李成林：资源提供。孔翔涛：软件支持。孟丹：形式分析。陈志豪：数据整理。张玉青：数据整理。张振星：撰写 – 原稿，监督。

支持信息包括仪器、合成方法和特征光谱，在支持文档中提供。支持信息可在网站上获取。

作者声明没有竞合财务利益。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞合财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的财务支持：国家自然科学基金（22407004）；河南省自然科学基金（242300421613）；河南省教育厅重点科技研究项目（23A150040；22A350011）；安阳科技计划项目（2023C01SF210）；河南省重点研发与推广专项（232102310402）。我们还要感谢河南光电功能国际联合实验室的支持。

马俊岩|刘毅|李成林|孔翔涛|孟丹|陈志豪|张玉青|张振星