基于嘌呤的多通道荧光平台用于食品基质和生物模型中三价铕、氟硅唑及四环素类抗生素的跨类别检测

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A purine-based multichannel fluorescent platform for cross-class sensing of Eu(III), flusilazole, and tetracycline antibiotics in food matrices and biological models

　　

摘要

稀土离子、农药残留和抗生素残留是环境和农业系统中化学性质多样的关注污染物，对生态系统完整性和人类暴露具有潜在影响；然而，开发能够检测这些不同类别目标的单一分析平台仍然具有挑战性。在此，我们报告了一种基于嘌呤的荧光探针 (PDA)，用于在食品基质和生物模型中快速、选择性地检测铕 (III) 离子 (Eu³⁺)、杀菌剂氟硅唑以及三种四环素类抗生素 (TCs)（土霉素 (OTC)、氯四环素 (CTC) 和四环素 (TC)）。PDA 对 Eu³⁺ 表现出开启红色荧光，检测限 (LOD) 为 12.3 μg L^-1；对氟硅唑表现出开启蓝色荧光，检测限为 30.5 μg L^-1。值得注意的是，原位形成的 [PDA–Eu3?] 配合物将该平台扩展至对 OTC、CTC 和 TC 的选择性关闭荧光传感。结合光谱测量和理论分析的机制研究支持了 PDA 介导的 Eu³⁺ 敏化、PDA-氟硅唑系统中非共价结合诱导的 PDA 构象运动限制，以及 TCs 对 [PDA-Eu³⁺] 的激发态猝灭。所提出的平台在柑橘和黄瓜样品中氟硅唑以及牛奶样品中 TCs 的测定中表现出令人满意的回收率和精度，并采用液相色谱 - 串联质谱 (LC-MS/MS) 进行独立对比。此外，探针的低细胞毒性和良好的生物相容性使得在 HepG2 细胞、斑马鱼和水稻组织中实现了浓度依赖性荧光成像。这项工作提供了一个实用的跨类荧光传感分析平台，具有在环境监测、食品安全分析和生物成像方面的潜在应用。

引言

农业环境和食品中的农药和抗生素残留需要可靠的分析监测，因为它们被广泛使用且在复杂基质中具有持久性。稀土离子如铕 (III) (Eu³⁺) 也是分析关注的目标，因为它们对生物具有毒性作用并可能威胁人类健康 [1], [2], [3], [4], [5]。这些目标在分子结构、结合行为和光物理特性上存在显著差异，使得在共同的传感平台上进行跨类检测具有挑战性。高效液相色谱、液相色谱 - 质谱、气相色谱 - 质谱和毛细管电泳仍然是强大的确证技术 [6], [7], [8], [9]。然而，它们对专用仪器、经过培训的操作以及针对基质的样品制备的依赖性，促使开发互补的荧光方法进行快速筛选和可视化。

基于荧光的传感因其高灵敏度、操作简单以及实时分析的潜力而引起了广泛关注 [10], [11], [12]。各种传感材料，包括量子点、金属有机框架 (MOFs)、分子印迹聚合物和基于配位的探针，已被开发用于检测金属离子、农药和抗生素 [13], [14], [15], [16]。在这些方法中，基于配位的传感系统特别具有吸引力，因为金属中心和官能配体之间的相互作用可以定制，以耦合分析物识别与光信号转导 [17], [18], [19], [20]。镧系辅助平台进一步将此策略扩展至比率、多通道和便携检测，提供差异化光信号和灵活读取模式 [21], [22], [23], [24]。尽管如此，由于这些材料有限的细胞膜渗透性和潜在的细胞毒性，它们在活细胞内可视化中的应用仍然具有挑战性。因此，具有高选择性、良好的光稳定性和高效细胞摄取的小分子荧光探针的合理设计与合成具有重要意义。

乙二胺四乙酸二酐 (EDTAD) 衍生的氨基多羧酸支架为镧系识别提供了合理的分子平台，因为它们的多重氧和氮供体位点支持强烈的金属配位 [25], [26], [27], [28]。然而，EDTAD 框架缺乏高效的光捕获发色团，因此无法独立敏化镧系中心发射。因此，需要引入适当的天线单元来吸收激发能量并将其转移至配位的镧系离子。在这方面，嘌呤基团提供了一个紧凑的、富氮杂芳支架，具有有用的光物理和分子识别特性 [29], [30]。

在此，设计了一种含嘌呤的小分子探针 PDA，作为统一平台用于 Eu³⁺、氟硅唑和三种四环素类抗生素 (TCs)——土霉素 (OTC)、氯四环素 (CTC) 和四环素 (TC) 的多路复用检测（图 1）。游离 PDA 对氟硅唑表现出蓝色荧光增强，而与 Eu³⁺ 配位产生了 [PDA-Eu³⁺] 系统的特征红色发射。由此产生的 [PDA-Eu³⁺] 系统进一步表现出对 OTC、CTC 和 TC 的荧光猝灭响应。传感过程使用光谱测量、质谱、理论计算和分子对接进行了研究。该荧光检测平台能够在复杂食品基质和活生物系统中进行快速、选择性和定量成像——展示了在农业安全和生物医学应用中实时监测分析物的强大潜力。

章节片段

试剂、仪器和溶液制备

本研究中使用的试剂、仪器、实验装置和所有溶液制备程序的详细描述见补充材料。

PDA 的合成

根据报道的乙二胺四乙酸二酐 (a) 的程序 [31]，将 a (5 mmol) 和 6-氨基嘌呤 (10 mmol) 在无水 N,N-二甲基甲酰胺 (DMF) (50 mL) 中的混合物在氮气氛围下于 80°C 搅拌过夜。减压除去溶剂得到粗 PDA（图 2

PDA 传感性能评估

为了研究溶剂环境对 PDA 荧光和紫外 - 可见吸收行为的影响，我们选择了四种代表性溶剂进行测试：二甲基亚砜 (DMSO)、CH₃OH、C₂H₅OH 和 CH₃CN。如图 S5 所示，虽然乙醇的吸光峰低于 DMSO，但它提供了更高的信噪比和更低的毒性，这是用于复杂生物系统和体内成像的荧光探针的关键要求。不同

结论

在本工作中，开发了一种基于嘌呤的小分子探针 PDA，作为统一的多通道平台用于 Eu³⁺、氟硅唑和三种 TCs 的跨类传感。PDA 对 Eu³⁺ 和氟硅唑表现出不同的和选择性的荧光响应，而原位形成的 [PDA-Eu³⁺] 配合物实现了 OTC、CTC 和 TC 的荧光检测。该平台在柑橘、黄瓜和牛奶样品中表现出令人满意的回收率和精度，支持其适用于

CRediT 作者贡献声明

李平：验证，调查。马文娟：写作 - 原稿，可视化，方法学，数据整理。付英：写作 - 审阅和编辑，资金获取。卢冰冰：写作 - 审阅和编辑，验证，监督。叶飞：监督，资源。刘春彤：软件，方法学。卢怡柔：形式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划 (2024YFD1701700) 的支持。

利益冲突声明

作者声明无竞争利益。

马文娟|李平|卢怡柔|刘春彤|叶飞|卢冰冰|付英

中国哈尔滨 150030 东北农业大学化学与分子工程学院