一种用于环境样品和生物体系中Cu2?和S2?荧光及比色检测的双模式肽基探针

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A dual-mode peptide-based probe for fluorometric and colorimetric detection of Cu2+ and S2? in environmental samples and biological systems

　　

摘要

实现Cu²⁺和S^2?的高选择性检测具有重要意义，因为它们对生态环境和人体健康造成了严重危害。在此，开发了一种新型双模式肽类探针FSSC，该探针兼具荧光和比色检测功能，可实现Cu²⁺和S^2?的顺序检测，并具有强抗干扰能力。FSSC表现出高灵敏度，检测限（LODs）分别为18.8 nM（Cu²⁺）和109.3 nM（S^2?）。重要的是，FSSC不仅应用于活细胞和斑马鱼幼体的荧光生物成像，还在三个水样中实现了准确检测并取得令人满意的结果，表明FSSC在生物和环境系统中具有潜在的应用价值。此外，FSSC被制备成可视化试纸条，实现了通过肉眼对Cu²⁺和S^2?进行便携式分析。此外，交替加入Cu²⁺和S^2?时，FSSC的荧光强度和溶液颜色发生可逆变化，并进一步开发为超灵敏INHIBIT逻辑门。此外，FSSC-Cu²⁺体系实现了在四种富含蛋白质的食品腐败过程中对H₂S的可视化监测。此外，智能手机颜色识别App兼具信号读取和分析转换功能，作为便携式分析设备，通过捕获浓度依赖性荧光图像并进行精确的数字处理来实现定量分析。

引言

铜离子（Cu²⁺）是人体必需的微量元素，在表观遗传修饰、神经递质合成、信号转导等众多重要生理过程中发挥显著作用[1], [2], [3]。同时，Cu²⁺离子也是许多蛋白质和生物酶的组成部分，在生物体的电子传递过程和氧化还原反应中充当催化辅因子的角色[4], [5]。Cu²⁺的缺乏会对人体多个系统和器官产生不利影响，可能导致血脂异常、血管硬化、生长发育迟缓及自发性骨折等症状[6], [7]。过量摄入则可能引发铜中毒的风险，表现为腹痛、呕吐和腹泻等症状[8], [9], [10]。硫离子（S^2?）及其化合物对人类和环境具有极强的毒性危害，是一种致命的环境和工业毒物[11], [12]，其核心毒理学机制是通过阻断细胞呼吸链导致全身性缺氧[11], [12]。暴露于高浓度S^2?可导致嗅觉神经麻痹、呼吸困难、皮肤腐蚀、心力衰竭甚至死亡[13], [14], [15]。此外，S^2?离子也是一种公认的环境污染物，一旦进入水体，将破坏水生生态系统[16], [17], [18]。硫化物氧化产生的硫酸会使土壤和水体酸化，同时溶解大量有毒重金属离子，从而造成复合污染[16], [17], [18]。此外，环境中的S^2?通过质子化转变为毒性更强的硫化氢（H₂S）[19], [20]。富含蛋白质的食品在腐败过程中会产生过量的H₂S，因此可通过检测H₂S来监测食品的腐败过程[19], [20]。基于上述潜在威胁，开发具有快速响应、良好选择性和高灵敏度的Cu²⁺和S^2?检测技术具有重要的现实意义。

与其他检测技术相比，许多有机小分子探针和纳米探针已被广泛应用于环境分析和生物成像[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]。然而，一些荧光探针存在合成复杂、选择性差、生物毒性高、水溶性差等缺点，限制了其在实际水样和生物系统中的应用。目前，许多探针仅依赖单一模式检测（荧光或比色），缺乏多模式检测的互补性和确认性。荧光检测方法具有操作简便、响应快速、灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强和适用范围广等优势。此外，比色检测技术是一种直观便捷的传感检测方法，通过颜色变化直接反映目标物质的存在，无需复杂的仪器设备。通过设计对Cu²⁺具有特定响应的肽，并将具有双模式荧光和比色响应的荧光基团偶联至肽的末端，合成双模式肽基探针具有重要的应用价值。双模式传感平台整合了两种传感理论体系，双信号检测模式的结果可以相互确认，扩大了检测范围，显著增强了检测灵敏度，提高了检测结果的可靠性，并增强了其适应复杂分析环境的能力。这为其在食品安全检测、环境监测和生物成像领域的应用提供了科学依据[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]。因此，开发双模式荧光和比色探针，然后结合智能手机RGB分析App建立多模式传感平台，对于实现无需特殊设备的Cu²⁺和S^2?现场检测和快速检测具有重要意义。

由于具有优异的水溶性、良好的生物相容性和结构多样性，肽分子常被用作检测重金属离子的受体[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]。此外，肽来源于生物体，在体内可生物降解，其产物无毒[26], [27], [28], [29], [38], [39], [40], [41], [42]。此外，肽的固相合成技术和肽链修饰技术已成熟且发展完善[30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]。在此，成功开发了一种新型双信号肽基探针FSSC，将5-羧基荧光素（5-FAM）荧光团引入三肽（Ser-Ser-Cys-NH₂）。FSSC具有响应快速、灵敏度和选择性好等优异性能，可在复杂的环境和生物领域通过荧光和比色模式对Cu²⁺和S^2?进行顺序检测。FSSC对Cu²⁺和S^2?的检测限（LODs）分别为18.8 nM和109.3 nM。值得注意的是，FSSC实现了在活细胞和斑马鱼幼体中对Cu²⁺和S^2?的可视化监测。值得注意的是，在真实食品样品中准确检测Cu²⁺和S^2?具有重要意义。此外，FSSC-Cu²⁺体系实现了在四种富含蛋白质的食品腐败过程中对H₂S的可视化监测。此外，浸有FSSC的试纸条成功实现了可视化分析，并与交替加入的Cu²⁺和S^2?表现出高效可逆性，成功模拟了组合INHIBIT逻辑门。更重要的是，该便携式基于智能手机的分析平台无需昂贵仪器即可实现定量分析。

章节摘要

材料与仪器

肽基探针FSSC的主要材料购自上海拓普肽有限公司（上海，中国），包括Fmoc-Rink Amide树脂、Fmoc-Ser(tBu)-OH、Fmoc-Cys(Trt)-OH和5-羧基荧光素（5-FAM）。所用所有溶剂均为分析纯，未经进一步纯化即直接使用，包括1-羟基苯并三唑（HOBt）、N,N'-二异丙基碳二亚胺（DIC）、二氯甲烷（DCM）、三异丙基硅烷（TIS）、N,N-二异丙基乙胺、三氟乙酸（TFA），

FSSC对Cu²⁺的荧光响应

为证明探针的特异性，对FSSC对多种金属离子的选择性进行了研究。如图1a所示，只有Cu²⁺导致FSSC的荧光强度明显下降。相比之下，其他干扰金属离子对荧光强度的影响可忽略不计。此外，研究了各种金属离子的干扰效应，以明确其他金属离子存在对Cu²⁺离子检测的影响。显然

结论

总之，我们成功设计并合成了一种双模式肽基探针FSSC，通过显著的荧光响应和明显的颜色变化实现对Cu²⁺和S^2?的顺序检测。与表S5和表S6相比，FSSC表现出高灵敏度、优异的特异性、快速响应、强抗干扰能力和更宽的pH范围。检测限（LODs）分别为Cu²⁺低至18.8 nM和S^2?低至109.3 nM。FSSC成功用于对Cu²⁺和S

CRediT作者贡献声明

彭王：写作–审阅与编辑、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。安勇：资金获取、正式分析、数据整理。黄超秋：软件。唐新：正式分析。熊世怡：软件、正式分析。贾梦莹：正式分析、数据整理。任一：写作–初稿、软件、正式分析、数据整理、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号：22206154、82303568）、四川省化学合成与污染控制重点实验室项目基金（编号：CSPC202401）以及四川省大学生创新创业训练计划项目（编号：S202610638065）的资助。感谢科研之友（www.shiyanjia.com)）在理论计算方面提供的宝贵帮助。

任一|贾梦莹|熊世怡|唐新|黄超秋|安勇|彭王

四川省精确合成与功能开发重点实验室，西华师范大学化学与化工学院，四川南充师大路1号，邮编637009，中国