《Talanta》：A multifunctional naphthalimide-based fluorescent probe for visual detection, environmental monitoring, and biosensing of formaldehyde
编辑推荐：
•开发了一种基于萘酰亚胺的新型荧光探针 Np-FA，其带有肼基，可特异性、灵敏且快速地检测甲醛。•所提出的涉及缩合-环化的传感机理得到了DFT计算和HRMS分析的明确支持。•研制了便携式试纸条和荧光传感膜，用于环境样品中气态和水态甲醛的可视化及现场检测。•Np-FA 表现出优
- •
开发了一种基于萘酰亚胺的新型荧光探针 Np-FA，其带有肼基，可特异性、灵敏且快速地检测甲醛。
- •
所提出的涉及缩合-环化的传感机理得到了DFT计算和HRMS分析的明确支持。
- •
研制了便携式试纸条和荧光传感膜，用于环境样品中气态和水态甲醛的可视化及现场检测。
- •
Np-FA 表现出优异的生物相容性，可用于活细胞中内源性FA的成像，以及药物诱导肝毒性期间FA动态变化的监测。
引言
甲醛（FA）是一种常见的一碳化合物，在自然界中仍是一个重大的生物学谜题。然而，它可被视为第1类致癌物，并被归类为环境污染物，能够对所有生命形式造成严重损害[1,2]。反之，FA是一种关键的内源性代谢产物，参与众多生理功能，如作为信号分子，以及最重要的碳供体分子之一，在表观遗传修饰、核苷酸从头合成及细胞增殖中具有应用价值[[3], [4], [5]]。这种内在的矛盾性增加了极其精密的分析仪器的重要性，这些仪器不仅需要具备测量FA的能力，还需开发同时具备选择性、灵敏度和时空分辨率这三种特性的传感器。
传统的FA定量技术依赖色谱法或分光光度法，能够提供非常精确的定量信息[[6], [7], [8]]。然而，由于存在笨重、复杂、需要大量样品预处理以及具有破坏性等诸多缺点，它们无法在实际中应用。这些局限性限制了它们在实时、现场或体内监测中的应用[9,10]。在这些情况下，荧光传感技术已被证明是理想的替代方案。它们具有一些独特特性，包括操作简便、灵敏度高、响应速度快以及在无创生物成像应用中的固有适用性[[11], [12], [13]]。目前大多数研究采用荧光探针来识别FA，其合成包含多种识别基团，如烯丙胺、肼，并可能含有2-氮杂Cope重排结构[[14], [15], [16], [17]]。尽管如此，文献中仍存在一个严重的空白。该领域大多数最新出版物专注于环境或生物场景中的某一种，且不到一半可以合理地扩展到其他领域[[18], [19], [20]]。此外，现有的生物检测探针大多侧重于外源性FA的识别，只有少数传感器能够测量内源性FA随时间的变化水平，尤其是在药物引起器官损伤时[[21], [22], [23]]。研究现状十分明显，新一代分子探针应具备多种性能。这类探针应更好地感知环境质量，同时在生物学成像方面表现出色。
为了解决上述局限性，我们设计并合成了一种基于萘酰亚胺的新型荧光探针，名为Np-FA（图1）。选择萘酰亚胺骨架是因为其优异的物理化学性质和光稳定性、较大的量子产率以及简单的化学修饰[[24], [25], [26]]。Np-FA的有利荧光传感行为归因于其肼识别基团与FA之间的特异性环化反应。该反应恢复了分子内电荷转移（ICT）通路，产生明显的开启型荧光信号[[27], [28], [29], [30], [31]]。实验结果证实，Np-FA具有高选择性、优异的灵敏度、快速响应以及广泛生物学相关pH范围内的稳定性能。其底层传感机理通过HRMS检测和DFT理论计算进一步验证。与大多数仅支持单一场景检测的FA探针不同，Np-FA集成了水态、气态和活细胞FA检测功能。这种优异的多场景适应性主要得益于萘酰胺骨架与羟乙基哌嗪单元平衡的两亲性：适当的水溶性支持环境水样分析，而适中的脂溶性促进细胞膜渗透。结合其快速响应、良好的pH耐受性和强抗干扰能力，该探针在复杂环境中实现了可靠传感。此外，其简单的合成路线赋予Np-FA广阔的实际应用前景。为验证实际应用性能，我们开发了基于Np-FA的便携式试纸条和固态荧光膜，可在现场水样中实现FA的原位识别与定量检测。此外，Np-FA具有良好的生物相容性，能够实现对活细胞中外源性和内源性FA的成像，以及顺铂诱导肝毒性过程中FA动态变化的实时监测。综上所述，本研究构建了一个多功能FA检测系统，适用于环境监测和生物生理病理研究。凭借平衡的两亲性、优异的传感性能和简便的合成路线，Np-FA相较于传统单一功能FA探针具有显著优势，并拥有广泛的应用前景。
章节摘要
材料与仪器
材料、试剂和通用仪器的详细描述见支持信息。
中间体M的合成
将4-溴-1,8-萘酐（5.54 g，20.0 mmol）和1-(2-羟乙基)哌嗪（2.6 g，20.0 mmol）溶于40 mL 2-甲氧基乙醇中，倒入单颈圆底烧瓶（100 mL）中。使用磁力搅拌反应混合物，并在125 °C回流12小时。反应完成后，用冰水浴冷却。
识别性能研究
为评估探针Np-FA相对于常见干扰金属离子和阴离子对FA的特异性识别能力，进行了一系列选择性实验。修订稿中给出了Np-FA在不同FA浓度添加下的UV-Vis吸收光谱（重新编号为图S4）。随着甲醛的逐步加入，最大吸收峰发生了轻微的蓝移。相比之下，观察到明显的荧光增强效应，可以轻易...
结论
综上所述，本文开发了一种新型萘酰亚胺基荧光探针，名为Np-FA，能够通过一种创新类型的荧光响应——缩合-环化反应，以灵敏性和特异性检测FA。值得注意的是，Np-FA 对FA具有高选择性、低检测限、快速动力学响应（小于10 s），并在较大的pH范围内表现出一致的行为。Np-FA的传感机理通过DFT完全验证。
CRediT作者贡献声明
Zheng Li：撰写——初稿、方法论、资金获取、正式分析、数据整理。Xihao Wu：可视化、软件、正式分析。Xiaonan Wang：方法论、数据整理。Yan Wang：方法论、数据整理。Yonghe Tang：撰写——审稿与编辑、监督、资源、方法论、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。
致谢
作者感谢河北大学张玉龙博士在成像研究过程中给予的指导与启发。本研究获得国家自然科学基金（22104019）、河北省自然科学基金（B2024408003、B2023201036）、河北省高等学校科学研究项目（产学研合作，CXZX2026011）和省级科研基金支持。
Zheng Li|Xihao Wu|Xiaonan Wang|Yan Wang|Yonghe Tang
