一种通过脱保护-氧化级联反应调控的双响应近红外荧光探针，可用于单独和顺序检测H?S/HClO，具有在食品安全监测中的应用潜力

《Analytica Chimica Acta》：A deprotection-oxidation cascade-regulated dual-responsive near-infrared fluorescent probe for individual and sequential detection of H 2S/HClO with applications in food safety monitoring

本研究开发了一种新型近红外荧光探针DCIQ-DNBS，通过双响应机制分别检测硫化氢（H2S）和次氯酸（HClO），在食品安全和环境监测中具有应用价值，并实现了快速响应和高灵敏度。

　　

Jie Yang|Chao Fu|Yicong Zhou|Hua Zhang|Xiangzhi Song|Dandan Li|Chuanxiang Liu

上海工业大学化学工程与能源技术学院，中国上海海泉路100号，201418

摘要：

背景

硫化氢（H₂S）和次氯酸（HClO）分别是关键的活性硫（RSS）和活性氧（ROS）物种，在生理调节和食品安全中扮演着双重角色。尽管有许多用于单独检测H₂S或HClO的荧光探针，但由于其在食品安全、环境监测和生物医学领域的巨大潜力，双功能探针仍然较为罕见。

结果

我们首次开发了一种新型的A-π-A（受体-π-桥-受体）型近红外荧光探针DCIQ-DNBS，该探针通过H₂S触发的2,4-二硝基苯磺酰（DNBS）的巯基化反应以及HClO介导的DNBS-C=C键的脱保护-氧化级联反应，实现了对H₂S和HClO的单独和顺序检测。探针DCIQ-DNBS表现出优异的选择性和快速响应时间，并提供了双通道荧光信号：740 nm处的近红外响应（检测限，49 nM）和562 nm处的短波长黄色响应（检测限，40 nM）。通过加载DCIQ-DNBS的便携式试纸条，成功实现了对食品变质样品中气态H₂S的可视化监测以及对食品中HClO的定量追踪。此外，细胞研究表明该探针能够检测HeLa细胞中升高的H₂S和HClO水平。

意义与创新性

这种新型单探针系统能够在一次检测中同时单独和顺序地检测两种不同的分析物。通过为每个目标生成独特的发射信号，它消除了进行单独测试或复杂分离步骤的需要，从而在食品安全监测等领域显著提高了效率。

引言

硫化氢（H₂S）和次氯酸（HClO）分别是活性硫物种（RSS）[1]和活性氧物种（ROS）[2]的关键代表，在生物系统[3]、[4]和食品安全[5]、[6]中发挥着关键但复杂的作用。作为重要的气体信号分子，H₂S参与了多种生理过程，包括血管扩张[7]、胰岛素分泌[8]、炎症调节[9]和神经信号传导[10]。然而，在食品系统中，H₂S却是一种关键的变质标志物[11]——其特有的臭鸡蛋气味不仅表明了富含硫的食品受到微生物污染，还可能引发健康问题。相比之下，HClO在食品加工[12]和水处理[13]中广泛用作消毒剂，但过量存在时不仅会加速食品质量恶化[14]，还可能导致氧化应激相关的病理现象[15]，如肝脏损伤[16]、神经退行性疾病[17]和癌症[18]。值得注意的是，有证据表明H₂S和HClO在生物环境中存在密切相互作用[19]。H₂S可以作为HClO的清除剂，调节其反应性并减轻潜在的氧化损伤，突显了它们在氧化还原稳态中的相互关联作用。因此，同时监测这两种物质对于阐明它们的生理和病理功能至关重要。

与传统的H₂S和HClO检测方法（如色谱法[21]、[22]、比色法[23]、[24]和电化学分析[25]）相比，基于有机探针的荧光传感技术具有显著优势，包括高选择性和特异性、快速响应、操作简便以及在活体系统中的非侵入性和实时检测[26]。虽然已经取得了显著的进展，但传统的单一分析物探针在捕捉这两种物质在复杂系统中的动态相互作用方面存在局限性。近年来，荧光传感器的开发越来越注重多分析物检测能力，以通过不同的发射信号来阐明活性分子（如ROS/RSS）在复杂系统中的相互作用[27]、[28]，但大多数报道的系统仍存在一些问题[29]、[30]，例如光谱分辨率不足、荧光信号重叠或依赖于相对简单和独立的识别机制（如2,2'-二硫代吡啶、叠氮化物或硫代氨基甲酸酯衍生物）[31]、[32]、[33]、[34]。这些缺点常常影响复杂生物或环境基质中的选择性和准确性，需要设计更加复杂且抗干扰的探针。

为了解决这些挑战，我们设计了一种新型的近红外（NIR）荧光探针DCIQ-DNBS（方案1），其基于创新的A-D-A（受体-供体-受体）分子结构。该结构包含一个喹啉基团（Q）与二氰异佛尔酮（DCI）单元作为电子受体，同时结合了一个含有双乙烯连接体的酚基团作为电子供体。通过将2,4-二硝基苯磺酰（DNBS）基团作为双响应触发剂引入DCIQ荧光团中制备了该探针。在不存在分析物的情况下，DNBS基团会有效淬灭DCIQ的荧光；当与H₂S相互作用时，DNBS的级联反应会恢复分子内的电荷转移（ICT）过程，产生740 nm处的强荧光信号。对于HClO，则通过不同的途径实现检测：首先DNBS脱保护，随后π-桥中的C=C键发生氧化断裂，产生562 nm处的黄色荧光产物。这种机制使得H₂S和HClO能够被明确区分，且发射波长有明显差异（约180 nm）。与现有的双功能探针相比，DCIQ-DNBS具有更高的光谱分辨率、更强的近红外发射能力，从而提高了生物成像的深度，并通过级联反应机制提高了对干扰物质的选择性。该探针还表现出快速响应和高灵敏度，并已在食品变质监测和细胞成像的便携式试纸条中得到成功应用，显示出其广泛的实用性。

部分摘录

一般信息

除非另有说明，所有溶剂和试剂均从商业试剂公司购买并直接使用。闪蒸柱色谱法采用200-300目硅胶（洗脱剂为石油醚（PE）和乙酸乙酯（EA）进行。¹H NMR光谱在Bruker AVANCE III光谱仪上以500/400 MHz频率进行分析。高分辨率质谱（HRMS）在solan X 70 FT-MS光谱仪上记录。紫外-可见光（UV-vis）和荧光光谱分别在SHIMADZU UV-1800和Hitach F-4600光谱仪上记录。

探针DCIQ-DNBS

对H₂S的敏感性和特异性光谱响应

为了确定最佳检测条件，评估了探针DCIQ-DNBS在几种常见溶剂中对硫化氢（H₂S）和次氯酸（HClO）的荧光响应。如图S7a–e所示，该探针在DMSO中的荧光强度最高，发射波长最长。考虑到纯DMSO的潜在毒性以及其在水环境中的溶解性要求，选择DMSO和PBS的混合溶液作为测试体系。

结论

总之，我们开发了一种新型的A-π-A（受体-π-桥-受体）型近红外荧光探针DCIQ-DNBS，能够同时检测H₂S和HClO。该探针表现出优异的选择性和快速响应时间，H₂S的检测时间不到2分钟，次氯酸的检测时间不到5分钟。探针提供双通道荧光信号，发射波长不重叠：740 nm处的近红外响应（检测限，49 nM）和562 nm处的短波长黄色响应（检测限，40 nM）。

CRediT作者贡献声明

Yicong Zhou：研究、数据分析。Hua Zhang：数据管理。Jie Yang：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、研究、数据管理、概念构思。Chao Fu：数据管理。Chuanxiang Liu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、监督、资源获取、项目管理、方法学、资金申请。Xiangzhi Song：数据管理。Dandan Li：资金申请

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢上海化学生物学重点实验室和上海工程绿色荧光药物技术研究中心提供的财政支持。