基于二氰异佛酮的双重响应荧光探针，用于检测生物系统和环境系统中的极性/pH值

《Journal of Molecular Liquids》：Dually responsive fluorescence probe based on dicyanoisophorone for sensing polarity/pH in living systems and environmental systems

1. 该研究成功设计合成两种基于二氰异噁唑啉酮骨架的荧光探针（DCIV-1和DCIV-2），可同步检测pH（3-12）和极性变化，具备高选择性和稳定性，在细胞癌变区分和实际水样pH检测中表现优异，并开发成便携式试纸法。

　　

Jianchao Hou|Wen Zhang|Zhonglong Wang|Xiaoqin Yang|Xiaoping Rao|Ping Zhao|Qian Jiang

中国国家林业和草原管理局西南林业大学高效利用林业生物质资源重点实验室，昆明650224，中华人民共和国

摘要

极性是评估和诊断疾病的重要参数，反映了细胞代谢状态的质量。在这项工作中，我们设计并合成了一种基于二氰异佛尔酮的新型荧光探针（DCIV-1和DCIV-2），能够有效检测pH值和极性变化。对探针光学特性的详细分析表明，DCIV-1和DCIV-2在不同pH条件下表现出不同的荧光和比色响应。同时，DCIV-1和DCIV-2对极性变化具有优异的响应性。生物应用表明，这两种探针可以成功区分癌细胞和正常细胞。此外，DCIV-1和DCIV-2能够快速检测实际水样中的pH值。作为一种便捷的检测方法，基于探针的试纸已被开发出来用于检测pH变化。这项工作突显了DCIV-1和DCIV-2在生物和环境领域监测pH值和极性方面的潜力。

引言

pH测量在化学研究、人体生理学和环境监测中起着关键作用[1]、[2]、[3]。在化学研究中，它对于控制反应动力学和平衡、优化合成途径以及确保分析技术的准确性是不可或缺的[4]、[5]、[6]。在人类健康领域，pH是一个重要的生理指标。动脉血pH值受到严格调控，其偏离是代谢性酸中毒和碱中毒的诊断标志[7]、[8]。同时，监测尿液pH值对于评估肾功能、诊断泌尿系统疾病以及指导治疗干预非常有价值[9]、[10]。在环境科学中，pH是全面评估环境健康的重要参数。它决定了重金属和其他污染物的形态、溶解度、生物利用度和毒性[11]、[12]。此外，它是评估酸雨、海洋酸化和水体富营养化生态影响的主要指标[13]。因此，准确监测pH变化对于环境保护、公共卫生和化学研究至关重要。

作为关键的生物物理参数，细胞极性的波动与许多重要的生物过程密切相关，包括酶相互作用、蛋白质定位和细胞分化[14]、[15]。异常的极性调节与多种病理状况密切相关。与正常细胞相比，癌细胞的极性显著降低[16]、[17]。此外，研究表明脂肪肝的进展与极性波动之间存在强烈相关性[18]。因此，动态的极性变化可以作为疾病诊断的指标。

由于荧光探针具有出色的灵敏度、快速响应时间和原位应用潜力，它们已成为极性/pH检测不可或缺的工具[19]、[20]、[21]。在各种荧光团中，基于二氰异佛尔酮（DCI）的染料因其出色的光物理性质而受到广泛关注，包括较大的斯托克斯位移、强烈的分子内电荷转移（ICT）效应和高荧光量子产率[22]、[23]。因此，以电子吸引性的二氰基和刚性结构为特征的DCI骨架为设计荧光探针提供了理想的平台[24]、[25]、[26]。然而，目前只有少数基于DCI骨架的荧光探针用于监测极性/pH值。因此，基于DCI骨架的极性/pH探针的开发非常有必要。

香草醛和p-羟基苯甲醛是重要的醛类化合物，在制药工业和香料工业中广泛使用[27]、[28]。在这项研究中，我们使用香草醛和p-羟基苯甲醛作为原料，设计并合成了一种新型的基于DCI的荧光探针（DCIV-1和DCIV-2）。这两种荧光探针均表现出高选择性和光稳定性，适用于复杂环境和活细胞中的实时极性/pH波动监测。这项工作的意义在于其双通道检测能力，可以同时检测极性和pH值。

材料与设备

所有化学品和溶剂均从Titan和Aladdin购买，按原样使用，无需进一步纯化。¹H和¹³C核磁共振光谱是在Bruker AV光谱仪上以500 MHz频率记录的。荧光测量使用Hitachi F-7100分光光度计进行。高分辨率质谱（HRMS）数据由Agilent 655A iFunnel Q-TOF质谱仪获取。紫外-可见吸收光谱使用Hitachi UH5300分光光度计测量。细胞成像

不同溶剂中DCIV-1和DCIV-2的光学性质

研究了DCIV-1和DCIV-2在常见溶剂中的荧光光谱。如图S10和图S11所示，DCIV-1和DCIV-2在不同极性溶剂中的荧光光谱有明显差异。随着溶剂极性的增加，荧光强度明显增强。作为典型的“D-π-A”结构化合物，DCIV-1和DCIV-2在极性溶剂中表现出增强的荧光强度，这是由于分子内稳定的作用

结论

总之，我们开发了两种基于DCI的荧光探针（DCIV-1和DCIV-2），用于高选择性的pH/极性监测。这两种探针可以通过双通道比色和荧光响应监测广泛的pH范围（pH 3–12）。此外，当极性环境从低到高转变时，DCIV-1和DCIV-2表现出依赖极性的荧光发射。DCIV-1和DCIV-2在实际应用中表现出优异的性能，包括检测极性变化

CRediT作者贡献声明

Jianchao Hou：撰写——原始草稿、方法学、数据管理。Wen Zhang：研究、数据管理。Zhonglong Wang：撰写——审稿与编辑。Xiaoqin Yang：研究。Xiaoping Rao：资金获取。Ping Zhao：监督、概念化。Qian Jiang：撰写——审稿与编辑、资金获取、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

该研究得到了国家自然科学基金（编号32160350）、云南省基础研究项目（编号202201AU070069, 202301BD070001-117）以及云南省人才振兴计划（XDYC-QNRC-2022-0628）和兴电产业人才支持计划（YNQR-CYRC-2019-012）的支持。