一种基于葡萄糖胺的呋[3,2-b]吡咯-萘咪唑荧光探针，用于环境和生物系统中磷酸盐和碳酸根离子的双重检测

《Journal of Molecular Structure》：A Glucosamine-Based Furo[3,2-b] pyrrole-Naphthimidazole Fluorescent Probe for Dual Detection of Phosphate and Carbonate Ions in Environmental and Biological Systems

双阳离子荧光探针FG-2基于furo[3,2-b]pyrrole-naphthimidazole骨架，通过氢键结合实现磷酸根（检测限3.44 μM）和碳酸根（检测限1.4 μM）的同步检测，其响应机制经UV-Vis荧光光谱及DFT-TDFT计算验证，并成功应用于纸试条、真实水体和活细胞成像。

　　

Slieman Milaneh | Zehao Ye | Chun Zhang | Lei Xu | Wen-Long Wang

江南大学生命科学与健康工程学院，江苏，214122，中国

摘要

我们开发了一系列基于呋喃[3,2-b]吡咯-萘咪唑核心的荧光探针FG-1、FG-2和FG-3，并评估了它们的离子检测能力。其中，FG-2在DMSO:H₂O（9:1）混合物中表现出对磷酸盐（PO₄^3-）和碳酸盐（CO₃^2-）的高检测能力。其识别机制涉及阴离子触发的酸碱平衡、结合化学计量比，以及通过UV–Vis和荧光光谱学以及理论DFT-TDFT计算评估的检测限。FG-2对PO₄^3-和CO₃^2-具有强亲和力，检测限分别为3.44 μM和1.4 μM。其响应性源于呋喃-吡咯萘咪唑核心的脱质子化，从而实现特定的电子跃迁。该探针在纸试纸、实际水样和活细胞成像中得到了有效应用。有趣的是，FG-2表现出行为转换：在溶液中作为关闭传感器，而在细胞内则作为明亮的蓝色荧光探针。总体而言，FG-2是一种有前景的探针，可能是首批同时检测PO₄^3-和CO₃^2-的荧光探针之一，适用于环境和生物应用。

引言

准确、实时地检测特定阴离子在广泛的科学领域中备受关注，尤其是在环境和生物成像应用中。最重要的阴离子包括磷酸盐（PO₄^3?）和碳酸盐（CO₃^2?），它们是许多自然和生理过程中的关键元素[[1], [2], [3]]。磷酸盐在细胞代谢、核酸合成和能量转移中起着关键作用。它可以通过有机磷酸盐的酶促脱磷酸化在生物体内产生[4]。水环境中磷酸盐的含量是营养富集的关键指标。同样，碳酸盐及其相关物质对于维持生物体的血液pH值和全球碳循环至关重要。因此，迫切需要开发高度敏感、选择性和用户友好的方法来在化学分析中检测这些离子[5,6]。

尽管有传统的分析方法，如选择性离子电极、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、分光光度法和电化学测试，可以准确测量这些离子，但这些方法存在一些缺点。它们通常需要昂贵的设备和复杂的样品预处理；此外，它们不能用于复杂生物环境中的实时离子监测[1,3]。

以往方法的局限性促使人们寻找更有效的分析工具。荧光探针作为一种强大的分析工具应运而生。这些探针设计为在与目标分析物选择性结合时，其荧光性质（如强度、波长或寿命）会发生可测量的变化。它们具有易用性、高选择性和灵敏度，并且适用于体内分析[7,8]。由于目标物种的几何多样性、大小和水合能量，以及潜在的竞争离子干扰，设计有效的阴离子荧光探针尤其具有挑战性[9]。

最近，已经开发出多种荧光传感器，包括小分子和基于纳米的材料，用于检测磷酸盐和碳酸盐离子[10,11]。对于磷酸盐的检测，许多方法依赖于金属配体配位、酶促反应（例如涉及碱性磷酸酶的反应）或“可切换”传感器，在反应时发出荧光。这些技术使研究人员能够追踪线粒体和溶酶体等细胞器内的磷酸盐运动[[12], [13], [14], [15], [16], [17]]。类似地，用于检测碳酸盐的探针也采用了可逆反应或化学变化，如氢键或质子键。然而，其他离子（尤其是结构相似的离子）的干扰对这些探针的有效性和选择性构成了重大挑战[3,[18], [19], [20], [21]]。图1展示了之前报道的一些荧光传感器的化学结构。

葡萄糖胺（GlcN）是一种天然存在的氨基糖，广泛分布于动物骨骼、甲壳类动物骨骼和大多数人体组织中。最近，由于其有益的生物特性（包括抗菌、抗真菌、抗炎和抗氧化作用），GlcN及其衍生物被研究用于各种工业应用。它们毒性低，通常不会引起不良影响[22]。大量研究表明，将GlcN部分与药物和其他化合物结合可以提高它们的溶解性和生物相容性[[23], [24], [25]]。

呋喃[3,2-b]吡咯因其独特的富电子（π过量）结构、潜在的生物活性以及作为荧光染料的适用性而受到广泛关注。基于我们之前的研究[26]（其中我们开发了一种基于呋喃[3,2-b]吡咯结构的多离子响应比色探针，用于检测Hg2?、Ni2?、Cu2?和PO₄^3?），本研究探索了一种新型荧光探针的设计用于离子检测。通过将呋喃[3,2-b]吡咯核心与萘咪唑环结合，我们扩展了π系统以改善其光物理性质。

本文讨论了一系列新型荧光探针FG-1、FG-2和FG-3的合成和表征。这些探针基于一个平面的、富含π电子的荧光团——呋喃[3,2-b]吡咯-萘咪唑。先导化合物FG-1包含一个羧基，以促进通过氢键识别阴离子。为了提高水溶性和生物相容性，FG-2和FG-3通过用带有保护或未保护糖基团的酰胺替换羧基而合成。

这些探针被用于检测阳离子和阴离子。这些化合物中没有一种对阳离子检测表现出选择性；然而，FG-2能够在DMSO:H₂O介质中检测到碳酸盐和磷酸盐离子。进行了DFT和TD-DFT研究，以探讨这三种探针对离子的不同行为，并进一步解释FG-2同时检测碳酸盐和磷酸盐离子的能力。此外，还测试了FG-2在纸试纸、实际水样和细胞成像中的适用性。

材料与仪器

所有使用的化学品均为试剂级，按接收状态使用，无需进一步纯化。反应进程和产物通过涂有硅胶F254的玻璃板上的薄层色谱（TLC）进行监测，并在紫外光下观察。为了记录¹H NMR和¹³C NMR光谱，使用了Bruker Advance光谱仪，工作频率分别为600 MHz和150 MHz，溶剂为DMSO-d6。化学位移以

化学合成

根据方案1，合成了化合物FG-1、FG-2和FG-3。详细的合成方法和表征结果见支持信息（Fig.S1-S4）。

比色传感能力

通过向（2.0?×?10^-5

结论

总结来说，合成并表征了一系列基于呋喃[3,2-b]吡咯-萘咪唑的荧光探针（FG-1–FG-3）。只有FG-2（含有乙酰保护的糖基单元）表现出对磷酸盐和碳酸盐离子的高选择性化学传感能力，而FG-1和FG-3的响应几乎可以忽略不计。这种选择性源于一个协同的氢键网络，该网络启动了一个由阴离子介导的酸碱平衡，从而促进了

作者贡献声明

Slieman Milaneh：撰写——初稿、方法学、正式分析、研究、数据管理。Zehao Ye：正式分析、研究。Chun Zhang：软件、正式分析、数据管理。Lei Xu：正式分析、研究。Wen-Long Wang：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

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

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号22277043）、中央高校基本科研业务费（JUSRP121065）和江苏省高层次人才项目（JSSCBS20210848）的支持。作者感谢江南大学生物技术学院的高性能计算集群平台的设施支持。