《Microchemical Journal》：A high-performance quinoxaline-based ratiometric fluorescent probe for hypochlorous acid monitoring and bioimaging in food and biological systems
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高效比值荧光探针SP用于HClO检测与生物成像应用
作者：葛春波、赛志鹏、尤凯、徐静静、王晓宇、张鹏程、杨志军
中国新乡医学院基础医学科学院法医学系，新乡453003
摘要
作为一种具有生物学意义的活性氧（ROS），次氯酸（HClO）在宿主防御系统、工业消毒和水处理中发挥着双重且关键的作用。然而，其过度使用会对环境安全、食品质量和人类健康构成风险。因此，迫切需要有效的方法来监测复杂环境和生物系统中的HClO。在本研究中，我们开发了一种高性能的比率荧光探针SP（(E)-O-(4-(2-(4-甲基-3-氧代-3,4-二氢喹啉-2-基)乙烯基)苯基)二甲氨基硫代甲酸酯）。该探针对HClO表现出特定的比率荧光响应，具有快速响应（<1分钟）、高灵敏度（LOD = 48.89 nM）、宽pH耐受范围（3–9）和优异的生物相容性。在实际应用中，SP能够实时可视化活体洋葱表皮细胞、小麦根部和斑马鱼中的内源性或外源性HClO。此外，基于SP的便携式试纸条可快速、无需仪器地检测水样中的HClO。值得注意的是，使用SP成功实现了对冷冻海鲜中HClO的可视化追踪。这种方法为食品安全和生物系统中的HClO监测提供了一种可靠且用户友好的工具。
引言
次氯酸（HClO）被认为是活性氧（ROS）家族中的重要成员，在先天免疫和微生物防御中发挥着重要作用[1]、[2]、[3]。它通过过氧化氢介导的髓过氧化物酶（MPO）氧化氯离子产生，是先天免疫系统抵御病原体入侵的核心武器[4]、[5]、[6]、[7]。然而，过量的HClO会损害生物分子，并与多种病理状况相关，包括动脉粥样硬化、神经退行性疾病和癌症[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。除了生物系统外，过度使用基于HClO的消毒剂还会引发环境和食品安全问题，如水污染、土壤退化和农产品残留污染[14]、[15]、[16]、[17]。对于土壤而言，这会导致酸化和压实，杀死有益微生物并破坏生态平衡[18]、[19]、[20]。在食品生产中，一些企业非法使用次氯酸钠对农产品进行漂白[21]、[22]，并使用HClO对食品表面进行消毒[23]、[24]、[25]、[26]。这种过度使用HClO的行为对环境和食品安全产生了不利影响。鉴于HClO在生物过程和工业应用中的关键作用，开发高性能的监测方法对于评估和减轻相关环境和生物风险至关重要。
传统的检测方法，如电化学和色谱法，各具优势。然而，这些方法通常受到样品破坏、操作程序复杂以及在生物体内进行实时原位成像的挑战等因素的限制[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。在这种背景下，荧光探针技术因其出色的灵敏度、出色的时空分辨率、优异的生物相容性和在活体样本中的近非破坏性实时成像能力而成为检测生物活性分子的首选工具[32]、[33]、[34]、[35]。迄今为止，已经构建了几种用于检测HClO的小分子荧光探针[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]，但它们仍存在一些局限性，如合成过程繁琐、易受其他分析物干扰、检测限高、响应时间慢、信噪比低以及感知能力有限。特别是，它们在复杂环境中的有效性不足，这促使人们开发出更先进的荧光探针以实现敏感和高效的HClO监测。众所周知，与淬灭型荧光探针相比，基于比率的荧光探针通过利用两种波长的比率来降低假阳性信号的风险[42]、[43]、[44]。同时，比率信号大大消除了探针浓度分布不均、加载变化和仪器波动等因素的影响[45]、[46]。这使得在活细胞和组织等复杂系统中能够进行准确量化。
在本研究中，我们提出了一种新型的比率荧光探针SP，该探针基于喹啉骨架。该探针整合了二甲氨基硫代甲酰氯基团作为特异性识别HClO的单元。SP在暴露于HClO时表现出快速、敏感且选择性的“开启”比率响应。通过实时检测食品样本中的HClO以及其在多种生物模型（包括活细胞、植物组织和斑马鱼）中的成功应用，证明了这种方法的有效性。此外，试纸条的成功制备实现了HClO的实时、快速和敏感的现场检测。SP在HClO检测方面表现出优异的性能，包括出色的选择性和灵敏度、快速的比率响应、宽pH适用范围和高生物相容性。SP成为环境监测、食品安全检测和与HClO相关疾病早期诊断的有前景的平台。
仪器和化学品
本研究使用的所有化学品均为分析级或更高级别，购自标准商业供应商（Bidepharm、Energy Chemical）。使用UV-2600分光光度计进行UV-Vis吸收测量，使用Hitachi F-4700仪器获取荧光光谱。氢和碳光谱使用Bruker AVANCE NEO 400 MHz仪器获得。质谱数据由Bruker micrOTOF-Q III质谱仪收集。HPLC数据也由该仪器获得。
探针的设计与合成
二甲氨基硫代甲酰氯对次氯酸的氧化具有高选择性，通过HClO介导的特异性氧化裂解激活荧光信号（图1a）。因此，设计并合成了一种新型的比率荧光探针SP，该探针具有优异的光学性能和良好的生物相容性。SP的设计和合成路线如图S1所示。化合物的结构表征使用了1H
结论
总之，我们介绍了一种高性能的比率荧光探针SP，它可以选择性和敏感地检测HClO。该探针具有优异的光学性能，包括快速响应、高选择性、低检测限和宽pH适用范围。在活细胞、洋葱表皮、小麦根部和斑马鱼中的生物成像实验表明SP能够有效监测外源性和内源性HClO的水平。此外，
作者贡献声明
葛春波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，资金获取。
赛志鹏：撰写 – 原稿，实验研究，数据分析。
尤凯：项目管理，方法学研究，实验研究。
徐静静：实验研究，数据分析。
王晓宇：数据可视化，实验监督，软件使用，资源协调。
张鹏程：方法学研究，实验研究。
杨志军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了河南省自然科学基金（252300423182、252300421393）和新乡医学院研究生创新项目（YJSCX202526Y）的资助。
