一种双响应智能探针，用于监测：在斑马鱼中通过荧光成像检测HSO??，以及在视觉试纸上通过比色法检测Cu2?

《Inorganic Chemistry Communications》：A dual-responsive smart probe for monitoring: Fluorescence imaging of HSO 4? in zebrafish and colorimetric sensing of Cu2+ on visual test strips

高效荧光探针JT3基于罗丹明B骨架，实现硫酸氢根离子（LOD=6.33×10?? M）的荧光淬灭检测和铜离子（LOD=2.81×10?? M）的显色检测，在DMSO/H?O混合体系及生物模型中展现出高灵敏度和选择性，适用于环境监测与生物分析。

　　

孙银霞|罗爱萍|白雪|徐一飞|李秦树|刘丽萍|孙宇|孙婉红|贾月辉|邓哲鹏

兰州交通大学化学与化学工程学院，中国甘肃省兰州市730070

摘要

本研究制备了一种基于罗丹明B的新型探针（JT3），用于在DMSO/H₂O（v/v = 4:1）混合体系中荧光检测HSO₄^?和比色识别Cu²⁺。在JT3溶液中，加入HSO₄^?会淬灭其黄色荧光，而加入Cu²⁺则会使溶液迅速变为紫红色。HSO₄^?和Cu²⁺的检测限（LOD）分别为6.33×10^?8 M和2.81×10^?8 M。JT3探针具有高灵敏度、低检测限、快速响应时间和高选择性的特点，适用于HSO₄^?和Cu²⁺的检测。通过理论计算和静电势模拟阐明了JT3与HSO₄^?和Cu²⁺的识别机制，并通过¹H NMR滴定、质谱（MS）和红外光谱（IR）进一步验证了其相互作用模式。JT3能够在斑马鱼和试纸条上特异性且快速地识别HSO₄^?，并实现对Cu²⁺的可视化检测，显示出在环境监测和生物领域中的良好应用潜力。

引言

HSO₄^?作为一种重要的阴离子，在环境科学、生物医学和工业生产中有着广泛的应用。准确检测其浓度对于水质评估、疾病诊断和工业过程控制至关重要[1]。HSO₄^?是H₂SO₄的部分解离产物，其浓度与水溶液的pH值密切相关。在酸性水中，HSO₄^?的浓度相对较高；而在中性或碱性条件下，HSO₄^?会进一步解离为SO₄^2?[2]、[3]。例如，在水质监测中，通过监测HSO₄^?的浓度，可以间接评估水体的酸度以及是否存在酸雨污染或工业酸性废水排放等问题。因此，HSO₄^?的浓度是评估水体酸度和污染程度的重要指标[4]。在生物体内，HSO₄^?参与多种生理过程，其异常水平可能与某些疾病相关[5]。HSO₄^?在生物系统中发挥着多种重要作用，包括维持酸碱平衡、参与硫代谢、调节酶活性、解毒、信号转导、营养吸收以及骨骼和软骨的形成[6]、[7]、[8]、[9]。准确检测HSO₄^?对于工业应用中的化学过程控制和优化至关重要[10]。此外，HSO₄^?还应用于化学、水处理、冶金、石油、纺织、食品、制药和电池等多个领域，主要用作催化剂、pH调节剂、浸出剂、腐蚀抑制剂和电解质[11]、[12]、[13]。因此，开发高效、灵敏且高选择性的HSO₄^?检测方法具有重要的科学意义和实际应用价值。

Cu²⁺是生物体内必需的微量元素[14]，在多种生理过程中发挥关键作用，如细胞呼吸、酶活性调节、神经传导、电子传递和抗氧化防御[15]、[16]、[17]、[18]。许多疾病（如威尔逊病、帕金森病和阿尔茨海默病）与Cu²⁺浓度失衡密切相关[19]。无论是过量还是缺乏，Cu²⁺都可能对生物体造成严重危害[20]。Cu²⁺过量可能引发氧化应激和细胞损伤[21]，而Cu²⁺缺乏则可能导致酶活性下降和代谢功能障碍[22]。因此，开发一种高灵敏度和选择性的方法来准确检测生物和环境样本中的Cu²⁺具有很高的科学价值和实际意义。

传统的HSO₄^?或Cu²⁺检测方法（如光谱法、电化学法和离子色谱法[23]）虽然能够进行定量分析，但存在操作复杂、仪器昂贵、检测限高或选择性不足等局限性[24]、[25]。近年来，荧光探针技术因具有高灵敏度[27]、快速响应、操作简便[28]以及实时原位监测能力[29]而成为离子检测的研究热点。研究人员利用这一强大工具开发了多种针对HSO₄^?或Cu²⁺的荧光探针，采用了不同的荧光团（如香豆素、罗丹明和BODIPY）和识别机制（如氢键结合、静电相互作用、化学反应）[30]、[31]、[32]。这些探针在环境水样、生物液体和工业样品中表现出优异的检测性能。然而，荧光探针通过与HSO₄^?和Cu²⁺的独特分子识别机制结合，导致荧光信号发生显著变化（如荧光“开启”、淬灭或波长移动[33]，从而实现快速、准确和高选择性的检测。因此，设计高效的荧光探针需要综合考虑其结合能力、光稳定性和与HSO₄^?及Cu²⁺的生物相容性。目前，已基于不同荧光团和识别机制开发了多种HSO₄^?和Cu²⁺荧光探针（见表S1和表S2），这些探针在环境样品和生物样品检测中显示出巨大潜力。

本文开发了一种基于席夫碱结构的荧光探针（JT3），用于检测HSO₄^?和Cu²⁺。该探针通过荧光淬灭机制检测HSO₄^?，并通过比色变化识别Cu²⁺，具有低检测限（LOD）、高灵敏度和优异的选择性。在斑马鱼和试纸条上的DMSO/H₂O（v/v = 4:1）体系中，JT3能够特异性且快速地识别HSO₄^?和Cu²⁺，在环境监测和生物分析领域具有广泛应用前景。

材料与仪器

所有化学品均从商业渠道购买。实验中使用的试剂和溶剂均为分析级，无需额外纯化，所有实验步骤均使用去离子水。关于药物、试剂和仪器的完整信息见支持信息。

罗丹明酰胺中间体（JY）的合成

按照文献[34]中的方法合成JY，产率为82%（0.751克），熔点为155–156℃，摩尔质量为457.25克/摩尔。

探针JT3的合成

化合物JY（0.456克），

探针JT3对HSO₄^?的荧光响应

在DMSO/H₂O（v/v = 4:1）混合物中，于460 nm激发波长下测量了JT3的荧光发射光谱。如图1a所示，在524 nm处，JT3显示出高强度的发射峰，且在紫外灯（365 nm）照射下溶液呈黄色。加入HSO₄^?后，JT3的荧光被有效淬灭，同时在紫外灯下荧光完全消失。

结论

本研究成功构建了一种基于罗丹明B骨架的探针JT3，其结构通过¹H NMR、MS和IR进行了验证。光谱研究表明，JT3在DMSO/H₂O（v/v = 4:1）体系中能够对HSO₄^?产生荧光“开启/关闭”响应（溶液颜色从黄色变为无色），并通过比色法选择性识别Cu²⁺（溶液颜色从无色变为紫红色）。

CRediT作者贡献声明

孙银霞：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。罗爱萍：撰写 – 原稿撰写。白雪：数据整理。徐一飞：指导。李秦树：概念设计。刘丽萍：形式分析。孙宇：实验研究。孙婉红：方法学研究。贾月辉：可视化处理。邓哲鹏：验证。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了甘肃省重点研发计划（社会发展领域）（25YFFA087）、甘肃省教育部门青年博士项目（2024QB-038）、甘肃省科技计划——乡村振兴项目（24CXNA009）以及兰州青年科学计划的支持。

孙银霞：兰州交通大学教授及博士生导师。我们主要从事功能性复合物和催化材料的研究。近年来，我们专注于新型荧光（电化学）传感器和光催化氮固定催化材料的设计与开发。已在《Food Chem.》、《Talanta》、《Electrochim. Acta》、《J. Environ. Chem. Eng.》、《Cryst. Growth Des》等期刊上发表超过70篇论文。