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PFOS和PFOA通过改变SQ-BSA复合物荧光强度实现选择性检测，其分子结构差异导致与BSA的氢键和范德华力作用不同，进而影响荧光信号。研究为PFAS环境监测提供新方法并揭示污染物对蛋白结构的影响机制。
Muhammad Aminu Auwalu|Gregory R. Wiedman|Yuanwei Zhang
新泽西理工学院化学与环境科学系，University Heights，Newark，NJ 07102，美国
摘要
全氟辛烷磺酸盐（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）在水体中具有持久性，且热稳定性和化学稳定性极高，因此无法生物降解。当它们与蛋白质结合时，可能会对健康构成风险。目前有多种检测方法，包括色谱法、质谱法等，但这些方法耗时较长。本文利用基于斯夸瑞因（SQ）染料光物理特性的荧光光谱法来检测PFOS和PFOA。所制备的SQ与牛血清白蛋白（BSA）结合形成SQ-BSA复合物，并显示出强烈的荧光信号。随后加入PFOS和PFOA时，荧光信号分别逐渐增强和减弱，这种变化可持续到20 μM浓度。总体而言，这三个组分的系统（SQ、BSA、PFOS/PFOA）的区分能力取决于SQ-BSA与PFOS和PFOA之间的不同相互作用方式。因此，该研究为PFAS的区分提供了新的见解，并揭示了PFOS和PFOA可能对白蛋白结构产生的影响。
引言
全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类含有碳-氟键的工业化学品，因其惰性和多样的功能而受到关注[1]、[2]。全氟辛烷磺酸盐（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）是两种常见的PFAS类型，已被广泛研究[3]。这两种物质不仅具有疏水的氟烷基链，还分别带有亲水的磺酸基团或羧酸基团，使得整个分子具有两亲性。这些特性使它们在涂料、纺织品和阻燃剂等多种应用中非常有用。然而，由于它们的惰性和广泛应用，它们已成为持久性的化学污染物。PFOS和PFOA在人体内的半衰期很长[4]、[5]。由于半衰期长且不可生物降解，这些物质会进入环境并污染水和土壤。尽管曾经是常见的化学品，但现在PFOS和PFOA成为了毒理学研究的重点对象[6]。它们与多种健康问题有关，包括神经毒性、内分泌紊乱和生殖危害[7]、[8]。PFOS和PFOA容易在血液中积累，并且与组织和血清蛋白有很强的结合能力[2]、[3]、[6]、[9]，同时也与脂质和脂肪组织结合。当PFOA进入血液时，90%会与血清白蛋白结合[10]。研究表明，当PFOS浓度高于1 mg/mL时，几乎所有的PFOS都会与血清白蛋白结合[11]。为了研究PFOS和PFOA的结合特性，通常使用牛血清白蛋白（BSA）作为模型底物，因为BSA含有两个主要的结合位点，位于疏水腔内。多种光谱学和模拟方法已被用于研究这些结合过程，为PFOS和PFOA的转运和毒性提供了见解[9]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。尽管不同研究得出的结合常数和结合位点数量存在差异[14]，但可以明确的是，官能团（磺酸基或羧酸基）会影响结合亲和力和结合位点[12]。
血清白蛋白是体内重要的转运蛋白，能够携带外源性和内源性化合物，同时参与多种代谢过程[17]。牛血清白蛋白（BSA）与人类血清白蛋白（HSA）相似，含有583个氨基酸，主要为α-螺旋结构。这种蛋白质可以与许多生物分子、金属复合物、药物分子和有机染料结合[18]。例如，用作食品添加剂和消毒剂的孔雀石绿被发现具有致癌性，有研究表明孔雀石绿与BSA之间存在强烈的相互作用[19]。这种相互作用会导致BSA的二级结构发生变化，α-螺旋部分减少，生物活性降低。另一项研究探讨了BSA与多种抗癌药物的相互作用，结果表明BSA与药物的这种自发相互作用可用于药物输送[20]。
斯夸瑞因染料（SQ）是一类含有芳香四元环结构的荧光团。这类染料在红光和近红外光谱区域的吸收和发射强度很高[21]。它们的吸收和发射光谱波长超过600 nm[22]。这类染料被广泛用于荧光传感器和染料敏化太阳能电池的研究。我们发现BSA与SQ染料之间存在强烈的结合亲和力，这种结合涉及静电和疏水相互作用[23]。简而言之，两亲性的SQ染料在水中形成低发射性的聚集体，但在加入BSA后，这些聚集体会解离并进入BSA的疏水腔内，形成BSA-SQ复合物，从而显著增强荧光强度，适用于生物成像应用。
从化学结构上看，SQ和PFOS都具有磺酸基团，属于两亲性物质[24]。由于BSA对SQ、PFOS和PFOA都有结合能力，且三组分系统（BSA、SQ、PFOS或PFOA）中的结合常数均在10^4–10^6 M^-1范围内，表明它们的结合强度相当[9]、[15]、[25]，因此研究这类系统非常有趣。在本研究中，我们研究了不同比例的这些三组分系统，并监测了SQ的荧光强度和BSA的结构变化。这项研究有助于理解PFOS和PFOA如何相互作用并影响BSA的结构，可能为揭示其毒性机制提供线索。此外，SQ-BSA复合物在PFOS和PFOA存在下的荧光响应可作为区分这两种物质的替代方法。
材料与方法
SQ合成所用试剂和溶剂包括：2-甲基苯并噻唑、1,3-丙烷酮、3-(2-甲基苯并[d]噻唑-3-基)-丙烷-1-磺酸、富马酸、N-丙烷磺酸-苯并噻唑ium斯夸瑞因（SQ）、甲苯、无水吡啶、正丁醇、DCM、乙醚和甲醇。全氟辛烷磺酸钾盐和全氟辛酸从Fisher Scientific（美国）购买。BSA（冻干粉）从Sigma Aldrich购买，使用前无需进一步处理
SQ/BSA的相互作用
在水中，具有刚性平面结构和π共轭结构的小分子荧光物质（如SQ、苝和二氢吡咯[3,4-c]吡咯-1,4-二酮）常常会因聚集而发生光学变化[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。如上所述的SQ染料合成过程（图S1、S2）中，我们通过监测荧光变化来确认其与BSA的相互作用。从5 μM的SQ开始，逐步加入BSA溶液，最终浓度分别为2、4...
结论
综上所述，鉴于PFOS/PFOA选择性方面的差异，所开发的荧光分离复合物（SQ-BSA）可在环境研究中发挥重要作用。该复合物通过其独特的氢键和范德华力，能够区分这两种亟需关注的PFAS衍生物。这项研究...
CRediT作者贡献声明
Muhammad Aminu Auwalu：撰写初稿、进行研究、进行数据分析、构建概念。Gregory R. Wiedman：撰写修订稿、进行数据分析、进行形式分析。Yuanwei Zhang：撰写修订稿、确定实验方法、进行数据分析、构建概念。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了新泽西理工学院（NJIT）化学与环境科学系以及文理学院的支持。
