用于原位差异检测作物和食品中HClO和H?S的双通道荧光探针

《Food Chemistry》：Dual-channel fluorescent probe for in-situ differential detection of HClO and H 2S in crops and food

HClO和H2S是农作物中重要的氧化还原调节剂，其失衡会导致氧化应激。传统单目标探针难以同时检测两者。本研究设计了一种基于偶氮-喹啉酮结构的双功能探针ZZ，通过蓝色荧光（HClO）和近红外荧光（H2S）实现选择性检测，并伴随颜色变化（黄→无/红），适用于活细胞、斑马鱼及作物Cd2+胁迫实时成像，结合便携设备可快速检测果蔬中的HClO和酒类中的H2S，为农业和食品安全提供新工具。

　　

刘伟|张如梦|陈玉彤|顾宇燕|杜海江|韩志翔|高志恒|王坤|龙凌亮

江苏大学化学与化学工程学院，中国江苏省镇江市212013。

摘要

次氯酸（HClO）和硫化氢（H₂S）是作物中重要的氧化还原调节剂，但它们的失衡会引发氧化应激。使用传统的单目标探针同时检测这两种物质具有挑战性。为了解决这个问题，我们设计了一种基于香豆素-喹啉结构的双功能探针ZZ。它通过不同的荧光通道选择性地识别HClO和H₂S：HClO产生蓝色荧光，而H₂S产生近红外（NIR）荧光。此外，当暴露于HClO或H₂S时，探针的颜色会从黄色变为无色或红色，从而能够在同一传感平台上实现荧光和比色读数。该探针已被有效用于活细胞、斑马鱼和受压植物的实时成像。当与便携式设备结合使用时，它还可以快速、原位地定量检测食品中的HClO和饮料中的H₂S。这项工作建立了一种多功能、可现场应用的工具，用于研究农业中的HClO-H₂S相互作用，并提高食品安全监测。

引言

次氯酸（HClO）是一种关键的活性氧（ROS），在维持人类健康方面起着不可或缺的作用（Kettle & Winterbourn, 1997）。然而，内源性HClO水平的异常升高会引发氧化应激，这与许多疾病的发病和进展密切相关（Wang et al., 2025）。除了哺乳动物系统外，HClO在作物和食品系统中也具有重要的功能。在低浓度下，HClO促进种子发芽和幼苗早期发育（Drew & Brocklehurst, 1987），其强大的杀菌活性可以直接消除入侵的病原体，从而增强植物的免疫防御（Mexicano, Medina, Mexicano, & Carmona, 2024）。作为一种内源性ROS信号分子，HClO有助于调节细胞内的氧化还原平衡（Krych-Madej, Stawowska, & Gebicka, 2016）、信号转导级联的调节（Fichman, Zandalinas, Peck, Luan, & Mittler, 2022）以及代谢途径的协调（Fichman et al., 2022），最终影响植物的应激适应（Lushchak, 2011）。在食品保存中，HClO被广泛用于抑制微生物生长、延缓腐败以及减缓水果和蔬菜的采后衰老（Du et al., 2024），显示出其在食品储存和加工中的实际价值。

硫化氢（H₂S）是一种进化上保守的气体传递物质，在所有生物体中普遍存在，并参与多种生理过程。在动物体内，H₂S维持细胞内的氧化还原平衡、调节血管张力、提供心脏保护，并调节细胞增殖和凋亡（Kanagy, Szabo, & Papapetropoulos, 2017）。最近在作物生物学中的发现揭示了类似的调节作用。包括大豆、黄瓜、棉花和大蒜在内的多种作物物种能够内源性生成H₂S，它调节生长、发育和环境应激反应（Zou et al., 2019）。H₂S参与种子发芽、根系发育、叶片扩展和开花等重要的生理事件（Fang et al., 2022）。在非生物胁迫（如盐度、干旱、高温或重金属暴露）下，H₂S通过调节基因表达和代谢重编程来增强植物的耐受性；外源施用可以进一步提高作物在不利条件下的存活率（Jiang et al., 2019）。重要的是，H₂S与一氧化氮（NO）、钙离子（Ca²⁺）和植物激素（如脱落酸和乙烯）相互作用，形成复杂的信号网络，共同调节作物的响应（Liu & Xue, 2021）。然而，H₂S的过度积累会导致果实过早成熟或腐烂，对作物的储存和运输产生负面影响（Liu, Wang, Liu, Liu, & Xue, 2021）。

在作物系统中，HClO和H₂S表现出复杂的相互作用，特别是在调节氧化还原平衡和介导应激反应方面。H₂S可以通过还原反应减轻HClO引起的氧化损伤，从而缓解氧化应激（Benchoam, Cuevasanta, Moller, & Alvarez, 2019）。在病原体入侵期间，它们的协同作用进一步增强了植物的免疫防御（Grassmann, Hippeli, & Elstner, 2002; Vojtovic, Luhova, & Petrivalsky, 2021）。适当调节HClO和H₂S的内源性生物合成或外源补充可以提高作物的抗逆性和生产力（Dai et al., 2024; Lee, Shin, Lee, & Lee, 2022）。虽然这两种分子的生理浓度有助于维持细胞内的平衡，但它们的过度积累可能会破坏平衡、引发严重的氧化应激并导致细胞毒性效应（Liu, Liu, & Liao, 2024）。因此，阐明HClO和H₂S的生物学功能，特别是它们的共调节机制和信号相互作用，对于理解作物的应激适应至关重要。因此，开发敏感且选择性的分析方法来区分检测这两种物质在理论和实践上都非常重要。

传统的HClO和H₂S检测方法，如HPLC（Watanabe, Idehara, Yoshimura, & Nakazawa, 1998; Yu et al., 2020）、分光光度法（Narayana, Mathew, Vipin, Sreekumar, & Cherian, 2005; Quan & Lee, 2021）、电化学技术（Dong et al., 2020; Stine et al., 2024）和GC-Ms（Varlet, Giuliani, Palmiere, Maujean, & Augsburger, 2015; Wakigawa et al., 2013），通常涉及繁琐的样品制备，并且缺乏在活体系统中进行实时、原位检测的能力（表S1, S2）。相比之下，比色法（He et al., 2021; Hu et al., 2019; Li, Li, & Gao, 2023; Liang et al., 2021; Wang et al., 2024）和荧光法（Han, Xiao, Liu, Du, & Li, 2023; Li et al., 2025; Long et al., 2022; Marimuthu, Arumugam, Sabarinathan, Li, & Chen, 2021; Rong et al., 2021; Yang et al., 2024; Yang, Zhao, Feng, & Li, 2013; Zhu et al., 2023）已成为强大的工具，具有高灵敏度、出色的时空分辨率、非侵入性以及适用于实时成像的优点。此外，比色和荧光信号可以直接观察，无需依赖大型仪器，这使得它们特别适合在作物和食品样品中进行快速、原位检测（Ding et al., 2023; Hu et al., 2021; Huang et al., 2022; Yang, Liu, et al., 2024）。迄今为止，已经开发了多种针对HClO或H₂S的小分子比色和荧光探针。通常，H₂S探针利用其强还原性和亲核性，结合了硝基（Gao et al., 2019）、叠氮化物（Steiger, Pardue, Kevil, & Pluth, 2016）、二硝基苯醚（Qin, Liu, Wang, Chen, & Shen, 2024）、2,4-二硝基苯磺酰胺（Huang et al., 2024）或Cu²⁺螯合基团（Huang et al., 2022）等活性基团；而HClO探针则利用其氧化反应性，采用肟（Lin, Long, Chen, & Tan, 2009）、CC键（Xiong et al., 2019）、对甲氧基苯酚/对烷氧基苯胺（Yang, Sun, Yao, & Gao, 2020）、肼（Xiu, Bian, Ali, Chen, & Wang, 2024）或硫原子（?wierczyńska, S?owiński, Michalski, Romański, & Podsiad?y, 2023）等官能团。然而，大多数现有探针只能检测其中一种物质，能够同时区分和检测HClO和H₂S的双功能探针仍然很少（表S3, S4）。

为了克服这一限制，我们设计并合成了一种双功能荧光探针ZZ，它采用双通道荧光策略，能够选择性地识别HClO和H₂S。如图1A所示，探针ZZ由一个通过CC双键连接的香豆素-喹啉骨架组成，形成了一个大的共轭荧光体系。引入了二苯基磷酸基团作为H₂S识别位点，而CC双键作为HClO响应基团。探针ZZ的基线荧光非常低。与HClO反应时，它发出明亮的蓝色荧光；而与H₂S反应时，则产生强烈的近红外（NIR）荧光。此外，探针ZZ还表现出明显的比色响应。在可见光下，溶液的颜色在暴露于HClO时从黄色变为无色，在与H₂S反应时从黄色变为红色。这种合理的设计使得通过比色和荧光信号在单个探针系统中同时和差异性地检测HClO和H₂S成为可能。实验验证表明，探针ZZ可以成功用于活细胞和斑马鱼中HClO和H₂S的成像，证明了其在复杂生物环境中的可行性。在Cd²⁺胁迫下的菠菜叶组织中，该探针能够动态监测HClO和H₂S的变化，揭示了作物的应激响应机制。此外，当与便携式光学信号采集设备结合使用时，探针ZZ能够快速原位检测草莓和生菜中的HClO，以及红酒和醋中的H₂S，显示出其在作物质量控制和食品安全监测中的广泛应用潜力。

材料与试剂

所有化学品和试剂均从商业来源购买，无需进一步纯化即可使用。

化合物合成与表征

详细信息见支持信息（SI）。

在Cd²⁺胁迫下菠菜叶片中HClO和H₂S的检测

菠菜被用作模型作物，以建立Cd²⁺诱导的胁迫系统。为了评估探针ZZ在不同Cd²⁺胁迫水平下检测HClO和H₂S的适用性，植物在营养土中栽培，并每隔三天用等体积的CdCl₂溶液（0、10、20或30?mM）灌溉。

合成与表征

探针ZZ及其中间体的合成路线见支持信息中的方案S1。它们的分子结构已通过核磁共振（NMR）光谱和高分辨率质谱（HRMS）得到确认。

探针ZZ对HClO和H₂S的光谱响应

次氯酸钠（NaClO）和硫化氢钠（NaHS）分别用作HClO和H₂S的来源。所有光谱测量均在20?mM磷酸钾缓冲液/甲醇中进行

结论

我们成功开发了一种新型的双功能荧光探针ZZ，并研究了其在作物和食品样品中HClO和H₂S的原位定量检测中的应用。探针ZZ基于PET机制工作，导致荧光淬灭。与HClO相互作用时，探针中的香豆素基团被释放，在蓝色通道中引发明显的荧光响应。探针ZZ与HClO之间的线性检测范围为

CRediT作者贡献声明

刘伟：项目管理、方法学、研究、数据管理、概念化。张如梦：资源获取、研究、数据管理、概念化。陈玉彤：研究、数据分析。顾宇燕：数据分析。杜海江：初稿撰写、软件开发。韩志翔：监督、软件开发、研究。高志恒：初稿撰写、软件开发。王坤：初稿撰写、软件开发。龙凌亮：撰写、审稿与编辑。

未引用的参考文献

Yang et al., 2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（21874059）和江苏大学农业装备项目（NZXB20200201）的支持。