用于特异性检测硫熏食品中SO?的近红外（NIR）荧光探针的合理设计及其在活细胞中的成像

《Microchemical Journal》：Rational design of a NIR turn-on fluorescent probe for specific detection of SO 2 in sulfur-fumigated foods and its imaging in living cells

基于A-π-A结构的荧光探针QT-F、QT-C、QT-DC通过结构变化实现高灵敏检测SO?衍生物，其中QT-C因电子效应优化和D-π-A构型转换产生近红外荧光（检测限13.05 nM），成功应用于食品中SO?残留检测及活细胞成像。

　　

陈秋桐|田明宇|马子祺|奚子婷|邓玉青|唐丽君|李阳|钟凯丽|闫小梅

渤海大学化学学院，中国锦州121013

摘要

二氧化硫（SO₂）及其衍生物亚硫酸氢根（HSO₃^?）和亚硫酸根（SO₃^2?）在环境系统和工业过程中广泛存在。尽管SO₂具有一定的实际应用价值，但过量接触这些物质会对人类健康和生态平衡造成严重威胁。因此，迫切需要开发可靠且有效的检测方法来检测SO₂。为应对这一挑战，我们设计并合成了一系列具有A-π-A结构的荧光探针（QT-F、QT-C、QT-DC），以实现高灵敏度和选择性地检测SO₂衍生物。吉布斯自由能计算表明，末端基团的吸电子能力在决定探针的反应位点方面起着关键作用。其中，QT-C能与HSO₃^?发生特定的亲核加成反应，使原本的A-π-A结构转变为D-π-A结构，并通过分子内电荷转移（ICT）机制产生明显的比色响应和近红外（NIR）荧光增强。由于QT-C的饱和当量低（1当量）和检测限低（13.05?nM），它被成功应用于实际食品样品中亚硫酸根的准确测定以及基于智能手机的RGB传感平台。此外，QT-C还能在高对比度下可视化MCF-7细胞中的内源性和外源性亚硫酸根，展示了其在食品安全监测和生物成像中的双重应用价值。

引言

二氧化硫（SO₂）是一种常见的大气污染物和重要的工业化学品，与人类活动和自然环境有着复杂而密切的关系[1]、[2]、[3]。化石燃料燃烧、金属冶炼以及含硫化学品的生产等工业过程会向大气中释放大量SO₂[4]、[5]。这些排放物可与水蒸气反应形成酸雨，并导致雾霾中的颗粒物，对生态系统、建筑结构和农作物生长构成严重威胁。同时，SO₂的衍生物HSO₃^?和SO₃^2?在食品工业中被广泛用作漂白剂、防腐剂和抗氧化剂，以延长食品保质期[7]、[8]。然而，SO₂及其衍生物在生物系统中也具有双重作用。最新研究表明，内源性SO₂可以在体内由含硫氨基酸（如L-半胱氨酸）通过酶促反应生成[9]、[10]。SO₂现在被认为是一种新型的气体信号分子，与一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H₂S）类似，参与调节生理过程[11]、[12]、[13]，包括血管张力、心脏功能和炎症反应[14]。然而，无论是外源性暴露还是内源性失衡导致的HSO₃^?过量，都可能对生物体造成严重损害，可能引发呼吸系统、神经系统和心血管疾病[15]、[16]、[17]、[18]。因此，建立快速、灵敏且高度选择性的SO₂及其衍生物检测方法对于环境监测、食品安全控制以及阐明其生理和病理功能至关重要。

在现有的检测技术中，荧光探针因其独特的优势（如操作简便、响应迅速、高灵敏度、高时空分辨率以及能够在活细胞中进行实时成像）而受到广泛关注。然而，许多现有探针存在选择性低、识别后颜色褪色或荧光减弱、发射波长短以及生物相容性差等问题[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。为了解决这些问题，我们设计并合成了一系列探针，即QT-F、QT-C和QT-DC（方案1a）。这些探针具有A-π-A结构，其中硫苯桥将识别单元（喹啉基团）与不同的吸电子基团连接起来。这种设计使得识别前的荧光发射最小。当与HSO₃^?发生特异性反应时，探针结构会转变为D-π-A结构，通过分子内电荷转移（ICT）效应产生显著的近红外（NIR）荧光发射和明显的颜色变化。初步分析表明，末端基团的吸电子能力影响识别位点，导致QT-F和QT-C产生NIR发射，而QT-DC仅产生短波长发射（方案1b）。为阐明这一现象，我们进行了吉布斯自由能计算以验证吸电子能力对反应位点选择性的影响。此外，由于QT-C的检测范围极窄（0–10?μM）和检测限低（13.05?nM），它被成功应用于基于荧光的HSO₃^?浓度工作曲线来测定熏硫食品中的SO₂残留量。此外，还开发了集成智能手机RGB传感平台的QT-C试纸条，实现了亚硫酸氢根水平的快速现场定量。QT-C在监测活细胞中的内源性和外源性亚硫酸根浓度变化方面也表现出优异的性能（方案1c）。这些发现突显了QT-C在食品安全监测和生物成像应用中的双重效用，为设计类似探针提供了新的理论见解和方法论依据。

材料与仪器

化合物1和2的完整合成方案遵循已报道的方法[27]、[28]、[29]、[30]进行合成，探针（QT-F、QT-C和QT-DC）的详细信息见支持信息（图S9–S18），其中还记录了它们的¹H NMR、¹³C NMR和HRMS表征数据。此外，本文使用的代表性仪器的规格（型号和制造商）也在其中进行了描述。

传感标签(QT-C)

准备了几张直径为1?cm的圆形滤纸

探针的设计及其对HSO₃^?的响应比较

多项研究表明，喹啉基团的4位是HSO₃^?的理想识别位点，具有优异的生物相容性和显著的线粒体靶向能力[30]。在本研究中，选择硫苯作为中心桥接单元，有效扩展了探针的π共轭系统。随后，通过Knoevenagel缩合引入了三种具有不同电子接受能力的吸电子基团

结论

总结来说，我们设计并合成了一系列基于喹啉的探针（QT-F、QT-C、QT-DC），并通过吉布斯自由能计算系统地阐明了末端基团的吸电子能力如何影响反应位点和光物理行为。其中，QT-C表现出超灵敏的检测能力，检测限低至13.05?nM，能够准确测定熏硫食品中的SO₂残留量

CRediT作者贡献声明

陈秋桐：撰写 – 原稿撰写、可视化、数据分析。田明宇：资源获取、实验研究。马子祺：数据分析。奚子婷：数据分析。邓玉青：数据分析。唐丽君：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目规划、方法设计、实验研究、资金申请。李阳：概念构思。钟凯丽：概念构思。闫小梅：数据分析。

未引用参考文献

[6], [31]

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的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22278038）、渤海大学海洋研究所开放项目（编号：BDHYYJY2024010）和辽宁省教育厅一般项目（编号：JYTMS20230560）的支持。