开发一种用于检测土壤、植物根系及活细胞中N?H?的荧光探针

《Microchemical Journal》：Development of a fluorescent probe for sensing N 2H 4 in soil, plants root, and living cells

本研究设计并合成了一种基于BODIPY荧光素的肼检测探针BDP-LT，利用1,3-苯二酮基团特异性识别肼，通过PET机制实现荧光增强40倍，检测限低至3.984×10^-7 M，适用于水、土壤及生物样本（植物、细胞、斑马鱼）检测，兼具环境监测和生物成像应用潜力。

　　

苗立通|尹静芬|王小蕾|任明亮|朱宁|王守娟|孔芳功

山东省/教育部重点实验室（绿色造纸与资源回收），齐鲁工业大学（山东省科学院）纸浆与造纸科学技术重点实验室，中国济南250353

摘要

肼（N₂H₄）是一种具有致癌性和致畸性的高毒性化合物。其在环境中的持久存在会导致水污染、破坏生态平衡，并对人类健康构成严重威胁。因此，开发快速且高灵敏度的肼检测方法具有重要意义。在本研究中，设计并合成了一种名为BDP-LT的小分子荧光探针，该探针以BODIPY作为荧光团，1,3-茚二酮作为特异性识别基团。其传感过程通过光诱导电子转移（PET）机制实现。与肼相互作用时，探针的荧光强度可增强约40倍。同时，BDP-LT具有极低的检测限（3.984×10^?7?M），以及优异的选择性、抗干扰能力和良好的pH耐受性。此外，该探针已成功应用于水和土壤样品中肼的检测。由于其低细胞毒性，BDP-LT也适用于植物、活细胞和斑马鱼的荧光成像。总之，研究结果表明BDP-LT在环境监测和生物成像领域具有显著的应用潜力，能够实现对复杂系统中肼的可视化检测。

引言

肼（N₂H₄）是一种无色、有刺激性气味且强碱性的液体，具有强还原性和吸湿性。它可以与水及各种醇类以任意比例完全混溶，这使其在制药、农用化学品、染料和聚合物的合成中得到广泛应用。[1], [2], [3], [4], [5]。然而，N₂H₄也具有高毒性，其长期存在会严重污染水资源、改变pH值并破坏水生生态系统[6], [7], [8]。一旦含肼的水渗入土壤，会破坏微生物群落、降低土壤肥力，并对植物生长产生不利影响，导致根部损伤、叶片枯萎和植物死亡[9], [10], [11], [12], [13], [14]。研究表明，N₂H₄被生物体吸收后，会干扰细胞代谢、破坏膜完整性并影响基因表达[15]。长期暴露于N₂H₄可能导致人类出现急性肺水肿、胃肠道黏膜损伤、慢性肝功能障碍、肾脏损伤，甚至致癌性和致畸性[16], [17], [18]。因此，开发一种快速简便的方法来检测食品、环境和生物样品中的N₂H₄既紧迫又重要。近年来，已有多种肼检测技术被报道，包括比色法、碘量法、分光光度法、气相色谱法、高效液相色谱法（HPLC）、电化学方法和基于荧光的分析[19], [20]。其中，荧光成像技术因其非侵入性、操作简便、高灵敏度以及出色的空间和时间分辨率而特别有利，成为监测生物分子和生理过程的有效且多功能的方法[21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]。

基于荧光探针的N2H4检测因其高选择性、特异性、灵敏度和低成本而受到广泛关注。设计并合成了一种含有乙酰丙酸基团的香豆素衍生物作为肼的比色和荧光探针[28]。该探针本身不发光，但与肼反应时，通过肼裂解反应释放出高荧光的香豆素衍生物。Sheng等人报道了一种基于香豆素骨架的比率荧光探针（FP），CHAC，通过一步法合成，以乙酰基团作为识别基团。N2H4选择性去除乙酰基团，释放出香豆素荧光团并恢复分子内电荷转移（ICT）过程，从而产生显著的比率荧光响应。Sun等人开发了一种“开-关”荧光探针MPD，通过亲核加成反应检测肼。通过紫外-可见吸收和荧光发射光谱评估了其对N2H4的识别能力。2024年，Wang等人开发了一种双模式探针TPB，用于样品中肼的检测，在452?nm处发出蓝光，具有高灵敏度、快速响应、宽pH范围和良好的抗干扰能力。尽管这些探针表现出良好的检测性能，但它们相对较小的斯托克斯位移往往导致强烈的背景干扰和组织穿透不足，从而限制了其在样品和生物成像中的实际应用[29], [30]。例如，在植物或土壤中检测肼的应用仍然较为有限。因此，开发具有高灵敏度、大斯托克斯位移、优异生物相容性和良好多响应特性的新型荧光探针对于高效检测细胞微环境和实际样品中的N2H4至关重要[31], [32]。

在本研究中，我们设计并合成了一种基于BODIPY荧光团的新型小分子荧光探针BDP-LT，用于检测肼（N2H4）。选择BODIPY核心是因为其优异的光学性能，包括高荧光量子产率、窄且对称的发射峰、良好的光稳定性以及易于修饰的分子结构，使其成为探针开发的理想骨架[33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43]。1,3-茚二酮被用作识别基团。与N₂H₄反应时，1,3-茚二酮基团被裂解，使N₂H₄与含BODIPY的化合物结合，从而在525?nm处恢复亮绿色荧光。实验结果表明，BDP-LT表现出高荧光增强（约40倍）、对N₂H₄的优异选择性和高灵敏度，检测限为3.984×10^?7?M（检测限的计算方法详见知识信息）。此外，BDP-LT已成功应用于各种环境中肼的检测，包括水、土壤、植物和斑马鱼。最后，BDP-LT被集成到试纸条中，实现了N₂H₄

材料与方法

除非另有说明，所有化学品均从商业来源获得，未经额外纯化直接使用。本研究中使用的试剂包括但不限于对氟苯甲醛、哌嗪、2-甲氧基乙醇、甲基4-(氯羰基)苯甲酸酯、2,4-二甲基吡咯、1,3-茚二酮、二氯甲烷（DCM）、4-二甲基氨基吡啶（DMAP）、EDCI、无水乙醇、甲醇、乙酸、三乙胺和三氟化硼二乙醚。使用前，

BDP-LT探针的设计与传感机制

BODIPY荧光团具有出色的光物理特性，如高荧光量子产率、尖锐且对称的发射带、显著的光稳定性以及可化学调节的分子框架，使其成为构建荧光探针的理想平台；因此，在本研究中，通过引入1,3-茚二酮作为肼（N₂H₄的特异性识别基团，开发了一种新型的基于BODIPY的荧光探针BDP-LT，该探针通过共价键连接

结论

在本研究中，我们成功设计并合成了一种基于BODIPY荧光团的新型小分子荧光探针BDP-LT。该探针表现出优异的特性，包括低细胞毒性、高选择性和显著的灵敏度，与N₂H₄相互作用时荧光增强约40倍。BDP-LT能够在多种环境基质中有效检测肼，包括水、土壤和植物组织

CRediT作者贡献声明

苗立通：撰写——原始草案，软件，数据管理。尹静芬：监督，资源，方法论。王小蕾：可视化，监督。任明亮：撰写——审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取。朱宁：概念构思。王守娟：监督，资源，概念构思。孔芳功：项目管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省重点研发计划（2025CXPT198）、齐鲁工业大学人才研究项目（编号2024RCKY027）、国家重点实验室建设重大科研项目（编号2025ZDGZ02）、国家自然科学基金（编号22478208）、QUTJBZ项目（编号2024ZDZX01）和德州市试点项目（编号2022DZZS003）的财政支持。