一种双模式比色和比率计近红外荧光探针，用于现场定量测定SO?衍生物

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A dual-mode colorimetric and ratiometric near-infrared fluorescent probe for on-spot quantification of SO 2 derivatives

硫代硫酸盐双模检测探针GL的开发与应用。通过可见颜色变化和近红外荧光比率法实现高灵敏度（56nM）精准检测，成功应用于植物硫代谢成像、食品现场检测及便携式系统开发。

　　

Jun Qian|Wuyan Gu|Qiwei Zhao|Wei Liu|Haijiang Du|Zhiheng Gao|Zhixiang Han|Lingliang Long

江苏大学化学与化学工程学院，中国江苏省镇江市212013

摘要

二氧化硫（SO₂）衍生物（SO₃^2?/HSO₃^?）是植物硫代谢中的关键中间体，在食品工业中被广泛用作防腐剂和抗氧化剂，因此迫切需要高效、现场适用的定量方法。本文介绍了一种名为GL的探针，它结合了比色法和比率近红外（NIR）荧光响应来检测SO₃^2?。该探针具有强烈的内在NIR荧光特性，通过与SO₃^2?通过特定的亲核加成反应，不仅产生可见的颜色变化，还伴随着比色荧光强度的变化。这种双信号策略提高了检测的特异性，减少了背景干扰，并实现了可靠的交叉验证。GL的多功能性通过多种应用得到了证明，包括在活细胞和斑马鱼中成像SO₃^2?，监测不同硫条件下Brassica chinensis叶片和茎中的SO₃^2?积累，以及与自制的便携式传感系统结合后，在实际食品样本中实现现场定量检测。

引言

二氧化硫衍生物（SO₃^2?/HSO₃^?）是植物生理和食品加工中重要的无机硫化合物。在植物体内，它们作为硫同化的关键中间体，由硫酸盐（SO₄^2?）经酶促还原生成，并进一步转化为硫化物（S^2?），后者是半胱氨酸、甲硫氨酸和辅酶A等含硫生物分子的前体[1]。除了代谢作用外，SO₃^2?还能通过清除活性氧（如H₂O₂）来增强植物的抗逆能力，减轻重金属、干旱和盐分造成的氧化损伤[2]。叶片吸收的大气中的SO₂会被代谢为SO₃^2?，有助于维持氧化还原平衡和增强病原体抵抗力。SO₃^2?还能促进气孔关闭，减少干旱条件下的水分流失。然而，过量的SO₃^2?积累会损害叶绿体结构，抑制光合作用，并导致细胞毒性，进而引起叶片坏死和农作物产量下降。在食品工业中，SO₃^2?被广泛用作防腐剂、抗氧化剂和漂白剂。在酿酒过程中，它们可以抑制微生物生长，防止酚类物质氧化，并稳定风味和颜色[3]。在葡萄干和枸杞等干果中，SO₃^2?能延长保质期并防止发霉。其抗氧化特性还有助于抑制果汁和果酱中的酶促褐变，保持感官品质。SO₃^2?还能漂白豆制品、粉丝和蔗糖等食品中的色素[4]。尽管有这些优点，但过量摄入SO₃^2?可能引起呼吸系统刺激、皮肤反应或过敏反应，尤其是对哮喘患者而言。鉴于SO₃^2?在农业和食品技术中的双重重要性，开发高效、现场适用的定量方法变得十分迫切。

目前，已有多种分析方法用于检测SO₃^2?，包括分光光度法、毛细管电泳、电化学分析、色谱法等[5]、[6]、[7]。虽然这些传统方法成熟可靠，但通常需要复杂的仪器设备、费时的样品处理以及专业人员的操作，因此不适合在植物和食品样本中进行快速、现场定量检测。相比之下，基于比色法[8]、[9]、[10]、[11]和荧光法[13]、[14]、[15]、[16]、[17]具有较高的灵敏度和选择性。特别是比色和荧光信号肉眼可见，使其特别适合便携式和现场应用[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。因此，比色和荧光方法在植物和食品样品中实现SO₃^2?的现场定量检测具有巨大潜力。迄今为止，用于检测SO₃^2?的荧光探针主要依赖于SO₃^2?与缺电子基团（如醛[23]、亚胺基[24]、C基团[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、偶氮基[30]和左旋丁酸[31]）之间的亲核加成反应。然而，在复杂的植物和食品基质中实现准确现场定量的探针仍然较少（见表S1）。理想的探针应在近红外（NIR）区域工作，以最小化来自植物和食品样品内在自荧光的背景干扰[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。此外，探针应对SO₃^2?产生比率荧光响应，从而纠正由于探针分布不均或激发光强度波动引起的误差[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。同时提供比色和荧光读数的荧光探针可以通过两种独立信号输出之间的交叉验证提高检测可靠性[42]、[43]、[44]。

为此，我们设计了一种比色和比率NIR荧光双模式探针GL，用于现场检测植物和食品中的SO₃^2?。如图1a所示，探针GL通过一个共轭的C键，将一个供电子的6-甲氧基-1,2-二氢环戊[b]色烯（MDC）单元与一个吸电子的喹啉基团结合，实现了高效的分子内电荷转移（ICT）和强NIR荧光。SO₃^2?在该C键处发生亲核加成，破坏了ICT反应，导致可见的颜色变化和比率NIR荧光强度的变化，从而实现特异性检测。该探针可用于活细胞和斑马鱼的成像，并追踪Brassica chinensis叶片中的SO₃^2?积累情况，组织渗透性与结构损伤相关。通过监测不同硫酸盐水平下的茎部变化，可以了解硫酸盐向SO₃^2?的转化过程，反映植物的硫营养状况。在实际应用中，嵌入探针的试纸条可检测草莓和饼干中的SO₃^2?，而与便携式系统结合后，可在葡萄、糖和红酒中实现现场定量检测。

探针GL的合成与表征

相关详细信息见支持信息（SI）。

Brassica chinensis的培养

Brassica chinensis种子在湿润的纱布上发芽，并在潮湿条件下培养。2-3天后，将发芽的种子转移到珍珠岩中进行水培，同时提供25%的Hoagland营养液。水培一周后，幼苗被移植到富含营养的土壤中，并在温室中进行喷灌栽培。

通过荧光成像监测Brassica chinensis茎组织中的SO₃^2?

Brassica chinensis

探针GL对SO₃^2?的光学响应

在含有30% DMF的PBS（20 mM, pH 7.4）溶液中，评估了探针GL对SO₃^2?的光学响应。如图1b所示，探针在590 nm处显示出强吸收峰，这是由于分子内电荷转移（ICT）过程。随着SO₃^2?浓度的增加（0–60 μM），590 nm处的吸收减弱，同时在384 nm处出现新的吸收峰，表明ICT系统受到破坏。此外，590 nm处的吸收强度与SO₃^2?浓度呈良好线性关系

结论

总之，我们开发了一种名为GL的比色/比率NIR荧光探针，用于现场定量检测SO₃^2?。该探针具有出色的选择性和灵敏度（检测限为56 nM）。在生物系统（细胞、斑马鱼）和植物中进行了验证，结果显示SO₃^2?的渗透与组织损伤和硫营养状况相关。将GL集成到试纸条和便携式传感系统中后，可在葡萄、葡萄酒等实际食品样本中实现快速、现场检测

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

本研究得到了国家自然科学基金（21874059）、江苏大学农业装备学院项目（NZXB20200201）和江苏大学学生创新培训计划（X2025102990480）的支持。