一种基于肉桂酸的双功能荧光探针，用于识别活细胞和水环境中的Al3?和N?H?

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A bifunctional fluorescence probe based on cinnamic acid for recognition of Al3+ and N2H4 in living cells and water environments

　　

许西安京|尚晓芹|王中龙|杨晓芹|饶小平|赵平|江倩

中国西南林业大学林业生物质资源高效利用国家林业和草原管理局重点实验室，昆明650224，中华人民共和国

摘要

Al³⁺和N₂H₄在材料科学、化学合成和制药领域被广泛应用，但它们的不当处理可能对环境安全和人类健康构成潜在风险。在本研究中，通过加成和缩合反应，从

-羟基肉桂酸合成了一个双功能荧光探针BFP，该探针对Al³⁺和N₂H₄具有不同的荧光响应。当加入N₂H₄时，醛基作为识别基团与N₂H₄反应，导致450 nm处的荧光强度逐渐增强；而加入Al³⁺时，形成的BFP-Al³⁺复合物使得495 nm处的荧光强度逐渐增加。探针BFP表现出高灵敏度（N₂H₄的检测限为30.59 nM，Al³⁺的检测限为21.60 nM）和快速响应时间（Al³⁺为90秒，N₂H₄为60秒）。其优异的生物相容性和低细胞毒性使其能够成功用于活细胞中Al³⁺和N₂H_{42H4也具有很好的应用前景。}

引言

铝离子（Al³⁺）和肼（N₂H₄）是现代工业中不可或缺的化合物，广泛应用于材料科学、化学合成和制药制造[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，Al³⁺和N₂H₄的广泛使用不可避免地导致它们释放到环境中，对环境安全和人类健康构成重大威胁。首先，Al³⁺在水净化、材料制造、制药和工业催化剂中的广泛应用导致其在环境中的普遍累积[6]、[7]、[8]、[9]。Al³⁺在生态系统中的过量积累会对动植物造成显著毒性。更重要的是，其在人体内的积累已被证实与严重的神经系统疾病（如阿尔茨海默病）的发病机制有关[10]、[11]、[12]、[13]。同时，由于其多功能性，N₂H₄被广泛用作火箭推进剂、制药中间体、防腐剂和发泡剂。然而，N₂H₄具有双重威胁：它不仅具有高度腐蚀性，还被归类为强致癌物[14]。其高溶解性和移动性使其容易在水中扩散，造成严重的环境污染。一旦被人体吸收，N₂H₄会对肝脏、肾脏和中枢神经系统造成严重损害[15]、[16]、[17]。因此，有效的Al³⁺和N₂H₄检测方法对于环境保护、毒理学研究和公共卫生安全至关重要。

荧光方法具有操作简单、灵敏度高、选择性优异和响应快速的特点[18]、[19]、[20]、[21]。这些优点克服了传统技术的局限性，后者通常耗时且需要昂贵的仪器[22]、[23]。近年来，越来越多的研究集中在双功能荧光探针的合成上[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。与单分析物探针相比，双功能荧光探针通过简单的分子设计可以同时检测多个目标，从而简化实验流程并降低成本。

-羟基肉桂酸是一种天然酚酸，在生物医学和材料领域具有显著的应用潜力。在生物医学领域，研究表明

-羟基肉桂酸可以通过减少巨噬细胞中的脂质积累发挥抗动脉粥样硬化的作用。同时，它抑制酪氨酸酶活性的能力为新型美白剂的开发提供了思路[29]、[30]。在材料科学中，利用其光敏性，

-羟基肉桂酸与聚乙二醇等单体共聚，制备出光活性三元两亲性聚酯[31]、[32]。此外，

-羟基肉桂酸的结构包含多个反应位点，使其在小型分子荧光探针的设计中具有良好应用前景。

在这项工作中，以

-羟基肉桂酸为原料，合成了一种双功能荧光探针BFP，用于同时检测Al³⁺和N₂H₄。探针BFP呈现淡蓝色荧光；加入Al³⁺后荧光颜色从淡蓝色变为绿色；当存在N₂H₄时，淡蓝色荧光逐渐加深。结果表明，探针BFP可以通过双通道荧光颜色变化特异性检测Al³⁺和N₂H₄，并且具有低检测限、短响应时间和宽pH适用范围的特点。与其他报道的探针相比，BFP具有良好的生物相容性和低毒性，适用于HeLa细胞和水样中的Al³⁺和N₂H₄检测。

节片段

材料与仪器

实验所需的所有化学试剂和溶剂均从两家化学供应商（Titan和Aladdin）购得，均为市售的分析级产品。

荧光光谱数据使用荧光分光光度计（Hitachi F-7100）测量。紫外-可见光吸收数据使用紫外/可见光分光光度计（Hitachi UH5300）收集。¹H和¹³C核磁共振光谱使用核磁共振仪（Bruker AV 500 MHz）进行分析。

BFP的设计策略与合成

为了开发一种专门用于检测Al³⁺和N₂H₄的荧光探针，本研究在化合物FHA的羟基位置引入了溴苯基，以提供富氧的配位环境，从而使探针BFP能够检测Al^{3+BFP的分子结构中，醛基可作为N₂H₄的特异性识别基团。当存在N₂H₄时，醛基可以与N₂H₄反应，形成新的化合物}

结论

总结来说，通过将溴苯基引入

-羟基肉桂酸结构中，开发出了一种专门用于检测Al³⁺和N₂H₄的新荧光探针。探针BFP在检测Al³⁺和N₂H₄方面表现出最佳性能。加入Al³⁺后，荧光颜色明显变化（从淡蓝色变为绿色）；当存在N₂H₄时，蓝色荧光逐渐加深。Al³⁺和N₂H₄的检测限分别为21.60 nM和30.59 nM。

CRediT作者贡献声明

许西安京：撰写——原始稿件、方法论、数据整理。尚晓芹：数据整理、形式分析、软件处理。王中龙：实验研究。杨晓芹：撰写——审稿与编辑。饶小平：资金筹集。赵平：概念构思、监督。江倩：撰写——审稿与编辑、数据整理、概念构思、资金筹集。

致谢

云南省基础研究项目（编号202301BD070001-117）、云南省振兴人才支持计划（XDYC-QNRC-2022-0628）和星电产业人才支持计划（YNQR-CYRC-2019-012）的支持。