一种新型的AIE荧光探针，用于食品中草甘膦的灵敏检测以及活细胞的成像

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：A novel AIE fluorescent probe for sensitive determination of glyphosate in food and imaging living cells

本研究设计并合成了一种新型AIE荧光探针TPEOP-Cu2+，通过Glyp与Cu2+的强配位作用实现高灵敏度检测（9.8nM），并成功应用于环境样本和活细胞成像，结合智能手机系统开发了便捷的半定量检测方法。

　　

林晓萍|王琳|徐倩|李俊杰|陈泰一|黄吉|陈文

湖南医科大学医学实验室科学学院，中国怀化418000

摘要

草甘膦（Glyp）是一种广谱除草剂，广泛用于控制各种杂草和有害植物。然而，其过度使用对人类健康和生态环境构成了严重威胁，因此开发高灵敏度的草甘膦检测工具显得尤为紧迫。在本研究中，我们设计并合成了一种新型的聚集诱导发射（AIE）荧光探针TPEOP-Cu²⁺，该探针利用草甘膦与Cu²⁺之间的强配位作用，表现出优异的选择性和灵敏度，能够实现快速荧光“开启”响应，检测限低至9.8 nM。基于TPEOP-Cu²⁺复合物的出色性能，我们对其在真实环境样品（包括水果、蔬菜和水）中的应用进行了测试，验证了其实际价值。此外，我们还开发了一种基于智能手机的半定量检测系统，通过智能手机与试纸的结合实现了实时便捷的检测，进一步扩展了其实际应用潜力。最终，TPEOP-Cu²⁺复合物成功应用于活细胞中外源草甘膦的成像。这些特性表明，TPEOP-Cu²⁺在生物系统中草甘膦检测和成像领域具有显著的应用潜力。

引言

N-(膦甲基)甘氨酸，即草甘膦（Glyp），是最广泛使用的有机磷除草剂之一。然而，其在食物、水和土壤中的过量残留对环境和人类健康构成了严重威胁[[1], [2], [3]]。因此，开发可靠、准确且有效的草甘膦残留检测技术至关重要。传统的检测技术如高效液相色谱（HPLC）[4,5]、气相色谱（GC）[[6], [7], [8]]、毛细管电泳（CE）[9]和酶联免疫吸附测定（ELISA）[10]已被广泛用于草甘膦的定量检测，并被视为精确检测的基准[[11]]。尽管这些技术很受欢迎，但由于它们通常需要昂贵的设备和耗时的样品制备过程，其在现场监测和实时环境分析中的应用受到严重限制[[12], [13], [14]]。因此，迫切需要能够灵敏、准确且易于使用的草甘膦检测方法。

基于荧光的检测技术因其高灵敏度、低成本、快速响应时间和稳定结果而在草甘膦检测领域得到广泛应用[[15], [16], [17]]。然而，传统荧光探针的主要缺点是在高浓度或聚集状态下荧光会减弱，同时对溶剂极性等环境条件敏感。此外，一些探针由于荧光量子产率低、光学稳定性差和易受光漂白的影响，不适合用于生物成像或食品追踪检测[[18], [19], [20], [21]]。Tang及其同事引入的聚集诱导发射（AIE）技术为解决这些问题取得了显著进展[[22], [23], [24], [25], [26]]。与传统聚集引起的荧光淬灭（ACQ）效应不同，AIE材料在聚集状态下（例如高浓度或固态）会增强荧光。这是因为AIE活性分子（也称为AIE荧光团）能够持续且强烈地产生光。AIE活性化学物质的优势包括高信噪比、出色的灵敏度、增强的荧光量子产率、抗光漂白能力、更好的生物物理稳定性和良好的细胞相容性。这些特性促进了先进草甘膦检测系统和基于AIE的传感器的开发[[21],[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33]]。

菲啰啉是一种常用的金属离子检测试剂，其荧光强度会被Cu²⁺显著淬灭。基于这一特性，我们提出了一个假设：通过引入AIE（聚集诱导发射）单元到菲啰啉中，是否可以在保持AIE效应的同时维持其对Cu²⁺的检测功能？基于这一假设，我们使用Knoevenagel方法成功合成了一种有机荧光小分子TPEOP（见方案S1）。TPEOP结合了四苯乙烯（TPE）和1,10-菲啰啉的优点，使其在水溶液中具有优异的光致发光（PL）性能，成为检测系统的理想选择。当暴露于Cu²⁺时，TPEOP会发生快速高效的荧光淬灭反应，无需预处理或辅助措施。TPEOP-Cu²⁺复合物的生成通过出色的抗干扰能力、低检测限和高度选择性增强了草甘膦的检测效果。我们的检测限显著低于以往报道的水平（9.8 nM，R² = 0.99）（表S1）。本研究通过紫外-可见光谱和荧光发射光谱详细分析了该系统的物理化学特性，并利用Job图分析阐明了检测机制。此外，TPEOP-Cu²⁺已成功应用于真实环境样品和活细胞成像中。最终，智能手机与试纸的结合实现了实时便捷的检测，进一步扩展了其实际应用潜力（方案1）。

仪器和材料

化学试剂，包括1,10-菲啰啉、1-溴-1,2,2-三苯基苯乙烯和4-甲酰乙酰苯酮（Bidepharm；Adamas Beta）、四（三苯基膦）钯和K?CO?（催化剂），均从指定供应商处购买。无机盐和离子化合物来自Sinopharm Chemical Reagent Co.，农药标准品来自McLin。结构表征使用Bruker Avance 500 MHz仪器进行¹H NMR光谱测定。

TPEOP的AIE特性

合成的TPEOP结构（方案S1）通过质谱（MS）和核磁共振（NMR）光谱（图S1-S6）得到确认。然后通过测量不同水分数（f?w?, 0–95%）的DMSO-水混合物中的荧光光谱来研究其聚集诱导发射（AIE）特性。如图1A所示，TPEOP在纯DMSO中荧光较弱，但随着水分数的增加荧光强度显著增强，这归因于

结论

总之，我们成功设计了一种新型的高灵敏度AIE荧光探针（TPEOP），基于四苯乙烯（TPE），通过荧光“开启-关闭”响应实现了对Cu²⁺的高选择性和高灵敏度检测。利用草甘膦对Cu²⁺的强螯合作用，TPEOP-Cu²⁺复合物可用于草甘膦的检测。体外实验结果表明，该复合物检测系统在草甘膦检测方面具有显著优势

CRediT作者贡献声明

林晓萍：撰写 – 原稿撰写，数据分析。王琳：数据分析。徐倩：数据分析。李俊杰：数据分析。陈泰一：数据分析。黄吉：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集，数据分析。陈文：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。

伦理批准

作者声明所有实验均符合相关法律法规和机构指南。

作者声明

分析、测试和图表制作由林晓萍、王琳、陈泰一和黄吉完成。初稿由陈文、徐倩、李俊杰和黄吉负责撰写。陈文和黄吉负责资金筹集和手稿最终定稿。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们非常感谢大学资助项目的支持——博士研究启动基金项目（065-013）；重金属污染物监测国家重点实验室（KLMHM202425）；湘江上游重金属污染监测与治理湖南省工程技术中心（2024HSKFJJ018, 2024HSKFJJ019）。