一种新型的荧光探针DPP-BR，基于吡咯并吡咯二酮结构，可用于检测土壤、蔬菜、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、细胞和斑马鱼中的肼（hydrazine）

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A novel 'turn-on' fluorescent probe DPP-BR based on pyrrolopyrrole diketone for imaging hydrazine in soil, vegetables, Arabidopsis thaliana, cells, and zebrafish

本研究设计并合成了一种基于二酮吡咯环氧化物（DPP）的荧光探针DPP-BR，可高效检测环境及生物样本中的肼，具有快速响应（35秒）、低限值（28.52 nM）、宽pH范围（4-9）及低细胞毒性等特点，并验证了其检测机制及多场景应用潜力。

　　
近年来，肼（N?H?）作为重要的化工原料和火箭燃料，其广泛应用的同时也带来显著的生态环境与健康风险。肼及其分解产物具有强腐蚀性和致癌性，长期接触可能引发器官损伤，而其挥发性导致在空气、土壤及生物体内的扩散检测需求迫切。传统检测方法如毛细管电泳和电化学分析存在设备依赖性强、样本前处理复杂、抗干扰能力弱等局限性，而荧光探针技术因其高灵敏度和环境友好特性，逐渐成为新型检测手段的研究热点。

在荧光探针的设计领域，研究者们持续探索新型分子结构。虽然已有文献报道了基于醛酮缩合、环开合等反应机制的肼检测探针，但普遍存在响应速度慢（超过数分钟）、检测限偏高（通常在10nM以上）、生物相容性不足或适用pH范围狭窄等问题。例如，部分探针在酸性条件下信号不稳定，或对复杂基质中的干扰离子敏感，导致实际应用受限。此外，现有探针多缺乏系统生物学验证，难以满足临床诊断或食品安全检测的需求。

针对上述挑战，本研究团队创新性地开发了基于二酮吡咯环二聚体（DPP）结构的荧光探针DPP-BR。该探针通过设计特定的疏水-亲水平衡结构，实现了对水环境中肼的高效识别。实验表明，DPP-BR在纯水介质中展现出显著的荧光响应特性：当肼浓度达到28.52nM时，检测限已低于常规荧光探针的1/3。其响应时间仅35秒，较现有探针缩短了约80%，这得益于探针分子与肼的快速配位-解离机制。特别值得注意的是，该探针在pH4至9的宽酸碱范围内均保持稳定，成功解决了传统检测方法对pH敏感的难题。

在分子机制方面，研究通过核磁共振（1H NMR）谱和质谱（HRMS）证实了肼与DPP-BR的特异性结合过程。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了探针与肼的电子转移路径：肼分子通过氢键和疏水作用与DPP-BR的苯并咪唑环结合，导致探针分子从单体状态转化为发色团结构，从而引发荧光增强。这种结构变化通过电子跃迁能级降低实现，使得发射波长从原本的596nm红移至625nm，形成独特的"红光开关"效应。

实验验证部分呈现出多维度应用潜力。在环境介质测试中，探针成功应用于土壤样本（检测限32.15nM）、蔬菜叶片（抑制率>85%）以及拟南芥（Arabidopsis thaliana）幼苗的肼污染检测。生物成像实验显示，该探针在活细胞（如HEK293细胞）和斑马鱼胚胎中均能清晰显示肼的分布情况，且对常见阴离子（Cl?、NO??等）和阳离子（K?、Mg2?等）干扰极小，展现出优异的基质适应性。

研究团队特别关注探针的生物安全性。细胞毒性实验表明，DPP-BR在1mg/mL浓度下仍保持良好的细胞存活率（>90%），且对线粒体功能无显著抑制。这种低毒特性使其能够用于活体成像和现场检测。此外，探针在复杂基质中的稳定性测试显示，即使添加5%的有机溶剂（如甲醇或乙腈），荧光信号仍保持稳定，这为工业废水检测提供了可行性基础。

在技术革新方面，DPP-BR的合成策略具有突破性。通过引入双功能发色团单元（DPP基团与苯并咪唑环的共价连接），既保证了荧光基团的稳定性，又实现了与肼的快速结合。合成过程中采用温和的碱性条件（pH9.5）进行缩合反应，有效避免了传统方法中因强酸强碱导致的副反应。这种绿色合成路径不仅降低了生产成本，还符合当前可持续化学的发展趋势。

应用场景的拓展性研究同样值得关注。在蔬菜检测中，探针能够穿透表皮组织识别内部污染；在土壤分析中，通过固相萃取技术预处理后，检测灵敏度仍保持42.6nM；而在斑马鱼胚胎实验中，探针成功实现了对肼暴露的实时成像，为毒理研究提供了新工具。这些应用验证使DPP-BR成为目前最全面的环境-生物双场景检测探针之一。

技术比较分析显示，DPP-BR在关键性能指标上均超越现有探针。例如，检测限较美国国家标准与技术研究院（NIST）认证的参考方法低约60%，响应时间比日本学者开发的探针快2.3倍。在特异性方面，该探针对常见干扰物（如硫醇、过氧化物等）的交叉反应率低于5%，较欧洲化学会推荐的检测标准更严格。这些数据使其在环境监测和食品安全领域具有显著竞争优势。

研究还建立了标准化的检测流程，将传统实验室方法（如液相色谱-质谱联用）的复杂操作简化为三步：溶液配制→样品处理（离心或过滤）→荧光强度测定。这种方法在土壤检测中可将样本前处理时间从4小时缩短至8分钟，显著提升了现场检测效率。同时，配套的仪器开发计划已启动，预计未来将推出便携式荧光检测设备，实现肼污染的即时现场筛查。

该研究的创新性体现在三个层面：分子设计上首次将DPP结构与苯并咪唑环结合，形成具有双重荧光增强机制（电子转移与结构重排协同作用）；检测策略上开发出"水相稳定-有机相兼容"的通用检测平台；应用价值上首次实现从分子探针到现场检测的完整技术链条。这些突破为后续开发多环芳烃、重金属等环境污染物探针提供了重要技术范式。

目前，该探针已通过国家化学检测中心认证，检测标准有望在2025年前被纳入生态环境部技术规范。研究团队正在与制药企业合作，开发基于DPP-BR的便携式医疗检测设备，用于职业暴露人群的肼代谢监测。此外，与农业科研机构合作开展的田间检测项目显示，该探针在水稻、小麦等作物中的检测灵敏度达到25nM，为发展基于荧光探针的植物生长监测系统奠定了基础。

在技术迭代方面，研究团队正探索DPP-BR的改性与功能扩展。通过引入荧光共振能量转移（FRET）组件，可望实现多参数同步检测；采用脂质体封装技术后，探针的血液半衰期从15分钟延长至4小时，为体内长期监测提供了可能。这些改进方向已纳入国家重点研发计划"生物分子传感与精准检测"专项支持范畴。

需要指出的是，当前研究仍存在部分改进空间。例如，在极端酸性环境（pH<3）中检测灵敏度下降约3个数量级，这可能与探针分子中的咪唑环质子化有关。团队正通过空间位阻修饰来优化结构稳定性。另一个挑战是大规模生产中的成本控制，目前探针的合成成本约为$200/mol，研究计划通过工艺优化将成本降低至$50/mol以下，目标在2026年实现产业化。

综上所述，DPP-BR荧光探针的研发不仅填补了肼污染快速检测的技术空白，更开创了环境-生物双场域检测的新范式。其快速响应（35秒）、宽pH适应性（4-9）、低检测限（28.52nM）等特性，使该技术可广泛应用于化工生产线的在线监测、农产品安全检测、职业卫生防护等关键领域。随着配套设备的开发和完善，该技术有望在五年内实现从实验室到产业化的完整转化，为肼污染防控提供革命性解决方案。