新型双功能荧光探针：精准探测线粒体中 HSO3?与粘度的有力工具

《Analytica Chimica Acta》：AIE-based dual-ratiometric chemosensor for detection of sulfur dioxide derivatives and viscosity and its application in food samples and biological imaging

来自国内的研究人员为解决线粒体中 SO2衍生物和细胞粘度检测难题，构建两种探针，成果为相关研究和疾病诊断提供有效工具。

　　线粒体是生物体内重要的细胞器，在维持细胞内环境稳态方面发挥着关键作用，其通过能量转换和物质交换来实现这一功能。二氧化硫（SO₂）作为一种至关重要的气态信使分子，参与生物体的多种生理活动，比如抗氧化、调节心血管活动以及心肌保护等。然而，生物体内 SO₂水平失衡会引发多种疾病，像心血管疾病、炎症、肺癌等。同时，粘度是细胞内微环境的另一个重要因素，它对细胞内的动态过程，如生物分子运输、相互作用、信号和物质转导以及活性代谢物的扩散等都有着重要影响。线粒体粘度的异常波动会导致线粒体形态改变，阻碍细胞内物质运输，破坏细胞稳态，进而引发动脉粥样硬化、高血压和神经系统疾病等。近年来，荧光传感器凭借高时空分辨率、快速响应以及易于获取等优势，越来越多地被应用于监测和成像细胞内的 SO₂或粘度。但能对线粒体中的粘度和 SO₂衍生物进行双响应的探针却很少见。因此，迫切需要一种能够同时检测线粒体中 SO₂水平和粘度的工具，这对研究细胞生存环境和疾病诊断意义重大。

由于光漂白、分子微环境和仪器参数等因素的影响，具有单一发射特征的荧光探针很难满足精确的定量分析要求。相比之下，比率荧光传感器可以同时调节两个或更多与分析物相关的发射带。两个波长的强度比与目标分析物的浓度直接相关，并且几乎不受人为环境因素的影响。所以，开发比率传感器是应对这些挑战的有效策略。传统的荧光染料容易受到聚集荧光猝灭（ACQ）的影响，在高浓度下会显示出微弱荧光甚至没有荧光。而聚集诱导发射（AIE）传感器则具有出色的光物理性质，包括大斯托克斯位移、低细胞毒性和强光稳定性。四苯乙烯作为一种聚集诱导发射基团，被视为生物成像的理想荧光团，已广泛应用于设计用于医学、生物学和治疗应用的 AIE 探针。

基于上述因素，研究人员构建并合成了两种基于 AIE 的荧光化学传感器（TPE-1 和 TPE-2），用于检测 SO₂和粘度。其中，四苯乙烯作为 AIE 荧光团，苯并吲哚作为线粒体靶向荧光团。HSO₃^?具有很强的亲核性，它能够破坏苯并吲哚和噻吩之间的 α,β- 不饱和双键，从而使化学传感器的 ICT 效应关闭。TPE-2 在检测 SO₂时，展现出良好的选择性、出色的抗干扰能力、较低的检测限以及较大的斯托克斯位移。其响应机制已经通过¹H NMR 光谱、ESI-MS 光谱和密度泛函理论计算得到证实。同时，由于 α,β- 不饱和双键的旋转受到限制，TPE-2 还通过 TICT 效应显示出随着粘度增大而发生的红色荧光变化。最重要的是，该化学传感器具有良好的线粒体靶向能力，并成功应用于 HeLa 细胞和斑马鱼，以检测细胞外 SO₂和细胞内粘度的变化。

在实验过程中，1-(4 - 溴苯基)-1,2,2 - 三苯乙烯、5 - 甲酰基噻吩 - 2 - 硼酸等化学试剂均购自相关公司，且可直接使用，无需进一步纯化。质谱由美国赛默飞世尔科技公司的 Thermo Scientific? Q Exactive 光谱仪记录，¹H NMR（500 MHz）和¹³C NMR（126 MHz）光谱则在德国布鲁克公司的 Bruker AVANCE NEO 500 光谱仪上收集，使用 DMSO 作为氘代试剂，TMS 作为内标。

研究人员对 TPE-2 在多种溶剂（如 THF、H₂O、PBS、EtOH、丙酮、DMF、CH₃CN 和 DMSO）中的荧光发射特性进行了研究。结果显示，TPE-2 仅在 THF 中呈现出强烈的红色荧光。随后，研究人员又对 TPE-2 的 AIE 特性展开研究，将其溶解在 20 μM 的 EtOH 溶剂中，并加入不同含量的正己烷作为不良溶剂，观察其荧光发射情况。

总的来说，研究人员成功设计了两种基于四苯乙烯单元的比率荧光化学传感器 TPE-1 和 TPE-2。以四苯乙烯为供电子基团、苯并吲哚为吸电子基团引发 ICT 效应。通过¹H NMR、ESI-MS 光谱和密度泛函理论计算，对 TPE-2 对 HSO₃^?的响应进行了研究和证实。基于 TPE-2 制备了测试条，并利用智能手机应用程序对实际食品样品进行了测试。该研究为检测线粒体和体内的 HSO₃^?以及粘度提供了有效且具有潜力的工具，其合理的设计策略有望启发更多针对其他生物因子的强大双响应化学传感器的开发。