一种用于活细胞中顺序检测Hg2+和nitenpyram的多功能荧光探针：合理设计及其作用机制的探究

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A multifunctional fluorescent probe for sequential detection of Hg2+ and nitenpyram in living cells: rational design and mechanistic insights

高效检测重金属汞离子与农药硝虫腈的荧光探针研究。通过设计新型N′-(2-丁基-1,3-二氧代-2,3-二氢-1H-苯并[d,e]异喹啉-6-基)苯并[b]噻吩-2-羧酰肼（NDBC）探针，实现汞离子（检测限0.12 μM）的荧光淬灭与硝虫腈（检测限0.31 μM）的荧光恢复双重检测机制。该探针在饮用水、松花江及辽河水样中检测准确率98.15%-102.13%，RSD 1.03%-4.47%，并成功应用于活细胞和斑马鱼的实时生物成像。

　　

Ping Li|Yu Li|Jia-Mei Ran|Chun-Tong Liu|Yu-Long Liu|Bing-Bing Lu

中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学文理学院化学系，邮编150030

摘要

重金属离子和农药的沉积对生态系统和人类健康构成了严重威胁。因此，开发快速且高效的检测技术至关重要。在本研究中，通过结合萘酰亚胺和酰肼，成功设计并合成了一种新型荧光探针N′-(2-丁基-1,3-二氧-2,3-二氢-1H-苯[de]异喹啉-6-基)苯[b]噻吩-2-碳酰肼（NDBC）。合成的NDBC能够基于“关闭-开启”荧光信号响应连续检测Hg²⁺和尼滕吡胺。当Hg²⁺加入NDBC溶液中时，系统表现出明显的荧光淬灭现象，检测限为0.12 μM。NDBC有效用于检测环境样品，包括自来水、松花江水和嫩江水，回收率在98.15%至102.13%之间，相对标准偏差（RSD）在1.03%至4.47%之间。向NDBC-Hg²⁺复合物中加入尼滕吡胺后，荧光恢复到原始水平，检测限为0.31 μM。此外，还成功实现了活细胞和斑马鱼中Hg²⁺和尼滕吡胺的荧光生物成像。这项工作为Hg²⁺和尼滕吡胺的快速检测提供了一种新方法，具有在环境和生物样品分析中应用的前景。

引言

随着工业和农业的发展，大量重金属和农药残留物被释放到土壤和水体中[1]、[2]、[3]、[4]。汞离子（Hg²⁺）被广泛认为是一种高毒性重金属，它们通过水传播和食物链积累，从而对生态系统和人类健康构成重大风险[5]、[6]、[7]、[8]。它们不仅影响水生生物的生长和繁殖过程[9]、[10]，还会损害人类的神经系统、消化系统和免疫系统[11]、[12]、[13]。世界卫生组织（WHO）建议饮用水中的Hg²⁺浓度不应超过0.006 mg/L[14]。此外，农药残留也被认为是一个严重的全球环境问题[15]、[16]、[17]。尼滕吡胺因其高效、低毒性和无交叉抗性而被广泛用于害虫控制[18]、[19]。然而，过度使用尼滕吡胺可能对非目标生物和人类健康构成潜在风险[20]、[21]、[22]。特别是当人体摄入或暴露于大量尼滕吡胺时，可能会引起恶心、呕吐甚至呼吸困难等症状[23]、[24]。因此，快速高效地检测环境中的Hg²⁺和尼滕吡胺至关重要[25]、[26]、[27]、[28]。

传统的重金属离子和农药检测方法依赖于原子光谱学、质谱法和色谱法[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。然而，这些方法的实用性常常受到复杂操作程序、高仪器成本以及空间分辨率和灵敏度不足的阻碍，无法有效实现生物系统的实时监测。因此，开发能够高效实时检测Hg²⁺和尼滕吡胺的方法至关重要。荧光测量方法在便携式检测设备的开发中具有巨大潜力，因为它响应迅速、视觉检测直观且无毒[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。尽管已有荧光探针用于检测Hg²⁺或尼滕吡胺[39]、[40]、[41]、[42]，但很少有探针能够实现连续检测。更重要的是，只有少数荧光探针可以用于检测细胞和斑马鱼等生物体。设计高选择性和高灵敏度的实时荧光探针对活生物体具有重要的研究价值。

在本研究中，设计了一种新型的双识别荧光探针N′-(2-丁基-1,3-二氧-2,3-二氢-1H-苯[de]异喹啉-6-基)苯[b]噻吩-2-碳酰肼（NDBC）（图1），用于活细胞和斑马鱼中Hg²⁺和尼滕吡胺的连续检测。NDBC探针与Hg²⁺结合，导致荧光淬灭效应，“关闭”状态下的检测限为0.12 μM。当尼滕吡胺加入NDBC-Hg²⁺体系时，它通过螯合-配位相互作用与Hg²⁺强烈结合，释放NDBC并恢复荧光（“开启”状态），检测限为0.31 μM。此外，NDBC表现出优异的成像能力和低细胞毒性，可直接检测活细胞中的Hg²⁺，并通过原位形成的NDBC-Hg²⁺复合物进一步检测尼滕吡胺。值得注意的是，NDBC探针不仅在复杂水样中可靠地检测到Hg²⁺和尼滕吡胺，还实现了活斑马鱼中它们积累的突破性实时可视化。因此，这种多功能探针的合理设计和成功合成为Hg²⁺和尼滕吡胺的连续检测和实时成像提供了一种新颖实用的方法。

材料与物理测量

详细的材料和物理测量数据见补充信息。

探针NDBC的合成

化合物1和2根据已发表的文献[43]合成，实验细节见图S1。化合物3的合成方法如下：通常将化合物2（5 mmol）和苯并噻吩-2-羧酸（5 mmol）溶解在20 mL乙腈中。随后，加入偶联剂1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）（0.01 mmol）

NDBC与Hg²⁺的光谱研究

为了研究溶剂对NDBC光物理性质的影响，选择了七种溶剂进行分析，包括CH₃CN、DMSO、DMF、EtOH、CH₃OH、CH₃COCH₃和H₂O。如图S5所示，NDBC的发光特性显著依赖于溶剂。当使用EtOH作为溶剂时，NDBC表现出最佳的荧光强度和紫外-可见光吸收。在EtOH/水体积比为1:1时，系统的荧光强度最强

结论

总之，我们报道了一种基于1,8-萘酰亚胺的新型探针，通过合理的识别和组装设计实现连续检测Hg²⁺（检测限为0.12 μM）和尼滕吡胺（检测限为0.31 μM）。在真实水样中的准确检测以及在活细胞和斑马鱼中的成功实时成像验证了该探针的实际用途和优异的生物相容性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了黑龙江省自然科学基金（编号：YQ2023B001）的支持。