一种基于异长庚酚酮的荧光探针，用于快速且特异性地检测Hg2+

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：A turn-on isolongifolanone-based fluorescent probe for rapid and specific detection of Hg2+

本研究基于天然单萜二萜化合物 isolongifolanone 合成新型荧光探针 ABP-HDT，实现对汞离子（Hg2?）的高灵敏度（检测限90nM）、快速响应（5分钟）检测，并成功应用于细胞、斑马鱼、拟南芥及土壤、水体样本的实时成像与定量分析。

　　

张硕|叶倩|孟志远|李家勋|王中龙|王世发

中国南京林业大学化学工程学院国际森林化学品与材料创新中心，森林资源高效加工与利用协同创新中心，南京 210037

摘要

汞离子（Hg²⁺）是一种有毒的环境污染物，由于其生物累积性，对生态系统和人类健康构成了重大威胁。开发高效且实时的汞离子监测技术具有重要意义。在本研究中，我们从天然倍半萜类化合物isolongifolanone成功合成了一种新型荧光探针ABP-HDT，用于高灵敏度和选择性地检测Hg²⁺。该探针对Hg²⁺表现出显著的“开启”荧光响应，响应时间快（5分钟），灵敏度高（检测限为90 nM），对竞争物种具有出色的选择性，并且在广泛的pH范围内稳定性良好。实验表明，该探针可用于在各种复杂的生物和环境条件下实时检测和成像Hg²⁺，包括活细胞、斑马鱼和拟南芥，证实了其良好的生物相容性和细胞渗透性。此外，ABP-HDT在环境分析中也显示出巨大潜力，成功应用于土壤样品和水样中的Hg²⁺检测。

引言

汞被列为环境中毒性最强的重金属之一，由于其持久性和在生物系统中的累积能力，被认为是全球性的污染物[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。汞的主要来源包括工业活动（如氯碱生产、煤炭燃烧和黄金开采）以及废物焚烧和自然排放[6]、[7]、[8]。在环境中，汞主要以三种形式存在：元素汞（Hg⁰）、无机汞（例如Hg²⁺）和有机汞（例如甲基汞）[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。其中，汞离子（Hg²⁺）是最主要的污染物形式，其特点是高溶解性和生物可利用性。一旦释放，Hg²⁺可以被微生物转化为高神经毒性的甲基汞。由于甲基汞的亲脂性和稳定性，它容易在水生生物体内积累并通过食物链放大[15]、[16]。人类通过受污染的食物接触汞可能导致严重的神经系统损伤，包括震颤、记忆丧失和认知功能障碍。过量摄入或暴露于Hg²⁺还与肾衰竭、胃肠道损伤、心血管衰竭甚至死亡有关[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。因此，迫切需要开发快速高效的方法来检测环境和生物系统中的汞。

尽管传统的汞离子检测方法各有优势，但它们往往无法满足日益增长的现场实时监测需求。原子吸收/发射光谱（AAS/AES）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等技术具有高灵敏度和准确的结果，但存在仪器庞大昂贵、样品预处理复杂、依赖专业操作人员以及难以进行原位或在线分析等限制。虽然电化学方法相对便携，但容易受到共存离子的干扰，并且经常面临电极稳定性方面的挑战[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。在这种情况下，荧光探针技术作为重金属离子检测的一个极具前景的方向脱颖而出，因为它具有独特的优势：超高的灵敏度（可达到nM甚至pM水平）、快速响应（几秒到几分钟内）、出色的选择性、操作简便、出色的空间分辨率和非侵入性可视化能力[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。

利用Hg²⁺与硫原子之间的特定软酸-软亲和力，含硫官能团（如硫醚和硫脲）被广泛用作高选择性识别Hg²⁺的受体。与Hg²⁺结合后，这些受体可以有效地调节探针分子的光物理过程，如光诱导电子转移（PET）和分子内电荷转移（ICT），从而诱导荧光信号的开启或比率变化。尽管已经报道了多种Hg²⁺荧光探针，但大多数依赖于传统的石化基原料，导致合成路线较长且对环境不友好。从绿色和可持续化学的角度来看，越来越多的研究关注于利用丰富的、低成本的、可再生的天然产物作为构建新功能分子的合成起点——这一方向现在作为关键的创新途径变得越来越重要。Isolongifolanone是一种从天然精油成分longifolene衍生的三环倍半萜类化合物，具有独特的刚性金刚烷类笼状结构，赋予了该分子显著的化学稳定性和疏水性[41]、[42]、[43]。这种刚性框架有效抑制了分子内的振动和旋转，减少了非辐射能量损耗，从而提高了其衍生物的荧光性能。同时，其酮羰基和相邻的碳原子提供了多个反应位点，使其成为构建新型高性能荧光探针的宝贵分子平台。

本文中，从isolongifolanone合成了新型荧光探针ABP-HDT，用于特异性检测Hg²⁺。通过对其灵敏度、选择性、抗干扰能力和对Hg²⁺的响应时间进行表征，确认了ABP-HDT的优异检测性能。进一步通过其在不同类型土壤（沙土、黄土和黑土）和三种不同环境水样（自来水、玄武湖水和长江水）中的快速检测，以及在活细胞、斑马鱼和拟南芥中的实时成像，验证了ABP-HDT的实用性。

ABP-HDT的合成

ABP-HDT的合成路线如图1所示，中间体和ABP-HDT的详细表征数据见支持信息（图S1–S12）。

将化合物3（1 mmol）和1,3-丙二硫醇（1 mmol）溶解在10 mL无水CH₂Cl₂中，在N₂气氛下进行反应，然后在0°C下逐滴加入BF₃·OEt₂作为催化剂。加入BF₃·OEt₂完成后，反应在室温下继续进行2小时

探针ABP-HDT对Hg²⁺的光谱特性

为了确定ABP-HDT对Hg²⁺的灵敏度，记录了10 μM ABP-HDT在DMSO/PBS缓冲液（7:3，v/v，pH = 7.4）中的荧光光谱，分别加入和未加入Hg²⁺的情况。如图1所示，在加入Hg²⁺之前，ABP-HDT的荧光较弱。然而，在加入Hg²⁺（0–80 μM）后，488 nm处的发射强度明显增强，同时溶液的颜色从无色变为亮绿色。

结论

总之，基于天然产物的ABP-HDT荧光探针已成功开发出来，可用于复杂环境和生物系统中Hg^2+ABP-HDT能够实现快速（<5分钟）、原位的检测，具有高灵敏度和稳健的选择性。其实际应用已通过定量检测Hg²⁺得到验证

CRediT作者贡献声明

张硕：撰写 – 原稿，方法学设计。叶倩：实验研究。孟志远：方法学设计，数据管理。李家勋：软件开发。王中龙：撰写 – 审稿与编辑。王世发：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资金获取。

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

非常感谢国家自然科学基金（编号：32471813）的财政支持。