《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Development of a multifunctional fluorescent probe for smartphone-assisted detection of formaldehyde in food in 100% aqueous solution and diabetic models
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甲醛快速检测与智能手机联用平台构建及其在糖尿病研究中的应用
胡伟牛|张一国|王龙毅|熊平平|郑楠|王珊|李仁良
河南科技大学食品与生物工程学院，中国洛阳471003
摘要
甲醛（FA）是一种生物代谢中间体，过量积累时会对健康造成严重威胁，包括致癌性、心血管疾病和神经系统疾病。将其非法用作食品防腐剂会加剧公共卫生风险，因此需要高效的检测方法来保障食品安全。为了解决现有技术和荧光探针的不足（如水溶性差的问题），我们开发了一种基于萘酰亚胺的荧光探针（FYY），用于在100%的水溶液中检测甲醛。该探针具有优异的稳定性、快速的响应时间（5分钟）、较低的检测限（1.92微摩尔）以及出色的抗干扰能力。结合智能手机平台后，可以实现便携式的、现场食品样品中甲醛的定量分析。方法验证显示其准确度很高，相对标准偏差（RSD）低于3.97%。此外，FYY探针还成功用于成像HeLa细胞中的外源性和内源性甲醛。通过建立糖尿病细胞模型，我们观察到甲醛浓度升高，表明甲醛可能与糖尿病的代谢紊乱有关。这项工作不仅为生物医学研究提供了灵活的甲醛检测工具，还为食品安全监测和健康诊断建立了实用平台。
引言
甲醛（FA）是一种普遍存在的环境污染物和内源性代谢中间体，对人类健康具有双重影响[1]、[2]、[3]。虽然内源性甲醛在单碳代谢中起着关键作用，支持DNA合成和甲基化反应，但其过量与多种健康问题相关，包括致癌性、心血管疾病和神经系统疾病[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。一个紧迫的公共卫生问题是甲醛被非法用作海鲜、乳制品和肉类等食品的防腐剂，这通过环境暴露和食品污染带来了双重威胁。因此，迫切需要高度敏感、选择性和易于使用的检测方法来有效监测甲醛水平，确保食品安全并评估相关健康风险。
传统的甲醛检测方法包括电化学分析[9]、高效液相色谱（HPLC）[10]、比色测定[11]和气相色谱-质谱（GC–MS）[12]。尽管这些方法有一定实用性，但它们存在局限性，如检测范围有限、操作复杂以及需要侵入性破坏生物组织。相比之下，荧光探针因其操作简便和高灵敏度而受到广泛关注[13]、[14]、[15]、[16]、[17]，近年来已有大量研究致力于开发针对甲醛检测的多种响应探针。在这些新兴探针系统中，成功构建了多种功能响应探针，主要分为三类：有机小分子探针、纳米材料集成荧光探针和金属配合物基发光探针[19]、[20]、[21]、[22]。然而，如表S1所总结的，许多报道的甲醛荧光探针存在关键缺陷，尤其是响应动力学慢和水溶性差，这通常需要使用有机溶剂。这一限制限制了它们在快速现场检测中的应用，并可能影响其在生物系统中的实用性。此外，许多探针的应用范围通常较窄，仅限于环境/食品采样或细胞成像，且在疾病模型中的验证有限。
甲醛与代谢疾病之间的潜在联系为其检测增添了重要意义。糖尿病是一种以慢性高血糖为特征的代谢疾病，主要分为1型和2型[23]。其核心病理生理机制是胰岛素分泌绝对或相对不足，伴随胰岛素抵抗，导致葡萄糖利用受损并引发碳水化合物、脂质和蛋白质的代谢紊乱[24]。在糖尿病状态下，持续的高血糖和相关代谢压力会加剧氧化应激[25]。这种增强的应激状态可能促进各种活性代谢副产物的异常积累。值得注意的是，甲醛是一种通过半卡巴嗪敏感胺氧化酶（SSAO）由甲胺脱氨基产生的代谢物，其水平在病理条件下会发生变化[26]。这表明甲醛的异常积累可能参与糖尿病的发病机制，突显了在生物系统中监测甲醛的重要性。
为了解决这些问题，我们开发了一种新型的基于萘酰亚胺的荧光探针FYY，用于在100%的水溶液中高度选择性地快速检测甲醛（图1）。通过策略性地添加亲水性片段2-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)乙醇，显著提高了FYY探针的水溶性。这克服了我们之前报道的探针的一个关键限制，即该探针只能在有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）存在下发挥作用[8]。与甲醛相互作用时，探针溶液的荧光从蓝色变为黄色。为了进一步提高实用性，FYY探针与智能手机辅助平台结合，实现了便携式的现场定量分析。该系统在真实食品样品（鸭血、白桦蘑菇、香菇）中表现出可靠的性能，结果与仪器方法高度一致。除了食品安全应用外，FYY探针还成功可视化了外部引入和内部生成的甲醛。最重要的是，通过建立葡萄糖诱导的糖尿病细胞模型，我们发现了细胞内甲醛升高与糖尿病代谢紊乱之间的关联，表明两者可能存在致病关联。FYY探针因此结合了高灵敏度和实用性，具有广泛的应用前景，涵盖食品安全监测、生物医学研究和健康诊断。
材料与化学品
4-溴-1,8-萘酐、N-羟基苯甲酰亚胺、2-(2-(2-氨基乙氧基)乙氧基)乙醇和4-二甲基氨基吡啶购自上海Macklin生化有限公司。实验过程中使用去离子水，真实食品样品（鸭血、白桦蘑菇、香菇）购自当地（洛阳）大张超市。CCK-8细胞计数试剂盒购自上海Titan科技有限公司。四氢叶酸（THFA）和无水葡萄糖也用于实验。
结果与讨论
本研究重点在于合成一种新型荧光探针，扩展其在食品检测中的应用范围，并探索其在生物系统中的适用性。在分子设计中，选择萘酰亚胺骨架作为信号分子，因其具有出色的光物理特性，包括高荧光强度、较大的斯托克斯位移和高量子产率，从而实现稳定、灵敏的荧光检测[28]、[29]、[30]。此外，为了进一步增强...
结论
总之，我们成功开发了一种基于萘酰亚胺的荧光探针FYY，用于在100%的水溶液中高度选择性和灵敏地检测甲醛。该探针具有快速响应时间（5分钟）、较低的检测限（1.92微摩尔）、高选择性和强的抗干扰能力。将FYY探针与智能手机辅助检测平台结合，提高了其实用性，实现了在真实食品样品（鸭血）中便携式、现场和定量的甲醛分析。
资助
本研究得到了河南省科学技术攻关计划基金（编号：252102321120）和河南省高等教育重点科研项目（编号：25B550006）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们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。
