一种具有较大斯托克斯位移的近红外荧光探针，用于检测生物系统和实际样品中的氟离子

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A near-infrared fluorescent probe with a large stokes shift for the detection of fluoride ions in biological systems and real samples

　　

范浩群|乔蕾|杨琴|程敏宇|王志森|宋周业|向梅豪|杨晓虎

浙江医院药学部，中国浙江省杭州市310013

摘要

氟离子（F^?）作为最小且最具电子吸引力的阴离子，在人体中扮演着重要的微量元素角色。现有的用于检测F^?的近红外荧光（NIRF）探针通常具有较小的斯托克斯位移。在这里，我们开发了一种新型NIRF探针（DCSX-OT），它具有较大的斯托克斯位移，能够精确检测生物系统和实际样品中的F^?。该NIR荧光团（DCSX-OH）通过引入二氰亚甲基-4H-色烯作为电子吸引基团和取代了硫的黄蒽作为电子供体基团而构建。这种探针利用叔丁基二甲基硅基（TBDMS）保护DCSX-OH的酚羟基，作为识别F^?的元素。DCSX-OT的检测限低至0.24 μM，发射波长为810 nm，信噪比达到5.7倍，并且具有165 nm的较大斯托克斯位移，适用于体外检测F^?。它已被有效地用于可视化活细胞和小鼠中的外源性F^?，同时也能够精确检测实际水和牙膏样品中的F^?。这项研究验证了DCSX-OT是一种可靠且多用途的工具，适用于检测生物系统和实际样品中的F^?。

引言

氟离子（F^?）被认为是最小且最强的电子吸引阴离子，是人体中重要的微量元素，对多种生物功能具有重要意义[1]。它还广泛应用于各种工业过程，如冶金、电镀、玻璃蚀刻、半导体制造、农药合成和氟化学品生产[2]。然而，过量释放到环境中的F^?对生态安全和人类健康构成严重威胁。长期暴露于高浓度的F^?可能导致氟斑牙、骨骼氟中毒，甚至损害肝脏、肾脏和神经系统[3]。此外，F^?污染会导致土壤和地下水污染，这些污染物难以降解，并通过食物链在生物体内积累[4]。传统的检测方法包括原子吸收光谱[5]、比色法[6]、电化学方法[7]和气相色谱[8]等。然而，这些方法大多存在缺点，如实验成本高、操作繁琐、耗时较长，且不适用于生物过程中的实时和非侵入式检测。因此，迫切需要开发一种简单且高灵敏度的方法来检测活体系统中的F^?。

由于荧光探针具有高灵敏度、出色的时空分辨率和非侵入式可视化等优点，它们已成为检测活体系统中F^?的宝贵工具[9]、[10]、[11]。然而，大多数荧光探针由于激发和发射发生在短波长范围内，存在自荧光、光漂白和光毒性等问题。近红外荧光（NIRF）探针可以通过减少光损伤、增强成像深度和降低自荧光来有效解决这些问题。最近，已有几种NIRF探针被报道用于检测F^?[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。然而，这些探针大多使用近红外荧光染料（如氰菁[13]、半菁[14]、[15]、[16]、Aza-BODIPY[17]、[18]或Si-罗丹明[19]），其斯托克斯位移通常小于150 nm。这一特性容易导致自淬灭，从而降低信噪比，严重影响荧光成像的准确性[20]、[21]、[22]。提高NIRF探针的斯托克斯位移可以有效地解决这些问题，使其适用于更复杂的成像场景[23]、[24]、[25]。因此，开发具有较大斯托克斯位移的NIRF探针对于有效检测和可视化生物系统中的F^?至关重要。

在这项工作中，我们开发了一种具有较大斯托克斯位移的NIRF探针（DCSX-OT），用于检测生物系统和实际样品中的F^?。选择DCSX-OH作为NIR荧光团，因为它具有NIR激发/发射光谱和显著的斯托克斯位移。通过用传统的叔丁基二甲基硅基（TBDMS）修饰DCSX-OH的酚羟基，作为F^?的识别元素，并使用自消解苯基作为连接剂[14]。苯基对羟基的醚化有效抑制了DCSX-OH的分子内电荷转移（ICT）效应，使得该探针几乎不发光。当F^?介导的O键发生特殊断裂时，DCSX-OT自然消除了醌甲烷中间体，释放出DCSX-OH，表现出显著的ICT效应和强烈的荧光信号。研究表明，DCSX-OT在体外检测F^?时具有良好的灵敏度、较高的激活倍数、较长的发射波长和较大的斯托克斯位移。据我们所知，DCSX-OT是首个发射波长超过800 nm（810 nm）且斯托克斯位移大于160 nm（165 nm）的NIRF探针。我们期望它能够成为探索F^?在生物、环境和实际系统中的生理和病理功能的宝贵工具。

章节片段

材料和仪器

材料和仪器的详细信息见补充材料。

DCSX-OT探针的合成

在N₂气氛下，将DCSX-OH（0.22 g，0.5 mmol）和Cs₂CO₃（0.33 g，1 mmol）的溶液缓慢加入化合物4（0.3 g，1 mmol）中。然后在80°C下搅拌过夜，过滤并在真空条件下浓缩。残留物通过柱层析法纯化，使用石油醚-乙酸乙酯（3:1，v/v）作为洗脱剂，得到DCSX-OT固体（0.18 g，产率57%）。¹H NMR（400 MHz，CDCl₃）δ（ppm）：8.84（1H，d，J

设计和合成

近年来，基于二氰亚甲基黄蒽的荧光团被广泛用于开发具有较大斯托克斯位移的NIRF探针[26]、[27]。然而，这些染料的激发波长仍不在近红外区域（小于640 nm）。与氧原子相比，硫（S）原子具有更强的电子供体能力，这主要是由于其较低的电负性、较高的极化率以及3d轨道参与共轭[28]、[29]、[30]、[31]。研究表明

结论

总之，我们开发了一种具有较大斯托克斯位移的新型近红外荧光探针（DCSX-OT），用于精确检测F^{?叔丁基二甲基硅基作为F?的识别元素和自消解苯基作为连接剂而设计。通过F?O键的特殊断裂，DCSX-OT自然消除了}

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢浙江省自然科学基金会的浙江医药协会联合基金（LYY22H280003）、国家自然科学基金（22404095）、山东省自然科学基金（ZR2022QB228）、浙江省中医药科技项目（2020ZB008）、浙江省“先锋”和“领头鹅”研发计划（2025C02172）的财政支持。