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研究的背景
苯并吡喃類染料具有長激發(fā)波長、長發(fā)射波長、熒光量子產(chǎn)率高、水溶性好、生物毒性低等優(yōu)點，是構建熒光探針的理想熒光團。2014年，作者的課題組通過親核加成將苯并吡喃部分融合到香豆素中，構建了一個檢測SO2熒光探針。
圖 1
后來，楊和他的同事報告了一種非常相似的苯并吡喃?香豆素探針，可以定量檢測SO2(探針1，圖 1)。同時，林和他的同事們合成了一種苯并吡喃?香豆素探針，它通過α，β-不飽和羰基與HClO之間的環(huán)氧化反應，作為HClO的比率熒光探針(探針CBP，圖 1)。考慮到兩個苯并吡喃?香豆素探針具有相似的結構，作者認為它們會非選擇性地同時檢測HClO和SO2。
為了證明這個假設，作者首先研究了這兩個已報道的探針的光化學行為。作者發(fā)現(xiàn)特異性識別SO2的熒光探針1也可以檢測HClO，并以與SO2相同的方式表現(xiàn)出熒光變化。此外，探針CBP也可以檢測到HClO和SO2，表現(xiàn)出相似的熒光反應。因此，這些已經(jīng)報道的苯并吡咯?香豆素染料不能區(qū)分HClO和SO2，它們只是對一個或另一個物種具有更高的選擇性。?
由于HClO和SO2分別具有氧化和抗氧化特性，已有研究表明，內(nèi)源性SO2可作為體內(nèi)HClO誘導的氧化應激的潛在抑制劑，兩者通過相互配合以維持機體的氧化還原動態(tài)平衡。因此，有必要開發(fā)用于監(jiān)測復雜生命系統(tǒng)中HClO和SO2生成和動態(tài)變化的熒光探針。
本文的工作
方案 1
作者通過在苯并吡喃?香豆素染料中引入了一個額外的HClO敏感基團，生成了熒光探針(PBC1)，該探針對HClO和SO2具有良好的選擇性(方案 1)。該探針對HClO和SO2的響應具有較長的發(fā)射波長(綠色和紅色)和較大的間隔(125 nm)，可以避開HClO和SO2傳感過程中的相互干擾。
探針PBC1有兩個部分：(I)對HClO和SO2都有反應的苯并芘部分和(II)吩噻嗪?香豆素部分中只與HClO反應的硫原子。兩部分協(xié)同作用提高了探針對HClO或SO2的選擇性。探針PBC1對SO2有紅色熒光，對HClO有綠色熒光。初步的生物成像實驗證明該探針可用于HeLa細胞和斑馬魚體內(nèi)HClO和SO2的選擇性成像。
(1)HeLa細胞中HClO和SO2的熒光成像
圖 2
由于P1和P2的光譜性質(zhì)不同，作者采用雙通道模式檢測活體HeLa細胞中的HClO和SO2。如圖2所示，當只用探針PBC1處理時，細胞在兩個通道中的都沒有顯示出熒光信號，這表明探針似乎沒有檢測內(nèi)源性HClO和SO2的水平的能力。
相反，當PBC1和SO2同時處理細胞時，觀察到強烈的紅色熒光(圖 2G)。同樣，當同時用PBC1和HClO處理細胞時，細胞顯示出強烈的綠色熒光信號(圖 2J)。這個結果表明，探針PBC1可能可以選擇性地在兩個光通道分別成像細胞內(nèi)的HClO和SO2。
為了更好地說明其對內(nèi)源性HClO和SO2的檢測能力，使用探針PBC1在體外和體內(nèi)監(jiān)測這兩種分析物的生成。采用過氧化氫和髓過氧化物酶(MPO)將氯離子氧化為HClO。磺酰胺(BTSA)與半胱氨酸(Cys)反應生成內(nèi)源SO2。
圖 3
如圖3所示，PBC1處理的細胞在兩個通道中均未顯示熒光信號。用BTSA處理PBC1培養(yǎng)細胞時，可觀察到紅色信號(圖 3G)。用探針PBC1處理的細胞中觀察到綠色信號，并進一步與H2O2/Cl-/MPO體系孵育(圖 3J)。這些結果表明該探針能夠檢測內(nèi)源性HClO和SO2。
(2)斑馬魚體內(nèi)HClO和SO2的熒光成像
圖 4
經(jīng)PBC1處理的斑馬魚表現(xiàn)出與HeLa細胞相同的熒光(圖 4)。這些結果表明，探針PBC1能夠選擇性地檢測活體中的HClO和SO2。
文獻原文：Han, J.; Yang, S.; Wang, B.; Song, X., Tackling the Selectivity Dilemma of Benzopyrylium-Coumarin Dyes in Fluorescence Sensing of HClO and SO2. Anal Chem 2021, 93 (12), 5194-5200.
Doi：10.1021/acs.analchem.0c05266
