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研究背景

一氧化碳(CO)對動物具有致死作用，但同時也是一種重要的氣體遞質(zhì)，調(diào)節(jié)多種生理過程。因此，為了更深入地了解CO的功能，需要對CO的原位檢測。傳統(tǒng)的幾種CO傳感方法，包括比色檢測、電化學分析和氣相色譜，僅限于以侵入性方式追蹤CO。

相比之下，熒光探針因其卓越的特異性和靈敏度、易于操作、非侵入性的檢測方式以及可視化的成像能力而成為檢測和監(jiān)測生物樣品中感興趣的分析物的有力工具。自2012年以來，通過不同的策略開發(fā)了不同的熒光CO探針：(A)金屬配合物的配體交換；(B)Pd介導(dǎo)的Tsuji-Trost反應(yīng)，(C)硝基的還原，(D)多方面的。

然而，目前的大多數(shù)CO探針都存在聚集猝滅(ACQ)效應(yīng)、斯托克斯位移小、水溶性差等問題，這限制了它們的實際應(yīng)用。因此，開發(fā)性能優(yōu)化、能夠跟蹤環(huán)境樣品和生物系統(tǒng)中CO的更有效的探針是非常有必要的。

AIE特性賦予探針高濃度或聚集狀態(tài)下的強熒光，而比率響應(yīng)可以通過兩個波長的熒光強度之比避免環(huán)境因素的影響。因此，具有比率響應(yīng)的AIE活性熒光探針在生物系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注。遺憾的是，只有少數(shù)具有AIE特征的熒光探針被構(gòu)建來檢測CO,并且該類探針在響應(yīng)CO時表現(xiàn)出較差的水溶性或藍移發(fā)射。因此，開發(fā)新型的AIE熒光團以構(gòu)建比率成像CO熒光探針是至關(guān)重要的。

在作者以前的研究中，一系列取代的咪唑衍生物已經(jīng)被證實具有顯著的AIE-活性，并在生物成像和傳感各種生物物種方面顯示出巨大的潛力。從結(jié)構(gòu)特征看(圖1A)，四個取代苯環(huán)通過單鍵連接到一個中心咪唑分子上，即轉(zhuǎn)子狀結(jié)構(gòu)。因此，分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)(RIR)過程的限制是咪唑為核心的分子轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)生AIE現(xiàn)象的原因。然而，由于其水溶性較差、熒光量子產(chǎn)率較低、斯托克斯位移較小等缺點，極大地限制了它們的廣泛應(yīng)用。

本文的工作

圖 1

作為一項持續(xù)的工作，在這里，作者開發(fā)了一種改進的熒光團MTPIM-HBT，具有活性協(xié)同效應(yīng)(AIE、ESIPT和ICT效應(yīng))(圖?1B)。更重要的是，羥基在MTPIM-HBT骨架的性能中起著調(diào)節(jié)作用?；贛TPIM-HBT的AIE探針MTPIM-AF-CO和MTPIM-AE-CO分別用甲酸烯丙酯和烯丙基醚基封閉了MTPIM-HBT的羥基(圖?1C)，成功地實現(xiàn)了CO比率傳感的AIE探針MTPIM-AF-CO和MTPIM-AE-CO。

由于甲酸丙酯和乙醚基都可以作為基于Tsuji-Trost反應(yīng)的反應(yīng)位點，所以選擇這兩個基團作為模型受體單元。如圖?1D所述，在CO存在下，Pd2+可以被還原成Pd0，這進一步催化了受體單元的裂解，釋放出游離的羥基。這兩種方法對空氣中CO的目視檢測都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

(1)活體細胞中CO的成像

圖 2

最初，外源性CO的監(jiān)測是在AGS細胞中進行的。如圖2A所示，當探針系統(tǒng)(10 μM

MPTIM-AP-CO+10 μM PdCl2)在37℃下孵育30分鐘時，藍色通道有明顯的熒光，黃色通道幾乎沒有熒光。相反，先用不同濃度的CORM-3(20?100 μM)預(yù)孵育細胞，然后用探針系統(tǒng)孵育，藍色通道的熒光逐漸減弱，而黃色通道的熒光明顯增強。此外，I黃/I藍的比率與CO濃度成正比(圖 2C)。定量的熒光強度也與水溶液中CO誘導(dǎo)的比值熒光響應(yīng)一致，表明MTPIM-AE-CO具有感知活細胞中外源CO的能力。

據(jù)報道，內(nèi)源性CO的產(chǎn)生可由多種病理生理因素誘導(dǎo)。因此，使用MTPIM-AE-CO檢測系統(tǒng)評估了不同條件下AGS細胞釋放CO的情況。血紅素可以誘導(dǎo)HO的過度表達，HO可以將血紅素分解為膽紅素和一氧化碳。此外，由于脂多糖(LPS)可以通過在細胞內(nèi)產(chǎn)生ROS通量來誘導(dǎo)氧化應(yīng)激狀態(tài)，因此可能會產(chǎn)生更多的CO，并發(fā)揮保護細胞的作用。

作者進一步嘗試可視化低氧環(huán)境下細胞內(nèi)一氧化碳的波動。正常情況下，當AGS細胞保存在常氧培養(yǎng)箱(5%CO2/95%空氣)中時，只觀察到藍色熒光，幾乎沒有黃色熒光(圖 2B)。然而，置于低氧孵箱(98%N2/2%O2)中的細胞在黃色通道中顯示出強烈的熒光，而在藍色通道中的熒光減弱，這表明該探針系統(tǒng)能夠追蹤活細胞中的內(nèi)源性CO。此外，這種時間依賴性也表現(xiàn)出類似的變化。黃色通道明顯增強，藍色通道明顯減弱。重要的是，I黃/I紅的比率表現(xiàn)出隨時間的變化而逐漸增加的趨勢(圖 2d)，這證實了在溶液中CO誘導(dǎo)的比率熒光反應(yīng)的良好一致性。因此，這些結(jié)果證實了MTPIM-AE-CO可以作為顯示活細胞內(nèi)源性CO波動的有用工具。

文獻原文：?Liu, M.; Xiao, R.; Feng, B.; Fan, D.; Huang, S.; Bi, A.; Zhong, S.; Feng, X.; Liu, S.; Zeng, W., Elegant cooperation of AIE, ESIPT and ICT effects into tetraarylimidazole-based fluorophore and its tuning for ratiometric detection of carbon monoxide. Sensors and Actuators B: Chemical 2021, 342.

doi：10.1016/j.snb.2021.130038