Synthesis and Application in Cell Imaging of a Fluorescent Probe for Detection of Zn2+/S2- and Viscosity
一种新合成的具有席夫碱结构的荧光探针 DBH，能够实现对活细胞中 Zn²⁺ 和 S²⁻ 离子的灵敏且特异性的检测，同时可作为粘度响应传感器用于实时监测苯乙烯聚合过程。
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在生物体内的微观世界中，微小的化学信号充当着信使的角色，告诉细胞何时生长、如何对抗感染以及何时进行自我修复。其中两种信使是锌离子和硫离子。锌是一种至关重要的矿物质，有助于我们的身体构建蛋白质并在大脑中处理信息；而硫离子则在细胞管理能量和保护自身免受损伤方面发挥作用。当这些物质的含量出现偏差时，可能会预示着严重的健康问题，从儿童的发育问题到像阿尔茨海默症这样复杂的疾病。长期以来，科学家们一直需要一种能够快速且清晰地识别这些离子的方法，特别是在那些传统检测工具过于笨重或缓慢的活细胞内部。几十年来，研究人员一直在寻找一种化学“手电筒”，它只有在发现这些特定目标时才会发光，从而让他们能够在不干扰脆弱环境的情况下，实时观察生物过程的发生。
来自西华大学及其他中国机构的研究团队创造了这样一个工具：一种名为 DBH 的新型荧光探针。这种分子由两种简单的起始化学物质组成，它们结合在一起形成一种被称为席夫碱（Schiff base）的结构，其作用就像一个专门的陷阱。研究人员设计了这个陷阱，使其在遇到锌离子或硫离子之前保持黑暗且不可见。当探针遇到其中一个目标时，它会发生化学变化并发出明亮的光芒，作为发现该物质的清晰视觉信号。团队在水和一种称为 DMF 的溶剂混合物中测试了这种新探针，发现它能够将锌从二十种其他常见金属离子中区分出来，并将硫从二十种其他常见阴离子中区分出来。它对其他离子没有反应，展现出了在化学传感领域罕见的高精准度。
这种新探针的灵敏度非常卓越。研究人员计算出，它检测锌的浓度低至 4.19 × 10⁻⁷ mol/L，检测硫的浓度低至 1.45 × 10⁻⁷ mol/L。为了理解其工作原理，团队近距离观察了探针与离子之间的“分子握手”。利用核磁共振技术（该技术允许科学家观察原子如何移动和结合），他们发现探针通过与金属形成稳定的环状结构来抓取锌。当遇到硫时，探针会失去一个微小的氢粒子，这改变了它的形状并导致光亮开启。计算机模拟证实，这些新的组合是稳定且在能量上占优的，支持了实验室收集到的物理证据。
除了寻找特定的离子外，该探针还可以作为液体粘稠度的传感器。在流动性良好的流体中，探针分子可以自由旋转和摆动，这通常会导致它们在发光前损失能量。然而，当液体变得粘稠且具有黏性（如蜂蜜）时，探针分子会被卡住无法旋转。这种限制迫使它们以光的形式释放能量。研究人员发现，液体的粘稠度与探针的发光强度之间存在直接的线性关系。他们通过观察液体苯乙烯转化为固体塑料的化学反应来测试这一想法。随着液体在过程中逐渐变稠，探针的光线稳步增强，提供了一种无需停止采样即可实时观察材料制造过程的方法。
或许最广阔的应用前景在于观察活细胞。在将探针用于生物样本之前，团队确认了其安全性。他们将高浓度的探针暴露于人类肝脏细胞中，未发现任何损伤迹象，证明其具有生物相容性。随后，他们将探针置入人类癌细胞内并观察其变化。在自然状态下，细胞不显示光亮。但当研究人员向细胞中加入锌或硫时，显微镜下出现了明亮的绿色斑点，证实了该探针可以在活体生物内寻找并报告这些离子。这项工作表明，DBH 可能成为医生和科学家监测细胞健康并了解这些关键离子在人体复杂环境中如何运作的重要工具。
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