水溶性比率型荧光探针的合成及其对肼的检测性能研究

申报人：韦砚俊申报日期：2025-05-27

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

水溶性比率型荧光探针的合成及其对肼的检测性能研究学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

理学

所属专业类:

化学类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

针对传统有机荧光探针存在的水溶性差，检测信号单一，灵敏度不足的问题，本项目拟以半花菁阳离子基团为基础，开发具有水溶性好、量子产率高、组织穿透性强以及良好的光稳定性和光学可调性的比率型荧光探针。该探针以两个不同波长的荧光强度比值进行信号校正，可以有效避免来自生物背景的干扰，并提供自校准能力，最大限度地减少分析物的干扰，极大地提高了检测的灵敏度、选择性和线性范围。本项目拟开发一种基于半花菁阳离子的比率型荧光探针，并与智能手机应用程序联用，实现环境中肼的便捷、可视化检测。

负责人曾经参与科研的情况:

申请人热爱科研，积极参与有机小分子荧光探针的开发及其性能研究工作，积累了实验经验，提高了动手能力，培养了科研兴趣。

指导教师承担科研课题情况:

1. 国家自然科学基金（地区）项目，2024.01-2027.12，主持，在研。

2. 广西自然科学基金（面上）项目，2024.05-2027.04，主持，在研。

指导教师对本项目的支持情况:

指导教师提供必要的试剂、溶剂、耗材等实验材料，对试验方案和实验过程进行指导。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	韦砚俊	化学与生物工程学院	化学工程与工艺	2023	负责撰写项目报告，做实验	第一主持人
2	陈大权	化学与生物工程学院	应用化学	2023	查阅资料，参与实验	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	闫力强	化学与生物工程学院	否	第一指导教师
2	吴雄志	化学与生物工程学院	否	指导教师

立项依据

研究目的:

肼（N2H4）是一种必不可少的工业原料，在医药、农药和纺织染料领域有着广泛的应用。然而，吸入或皮肤接触N2H4气体会导致眼损伤、肺损伤、器官衰竭，甚至致癌，危及人类生命。此外，摄入N2H4污染的饮用水可能会导致生物蓄积和持久性相关危害。此外，N2H4排放到土壤或灌溉水中会显着抑制植物生长，同时还会损害土壤微生物和水生生物食品中残留的N2H4通过在人体内的潜在积累进一步对人类健康构成风险。因此，肼的实时检测和长期监测对于环境保护和人类健康至关重要。

基于有机小分子的荧光探针由于其易于合成、抗干扰能力强、选择性和灵敏度高、操作简单、检测时间快等而表现出优势。因此，开发快速有效的方法来检测环境和生物体中的N2H4至关重要。基于半菁的荧光基团以其易于制备、显著的斯托克斯位移、良好的生物相容性以及易于在绿光下调到近红外窗口的波长而闻名。这些特性使其广泛用于复杂环境和生物系统的荧光探针设计。比率型荧光探针与“开启”或“关闭”传感模式相比，可以减轻激发强度、发射收集效率、不均匀的细胞分布或探针浓度变化的干扰。同时，通过测量荧光信号的比率极大提高了测量的准确性，这对开发更多的比率型荧光探针具有重要意义

本项目拟开发一种基于半花菁阳离子的比率型荧光探针，并与智能手机应用程序联用，实现环境中肼的便捷、可视化检测。

研究内容:

本项目拟利用有机合成技术，结合结构化学和生物化学领域先进的研究成果，设计并合成基于半花菁基团的比率型有机小分子荧光探针，有效消除探针的背景干扰、提升探针的水溶性、成像分辨率，用于环境中和生物样品中N2H4的特异性识别和高灵敏检测，并研究探针分子对N2H4 的检测条件和响应机制，为探索与 N2H4相关的环境污染和病理过程提供有效的分析测试方法，为新型探针分子的设计提供新策略。

2.1 半花菁阳离子比率型探针的设计与合成

（1）该探针以半花菁基团为基础，引入推（D）、拉电子（A）基团，构建D-A结构，从而在荧光检测方面显示出独特优势：一是不需要复杂的分子结构和大的共轭体系就可以实现长波长发射，表现出大的斯托克斯位移，能够有效地避免荧光聚集淬灭和自吸收现象，大大提高成像的分辨率；二是独特的光电信号。通过电场调控光转换性质可以实现高通量单分子荧光光谱电化学分析和单分子超分辨显微成像，从而达到将识别信号高效转化为荧光信号的目的。

（2）利用识别基团提高检测的特异性

一是利用能够与N2H4发生反应的识别基团如共轭烯烃C=C。在 N2H4 存在时，烯烃双键与N2H4反应后，探针分子的共轭体系被破坏，表现出长波长的荧光型号减弱，多波长的荧光信号增强，实现比率信号检测的目的。

2.2 探针对 N2H4的检测性能和作用条件研究

荧光探针的检测性能包括特异性、灵敏度、响应时间、稳定性、水溶性、细胞毒性、组织穿透性和成像分辨率等方面，这些性能的好坏与检测效果密切感，这需要进行一系列检测条件的优化，确定探针分子与 N2H4作用的最佳条件。此外，在质子性极性溶剂中，近红外荧光团常常表现出显著的溶剂化效应，其发射波长通常会随着溶剂极性的增强而红移，但荧光强度却降低。生理条件下生物体组织内为极性环境，低发光能力的探针分子无法实现组织成像，因此，探针在组织内的成像能力和成像条件也非常重要。

2.3 探针对N2H4的作用机理研究

荧光探针原理是利用探针分子与 N2H4反应生成新的分子，通过检测生成的分子可以确定被探测物。荧光探针机理作为一种重要的反应机理，在生物、化学、物理等方面都发挥着重要的作用。探针的检测机理及反应历程与探针的光谱性质和检测性能密切相关。深入探索探针的检测机理对建立N2H4 比率荧光探针的设计策略，提高探针的检测性能具有重要意义。

2.4 荧光探针在实际样品中的应用研究

研究荧光探针的细胞毒性及其在肿瘤细胞和生物组织中与 N2H4作用前后的光学信号的变化，利用激光共聚焦显微成像监测活细胞和组织内 N2H4浓度，研究探针的荧光成像能力。同时，考查探针在生物样品中应用时可能存在的各种干扰因素及偏差，探索干扰因素的消除和偏差的校正方法。

2.5 在环境中的应用

考查探针在水样、食品、土壤、植物等样品中的检测能力。并制备成便捷的检测试纸或者水凝胶，利用手机识色软件，构建B/R通道的颜色识别平台，，实现对环境中 N2H4的可视化、现场便捷监测和分析。

国、内外研究现状和发展动态:

3.1 半花菁荧光探针的研究进展

2022年，Xue等报道了一种新的基于半菁的比率荧光探针1，对pH为6.0~8.0范围内的微环境条件表现出实时、选择性的荧光响应。在DMSO/PBS(1/9，v/v)溶液中，基于羟基的去质子化，探针6的供体-受体效应明显增强，从而实现荧光响应。其中λex = 640 nm，λem= 736 nm/769nm。重要的是，探针6能够通过荧光成像监测 HepG2 细胞中的微环境 pH 条件。

探针1检测对pH的相应机理

2024年，Zhou等设计合成了一种具有比色和比例双重功能的新型小分子有机荧光探针2，用于检Cys。在PBS/DMSO(8/2, v/v, pH = 7.4)溶液中，探针2能够基于抑制分子内电荷转移（ICT）机理，对 Cys表现出高选择性和灵敏度，其中λex = 498nm，λem= 560 nm/603nm，检测限（LOD）为0.19 μM。重要的是，探针2对培养细胞具有低细胞毒性，在检测Cys具有重要的生物学应用潜力。

探针2对Cys的检测机理

2024年，Zhu等报告了一种基于反应的近红外 (NIR) 比率荧光探针3，用于对生物样品中的 Cu2+ 进行成像。在HEPES（含1% DMSO/0.1% CrEL, v/v, pH 7.4）缓冲液中，探针实现对内源性Cu2+的检测。其中λex = 523 nm/710 nm，λem= 600 nm/810 nm。探针3的高稳定性和选择性使得可以用于植物细胞中的Cu2+。同时，使用探针3探索了路易体痴呆症（DLB）患者死后脑组织中的Cu2+的水平和分布。结果发现，与健康年龄匹配的对照组织相比，DLB 退化黑质的细胞质、神经元和神经元外间隙中的 Cu2+含量显着降低，增强了对路易体疾病中Cu2+失调的理解。

探针3还显示出作为光声成像剂的前景，具有双模成像应用的潜力。

探针3检测Cu2+的机理

3.2 N2H4探针的研究现状

2023年，Han 等研究了一种以羟基查尔酮分子为传感位点的比色法和比率法荧光探针4，用于监测实际水/土壤、气体环境和活细胞中的N2H4。在DMSO/HEPES（3:1,v/v）溶液中，探针能够基于-C=C-机理，实现对N2H4的检测，其中λex = 395 nm/490 nm，λem= 480 nm/590 nm，检测限（LOD）低至45 µM， pH工作范围宽（3.0-10.0）。该探针还可以监测实际水/土壤样品中的肼，以及具有便携性的液体/蒸汽肼和活细胞中的肼。

探针4检测N2H4的机理

2023年，Zhou 等设计并合成了一种荧光探针5。在DMF /HEPES（6/4，v/v, pH=7.4）溶液中，探针能够基于激发态分子间质子转移机理，实现对N2H4的检测，具有高选择性、高灵敏度和快速响应的特点。其中λex = 345 nm，λem= 425nm，检测限(LOD)为11.5 nM。探针5可以识别活细胞中的蛋白质，从而提供细胞成像。这项研究为监测水环境中的N2H4 提供了一种有前途的传感策略。

探针5检测N2H4的机理

2024年，Wang 等人制备了一种智能荧光探针6，用于对多种样品中的N2H4进行比色和荧光分辨。探针可以基于分子内电荷转移（ICT）机理，实现对N2H4的检测，其中λex = 349 nm，λem= 451 nm，检测限(LOD)低至 20 nM。基于优异的光学性能，探针6成功制备了手套和棉签传感器，只需触摸和观察就能监测食品和环境样品中的N2H4，揭示了基于水凝胶的传感系统在食品和环境分析应用中溯源有害物质的实用性。探针6显示了其在 HeLa 细胞、洋葱和拟南芥中成像N2H4的能力。

探针6检测N2H4的机理

2024年，Sun等合成了一种新型的 “OFF-ON” 荧光探针7。在EtOH/Tris（5/5, v/v, pH = 7.4）溶液中，探针7基于抑制光诱导电子转移（PET）机理，可以在30 s内通过比色和荧光双通道响应专门识别N2H4。,其中λex = 380 nm，λem = 520 nm，检测限（LOD）为12 nM， pH 范围宽(6 − 12)。同时建立了一种分析真实水样中肼浓度的方法，并利用智能手机应用程序辅助可视化平台实现了可视化定量检测。探针7可以识别各种环境样品中的肼，包括植物、食物、肼蒸气和细胞。

探针7检测N2H4的机理

以上研究成果说明基于半花菁的比率型的荧光探针不仅能够克服传统荧光探针分子背景吸收大、信号不稳定的特点，而且由于比率型荧光探针基于波长变化的信号，可以结合智能化平台进行便携测试，检测过程操作简便，快速且成本较低，具有很大的实用价值。

创新点与项目特色:

（1）比率荧光探针以两个不同波长的荧光强度的比值进行信号校正，可以有效避免来自生物背景的干扰，并提供额外的自校准能力。这种自校准可最大限度地减少不依赖分析物的干扰，极大地提高了灵敏度、选择性和线性范围。

（2）基于半花菁的荧光探针具有高量子产率、高灵敏度和分辨率、可调光谱特性、组织穿透性强以及良好的光稳定性和光学可调性。

（3）本项目融合了比率型荧光探针和半花菁荧光团的优点，并与智能手机应用程序联用，开发便捷的可视化检测平台

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

5.1 技术路线

5.2 拟解决的问题

（1）引入半花菁荧光团解决探针成像分辨率低、靶向定位能力及水溶性差的问题。以比率荧光为检测信号解决但荧光发射存在的背景信号干扰严重、荧光成像分辨率低、水溶性差等问题。

（2）以两个不同波长的荧光强度的比值进行信号校正，可以有效避免来自生物背景的干扰，并提供额外的自校准能力，可最大限度地减少不依赖分析物的干扰，极大地提高了检测的灵敏度、选择性和线性范围。

（3）与智能手机应用程序联用，解决肼探针不能便捷、可视化、现场检测的问题。

5.3 预期成果

完成一篇研究论文，完成项目结题报告。

项目研究进度安排:

（1）2025.01-2025.03 查阅相关文献资料。制定相关实验方案，准备相应实验器材和试剂。

（2）2025.04-2025.06完成新型的设计与合成。

（3）2025.07-2025.10 完成检测性能及应用能力检测实验。

（4）2025.11-2025.12整理总结实验结果、撰写并发表论文，撰写结题报告。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

申请人所在课题组长期从事有机小分子荧光探针的设计与合成工作。制备一系列基于不同荧光团的有机探针，实现了对环境和生物细胞、组织、活体内不同污染物和疾病标志物的检测。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

目前实验室具备完成近红外分子的制备、结构表征、分析与分离性能研究等实验条件。尚缺少的生物成像实验条件可以通过与校外测试机构合作解决。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	10000.00	无	5500.00	4500.00
1. 业务费	4000.00	探针结构表征及性能测试，以及论文版面费	1500.00	2500.00
（1）计算、分析、测试费	2000.00	探针结构表征及性能测试	1500.00	500.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	2000.00	论文版面费	0.00	2000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	6000.00	合成试剂、有机溶剂的购买	4000.00	2000.00

结束