#化学每日一文# 北京工业大学莫善雁博士：一种低pH响应的新型近红外菁类荧光探针
引用本文:王筱楠，胡利明，孙国辉，等. 一种低pH响应的新型近红外菁类荧光探针[J]. 化学试剂, 2023, 45(9)：83-89.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0291
背景介绍
pH值在工业、农业、生物化学、医药以及环境等各领域都是一个需要监测的重要指标。已经开发出许多用于pH响应的荧光探针，但会存在激发和发射波长短，灵敏度低、水溶性差以及合成步骤复杂等缺陷。此外，它们的pH响应多位于4～8范围内，仅有极少数可以响应pH值低于3的低酸性探针。而胃酸以及一些螺杆菌、嗜酸细胞等耐强酸生命体的pH值较低，实现对这些低pH值环境的pH监测对研究相关的生理活动具有重要意义。
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文章亮点
1. 以糠醛化合物为起始原料合成了两个水溶性良好的七甲川菁pH荧光探针I-1及I-2，这两个探针都能在低pH条件发出较强的近红外荧光；
2. 探针分子对低pH值响应前后荧光强度变化达20倍以上，响应迅速、灵敏、且具有良好的可逆性；
3. 探针分子在体外模拟胃液的低pH检测中同样显示出了良好的荧光响应以及稳定性。因此，它们在低pH生物体系的pH值检测与荧光成像上具有较佳应用潜力。
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内容介绍
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1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.2.1 化合物的合成与表征
基于本课题组关于不对称Cy7合成方法的研究[20]，采用分步缩合法合成两个荧光探针，如图1所示。
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1.2.2 光谱性能测定
1.2.3 模拟胃液pH值检测
2 结果与讨论
2.1 探针光谱性质分析
这两个探针与低pH环境响应前后的荧光强度变化可达20倍以上，表明能灵敏的检测一定范围内的pH。根据两个探针的紫外吸收与荧光发射波长计算出它们的Stokes位移分别为39、29 nm。较长的发射波长以及良好的Stokes位移使两个探针具备了一定的组织穿透以及抵抗背景干扰的能力。
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2.2 探针定量测定pH值能力分析
探针I-2在pH 1.78～2.52范围内，最大荧光强度与pH值之间有良好的线性关系，并符合公式：y=1658.47-521.75x, R2=0.9844。
2.3 探针pKa值分析
当I/Imax=0.5时，依据公式，pKa=pH ± lg[(I–Imin)/(Imax–I)]得到探针I-1的pKa=2.82 ± 0.0408，探针I-2的pKa=2.40 ± 0.0098。
2.4 探针稳定性及可逆能力的测定
80 min内两个探针的荧光强度没有出现明显的下降，表明它们具有良好的稳定性，能够满足实际样品中进行实时检测的要求。进行了10次探针循环测定pH值的实验，当溶液的pH值在1.2与5.0之间变化时，这两个探针分别在λem=749 nm及λem=753 nm处的荧光强度没有大幅度的改变，表明二者对H+的识别具有良好的可逆性。
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2.5 探针抗干扰能力测定
其他物质的存在对探针荧光信号的影响微弱，表明所设计的两个pH探针具有良好的抗干扰能力。
2.6 探针对模拟胃液pH值的检测
在模拟胃液中，I-1及I-2的最大发射波长分别位于749、753 nm；荧光强度随pH的减小而增强，这与在水溶液中测得的结果一致。
2.7 探针发光机制分析
本文设计合成的两个探针的荧光发光利用N的栀子花及脱质子化效应来实现，具体表现为：酸性环境下，H+使苯并噻唑中的N质子化，探针获得了更大的共轭体系，产生相较于原来波长更长、荧光更强的近红外发射光，而H+浓度降低后，杂环上的N去质子化，探针恢复原始结构，吸收光谱蓝移，原先的近红外荧光发射峰消失。
3 结语
本文设计合成了以七甲川菁为基本骨架，含有吲哚和苯并噻唑衍生物两个杂环基团的近红外菁类荧光探针I-1及I-2。在低酸性条件下，这两个探针分别能够发射749和753 nm的近红外荧光。探针I-1和I-2的pKa值分别为2.82、2.40，能够对1.69～3.38和1.78～2.52范围内的pH值进行定量检测。这两个探针在低酸性条件下迅速发生荧光响应，并显示出高于碱性环境20倍以上的荧光强度，同时，具有良好的稳定性和可逆性。
引用本文:王筱楠，胡利明，孙国辉，等. 一种低pH响应的新型近红外菁类荧光探针[J]. 化学试剂, 2023, 45(9)：83-89.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0291
背景介绍
pH值在工业、农业、生物化学、医药以及环境等各领域都是一个需要监测的重要指标。已经开发出许多用于pH响应的荧光探针，但会存在激发和发射波长短，灵敏度低、水溶性差以及合成步骤复杂等缺陷。此外，它们的pH响应多位于4～8范围内，仅有极少数可以响应pH值低于3的低酸性探针。而胃酸以及一些螺杆菌、嗜酸细胞等耐强酸生命体的pH值较低，实现对这些低pH值环境的pH监测对研究相关的生理活动具有重要意义。
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文章亮点
1. 以糠醛化合物为起始原料合成了两个水溶性良好的七甲川菁pH荧光探针I-1及I-2，这两个探针都能在低pH条件发出较强的近红外荧光；
2. 探针分子对低pH值响应前后荧光强度变化达20倍以上，响应迅速、灵敏、且具有良好的可逆性；
3. 探针分子在体外模拟胃液的低pH检测中同样显示出了良好的荧光响应以及稳定性。因此，它们在低pH生物体系的pH值检测与荧光成像上具有较佳应用潜力。
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内容介绍
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1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.2.1 化合物的合成与表征
基于本课题组关于不对称Cy7合成方法的研究[20]，采用分步缩合法合成两个荧光探针，如图1所示。
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1.2.2 光谱性能测定
1.2.3 模拟胃液pH值检测
2 结果与讨论
2.1 探针光谱性质分析
这两个探针与低pH环境响应前后的荧光强度变化可达20倍以上，表明能灵敏的检测一定范围内的pH。根据两个探针的紫外吸收与荧光发射波长计算出它们的Stokes位移分别为39、29 nm。较长的发射波长以及良好的Stokes位移使两个探针具备了一定的组织穿透以及抵抗背景干扰的能力。
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2.2 探针定量测定pH值能力分析
探针I-2在pH 1.78～2.52范围内，最大荧光强度与pH值之间有良好的线性关系，并符合公式：y=1658.47-521.75x, R2=0.9844。
2.3 探针pKa值分析
当I/Imax=0.5时，依据公式，pKa=pH ± lg[(I–Imin)/(Imax–I)]得到探针I-1的pKa=2.82 ± 0.0408，探针I-2的pKa=2.40 ± 0.0098。
2.4 探针稳定性及可逆能力的测定
80 min内两个探针的荧光强度没有出现明显的下降，表明它们具有良好的稳定性，能够满足实际样品中进行实时检测的要求。进行了10次探针循环测定pH值的实验，当溶液的pH值在1.2与5.0之间变化时，这两个探针分别在λem=749 nm及λem=753 nm处的荧光强度没有大幅度的改变，表明二者对H+的识别具有良好的可逆性。
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2.5 探针抗干扰能力测定
其他物质的存在对探针荧光信号的影响微弱，表明所设计的两个pH探针具有良好的抗干扰能力。
2.6 探针对模拟胃液pH值的检测
在模拟胃液中，I-1及I-2的最大发射波长分别位于749、753 nm；荧光强度随pH的减小而增强，这与在水溶液中测得的结果一致。
2.7 探针发光机制分析
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3 结语
本文设计合成了以七甲川菁为基本骨架，含有吲哚和苯并噻唑衍生物两个杂环基团的近红外菁类荧光探针I-1及I-2。在低酸性条件下，这两个探针分别能够发射749和753 nm的近红外荧光。探针I-1和I-2的pKa值分别为2.82、2.40，能够对1.69～3.38和1.78～2.52范围内的pH值进行定量检测。这两个探针在低酸性条件下迅速发生荧光响应，并显示出高于碱性环境20倍以上的荧光强度，同时，具有良好的稳定性和可逆性。
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