揭示Hg2+与H2O2之间的相互作用：一种双响应探针，用于解析生物系统中的重金属压力

时间：2026年5月21日

来源：Sensors and Actuators B: Chemical

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向莉|赵金丽|姚青|高远|曹婷|袁杰|张洪帅|程丹|何龙伟华南医科大学附属南华医院药学院与临床研究所，中国衡阳，421002 摘要过氧化氢（H2O2）是一种关键的活性氧物种，参与多种生理和病理过程，而汞离子（Hg2+）则被广泛认为是持久性的环境污染物。它们在生物体内的积累

向莉|赵金丽|姚青|高远|曹婷|袁杰|张洪帅|程丹|何龙伟

华南医科大学附属南华医院药学院与临床研究所，中国衡阳，421002

摘要

过氧化氢（H₂O₂）是一种关键的活性氧物种，参与多种生理和病理过程，而汞离子（Hg²⁺）则被广泛认为是持久性的环境污染物。它们在生物体内的积累会严重扰乱正常的生理过程，并对生态系统构成威胁。因此，迫切需要开发一种能够依次检测这两种物质的分析方法，以揭示它们在植物中的动态行为并评估联合应激的影响。在这里，我们开发了一种新型荧光探针5F-Ahid，该探针利用五氟苯磺酰基作为响应单元，实现对H₂O₂和Hg²⁺的高度选择性和敏感性的依次检测。其工作机制包括两个不同的阶段：首先，探针被H₂O₂特异性激活，在525 nm处引发荧光增强；随后，激活形式的探针在200秒内与Hg²⁺发生快速环化反应，导致荧光信号从525 nm（被抑制）转移到440 nm（增强），实现双通道检测。这种独特的激活响应模型，结合其对H₂O₂（11.7 μM）和Hg²⁺（9.4 nM）的低检测限，有效避免了交叉干扰，从而能够准确区分和测定这两种目标。此外，使用5F-Ahid，我们成功实现了在HeLa细胞、斑马鱼和绿豆芽中H₂O₂和Hg_{2+的动态变化可视化。这种探针不仅为复杂生物系统中这两种应激因子的依次分析提供了可靠的工具，还能够区分Hg²⁺引起的应激与其他有毒重金属（Cd²⁺、Pb²⁺、Co²⁺）和必需金属离子（Cu²⁺、Mg²⁺），从而为深入理解它们在生理和毒理学过程中的相互作用机制奠定了方法论基础。}

引言

过氧化氢（H₂O₂）和汞离子（Hg²⁺）是两类对生态系统和生物体具有严重影响的极其重要的环境污染物。[1]，[2]，[3] H₂O₂在生物学中具有双重作用：在正常条件下它是一种重要的信号分子，但在环境应激下其异常积累会诱导蛋白质、脂质和DNA的氧化损伤，最终导致细胞死亡和组织损伤。[4]，[5]，[6] 同样重要的是，也许由于其极高的毒性而更为人所知的是重金属Hg²⁺。作为一种持久性污染物，它通过食物链生物累积，即使在微量浓度下也会破坏关键的生理功能，如酶活性、动物的神经信号传导和植物的光合作用，导致不可逆的损伤。[7]，[8]，[9]，[10] 值得注意的是，这两种应激因子并不是单独作用的。有充分的文献记载表明Hg²⁺可以诱导H₂O₂的产生，而升高的H₂O₂水平又会加剧Hg²⁺的毒性，形成一个放大细胞损伤的恶性循环。[11]，[12] 因此，精确和依次监测H₂O₂和Hg²⁺对于理解它们相互交织的病理生理作用至关重要。

传统的H₂O₂检测技术，包括比色法、化学发光法和色谱法，受到生物相容性差、发光寿命短和穿透深度不足的限制，限制了它们在长期生物成像中的应用。[13]，[14] 同样，已建立的Hg²⁺检测方法——如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电化学方法——虽然具有高灵敏度，但通常需要破坏性的样品预处理，并且缺乏进行体内追踪所需的空间和时间分辨率。[15]，[16] 关键的是，这些方法从根本上无法依次追踪完整生物系统中H₂O₂和Hg²⁺之间的动态相互作用。这些限制凸显了迫切需要一种非侵入性的、多路复用的传感平台，能够在活体样本中依次监测这两种目标。

作为生物成像的强大工具，荧光探针在解码复杂的生理和病理过程中引起了广泛关注。[17]，[18]，[19]，[20] 目前，尽管已经报道了许多针对H₂O₂或Hg²⁺的荧光探针（见表S1）[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，但尚未开发出能够同时检测H₂O₂和Hg²⁺的探针，尤其是在生物成像应用中。为了准确捕捉复杂环境中H₂O₂和Hg²⁺的协同动态，理想的荧光探针应满足以下标准：1）对两种目标具有高选择性，且相互干扰最小；2）具有明确的信号输出，以便可靠定量；3）具有适合生物监测的响应动力学和比率响应荧光信号，有助于最小化来自探针浓度、光漂白和自荧光等环境因素的干扰；4）具有优异的生物相容性，适用于活细胞和生物体。尽管有这些公认的需求，但能够在体内高保真度依次检测H₂O₂和Hg²⁺的小分子探针仍然很少，这凸显了该领域的一个关键空白。

在这里，我们开发了一种基于羟基邻苯二甲酰亚胺的新型分子探针5F-Ahid，通过合理设计的激活-响应策略（图1）实现对H₂O₂和Hg²⁺的依次检测。该探针具有模块化的识别机制：五氟苯磺酰基首先作为H₂O₂特异性触发剂，反应后暴露出一个与Hg²⁺选择性结合的次级结合位点。探针5F-Ahid不仅能够在溶液中高灵敏度和选择性检测H₂O₂和Hg²⁺的变化，还能在活细胞中可视化这些变化。利用这种探针，我们成功监测了金属诱导应激模型中H₂O₂和Hg²⁺的相互作用。此外，5F-Ahid还在动物模型（斑马鱼）和活植物（绿豆芽）中成功检测到了这两种分析物的动态变化。尽管5F-Ahid无法检测与H₂O₂无关的损伤，但这种双响应探针能够特异性识别由Hg²⁺引起的氧化应激与其他重金属（Cd²⁺、Pb²⁺、Co²⁺）和必需金属离子（Cu²⁺、Mg²⁺）引起的应激。因此，我们认为5F-Ahid有潜力成为阐明环境和生物背景下共存污染物协同毒性机制的强大工具。

章节片段

试剂和材料

所有化学品和试剂均从商业供应商处购买，除非另有说明，否则未经进一步纯化即可使用。溶剂在使用前根据标准实验室程序进行了纯化。实验过程中使用了超纯水（18.2 MΩ·cm）。有关化学品来源和仪器规格的详细信息见支持信息。

5F-Ahid探针的合成

将化合物Ahid（100 mg，0.38 mmol）溶解在二氯甲烷（DCM，10 mL）中，然后...

5F-Ahid的设计与合成

荧光探针5F-Ahid是基于H₂O₂和Hg²⁺的依次检测策略设计的，遵循Hg²⁺诱导的氧化应激的自然顺序，其中H₂O₂在Hg²⁺结合之前产生。为了实现高选择性、明显的双通道响应和生物相容性，我们构建了一个模块化的分子结构，该结构包含具有典型D-π-A结构的羟基邻苯二甲酰亚胺染料，并结合了一个特定的触发单元。

结论

总之，我们开发了一种新型的双响应荧光探针5F-Ahid，基于合理设计的依次识别机制。该探针包含一个五氟苯磺酰基作为H₂O₂特异性触发剂，激活后暴露出一个选择性与Hg²⁺结合的位点，实现高灵敏度和特异性的双通道荧光输出。5F-Ahid对各种活性物种和竞争金属离子表现出优异的选择性，产生明显的...

CRediT作者贡献声明

姚青：软件、数据管理。高远：软件、数据管理。曹婷：可视化、方法学。向莉：方法学、研究、正式分析、数据管理。赵金丽：可视化、验证、方法学、研究、数据管理。袁杰：验证、软件、资源。张洪帅：撰写——初稿、可视化、验证。程丹：验证、方法学、资金获取、概念化。何龙伟：撰写——初稿、验证。