基于多通道荧光信号的硫化氢和二氧化硫同时检测方法研究

As the significant endogenous signaling molecules, sulfur dioxide and hydrogen sulfide play important roles in biological processes, but their active reactivity often lead to low detection selectivity and it is hard to simultaneously detect them. At present, the lacking of convenient monitoring methods greatly hinders the development of effective measures in studying their more possible physiological functions. So it is imperative to develop selective and sensitive analytical techniques for these gaseous molecules. ..To this end, we propose to design and synthesize organic fluorescent molecular probes with two reactive site for the two molecules on the basis of their coordination, additive and reductive properties. After selective reaction with the two molecules, the electronic energy levels could be altered and hence the fluorescence wavelength and intensity, leading to signal output of the two different fluorescence. To further get multi-channel fluorescence under single one excitation wavelength, nano probes composed of fluorescent nanomaterials and the organic molecules on the surface are to be synthesized by combining and utilizing the special surface reactivity, tunable fluorescence property, and fluorescent energy resonance transfer mechanism. ..The resultant multi-channel fluorescent materials will be applied for the detection and imaging of sulfur dioxide and hydrogen sulfide in cells. For this end, the biocompatibility and cytotoxicity of these materials will be evaluated based on MTT assay and other relevant methods. The protocol and parameters will be studied and established for the imaging and analysis of the two sulfur containing molecules in cells. Therefore, the application of the multi-channel fluorescence would produce new methods and technologies for understanding the generation and trafficking of the reactive molecules in cells. Furthermore, the research results would also help to innovate the diagnostic and prognostic tools for significant sulfur containing molecules in life science.

硫化氢和二氧化硫是新近发现的内源性气体信使小分子，在生命过程中起着重要的生理功能和病理作用，而其相对活泼的化学性质导致较低的检测选择性，因此对这两种含硫分子的选择性同时检测是分析化学的重要前沿。本项目将针对硫化氢和二氧化硫的高选择灵敏检测，结合其配位性质、加成性质和还原能力，拟探索设计具有两种识别反应位点的荧光分子探针，在识别位点的选择性反应会引起电子能级结构改变，从而实现两种荧光信号的分别输出。进一步利用荧光纳米材料的表面特性、荧光可控性和共振能量转移等机制，研究构筑基于荧光分子和纳米材料的复合探针，实现单一波长激发，多波长荧光信号的同时输出。在此基础上，探索研究两类荧光材料的生物相容性和细胞毒性，及其在细胞中应用的最佳条件和参数，建立细胞中硫化氢和二氧化硫的荧光成像分析和检测技术。本项目的预期成果将为深入探索含硫小分子的生理机制提供新的技术手段，对提升科技原始创新能力具有重要科学意义。

根据项目计划书的研究内容，活性小分子如硫化氢和二氧化硫等不仅可以内源性生成，在生命过程中起着重要的生理功能和病理作用，也是常见的环境气态污染物。它们相对活泼的化学性质导致其检测选择性低，对这些小分子的选择性检测是分析化学的重要研究课题。本项目围绕硫化氢和二氧化硫及相关活性小分子（如臭氧、单线态痒、超氧阴离子、过氧化亚硝酰、氢离子、次氯酸等）的高选择灵敏检测，设计制备具有特异识别性能的荧光分子和纳米材料探针，从而建立了一系列基于荧光和SERS信号的灵敏检测方法，不仅应用于细胞成像如pH和细胞质粘度的测量，也成功应用于环境中相关气态污染物的分析检测。. 该项目取得的主要研究成果和关键数据如下：1）从光谱特征检索和荧光共振能量转移的机理出发，设计并制备了多种结构和性质的有机分子探针，进一步系统研究分子探针在不同细胞和外部环境中的定性定量荧光响应，据此发展了针对次氯酸、硫化氢、二氧化硫和臭氧等多种活性小分子的荧光分析方法，开发了双通道荧光分析技术。2）通过荧光纳米材料表面修饰工程，结合功能分子设计，建立了双发射比率荧光的荧光分析体系，并利用荧光微球的方法构建双通道荧光分析体系，实现二氧化硫、铀酰离子、ONOO-、H离子等多种离子的灵敏检测。3）利用MOF材料的多孔性质，对其结构进行特异性的修饰，发展了限域诱导抗生素聚集荧光方法，据此建立了抗生素的荧光增强检测方法。. 上述研究工作取得了显著的研究进展，部分成果已发表在SCI期刊，如Analytical Chemistry、Talanta, Sensors & Actuators B: Chemical、ACS Applied Materials and Interfaces、ACS Sensors等，SCI收录的标注论文共26篇，引用390余次。获授权发明专利5件，申请发明专利4件。获中国分析测试协会科学技术奖二等奖1项，中国发明协会发明创新奖二等奖1项等。该项目的系列研究成果为二氧化硫和硫化氢及相关活性小分子的快速、准确、同时检测提供了科学的方法路径，对于开发生命分析和环境污染物相关的检测技术奠定了知识基础，对提升分析化学领域的原始创新能力具有十分重要意义。