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研究背景
一氧化碳(CO)对动物具有致死作用，但同时也是一种重要的气体递质，调节多种生理过程。因此，为了更深入地了解CO的功能，需要对CO的原位检测。传统的几种CO传感方法，包括比色检测、电化学分析和气相色谱，仅限于以侵入性方式追踪CO。
相比之下，荧光探针因其卓越的特异性和灵敏度、易于操作、非侵入性的检测方式以及可视化的成像能力而成为检测和监测生物样品中感兴趣的分析物的有力工具。自2012年以来，通过不同的策略开发了不同的荧光CO探针：(A)金属配合物的配体交换；(B)Pd介导的Tsuji-Trost反应，(C)硝基的还原，(D)多方面的。
然而，目前的大多数CO探针都存在聚集猝灭(ACQ)效应、斯托克斯位移小、水溶性差等问题，这限制了它们的实际应用。因此，开发性能优化、能够跟踪环境样品和生物系统中CO的更有效的探针是非常有必要的。
AIE特性赋予探针高浓度或聚集状态下的强荧光，而比率响应可以通过两个波长的荧光强度之比避免环境因素的影响。因此，具有比率响应的AIE活性荧光探针在生物系统中受到广泛关注。遗憾的是，只有少数具有AIE特征的荧光探针被构建来检测CO,并且该类探针在响应CO时表现出较差的水溶性或蓝移发射。因此，开发新型的AIE荧光团以构建比率成像CO荧光探针是至关重要的。
在作者以前的研究中，一系列取代的咪唑衍生物已经被证实具有显著的AIE-活性，并在生物成像和传感各种生物物种方面显示出巨大的潜力。从结构特征看(图1A)，四个取代苯环通过单键连接到一个中心咪唑分子上，即转子状结构。因此，分子内旋转(RIR)过程的限制是咪唑为核心的分子转子系统发生AIE现象的原因。然而，由于其水溶性较差、荧光量子产率较低、斯托克斯位移较小等缺点，极大地限制了它们的广泛应用。
本文的工作
图 1
作为一项持续的工作，在这里，作者开发了一种改进的荧光团MTPIM-HBT，具有活性协同效应(AIE、ESIPT和ICT效应)(图 1B)。更重要的是，羟基在MTPIM-HBT骨架的性能中起着调节作用。基于MTPIM-HBT的AIE探针MTPIM-AF-CO和MTPIM-AE-CO分别用甲酸烯丙酯和烯丙基醚基封闭了MTPIM-HBT的羟基(图 1C)，成功地实现了CO比率传感的AIE探针MTPIM-AF-CO和MTPIM-AE-CO。
由于甲酸丙酯和乙醚基都可以作为基于Tsuji-Trost反应的反应位点，所以选择这两个基团作为模型受体单元。如图 1D所述，在CO存在下，Pd2+可以被还原成Pd0，这进一步催化了受体单元的裂解，释放出游离的羟基。这两种方法对空气中CO的目视检测都表现出了优异的性能。
(1)活体细胞中CO的成像
图 2
最初，外源性CO的监测是在AGS细胞中进行的。如图2A所示，当探针系统(10 μM
MPTIM-AP-CO+10 μM PdCl2)在37℃下孵育30分钟时，蓝色通道有明显的荧光，黄色通道几乎没有荧光。相反，先用不同浓度的CORM-3(20−100 μM)预孵育细胞，然后用探针系统孵育，蓝色通道的荧光逐渐减弱，而黄色通道的荧光明显增强。此外，I黄/I蓝的比率与CO浓度成正比(图 2C)。定量的荧光强度也与水溶液中CO诱导的比值荧光响应一致，表明MTPIM-AE-CO具有感知活细胞中外源CO的能力。
据报道，内源性CO的产生可由多种病理生理因素诱导。因此，使用MTPIM-AE-CO检测系统评估了不同条件下AGS细胞释放CO的情况。血红素可以诱导HO的过度表达，HO可以将血红素分解为胆红素和一氧化碳。此外，由于脂多糖(LPS)可以通过在细胞内产生ROS通量来诱导氧化应激状态，因此可能会产生更多的CO，并发挥保护细胞的作用。
作者进一步尝试可视化低氧环境下细胞内一氧化碳的波动。正常情况下，当AGS细胞保存在常氧培养箱(5%CO2/95%空气)中时，只观察到蓝色荧光，几乎没有黄色荧光(图 2B)。然而，置于低氧孵箱(98%N2/2%O2)中的细胞在黄色通道中显示出强烈的荧光，而在蓝色通道中的荧光减弱，这表明该探针系统能够追踪活细胞中的内源性CO。此外，这种时间依赖性也表现出类似的变化。黄色通道明显增强，蓝色通道明显减弱。重要的是，I黄/I红的比率表现出随时间的变化而逐渐增加的趋势(图 2d)，这证实了在溶液中CO诱导的比率荧光反应的良好一致性。因此，这些结果证实了MTPIM-AE-CO可以作为显示活细胞内源性CO波动的有用工具。
文献原文： Liu, M.; Xiao, R.; Feng, B.; Fan, D.; Huang, S.; Bi, A.; Zhong, S.; Feng, X.; Liu, S.; Zeng, W., Elegant cooperation of AIE, ESIPT and ICT effects into tetraarylimidazole-based fluorophore and its tuning for ratiometric detection of carbon monoxide. Sensors and Actuators B: Chemical 2021, 342.
doi：10.1016/j.snb.2021.130038
