JHM:南京工业大学大学余昌敏团队 – 基于合理氟化策略的超灵敏二价铜离子荧光探针:动态监测帕金森病中的铜代谢及作物中的铜基农药残留

JHM专栏：南京工业大学大学余昌敏团队 – 基于合理氟化策略的超灵敏二价铜离子荧光探针：动态监测帕金森病中的铜代谢及作物中的铜基农药残留

第一作者：张龙

通讯作者：余昌敏，张迪

其他作者：吴涵彬，黄众熙，王雪微，陈峥昕，马梓涵，鞠霖杰，张承武

通讯单位：南京工业大学柔性电子（未来技术）学院，柔性电子全国重点实验室

论文DOI: 10.1016/j.jhazmat.2026.141692

 图文摘要 

 成果简介 

近日，南京工业大学柔性电子（未来技术）学院&柔性电子全国重点实验室余昌敏研究团队在Journal of Hazardous Materials期刊上发表了题为“Rational fluorination strategy enables an ultrasensitive copper (II) fluorescent probe for dynamically monitoring copper metabolism in Parkinson's disease and copper-based pesticide residues in crops”的研究论文。本研究设计了一种小分子荧光探针^FDCI-Cu(II)，通过合理的氟化策略，实现了快速响应和超灵敏铜离子（Cu²⁺）检测（检测限2.06 nM）。在帕金森病小鼠模型中，探针展现出优异的血脑屏障穿透性和Cu²⁺可视化能力。同时，该探针能准确检测湖水、作物中的Cu²⁺，并从有机铜农药（如喹啉铜）中竞争结合Cu²⁺。集成到即时检测（POCT）平台后，可实现现场快速监测。该工作为神经科学和环境监测提供了通用的实时检测工具。

 全文速览 

基于合理氟化策略，设计并合成了一种小分子荧光探针^FDCI-Cu(II)，其结构由氟修饰的二氰基异佛尔酮荧光团（用于增强血脑屏障穿透性及体内稳定性）与2-吡啶甲酸螯合基团（实现高亲和力Cu²⁺识别）构成。氟原子的引入不仅提高了分子的脂溶性和代谢稳定性，还显著优化了识别反应动力学，实现了快速“开启”响应及超灵敏检测（检测限2.06 nM）。采用MPTP诱导的帕金森病小鼠模型进行活体荧光成像，并在玄武湖水、活体作物及喹啉铜等实际样品中系统评估其检测性能。结果表明：在帕金森病小鼠模型中，^FDCI-Cu(II)能够有效穿透血脑屏障，选择性可视化脑内铜离子分布，清晰区分正常组与模型组间的差异；在环境应用方面，该探针对实际水样和作物中Cu²⁺的定量检测回收率良好，并能从有机铜农药复合物（如喹啉铜）中竞争性螯合Cu²⁺，释放荧光信号。进一步集成至即时检测（POCT）平台后，实现了Cu²⁺的现场快速监测。主要作用机制在于氟化修饰增强了探针与铜离子的结合亲和力及反应速率。综上所述，^FDCI-Cu(II)作为通用型分子工具，在神经科学研究与环境监测双场景中展现出优异的实时检测能力，对揭示铜相关神经病理机制及保障农产品安全具有重要意义。

 引言 

铜离子（Cu²⁺）是人体必需的微量元素，但其稳态失衡与帕金森病等神经退行性疾病密切相关；同时，铜基农药在农业生产中的广泛使用导致作物及环境中铜残留超标，对食品安全和生态安全构成潜在威胁。小分子荧光探针可实现铜离子的快速检测，但在脑内动态监测和田间现场应用方面仍面临血脑屏障穿透性差、稳定性不足及抗干扰能力弱等挑战。氟化修饰策略已被证实能有效改善分子的脂溶性和代谢稳定性，从而增强探针的体内穿透能力和识别性能。然而，基于合理氟化策略设计的探针能否同时适用于帕金森病脑内铜代谢的动态监测和作物中铜基农药残留的即时检测，其双场景适用性及作用机制还有待阐明。

图文导读 

1.探针的体外光谱特性

图 1 (a) ^FDCI-Cu(II) (10 μM)在含10 μM Cu²⁺的PBS中的吸收光谱。(b) ^FDCI-Cu(II)对 0~10 μM Cu²⁺的响应曲线。(c) 检测限曲线。(d) 对Cu²⁺的动力学响应。(e) 对36种干扰物 (100 μM) 的选择性。(f) pH对Cu²⁺响应的影响。(g)(h) Gaussian 16W计算对^FDCI-Cu(II)和DCI-Cu(II)的静电势及密度泛函理论计算。(i) LC-MS揭示的^FDCI-Cu(II)与Cu²⁺响应机理。

图1系统展示了氟化探针^FDCI-Cu(II)对Cu²⁺的光学响应性能及作用机理。吸收光谱表明，加入Cu²⁺后探针在400 nm处的吸收峰减弱并红移，说明发生特异性反应；在485 nm激发下于665 nm处产生最佳荧光信号。与未氟化对照探针DCI-Cu(II)相比，^FDCI-Cu(II)表现出更优的信噪比、线性响应范围（0–5.0 µM）及极低的检测限（2.06 nM），较对照降低约34倍。动力学分析显示，在0.1% DMSO条件下40 min内反应达到平台。选择性实验证实，^FDCI-Cu(II)对36种干扰物（包括金属离子和活性氧）均无明显响应，而对照探针易受干扰。pH依赖性测试表明，探针在pH 7.0–9.0范围内表现最佳。密度泛函理论（DFT）计算揭示，氟原子的引入显著增强了酯羰基碳上的部分正电荷（δ⁺），使其更易被水分子亲核攻击，从而加速不可逆水解反应。尽管非氟化探针的初始配位结合能略强，但氟化修饰通过动态调控反应路径中的电子分布，大幅降低了水解能垒，实现了快速“开启”响应。LC-MS进一步确认了反应产物为^FDCI-OH，证实了Cu²⁺诱导的酯键断裂机理。

2.氟化增强^FDCI-Cu(II)的体外血脑屏障穿透能力

图2 (a) 体外血脑屏障模型示意图。(b)&(c) 探针^FDCI-Cu(II)与DCI-Cu(II)在Transwell中的透过性定量。(d)&(e) 两者的脂溶性测定。

如图2所示，^FDCI-Cu(II)在3 h内的总透过率（0.65）和表观渗透系数（Papp）值（9.11×10^-6 cm/s）均为DCI-Cu(II)（0.43，6.05×10^-6 cm/s）的1.51倍，表明氟化修饰显著增强了探针的血脑屏障穿透能力。两个探针的log P值分别为1.21和0.78，氟化后^FDCI-Cu(II)脂溶性提高，有利于BBB渗透。综上，氟原子引入不仅提升了脂溶性，还有助于增强代谢稳定性，从而实现更高效的脑内递送。

3.^FDCI-Cu(II)在细胞及斑马鱼模型中的铜离子动态成像

基于^FDCI-Cu(II)优良的光学性能和生物相容性，进一步评估了其在细胞及活体水平上对Cu²⁺的可视化能力。在PC12和SH-SY5Y细胞中，探针荧光强度随外源Cu²⁺浓度（0–100 μM）升高而呈浓度依赖性增强（图3a–d）。同时，脂多糖（LPS）诱导的炎症环境下细胞内源性Cu²⁺水平升高，探针荧光显著增强，而铜螯合剂DMPS可有效淬灭该信号，证实探针对病理过程中铜稳态失调的灵敏响应。在斑马鱼模型中，MPTP或鱼藤酮诱导帕金森病样损伤后，整体荧光强度较对照组显著升高，其中鱼藤酮组升高更为明显；外源Cu²⁺处理亦增强荧光，而DMPS处理可降低模型组荧光强度（图3e–g）。以上结果表明，^FDCI-Cu(II)能够在细胞和活体脊椎动物中动态监测帕金森病相关病理刺激下的铜水平变化，为研究铜代谢紊乱提供了有效成像工具。

图3 (a)&(b) PC12/SH-SY5Y细胞中Cu²⁺浓度依赖性荧光成像；(c)&(d) 定量分析；(e) 斑马鱼不同处理组荧光成像；(f) 定量分析。标尺：20 μm（细胞），150 μm（斑马鱼）。

4.^FDCI-Cu(II)在帕金森病小鼠模型中的脑内铜代谢成像

为评估^FDCI-Cu(II)在帕金森病（PD）哺乳动物模型中的性能，采用MPTP腹腔注射建立C57BL/6小鼠PD模型，尾静脉注射探针后进行活体荧光成像。结果显示，PD模型组小鼠脑部荧光信号在4小时内呈进行性显著增强（图4a–b），而对照组信号无明显变化。离体器官成像表明，探针主要分布于肝脏和肺部，PD组脑组织荧光强度较对照组提高1.72倍（图4c–d），证实^FDCI-Cu(II)可有效穿透血脑屏障并可视化PD脑内升高的铜水平。脑区分析显示，信号主要富集于大脑皮层和小脑（图4e–h），与PD模型运动功能障碍相关的脑区一致。免疫组化染色证实模型组黑质多巴胺能神经元显著减少，确认PD模型建立成功；血清生化指标均在正常范围内，表明探针具有良好的生物安全性；ICP-MS元素分析进一步验证了PD模型皮层和小脑中总铜含量较对照组升高。综上，^FDCI-Cu(II)可作为监测PD模型脑内铜代谢动态的非侵入性成像工具，并揭示区域特异性的铜累积特征。

图4 (a)&(b) 尾静脉注射^FDCI-Cu(II)后小鼠活体荧光成像及定量；(c)&(d) 注射后0.5 h主要离体器官荧光图像及定量分析；(e) 小鼠脑解剖分区示意图；(f)&(g) 新鲜脑切片与探针孵育后的荧光图像及定量；(h) 不同脑区组织匀浆的荧光强度测定。

5.^FDCI-Cu(II)在作物中的铜离子及铜基农药残留检测

为验证^FDCI-Cu(II)在环境监测中的适用性，测试了其对农业中有机铜农药（喹啉铜）的响应能力。结果表明，探针可从喹啉铜悬液中竞争结合Cu²⁺，并呈浓度依赖性荧光增强（图5a–c），证实其对复杂基质中铜物种的优异结合亲和力。在作物（鸡毛菜）中，经不同浓度硫酸铜或喹啉铜处理后，探针显示出清晰的浓度依赖性荧光信号（图5d–g），表明其能有效穿透植物组织并可视化内源铜水平。不同根系结构作物的对比进一步说明，须根类植物对水相铜暴露更为敏感。综上，^FDCI-Cu(II)可可靠报告作物内部铜含量，为农业毒性评估和植保监测提供了有力工具。

图5 (a) 作物处理与探针孵育流程示意图；(b)&(c) ^FDCI-Cu(II)对不同浓度喹啉铜悬液的荧光响应光谱及图像；(d)&(e) 不同浓度Cu²⁺预处理后鸡毛菜的荧光图像及定量；(f)&(g) 不同浓度喹啉铜预处理后鸡毛菜的荧光图像及定量。

6.^FDCI-Cu(II)纸基传感器的构建及环境水样中铜离子的即时检测

为进一步拓展^FDCI-Cu(II)在实际环境监测中的应用，将其封装于亲水圆形区域的纸基装置中，构建便携式即时检测（POCT）传感器（图6a）。分别滴加不同浓度的硫酸铜（0–18 μM）或喹啉铜悬液（0–0.5 mg/L）后，在手持式365 nm紫外灯及荧光成像仪下均观察到浓度依赖性的荧光增强（图6b–c），而空白对照无显著变化。选择性测试表明该纸基传感器对Cu²⁺具有特异性响应（图6d&g）。基于标准曲线（图6e–f），对Cu²⁺和喹啉铜的检测限分别低至0.47 μM和1.9 ng/L。在实际湖水样品中，传感器同样表现出良好的浓度依赖性响应，且在不同温度（25℃与37℃）下仍保持可靠的剂量响应关系。此外，传感器在4℃避光储存30天后仍维持稳定的荧光响应性能。综上所述，该纸基POCT传感器兼具高灵敏度、高选择性及良好的储存稳定性，为现场快速评估水质铜污染提供了实用工具。

图6 (a) ^FDCI-Cu(II)纸基测试条的制备示意图；(b)&(c) 测试条与不同浓度Cu²⁺及喹啉铜反应后在明场、365 nm手持紫外灯及荧光成像仪下的图像；(d) 纸基传感器对多种干扰物的选择性测试；(e–g) 基于(b–d)中365 nm手持紫外灯图像的荧光定量分析。

7.环境与农业样品中的分析性能

为评估^FDCI-Cu(II)的实际应用能力，本研究检测了其在环境和农业复杂样品中的Cu²⁺分析性能。采用10 μM探针，对玄武湖水和鸡毛菜匀浆中的内源性Cu²⁺进行了测定，并通过适当稀释保证结果位于标准曲线线性范围内（图 1c）。加标回收实验表明，该探针在湖水、蔬菜匀浆、苹果匀浆及牛奶等多种样品中均具有良好的准确性，回收率总体保持在0.91–1.18之间（表 1）。同时，^FDCI-Cu(II)在复杂样品中仍保持良好的检测灵敏度，与ICP-MS结果总体具有较好一致性。总体来看，^FDCI-Cu(II)在复杂实际样品中具有良好的检测性能和可靠性，可用于环境监测及农产品安全的快速筛查。

表1. 利用^FDCI-Cu(II)探针对环境与农业样品中Cu²⁺的回收率测定结果。

小结 

本研究基于合理氟化策略成功开发了^FDCI-Cu(II)小分子荧光探针，该探针具有超灵敏（检测限低至2.06 nM）、高选择性和实时响应等优异性能。其设计巧妙结合氟原子与2-吡啶甲酸酯识别单元，可同时增强血脑屏障穿透性（表观渗透系数提高约1.5倍）并加速不可逆检测动力学。在帕金森病小鼠模型中，探针成功实现了脑内不稳定铜离子水平升高及区域特异性积累的动态可视化；在环境与农业监测中，同一探针准确定量了玄武湖水、活体作物等实际样品中的Cu²⁺，并能有效竞争有机铜复合物（如喹啉铜）。此外，^FDCI-Cu(II)可便捷地制成稳定、便携的纸基传感器（检测限0.47 μM），实现现场即时水分析。本研究为铜相关神经病理机制研究与环境铜污染监测提供了通用的分子平台，并揭示了氟化策略在双场景应用中的关键作用。

 作者介绍 

第一作者：张龙，南京工业大学柔性电子（未来技术）学院，在读博士研究生。主要从事生物/柔性光电子相关研究。目前以第一作者身份在J. Hazard. Mater., Sens. Actuators, B, Chinese Journal of Luminescence期刊发表论文3篇，申请专利3件，已授权1件。