开发一种用于检测食品和活斑马鱼中甲基乙二醛的新荧光探针

《Food Chemistry》：Development of a new fluorescent probe for methylglyoxal determination in foods and living zebrafish

　　本研究开发了一种新型荧光探针HT-MGO，基于光诱导电子转移（PET）机制实现甲基二醛（MGO）的高灵敏检测（LOD 0.337 μg/kg）。通过引入但ylamine修饰的邻苯二胺结构，显著提高选择性并增强荧光淬灭效率。该探针成功应用于市售饼干中MGO含量测定（4.24-5.09 mg/kg）及斑马鱼体内MGO成像，验证了其在复杂基质和活体检测中的实用性。

　　本研究聚焦于一种新型荧光探针的开发，该探针命名为“羟基黄酮-甲基glyoxal探针”（HT-MGO），旨在高效检测食品中广泛存在的甲基glyoxal（MGO）成分。MGO作为一种高度反应性的α-二羰基化合物，常在高温烘焙、发酵等食品加工过程中形成，并在储存期间进一步积累。它不仅会对生物大分子如DNA和蛋白质造成氧化应激损伤，还可能作为晚期糖基化终产物（AGEs）的前体，与多种疾病的发生发展密切相关，包括糖尿病并发症、神经退行性疾病和心血管疾病。因此，对MGO的检测与监控在食品质量控制和人类健康保护方面具有重要意义。

传统检测方法，如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）等，虽然具备一定的检测能力，但在实际应用中存在诸多局限性。这些方法通常需要复杂的样品前处理过程，操作难度较高，且难以满足现场快速检测的需求。此外，一些方法可能会对生物组织造成破坏，限制了其在生物体内检测的应用。相比之下，有机小分子荧光探针因其高选择性、高灵敏度、操作简便以及对生物组织的低损伤性，逐渐成为检测MGO的有力工具。特别是其具备实时、原位分析以及空间-时间微成像的能力，使其在食品安全评估和生物传感领域展现出巨大潜力。

目前，基于MGO的荧光探针主要依赖于几种常见的识别位点，包括邻苯二胺（OPD）、1,8-二氨基萘（DAN）、2-氨基乙酰胺和胍基（GND）。然而，大多数现有探针主要用于检测生物体内的内源性MGO，其在食品基质中的应用仍存在一定的挑战。食品基质往往复杂多变，含有大量干扰物质，使得传统探针在检测过程中容易受到干扰，影响检测的准确性与效率。因此，开发一种能够在复杂食品基质中保持高选择性和灵敏度的荧光探针，成为当前研究的重点。

本研究设计的HT-MGO探针通过引入但基胺基团，对OPD结构进行了优化，从而显著提升了其对MGO的识别能力。但基胺基团的引入并非简单的化学修饰，而是通过多方面的机制协同作用，实现了探针性能的全面提升。首先，但基胺基团在OPD结构中引入了显著的立体位阻效应，使得较大的羰基化合物（如甘油醛、芳香醛等）难以接近反应位点，而MGO则因其分子结构较小且线性，能够有效穿透立体位阻，与OPD发生特异性反应。这种物理筛选机制为探针的选择性提供了坚实的基础。

其次，但基胺基团的疏水特性在探针设计中发挥了重要作用。它能够创造一个局部的疏水微环境，使MGO这类相对疏水的分子更容易在水性基质中聚集于反应中心，从而加速其与OPD的结合过程。这种预聚集效应不仅提高了反应的速率，也增强了探针对MGO的检测灵敏度，使其能够在极低浓度下仍能产生可识别的信号。

此外，但基胺基团对电子密度的调控能力进一步优化了探针的光诱导电子转移（PET）机制。PET机制是荧光探针检测MGO的核心原理之一，其通过调控分子内部的电子传递过程，实现对目标分子的响应。但基胺基团作为电子供体，能够调整OPD荧光体系中的电子分布，从而改变分子轨道的能量水平。这种调整使得在MGO存在时，PET过程更加高效，从而实现更显著的荧光淬灭效应。通过优化PET机制，HT-MGO探针的检测限（LOD）被成功降低至0.337 μg/kg，显示出极高的灵敏度。

HT-MGO探针的应用范围不仅限于食品检测，还拓展至生物体内MGO的可视化分析。在本研究中，该探针被成功用于活体斑马鱼的成像实验，通过外部标准法对三种市售烘焙饼干中的MGO含量进行了定量分析，结果表明MGO含量范围在4.24 mg/kg至5.09 mg/kg之间。这一发现不仅揭示了食品中MGO的普遍存在，也为进一步研究其在人体内的代谢路径提供了实验依据。

在斑马鱼成像实验中，HT-MGO探针表现出显著的浓度依赖性荧光淬灭效应，特别是在红光通道中。这一特性使得HT-MGO能够在复杂的生物系统中实现对MGO的实时监测，为生物体内MGO的动态变化研究提供了新的工具。斑马鱼因其胚胎透明、繁殖能力强等优势，成为生物成像研究的理想模型。通过HT-MGO探针的应用，研究人员能够直观地观察MGO在生物体内的分布与浓度变化，从而为相关疾病的机制研究提供重要线索。

在材料与仪器部分，研究团队采用了多种高纯度试剂，包括MGO、4-氟-3-硝基苯甲醛、邻羟基乙酰苯、但基胺等，均来自可靠的化学供应商。实验过程中所使用的溶剂如二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯、乙酸和无水乙醇等，均为分析化学中常用的溶剂，具有良好的溶解性和稳定性。此外，实验还涉及多种分析仪器，如高效液相色谱仪、质谱仪、荧光显微镜等，确保了实验数据的准确性和可靠性。

HT-MGO探针的设计与合成是本研究的核心内容。通过将黄酮类化合物作为荧光基团，与OPD衍生物作为识别单元相结合，研究团队构建了一个具有“开-关”响应机制的探针系统。当MGO存在时，探针会发生特定的缩合反应，导致荧光信号的显著变化。这一机制不仅使得探针能够在复杂基质中实现高效检测，还为其在食品质量控制和生物体内监测提供了广阔的前景。

但基胺基团的引入是HT-MGO探针设计的关键创新点。通过立体位阻效应、局部疏水环境的优化以及电子密度的调控，该基团显著提升了探针的选择性和灵敏度。这种多方面的协同作用，使得HT-MGO在食品基质中表现出优异的性能，能够有效排除其他干扰物质的影响，从而实现对MGO的精准检测。同时，该探针还具备良好的稳定性，能够在不同的环境条件下保持较高的检测效率。

本研究的结论表明，HT-MGO探针不仅在食品检测中表现出色，还能够用于生物体内MGO的实时监测。其检测限达到0.337 μg/kg，远低于现有方法的检测限，展现出极高的应用潜力。此外，该探针在活体斑马鱼中的成功应用，进一步验证了其在生物医学领域的价值。HT-MGO的开发为食品质量控制、食品安全评估以及相关疾病的机制研究提供了新的思路和工具。

在作者贡献部分，团队成员分别承担了不同的研究任务。Wei Zhang负责撰写原始稿件、设计实验方法、进行实验探究、数据处理与分析以及数据管理。Jialing Liu则参与了实验设计、数据分析与资料整理。Wenning Hu和Zhiyue Chen也参与了数据处理与分析工作。Liyi Zhou作为项目负责人，负责论文的审阅与编辑、项目监督、资金申请以及研究构思。这种分工明确、协作紧密的团队结构，为研究的顺利进行提供了保障。

在伦理审批方面，研究团队遵循了中国科技部关于实验动物护理与使用的指导原则，并获得了中央林业科技大学动物伦理委员会的批准。实验所用的斑马鱼为24小时后孵化的个体，性别未明确，且来源于中国实验斑马鱼资源中心。实验结束后，斑马鱼的处理方式符合相关伦理规范，确保了实验的合规性与动物福利。

在未引用参考文献部分，研究团队列出了部分相关文献，表明在本研究中并未直接引用这些文献，但它们在该领域内具有一定的参考价值。这些文献可能涉及MGO的生物毒性、检测方法的比较研究、相关化学反应的机理分析等，为研究提供了背景支持。

在利益冲突声明中，研究团队明确表示不存在任何可能影响研究结果的经济利益或个人关系。这表明本研究的成果具有较高的可信度和客观性，为食品和生物医学领域的进一步研究奠定了基础。

本研究还得到了国家自然科学基金（NSFC，Grant 21605046）和湖南省自然科学基金（No. 2017JJ3060 & 2023JJ30988）的支持，为研究提供了必要的资金保障。这些资金不仅用于实验材料的采购，还包括设备运行、数据分析以及论文撰写等环节，确保了研究的顺利进行。

综上所述，HT-MGO探针的开发为MGO的检测提供了全新的解决方案。它不仅具备高选择性和高灵敏度，还能够用于食品基质和生物体内的检测，具有广泛的应用前景。未来，随着对MGO研究的深入，HT-MGO探针有望在食品安全、营养健康以及疾病预防等领域发挥更大作用。此外，该探针的设计理念也为其他类似分子的检测提供了参考，推动了荧光探针技术在生物医学和食品科学中的进一步发展。