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研究背景
CO与NO和H2S一样，是人体必需的气体。血红素加氧酶在人体和其他生物系统的血红素分解代谢过程中内源性产生CO。CO参与一系列生理过程，包括抗炎反应、抗增殖活性、神经传递、血管平滑肌和血管扩张。此外，CO水平异常与呼吸系统疾病、阿尔茨海默病、高血压和心力衰竭等严重疾病显著相关。因此，寻找可靠的检测和感知生命系统中一氧化碳的方法具有重要意义。
传统的CO检测方法，通常灵敏度中等，生物相容性差。近年来，已经开发了几种荧光探针来检测CO。然而，这些探针大多存在发射波长短、灵敏度和选择性一般或响应时间长等缺陷。因此，发展优秀的荧光探针在细胞水平和体内监测CO仍然是具有挑战性的。
HPQ(2-(2′-羟基苯基)-4(3H)-喹唑啉酮是一种已知的荧光团，具有激发态分子内质子转移(ESIPT)过程，具有优异的荧光量子产率和荧光强度。几种来源于HPQ的荧光探针已被用于监测阴离子、金属离子、酶、活性氧物种等。然而，HPQ的发射波长(500 nm)太短，无法在体内成像。构建具有优异性能的HPQ为基础的体内CO荧光探针仍然迫在眉睫。
本文工作
图 1
本文合成了一种名为HPQ-BI−CO的新型荧光探针，并将其用于CO的监测(图 1)。该荧光探针引入了苯并吲哚基团，将HPQ的波长扩展到605 nm。探针本身不发射荧光，因为甲酸烯丙酯破坏了分子内氢键的形成并抑制了探针的ESIPT效应。当加入CO和Pd2+后，甲酸烯丙酯部分从探针上断裂，从而恢复了荧光团的ESIPT机理过程，并产生了强烈的荧光信号。
该探针具有发射波长长、选择性高、灵敏度高、响应速度快等特点。在这些优异性能的鼓舞下，HPQ-BI−CO探针可以应用于细胞和斑马鱼等生物系统中不同水平的CO的生物成像。
(1) 活细胞中CO的荧光成像
图 2
用HPQ-BI−CO探针对活体4T1细胞进行CO显像。HPQ-BI−CO用于荧光成像检测4T1细胞中的外源性CO(图 2)。当HPQ-BI−CO单独或HPQ-BI−CO与PdCl2混合培养时，显示出很弱的荧光强度。而用HPQ-BI−CO探针处理细胞，再与Pd2+和CO孵育，则有较强的荧光信号。随着CO浓度的增加，细胞内显示的荧光强度逐渐增强。当CO浓度为100μM时，荧光增强了11倍。结果表明，HPQ-BI−CO探针能有效监测活细胞内外源性CO。
图 3
众所周知，内源性CO浓度极低，血红素具有刺激活细胞产生CO的能力。因此，用HPQ-BI−CO探针检测血红素刺激产生的内源性CO(图 3)。当细胞与HPQ-BI−CO探针孵育或用探针和Pd2+处理时，细胞内未见荧光。在血红素处理后，观察到细胞内的红色荧光，并且随着时间的推移，荧光变得越来越强。此外，当加入100 μM
CO时，荧光强度增加了10倍。这表明HPQ-BI−CO是显示活细胞内源性CO的合适探针。
(2) 斑马鱼体内CO的荧光成像
图 4
本实验以斑马鱼为动物模型，利用共聚焦显微镜进行荧光成像。如图4A所示，当斑马鱼与HPQ-BI−CO探针孵育或用探针和Pd2+处理时，斑马鱼的荧光可以忽略不计。而HPQ-BI−CO探针预处理斑马鱼后，再分别与Pd2+存在下的CO(10 μM、50 μM、100 μM)孵育，可明显增强斑马鱼的荧光。
随着CO浓度的增加，斑马鱼的荧光逐渐增强。当加入100 μM
CO时，荧光强度达到最大值，增加了10倍。基于其优异的荧光成像性能，HPQ-BI−CO探针可作为体内CO成像的指示剂。
文献原文：Xia, Y.-S.; Yan, L.; Mao, G.-J.; Jiang, W.-L.; Wang, W.-X.; Li, Y.; Jiang, Y.-Q.; Li, C.-Y., A novel HPQ-based fluorescent probe for the visualization of carbon monoxide in zebrafish. Sensors and Actuators B: Chemical 2021, 340.
DOI：10.1016/j.snb.2021.129920