大家好，今天给大家分享一篇对硫化氢识别的综述，本文的通讯作者是印度国立理工学院的Amrita Ghosh教授。

       在过去的几年中，用于选择性检测H2S的化学探针库已经扩展，包括有限数量的近红外荧光探针。基于近红外光谱的探针主要由小的有机染料（例如，菁支架、半菁、BODIPY、香豆素、黄嘌呤、双氰基异膦酮（DCO）和双氰基甲基-4H-吡喃（DCM））和无机纳米材料（例如，上转换纳米颗粒、量子点和聚合物）与H2S反应位点偶联而成。

       H2S传感器的设计采用了几种策略，如（a）将叠氮化合物和硝基化合物还原为胺；（b）H2S特定的迈克尔加成反应、亲核反应、二硫键断裂和硫解反应；（c）H2S引起的金属置换法（MDA）和金属指示剂置换法（MIDA）。同样的方法也用于设计具有近红外发射染料、分子和纳米材料的近红外响应H2S传感器。本文重点介绍近红外发射分子探针在硫化氢传感和生物应用方面的研究进展，并对其设计策略和传感机理进行了讨论。介绍了过去五年（从2015年到2020年）出现的有关生物成像应用的文献。

用于H2S传感器和成像的近红外染料

      花菁染料具有荧光量子产率高、吸收系数高、热导率小、吸收和发射波长长等优点，因此在化学传感器的设计中受到了广泛的关注并通过奇数个碳原子的共轭链连接到另一个N-中心（图1A）。大多数菁染料有两个介聚体结构，这是负责这些染料的颜色强度。Cy7衍生的探针是最引人注目的花菁染料，因为它修饰了聚甲基链的中间氮，可以连接到不同的受体上。优良的生物相容性和近红外发射使得菁染料适合于H2S传感。菁和半菁染料对H2S和SO2衍生物敏感，它们与一个缺电子C═C键发生亲核反应，阻断π共轭体系，引起吸收和发射光谱的变化。有时，SO2衍生物是潜在的竞争对手，干扰H2S检测。

       双氰基异膦酮（DCO）和双氰基亚甲基-4H-吡喃（DCM）染料DCO-和DCM基荧光染料因其在染料敏化太阳能电池和有机非线性光学晶体中的特性而闻名。它们都具有典型的施主-π-受体（D-π-a）结构，具有超快分子内电荷转移（ICT）过程产生的宽吸收带。DCO和DCM探针可检测的近红外响应是由于分析物与受体部分的相互作用。因此，在D-π-a体系中选择合适的受体基团是DCO/DCM荧光探针选择性检测和光谱响应控制的关键。

BODIPY基染料

       4,4-二氟-4-硼砂-3a，4a-重氮-s-茚二酮（BODIPY）衍生物可作为荧光化学传感器的近红外荧光团。BODIPY系列染料具有许多优异的光谱和光物理性质，如强烈的吸收、高的可见光辐射量子产率、窄的吸收和发射带，高摩尔吸收系数、荧光效率、高溶解度、对光和化学物质的高稳定性、低自发荧光、极低光毒性以及对生物成像应用的活体系统无毒。

香豆素基染料

       一般来说，香豆素是水溶性，紫外线激发，蓝色荧光化合物。近年来，合成具有长波长发射的香豆素基探针成为研究热点。三种关键的方法，（a）引入吸电子/给电子基团（如4-CF3，3-CN，7-甲氧基或7-二甲氨基），（b）苯并香豆素染料的合成，以及（c）扩展π-共轭，主要用于制备具有大斯托克斯位移、光稳定性和发射波长的香豆素基近红外探针大于800 nm。然而，基于香豆素的近红外染料仍然很少见，用于H2S和相关生物分析的报道较少。

蒽基染料

       黄嘌呤染料以黄嘌呤或二苯并-γ-吡喃核为发色团，氨基或羟基偏于氧。黄嘌呤染料具有优异的光谱和光物理性质，包括在红光到近红外区域有强烈的窄吸收曲线，量子产率高，黄色到粉色到蓝红色的发射带窄，摩尔吸收系数高，溶解度高，但它们的耐光性低，耐水性差。通过在黄原核的不同位置取代不同的基团，可以改善染料的不良性能。荧光酮、荧光素、蔷薇胺、罗丹明、罗丹明B和罗丹明6G是从黄嘌呤核衍生的一些著名染料。羟基或氨基在3位和6位的取代增强了它的显色和荧光行为。在2、4、5和7位取代卤素可提高染料的量子产率（图1C）。

小分子近红外探针

基于二硝基苯醚硫的近红外探针

      大多数基于近红外的H2S传感器基于从非荧光探针中去除高度吸电子的2,4-二硝基苯（DNP）基团，导致高度荧光行为（方案2）。二硝基苯（DNP）醚硫解法用于H2S传感器的设计具有许多优点，例如DNP单元可以通过一步反应简单地引入到荧光团部分。

      Cao等人研究了第一个基于DNP硫解的NIR荧光开启H2S选择性探针。BODIPY基探针1（见表1）是通过亲核取代反应制备的。化合物1通过二硝基苯醚的硫解反应选择性地检测H2S，荧光增强18倍。由于高效的PET，探针1是非荧光的，但是在去除DNP部分后，它变为荧光，从而引发H2S触发的荧光开启信号。

       Ji等人报告了探针2用于检测HEPES缓冲液中的H2S，LOD为1.27μM。探针在20分钟内通过对DNP的硫解反应释放游离BODIPY，从而开启荧光发射。Li 等人报道了具有荧光开启响应的H2S检测探针3。在探针3中，三苯胺偶联的BODIPY作为荧光团，2,4-二硝基苯磺酰基作为H2S的猝灭剂和反应位点。基于3-羟基黄酮的探针4是没有荧光的，然而，由于DNP部分的硫解作用，它显示出异常的112倍荧光增强，并且由H2S引起的大斯托克斯位移（162nm）。Zhou及其同事开发了一种线粒体靶向的H2S双光子近红外荧光探针，探针5含有6-（二乙氨基）-4-（4-羟基亚苄基）-1,2,3,4-四氢黄嘌呤部分，被DNP取代，阻断了分子内电荷转移（ICT），同时也是H2S的反应位点，由于两个光子的吸收，探测器5在650和665 nm处发出发射。

       Zhong等人报道了一种基于1,4-二乙基-1,2,3,4-四氢-7H-吡喃并喹恶啉-7-酮支架和DNP的荧光探针6。该探针对H2S的选择性高于其他阴离子和生物硫醇。仅对H2S而言，随着荧光颜色的变化，观察到了一个以650nm为中心的强发射带。Qian等人报道了基于双氰基异膦酮的近红外探针，该探针采用邻位醛辅助的DNP醚在活体系统中的硫解作用。探针7显示出优异的H2S选择性，具有160倍的近红外荧光增强，并在15分钟内响应，斯托克斯位移为170 nm。该探针已成功应用于生物系统（活细胞、组织和小鼠）中H2S的荧光成像。

        Zhang等人报道了用双炔异膦酮8衍生物快速检测H2S的方法。在DMSO/PBS缓冲介质中，H2S的检测在1.5分钟内完成。探针8具有良好的生物相容性，可用于Hep-G2细胞内源性和外源性H2S的检测。Zhao等人报道了线粒体靶向荧光团9与DNP单元和扩展共轭系统。由于DNP硫解释放荧光团，在664nm处出现荧光开启与H2S。探针9在含有1%二甲基亚砜作为共溶剂的PBS缓冲液中选择性地检测H2S，响应时间为10分钟。同一小组还报告了用于选择性检测H2S的模拟探针10。最初，由于从荧光团到DNP单元的ICT过程受到抑制，10的荧光被淬灭。在存在H2S的情况下，将DNP单元从10切割，恢复ICT并在720nm处开启发射。探针10还应用于共聚焦荧光成像技术检测细胞环境中H2S的内源性和外源性。

       探针12具有良好的光稳定性和2min的快速响应时间，可用于生物样品中H2S的现场快速检测。探针12能够在小鼠模型中测定内源性产生的H2S。与对照组相比，在N-乙酰半胱氨酸（NAC）刺激下，小鼠样品的荧光显著增强。该实验证实了12在体内检测和成像H2S的能力。

       Zhong等人报道了探针13具有D-π-A结构，DNP部分连接到探针上以阻断D-π-A电子转移，同时也是H2S的反应位点。探针选择性地检测DMF–H2O混合物中的H2S，LOD为3.09μM。H2S引起约640nm的高荧光，颜色从非荧光变为红色荧光。该探针用于定量测定水和老红酒样品中H2S的含量。此外，它还用于MCF-7细胞中H2S的实时跟踪。

       探针14与H2S反应引发14的C-O键断裂。随后，酚酸盐通过分子内环化作用攻击α，β-不饱和腈部分，得到1,4-二乙基哌嗪修饰的亚氨基香豆素苯并噻唑（ICBT）荧光团。14的结构高度共轭，限制了C–C键的旋转，因此荧光团产生强烈的红色荧光信号。探针14对检测巯基物质Cys、Met和Hcy中的H2S具有很高的选择性。它对活细胞毒性较小，用于活细胞内H2S的内源性检测。

       Wu等人报道了将H2S响应探针15并入聚（PCPDTBT）基近红外半导体聚合物纳米粒子（SPN）中，作为活体小鼠肝脏和肿瘤中H2S成像的比率探针。将化合物15掺杂到PCPDTBT中，实现近红外半导体聚合物纳米粒子稳定和惰性条件下的H2S检测。这种双发射探针根据激发波长显示“开启”响应。探针以15分钟的速度完成了反应。探针显示128 nm斯托克斯位移，对H2S反应迅速（<2分钟），LOD为10 n M。由于探针的低细胞毒性，它被用于在体内检测H2S在小鼠样品亮红色荧光。

       使用含有哌嗪单元和DNBS的基于双氰基异丙醇的NIR探针17检测H2S。该探针对H2S具有高度选择性，LOD为6 n M。在666 nm处的NIR区域观察到显著的荧光开启信号，荧光增强130倍。该探针还可以对活细胞中的外源性和内源性H2S进行成像。

硝基苯并呋喃氮硫解（NBD）近红外探针

       H2S是已知的常用硫醇标记试剂7-硝基-1,2,3-苯并恶唑或硝基苯并呋喃（NBD）的失活剂。当与H2S相互作用时，由于H2S诱导NBD的裂解和游离氟团单元的释放，可能会出现开启NIR信号行为。该现象已用于设计几种近红外响应H2S传感器。

       Chen等人报道了一种用于检测深部组织中H2S的双光子近红外荧光探针。探针18由3-苯并噻唑-7-羟基-2H-铬烯-2-酮和NBD基团组成，作为H2S识别位点。探针在457和800nm的激发下，分别以单光子和双光子荧光发射的形式检测HEPES缓冲液中的H2S，利用18的双光子荧光特性，对小鼠肝、脑、心、胰、肾和肺组织的He-La细胞和组织中的H2S进行内源性成像。

       Yang等人报道了七甲川菁通过连接剂哌嗪（19）与NBD偶联用于H2S检测。探针显示从深蓝色到浅蓝色的颜色变化以及在800 nm处与H2S的开启荧光。探针19也适用于He-La细胞中H2S的检测和生物成像。

探针20对PBS-DMSO混合物中的H2S检测具有高度的选择性和灵敏度，LOD为0.03μM。H2S引起的硫解和NBD的去除是荧光增强的原因，应用H2S诱导的高荧光信号，通过共聚焦显微镜观察肝组织中的H2S。

       吲哚菁型染料（IR-820）通过连接剂哌嗪21与NBD连接，也用于近红外区域的H2S传感器。探针21对活细胞毒性较小，成功地用于监测活细胞和小鼠体内的外源性和内源性H2S。Gong等人报道了一种由2-（2-（2-（6-羟基-2,3-二氢-1H-黄原-4-基）乙烯基）-4H-色原-4-亚基）丙二腈（CP-OH）和NBD组成的探针22，用于生物硫醇中H2S的选择性检测。探针22对H2S具有选择性，LOD为26 n M，对H2S的响应速度不到3 min。出色的H2S传感行为和无毒性允许活体细胞中外源性和内源性H2S的成像以及活体小鼠中H2S的快速成像。

       Zhang等人报告了一种基于Bodyy的近红外开启荧光探针23，该探针由NBD组组成。该探针通过近红外荧光增强识别H2S和生物醇（GSH、Cys、Hcy）。虽然对H2S不具有选择性，但通过540nm的排放，它有效地区分了Cys/Hcy和H2S。该探针由于光散射减少、自荧光降低和光学透明度的提高，是理想的活体成像应用。

       Zhu等开发了一种基于尼罗河染料的近红外探针，用于检测生物高渗醇半胱氨酸、H2S和GSH。NBD组被生物醇的作用所切割，给予非荧光基团硫代NBD，尼罗OH作为红色发射基团。在胱氨酸中，硫代NBD经过快速分子内微笑重排，使氨基NBD作为黄绿色荧光基团。

       Wei等人使用亚甲基蓝作为探针25中的近红外报告组来检测H2S。H2S对探针的NBD部分进行硫解释放亚甲基蓝，从而开启近红外发射。所报道的LOD为0.43μM，探针的响应时间为45min。长的响应时间和较小的水溶性使该探针的吸引力降低。探针25对细胞毒性较小，可用于HCT-116细胞的荧光显像。

       Sun等人报道了一种新的双光子荧光探针27，它由苯并吡喃荧光团上的叠氮基组成。探针27对H2S的选择性优于其它活性生物硫醇，LOD为3.05μM，适用于低浓度的牛血清中H2S的检测。Park等人合成了一种叠氮化物功能化的近红外探针28，通过将氯取代的菁与4-氯间苯二酚反应来检测和成像H2S。探针28对H2S具有选择性，LOD为0.26μM。

       游离29未显示出任何荧光，这是由于花青部分与叠氮基之间存在由碳酸酯连接子连接的PET。探针通过还原机制在20分钟响应时间内选择性检测LOD为20 nM的H2S。由于叠氮化物转化为胺，然后释放出游离的荧光团，花青部分在736 nm处的荧光得以恢复。

       探针30，基于4-叠氮苄基连接到亚甲基蓝（MB），报告显示活细胞中H2S水平的变化。叠氮化物转化为胺并释放和分子中的游离荧光团异构化导致近红外发射。探针30还用于观察活细胞中的H2S水平，并确定细胞内Ca2+在H2S稳态中的作用。

       Zuo等人报道了一种基于聚硅氧烷的NO/H2S双响应探针31，该探针具有通过双光子和近红外成像在体内外监测H2S和NO的优点。这种优良的光敏探针，然后应用于斑马鱼成像。发现该探针可同时检测和监测H2S和NO。Wu等人报道了用硝基取代的DCO基近红外染料探针32作为H2S传感器。硝基取代打破了电子供体-π-共轭桥-电子受体（D-π-A）。在H2S的作用下，硝基转化为胺基后，D-π-A共轭恢复，并发出红色荧光。32具有良好的组织通透性，可用于活体动物的H2S检测。

基于二硫键裂解的近红外探针

       用H2S还原二硫基可得到含游离SH的中间体。该中间体进一步经历自发环化以释放近红外荧光团，导致发射信号改变。虽然这种反应机理已被广泛用于检测硫化氢和其他硫醇，但只有少数近红外响应系统可用。

       报道了基于2-（吡啶-2-基-二硫酰基）苯甲酸的二硫键连接受体33与二氰亚甲基-4H-吡喃（DCM）连接，用于H2S检测。只有H2S触发亲核反应取代-环化，特别是裂解酯键解离DCM单元以显示近红外发射。生物成像研究证实，该探针还具有检测活细胞中H2S的潜力。

       Zhang等人开发了一种荧光探针34，用于选择性检测H2S。探针33和34在结构上非常相似，除了一个额外的芳香族。探针34还通过H2S对吡啶单元进行裂解，然后快速固定以释放5-成员1,2-二噻吩-3-酮和游离荧光团单元，从而在650–750 nm处产生近红外发射。

       Wang等人报道了一种比色和荧光探针35，基于两个羟基菁染料之间的二硫键桥联。打破二硫键和分子内环化，促进了25倍的荧光和颜色变化的观察。发现该探针具有高灵敏度，LOD为8.37μM，并在9分钟内作出响应。

其他小分子近红外探针

       Yang等人报告了荧光探针36，用于在体外和体内检测H2S/NO。探针36基于DCO衍生物作为电子接受基团和硝基（HNO）反应性三苯基膦基作为吸电子基团。在HNO的作用下，三苯基膦基团的去除是荧光开启的主要原因。通过对小鼠活体细胞、正常组织和肿瘤组织中HNO的荧光成像，观察NO与H2S之间的串扰。

       Jin等人报告了基于DCM的探针37，用于选择性检测水样中的H2S。氰酸盐部分和H2S之间的快速亲核反应生成硫代氨基甲酸酯，后者进一步水解生成游离DCM羟基衍生物。Li等人报道了一种近红外比色荧光化学传感器，用于高选择性和高灵敏度检测H2S。探针38由苯并吡喃部分和7-二乙胺香豆素组成。该探针对H2S具有良好的灵敏度。该探针加入了发射蓝移（220 nm）和168倍增强来检测H2S。38中苯并吡喃部分的质子被H2S取代，38-SH化合物的形成负责H2S检测。

       Wang等人合成了探针40a和40b，用于聚集增强对H2S的反应性，以便对富含H2S的癌细胞进行活体成像。在两亲性探针40a和40b中，N-甲基吡啶作为亲水性吸电子基团，一氯代BODIPY核作为疏水性H2S响应单元。这些探针的活化是针对聚集态而非分子溶解态的H2S。

纳米近红外探针

       如上所述，许多近红外探针已被报道用于体内和体外H2S的检测，但大多数探针存在水溶性等局限性，因此需要使用有机溶剂作为共溶剂，光稳定性和缺乏深层组织渗透能力。为了克服这些缺点，研究人员开发了基于纳米材料的硫化氢检测探针。

基于上转换纳米颗粒（UCNPs）的近红外传感探针

       由于其低能量的光激发，研究人员经常将其用于体内应用。利用这一应用，Zhang等人设计了α-环糊精修饰的上转换NP（UCNP-1），其由香豆素半菁染料（CHC1）组成，可以作为亲核攻击的H2S响应单元。这种无机-有机杂化UCNP-1利用发光共振能量转移（LRET）机制对H2S进行比率检测，由于ICT的抑制，还观察到吸收度和颜色从蓝色变为无色。H2S的LOD为0.13μM。纳米探针的响应时间为120 s，可重复使用。

       Huang等人开发了UCNP-2，用于PBS缓冲液中H2S的比率检测。与H2S的亲核加成导致548 nm处的吸收变化和635–680 nm处的发射变化，而800 nm处的峰值未受影响。检出限为0.58μM，选择性高，包括生物硫醇。利用激光扫描上转换发光显微镜对He-La细胞进行了体外生物学应用研究。

       Xian等人开发了H2S响应性纳米探针UCNP-3，该探针由上转换纳米颗粒和聚（丙烯酸）单元中的NIR染料（Cy7-Cl）组成。传感H2S的机制是在800 nm处的硫化合反应和UCNP在980 nm处的NIR激发发光。UCNP-3具有良好的选择性，响应时间为10min，检测限为510nm，优于UNCP-2。

      Li等人开发了一种经merocyanine衍生物（TPAMC）修饰的UCNP作为H2S检测的比率探针UCNP-4。用UCNP-4探针对人结直肠癌细胞株HCT116进行近红外成像定位。此外，该系统还能够通过比率UCL测量监测肿瘤切片中的线粒体H2S。

       在另一种方法中，Liu等人设计了一种探针UCNP-5，由UCNP。使用UCNP-5选择性地检测H2S，LOD为50 n M，响应时间约为350 s。H2S耗尽UPNPs中的PB层是导致在650 nm处开启荧光的800 nm。

近红外二区（NIR-II）发射纳米探针

       最近的研究表明，在第二个近红外窗口（NIR-II，1000–1700nm）进行荧光成像可以进一步提高组织深度增加时的图像对比度。此外，NIR-II荧光成像显著降低了光子吸收干扰，显示出比NIR-I更高的活体空间分辨率。Zhao发表了一个H2S选择性纳米探针，NIR-II@硅, 由二氧化硅屏蔽层和两个有机发色团组成，用于显示结直肠癌。产生NIR-II发射（λem=900–1300 nm）的H2S响应性硼二吡咯烷衍生物和用于相同用途的内部参考惰性aza-BODIPY染料（λem=700 nm）。这个NIR-II@硅显示通过双色成像方式选择性识别富含H2S的结肠癌细胞。此外，NIR-II@硅利用S-腺苷-L-蛋氨酸（SAM，CBS激活剂）支持物（HCT-16肿瘤）进一步探索H2S触发的NIR-II成像，显示增强的深部组织穿透和空间分辨率。

       Deng等人还开发了一种纳米探针Ag-CEW，它是基于在鸡蛋清上吸附银离子形成的复合物。这种复合物选择性地显示和诊断结直肠癌。由于内源性H2S和Ag离子原位反应形成Ag2S CEW量子点，在1190 nm左右的第二个NIR-II窗口处显示出强发射。探索了在肝脏、心脏、脾脏、肺和肾脏等孤立器官中的体外应用，由于H2S的选择性增强，在NIR-II窗口中没有任何干扰。由于肿瘤部位H2S的过度表达，该探针也被用于结肠癌的检测。

其他近红外纳米探针

       将H2S响应有机单元EM-F1、NIR775（NIR光敏剂）、DSPE-PEG2000（包封剂）和MEH-PPV（余辉剂）混合，构建了用于H2S检测的发光余辉探针F1-ANP。添加H2S后，F1-ANP的余辉发光在1min内增强了约122倍，呈紫红色至浅橙色。由于纳米系综中H2S可活化分子的正还原电位更高，双电子还原是H2S检测的主要原因。F1-ANP-Ga-I系综进一步用于小鼠肝脏肿瘤的活体成像、H2S检测和临床血样的定量。也可用于检测临床标本中肝肿瘤组织中H2S含量。对切除的小鼠重要器官进行组织学分析，证实无毒性。总的来说，基于余辉发光的探针F1-ANP-Ga-I在生物和临床样品中都有较好的应用。

       Zhao等人报道了一种比率荧光H2S纳米探针Nano-BODIPY。探针由半菁BODIPY杂化染料（BODIn D-Cl）及其互补能供体（BODIPY1）组成，进入两亲性共聚物（m PEG-DSPE）的疏水内部。自组装胶束聚集体，纳米BODIPY显示从BODIPY1到BODIn D-Cl的FRET，但它被H2S抑制，BODIn D-Cl吸收红移，关闭FRET过程。比率传感策略依赖于一氯代BODIPY核的硫醇-卤素亲核取代。

       Wang等人报道了一种带有双光子（TP）探针的超分子纳米组装体，用于H2S的体外检测。NHS Ad由一个用金刚烷衍生的TP荧光信号单元组成。金刚烷是β-环糊精的常见客体分子。该探针也作为内标加入到聚合物β-环糊精和罗丹明衍生物萘基TP荧光探针（Np-Rh-Ad）中。在780 nm激发下进行TP荧光成像，观察H2S激光照射小鼠He-La细胞和组织样品。

       Shi及其同事开发了一种H2S激活的近红外光响应纳米结构探针SSS，用于结直肠癌的光热疗法（PTT）。探针SSS的设计使其能够通过自组装形成具有良好溶解性和生物相容性的纳米PT纳米粒子。基于硫醇-卤素亲核取代反应，一氯代BODIPY核被用于H2S反应。纳米PT在富含H2S的结直肠癌组织中被激活，但在正常组织中没有功能，探针的激活导致NIR-II荧光的发射。荷瘤小鼠体内纳米铂显像显示肿瘤完全消退，非特异性损伤最小。

        Shi等还开发了一种治疗纳米平台，在BOD/CPT下的NPs，用于原位生产H2S激活的近红外光热剂，用于结直肠癌成像和按需光控药物释放。在BOD/CPT下的NPs通过将BODIPY基杂化染料（TBOD-Cl）作为H2S活化的近红外光热剂和药物（喜树碱-11）共包埋到PCM基质中而开发。H2S的存在导致在CH3CH/PBS混合物中通过SNAr形成In-TBOD-SH，并引入756 nm附近的强NIR吸收，这保证了纳米平台的快速加热。纳米平台显示H2S可激活NIR-II发射，有助于富含H2S的癌症诊断。利用纳米平台研究了近红外激光照射下富硫化氢HCT116细胞内药物的释放。它也被用于HCT116荷瘤小鼠，肿瘤被完全抑制，副作用最小。纳米平台系统在体内展示了一种H2S特异性和光激活药物释放的协同方法。

文章引用：DOI: 10.1021/acssensors.0c02005