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Lighting Up CO in Living Cells!
注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
一氧化碳（CO）由于其对血红蛋白的强亲和力而被普遍认为是一种高毒致命的气体分子。由于其无色无味并且难以识别到，CO中毒事件经常发生。尽管CO具有高毒性，近年来科学研究表明，CO可以在生物体内通过人体血红素的分解以及其它一系列代谢活动产生，并发挥着重要的生理或病理作用，是一种重要的气体信号分子。例如，CO在生命体内在对神经系统，包括控制调节神经递质和神经多肽类物质的释放、学习和记忆，以及许多其他神经元的活动上都起到重要的作用。CO还可以通过与血红蛋白结合，预防血红蛋白的氧化和游离血红素的产生。研究还表明，CO（包括CO释放剂CORM）可以作为药物分子，应用于血管舒张、神经传递、抗炎和抗凋亡等众多过程。因此，无论是出于安全因素，还是生命研究的需要，发展新型高效的CO检测方法具有重要意义。近日，华中师范大学化学学院冯国强教授（点击查看介绍）课题组发展了一例新型的CO荧光探针，该探针能够高效、高选择性和高灵敏度地用于活细胞中CO的检测。该成果发表在分析化学领域经典杂志《Analytical Chemistry》上。
随着CO研究的深入，发展能在生命体系中检测追踪CO分子的方法显得尤为重要。虽然气相色谱法、显色检测和电化学检测等方法能够实现CO的灵敏检测，但这些方法却不适用于在活细胞以及生物体系中实时检测CO。近年来，荧光探针分子由于其与客体响应时间短、选择性好、灵敏度高而且能方便地用于生命体系进行待测物的实时检测等优点引起了广泛关注。然而，对于CO荧光探针的构建仍处于非常早期的阶段, 而且目前能用于细胞内CO检测的荧光探针报道极少。
冯国强课题组利用CO能快速还原Pd2+到Pd0的特性，根据零价钯催化的Tsuji-Trost反应，采用荧光素为荧光母体，烯丙基碳酸酯作为羟基保护基团，构建了一种高效的CO荧光探针。该探针通过CO将二价钯还原成零价钯，零价钯进而和探针分子反应快速脱去保护基，从而释放出荧光素，同时产生明显的颜色变化和强烈的荧光增强信号，达到CO荧光可视化检测。该探针可以在近乎纯水相，非常温和的条件下对CO实现原位检测，选择性好，灵敏度高，检测CO的检测限低至37 nM。更加重要的是，该探针可以低剂量（1 μM）使用，并且可以很方便地应用于活细胞外源性和内源性一氧化碳的荧光成像。
这一成果近期发表在《Analytical Chemistry》上，文章的第一作者是华中师范大学硕士研究生凤维勇。
该论文作者为：Weiyong Feng, Dandan Liu, Shumin Feng, Guoqiang Feng
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.analchem.6b03073
Readily Available Fluorescent Probe for Carbon Monoxide Imaging in Living Cells,
Analytical Chemistry, 2016, 88, 10648-10653, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03073
冯国强教授简介
2003年6月，毕业于中国科学院化学研究所，获理学博士学位, 师从王梅祥研究员。
2003年9月至2009年1月，先后在英国谢菲尔德大学、英国剑桥大学进行博士后研究。
2009年2月至今，华中师范大学化学学院，教授、博士生导师。
研究领域： 磷酸酯的识别与水解、金属模拟酶、动态组合化学、超分子自组装、荧光探针等。近5年来，冯国强课题组研究生在J. Org. Chem., Chem. Commun., Biosens. Bioelectron., Anal. Chem., Analyst, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际高水平期刊发表三十余篇论文。
http://www.x-mol.com/university/faculty/10796
http://chem.ccnu.edu.cn/info/1057/1160.htm
凤维勇（第一作者）简介
2011年9月-2015年6月，三峡大学，获学士学位。
2015年9月，华中师范大学化学学院有机化学专业硕士研究生，目前在冯国强教授课题组进行荧光传感器研究。
发表论文：
[1] Weiyong Feng, Dandan Liu, Qisong Zhai, Guoqiang Feng*. Lighting up carbon monoxide in living cells by a readily available and highly sensitive colorimetric and fluorescent probe. Sensors & Actuators B: Chemical, 2017, 240:625–630.
[2] Weiyong Feng, Dandan Liu, Shumin Feng, and Guoqiang Feng*. Readily available fluorescent probe for carbon monoxide imaging in living cells. Analytical chemistry, 2016, 88 (21):10648–10653.
[3] Qisong Zhai, Weiyong Feng, Guoqiang Feng*. Rapid detection of hydrazine in almost wholly water solution and in living cells by a new colorimetric and fluorescent turn-on probe. Analytic Methods, 2016, 8 (29), 5832–5837.
[4] Shungshuang Ding, Weiyong Feng, Guoqiang Feng*. Rapid and highly selective detection of H2S by nitrobenzofurazan (NBD) ether-based fluorescent probes with an aldehyde group. Sensors & Actuators B: Chemical, 2016, 238:619–625.
[5] Meixin Li, Weiyong Feng, Qisong Zhai, Guoqiang Feng*. Selenocysteine detection and bioimaging in living cells by a colorimetric and near-infrared fluorescent turn-on probe with a large stokes shift. Biosensors & Bioelectronics, 2017, 87:894–900.
科研思路分析
Q：该项研究的设计思路是怎样的？
A：首先，我们选择一氧化碳作为研究对象是因为近年来，一氧化碳作为生命体中必不可少的信号分子, 其检测的重要性不言而喻。然而，目前能用于或细胞中CO检测的荧光探针报道非常少。因此，我们在相关文献报道的基础上开展了本课题研究。我们的探针设计思路很简单，即通过零价钯催化的Tsuji-Trost反应，采用荧光素为荧光母体，烯丙基碳酸酯作为羟基保护基团来实现对一氧化碳的检测。值得一提的是，该探针在近乎纯水相和非常温和的条件下，实现了对一氧化碳信号小分子高选择性、高灵敏度的检测。
Q：该项研究有何不足之处，如何在接下来的研究中进行改进？
A：该研究的不足之处在于探针体系采用的二价钯离子是一种重金属盐类化合物，可能对环境或者生物体系存在潜在的危害。该研究中采用的并不是传统意义上的单一探针，而是二组分探针体系，这给测试工作或者在应用方面添加了不便之处。另外，荧光素虽然存在诸多优点，但是其缺点也不可忽略。例如，荧光素的Stokes位移很小，在生物成像应用中会造成一系列的背景干扰，而且其发射波长短(可见光区)，无法满足对生物组织或活体成像的要求。我们正在继续构建更多的CO荧光探针，希望能发展出性能更优异的探针分子。