可用于多生物体系CO成像的通用型近红外荧光探针

2026年一月发表在微化学杂志《Microchemical Journal》的文章：可用于多生物体系一氧化碳成像的通用型近红外荧光探针。文章由大湾区大学、许昌学院和河南工业大学的团队联合完成，其中张浩研究员和许志红教授为通讯作者。该文构建了喹啉-半花菁骨架的近红外一氧化碳荧光探针 QT-CO。探针发射波长大于 740nm，可降低背景荧光干扰，检测限达 10.4nM，在生理 pH 条件下稳定性良好，适配多种生物体系。借助该探针，实现哺乳动物细胞内 CO 实时成像，还可检测盐胁迫下拟南芥根系的 CO 动态变化。该探针采用烯丙基醚结构，可避免酶水解带来的假阳性，并具备线粒体靶向能力。QT-CO 为气体信号分子 CO 的相关研究提供新工具，有助于探究 CO 在疾病机制、植物环境胁迫响应中的作用，不过该探针在肿瘤微环境等复杂病理模型的性能仍有待进一步探究。

图注：图为QT-CO（喹啉-半花菁骨架的近红外一氧化碳荧光探针）的合成路线图
 

文章主要内容

内源性一氧化碳（CO）是重要气体信号分子，在动物体内参与血管舒张、抗炎、细胞保护；在植物中介导根系发育、盐胁迫、重金属胁迫应答。但现有 CO 荧光探针存在诸多短板：短波探针易受植物自发荧光干扰、酯键识别基团易被生物体内酶水解产生假阳性、缺少可同时适配动物细胞、活体动物、植物多体系的成像工具。 本文设计合成近红外荧光探针 QT-CO，基于 Tsuji-Trost 钯催化反应识别 CO，发射波长 740nm；系统完成光谱性能表征、细胞成像、小鼠活体成像、拟南芥植物根系胁迫成像全套实验。

1、光谱层面：探针检测限达10.4nM，pH6.0-9.0 范围内性能稳定，对各类生物干扰物选择性优异；烯丙基醚结构替代传统酯键，抵抗酶水解，降低假阳性。

2、细胞层面：探针具备线粒体靶向能力，在 HeLa 细胞可实现外源性、血红素诱导的内源性 CO 实时荧光成像；使用 HO1 抑制剂 ZnPP 验证信号来源于血红素氧合酶产生的 CO。

3、动物活体：C57 小鼠腹腔注射实现活体原位 CO 成像，H&E 组织切片证实探针具备良好生物安全性。

4、植物体系：首次将该近红外探针用于拟南芥根尖，成功追踪镉胁迫、盐胁迫条件下植物内源 CO 动态变化；抑制剂实验证实植物胁迫下 CO 主要由血红素氧合酶通路产生。

该探针实现哺乳动物细胞-活体小鼠-植物多生物体系 CO 可视化，为研究 CO 在疾病机制、植物环境胁迫适应机制提供全新工具。

文章创新点

1、分子结构创新：采用烯丙基醚键替代传统 CO 探针的酯键识别位点，规避生物体内酯酶水解造成假阳性；喹啉-半花菁骨架实现 740 nm 近红外发射，大幅削弱植物叶绿素、类黄酮等内源自发荧光干扰，提升组织穿透深度。

2、多功能靶向设计：探针带有季铵盐基团，实现线粒体靶向，可在细胞器水平观测 CO 信号。

3、跨生物体系应用创新：开发出同一探针同时适用于动物细胞、活体小鼠、植物根系的 CO 成像工具；弥补植物领域缺少高性能近红外 CO 探针的短板，实现盐胁迫、重金属胁迫下植物内源 CO 动态原位可视化。

4、机制验证完整：结合抑制剂（ZnPP）分别在动物细胞、植物两个体系验证 CO 生成通路；高分辨质谱直接证实 Tsuji-Trost 反应识别机理。

文章主要思路

1、提出问题：CO 作为气体信号分子在动植物均发挥生理功能，但现有探针存在波长短、易酶解假阳性、难以兼顾动物与植物成像，制约 CO 生理功能研究，急需高性能近红外 CO 荧光探针。

2、探针分子理性设计：选取喹啉-半花菁近红外荧光母核，利用烯丙基醚封闭酚羟基，抑制分子内电荷转移 ICT；在 Pd²⁺协同下，CO 触发 Tsuji-Trost 反应切断烯丙基醚，释放 QT-OH，恢复 ICT 效应，开启 740nm 荧光信号；理论计算佐证 ICT “关-开” 传感机理。

3、体外光谱评价：测定吸收、荧光光谱，评估灵敏度、线性范围、响应时间、pH 稳定性、抗干扰选择性，HR-MS 确认反应产物。

4、从简单到复杂逐级开展生物实验：HeLa 活细胞成像（外源 + 内源 CO、线粒体定位、抑制剂验证）→小鼠活体成像与生物安全性评价→拟南芥植物根系，镉、盐胁迫下 CO 动态成像，抑制剂验证植物 CO 合成通路。

5、总结局限：现有仅完成基础活体成像，后续还需要在肿瘤等复杂疾病模型进一步验证探针性能。

文章部分方法学剖析


图注：QT-CO在小鼠体内的荧光成像及生物安全性评价

文中方法学2.5部分是小鼠活体成像实验：目的是为了验证QT-CO在小鼠体内的荧光成像情况及生物安全性评价：实验所用 8 周龄雌性 C57 小鼠购自广东省医学实验动物中心，实验前适应性饲养一周。成像实验中，小鼠随机分为实验组与对照组。实验组注射 QT-CO 探针（浓度 50 μM，生理盐水配制，体积 100 μL）；对照组注射等体积生理盐水。采用光仪 LASER-FS100 多模式全光谱活体成像系统，在设定时间点（注射后90 min、150 min）进行荧光成像，激发波长 700 nm，采集发射光波长 740 nm。成像结束后，继续饲养小鼠 48 h 以评估急性毒性，随后摘取脏器用于组织学分析。取心、肝、脾、肺、肾组织制备切片，进行苏木精 – 伊红（H&E）染色，评估探针是否诱发组织病理学改变。

结果显示：实验的综合结果验证了QT-CO 是一种高效且生物相容的探针，可用于活体动物体内 CO 检测，拥有转化研究前景。

全文概括

该论文针对气体信号分子 CO 生物检测的现实痛点，设计并合成近红外激活型荧光探针 QT-CO。探针依靠钯介导的 Tsuji-Trost 反应特异性识别 CO，烯丙基醚结构解决传统酯类探针酶解假阳性问题，近红外发射规避生物样本自发荧光干扰，检测限低至 10.4nM，生理 pH 区间稳定，选择性良好。 生物实验由体外溶液、活细胞、活体动物拓展至植物组织：探针可以在线粒体靶向观测 HeLa 细胞内源 CO；在小鼠实现活体荧光成像，组织切片证明生物相容性；更重要的是应用于拟南芥，原位捕捉镉、盐胁迫下根尖内源 CO 的动态变化。抑制剂实验在动植物两个体系均确认信号来自血红素氧合酶介导的 CO 生成。 QT-CO 是少有的能够横跨动物、植物两大生物体系的 CO 近红外成像探针，为解析 CO 参与的疾病病理、植物抗逆生理机制提供有力实验平台。文章同时指出该探针尚待在肿瘤微环境等复杂病理模型开展后续研究。

产品配套

多模式全光谱活体成像系统

▶ 双相机全光谱成像：深制冷BSI相机＋短波近红外InGaAs相机，覆盖可见光至近红外二区；

▷ 深制冷低噪声：BSI相机高感光、深制冷，配合大口径大光圈镜头，弱光捕获能力更强；

▶ 近红外高灵敏：InGaAs相机宽谱响应，兼具高动态与高帧数，适合深层样品成像；

▷ 高截止滤光＋均一激发：激光多层镀膜滤光片，多组光源对称无影设计，背景干净、激发稳定；

▶ 可选X射线/红外激光：支持骨结构成像，适配小动物光热与细胞上转换动力学实验；

▷ 智能采集分析：荧光/明场/X光自动叠加，支持光谱分离、ROI分析、EDF景深融合及3D显示。

参考文献：Tang, Z., Zhang, J., Song, R., Sun, M., Zhang, H., & Xu, Z. (2026). A versatile NIR fluorescent probe for carbon monoxide imaging in multiple biological systems. Microchemical Journal, 221, 116961. https://doi.org/10.1016/j.microc.2026.116961