波谱学杂志, 2026, 43(3): 279-290   doi: 10.11938/cjmr20253189   cstr: 32225.14.cjmr20253189

研究论文

19F NMR化学位移编码的cRGD靶向双模态探针多色成像

李娜1,2,#, 肖龙1,2,#, 李莎1,2, 刘昱墩1,2, 贾宇舒1,2, 张磊1,2, 陈世桢,1,2,*

1 磁共振波谱与成像全国重点实验室武汉磁共振中心,中国科学院精密测量科学与技术创新研究院湖北 武汉 430071

2 中国科学院大学北京 100049

19F NMR Chemical Shift-encoded cRGD-targeted Dual-modal Probe for Multicolor Imaging

LI Na1,2,#, XIAO Long1,2,#, LI Sha1,2, LIU Yudun1,2, JIA Yushu1,2, ZHANG Lei1,2, CHEN Shizhen,1,2,*

1 State Key Laboratory of Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging, National Center for Magnetic Resonance in Wuhan, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China

2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: Tel: 027-87198631, E-mail:chenshizhen@wipm.ac.cn.

第一联系人: #共同第一作者

收稿日期: 2025-11-5  

基金资助: 国家自然科学基金项目(U21A20392); 国家自然科学基金项目(82127802); 国家自然科学基金项目(22404064); 国家自然科学基金项目(82102125); 湖北省自然科学基金项目(2023BCB092); 中国科学院青年跨学科团队项目(JCTD-2022-13)

Corresponding authors: Tel: 027-87198631, E-mail:chenshizhen@wipm.ac.cn.

Received: 2025-11-5  

摘要

肿瘤微环境特异性成像对癌症的精准诊断至关重要,传统单模态成像技术难以兼顾高灵敏度与高空间分辨率. 本研究设计并合成了一种cRGD肽靶向、硝基还原酶(NTR)响应的半花菁-19F双模态探针Cy-F-cRGD. 通过系统筛选不同含氟基团,发现邻位双氟结构可产生显著的19F化学位移变化(ΔδF = 10.87). NTR响应后半花菁单元的紫外吸收红移80 nm,荧光强度增强约90倍,实现了光学信号的“关-开”切换. 本研究为发展智能响应型多模态探针提供了新的设计策略.

关键词: 磁共振成像; 双模态探针; 硝基还原酶; 半花菁; 19F化学位移

Abstract

Specific imaging of the tumor microenvironment is critical for precise cancer diagnosis, yet conventional single-modal imaging techniques struggle to combine high sensitivity with high spatial resolution. This study designed and synthesized a cRGD peptide-targeted, nitroreductase (NTR)-responsive hemicyanine-19F dual-modal probe, Cy-F-cRGD. Through systematic screening of different fluorine-containing groups, we found that an ortho-difluoro structure induced a remarkable 19F chemical shift change (ΔδF = 10.87). Concurrently, the hemicyanine unit exhibited an 80 nm red shift in absorption and a 90-fold fluorescence enhancement, achieving an optical “off-on” signal switch. This work offers a new design strategy for developing smart responsive multimodal probes.

Keywords: magnetic resonance imaging (MRI); dual-modal probe; nitroreductase; hemicyanine; 19F chemical shift

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本文引用格式

李娜, 肖龙, 李莎, 刘昱墩, 贾宇舒, 张磊, 陈世桢. 19F NMR化学位移编码的cRGD靶向双模态探针多色成像[J]. 波谱学杂志, 2026, 43(3): 279-290 doi:10.11938/cjmr20253189

LI Na, XIAO Long, LI Sha, LIU Yudun, JIA Yushu, ZHANG Lei, CHEN Shizhen. 19F NMR Chemical Shift-encoded cRGD-targeted Dual-modal Probe for Multicolor Imaging[J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2026, 43(3): 279-290 doi:10.11938/cjmr20253189

引言

分子影像学技术的快速发展为肿瘤的早期诊断和治疗监测提供了强有力的工具,其中光学成像和磁共振成像(MRI)因其各自独特优势而受到广泛关注[1]. 光学成像,特别是近红外荧光成像,具有灵敏度高、实时性好、成本低廉等优点. 半花菁类荧光染料因其优异的光学性质,包括较大的斯托克斯位移、较高的摩尔消光系数和良好的光稳定性,已成为光学成像探针的理想选择,但其组织穿透深度有限且空间分辨率较低[2-4]. 相比之下,MRI具有无与伦比的软组织对比度和穿透深度不受限制,但灵敏度相对较低[5]. 其中,19F MRI因其独特的“热点成像”显示出巨大潜力. 生物体内天然存在的氟含量极低,使得19F MRI信号几乎无背景干扰,可实现定量检测[6,7]. 然而,传统的19F MRI探针大多为“始终开启”型,其信号强度虽可反映探针的富集量,但往往缺乏特异性响应能力,难以实现疾病生物标志物的实时监测,且易受探针非特异性分布的影响,导致信噪比和特异性降低[8]. 为实现对生物标志物的高特异性、高信噪比成像,发展“激活”型19F MRI探针至关重要[9-12]. 其中,基于化学位移变化的成像策略展现出独特优势:与依赖信号强度(浓度)变化的传统方法相比,化学位移是原子核在特定环境下的固有物理属性,对分子结构的微小变化极为敏感[13-15]. 因此,设计一种探针使其19F核在遇到特定生物标志物时发生显著的化学位移变化,即可实现两个关键突破:(1)可将成像模式从单一的“信号有无”或“强度变化”升级为“频率编码”的多色成像,通过伪彩直接区分“未响应”与“已响应”的探针,直观反映生物过程;(2)化学位移的变化具有内在特异性,可有效排除浓度、探针分布不均等非特异性因素的干扰,实现对目标生物事件的精准、比率式监测. 如何将半花菁的光学特性与19F频率编码的多色成像有机结合,构建智能响应型双模态探针仍是一个重大挑战.

肿瘤微环境具有许多特征性生物标志物,其中硝基还原酶(NTR)在缺氧肿瘤组织中特异性高表达,已成为肿瘤诊断和治疗的重要靶点. NTR能够特异性还原硝基芳烃类化合物,这一特性已被广泛应用于设计激活型分子探针[16-20]. 然而,现有的NTR响应探针多局限于单一光学成像模式,无法提供足够的空间信息用于精准定位,而基于氨基甲酸酯平台的分子设计为探针的智能响应提供了新思路[21-23]. 该平台在酶作用下发生连锁反应,可同时释放活性分子并产生信号变化. 本研究在课题组前期工作基础上[24,25],创新性地将氨基甲酸酯平台与半花菁-19F系统相结合,旨在解决以下关键问题:(1)如何实现NTR触发的高特异性双信号响应;(2)如何确保探针在复杂生物环境中的靶向性和稳定性.

基于上述目的,本研究设计并合成一种新型的环状精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽(cRGD)修饰的半花菁- 19F双模态探针,通过合理的分子结构设计实现NTR特异性响应,系统研究探针的光学性质和19F核磁共振(NMR)波谱特性,阐明其响应机制和信号变化规律. 最后在活体中评估了探针的靶向性和双模态成像能力,为肿瘤的早期精准诊断提供新的分子工具. 这项工作不仅推动了多模态分子影像学的发展,也为智能响应型探针的设计提供了新的思路和方法.

1 实验部分

1.1 实验试剂

本研究所使用的实验试剂如表1所示. 其他常规试剂和溶剂如硫酸铜、无水硫酸钠、氯化钠、氯化铵、抗坏血酸钠(VcNa)、乙酸钠、碳酸钾、碘化钾、甲醇(MeOH)、二氯甲烷(DCM)、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)等均购自中国医药集团有限公司. 高效液相色谱(HPLC)、制备型反相高效液相色谱(RP-HPLC)和高分辨质谱(HRMS)所用溶剂均为色谱纯,实验用水为超纯水. 人非小细胞肺癌细胞(A549)获自中国科学院细胞库(Cell Bank of Chinese Academy of Sciences)(中国上海). 雌性BALB/c裸鼠购自武汉贝斯特生物技术有限公司.

表1   实验试剂

Table 1  Reagents

实验试剂纯度CAS号/货号品牌
叔丁基二甲基氯硅烷(TBSCl)99%18162-48-6毕得医药
2,4-二羟基苯甲醛99%95-01-2毕得医药
咪唑99% HPLC288-32-4毕得医药
氢化钠(NaH)60%,分散于矿物油中7646-69-7阿拉丁生化
2,3,3-三甲基吲哚99%1640-39-7麦克林
5-氯戊炔98%14267-92-6毕得医药
环己酮电子UPS级108-94-1麦克林
三氯氧磷99%10025-87-3阿达玛斯
对硝基苄溴99%100-11-8麦克林
2,6-二氟异氰酸苯酯97%65295-69-4阿达玛斯
3,5-二氟苯基异氰酸酯97%83594-83-6阿达玛斯
4-氟苯基异氰酸酯98%1195-45-5阿达玛斯
2,6-双(三氟甲基)苯基异氰酸酯97%1158951-00-8阿达玛斯
双香豆素99%66-76-2麦克林
硼氢化钠(NaBH498%16940-66-2通用试剂
溴化氢(HBr)48%,溶于水10035-10-6阿达玛斯
2,6-二氟苯胺98%5509-65-9乐研
3,5-二氟苯胺98%372-39-4乐研
4-氟苯胺98%371-40-4乐研
2,6-双三氟甲基苯胺98%313-13-3乐研
硝基还原酶(NTR)90%N9284Sigma-Aldrich
还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)95%606-68-8百灵威
cRGD肽段95%定制渝偲医药
人血清白蛋白(HSA)96%S12018源叶
半胱氨酸(Cys)99%52-90-4麦克林
谷胱甘肽(GSH)98%70-18-8希恩思
溶菌酶50 mg/mLR29073源叶
胰蛋白酶2500 U/mgS10038源叶
β-半乳糖苷酶150000 U/gS35616源叶

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1.2 实验仪器

本研究所使用的实验仪器如表2所示.

表2   实验仪器

Table 2  Experimental instruments

仪器名称仪器型号生产厂家
磁力搅拌器HS7IKA
旋转蒸发仪R210BUCHI
分析天平AS 220.X2RADWAG
暗箱式紫外分析仪ZF-20C顾村电光
中压制备色谱仪Biotage SelektBiotage
高分辨质谱仪Agilent 6530Agilent Technologies
制备型反相高效液相色谱2489Waters
冷冻干燥机LGJ-10C四环
紫外-可见分光光度计Evolution 220ThermoFisher Scientific
荧光光谱仪F-4700Hitachi
pH计FE20Mettler Toledo
活体荧光成像仪IVIS Spectrum systemPerkin Elmer
400 MHz核磁共振谱仪AVANCE 400Bruker
500 MHz核磁共振谱仪AVANCE 500Bruker
7 T磁共振成像仪BioSpec 70/20 USRBruker

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1.3 探针分子合成与表征

目标探针分子Cy-F-cRGD合成路线如图1所示:化合物1~4的合成方法参考之前文献[24]. 取1 430 mg化合物4,648 mg对硝基苄溴,414 mg K2CO3,664 mg KI于圆底烧瓶中,加入20 mL丙酮,室温搅拌,锡箔纸包裹避光反应3天. 随后旋蒸除去溶剂,再加入10 mL DCM和5 mL盐酸反应4 h. 待反应结束后用饱和NaCl萃取,保留有机相. 用柱层析法在5% MeOH/DCM洗脱溶剂下收集流出物,冻干后得到半花菁衍生物Cy-NO2(化合物5). 取200 mg化合物5,1 030 mg 2,6-二氟异氰酸苯酯,80 mg三乙胺于圆底烧瓶中,加入10 mL DCM,室温搅拌2 h. 待反应结束后旋蒸,用柱层析法在4% MeOH/DCM洗脱溶剂下收集流出物,冻干后得到邻位双氟中间体Cy-NO2-F(化合物6). 类似的,化合物5分别与3,5-二氟苯基异氰酸酯、4-氟苯基异氰酸酯、2,6-双(三氟甲基)苯基异氰酸酯反应生成间位双氟、对位单氟、邻位六氟对照分子(附件材料图S1(a)~(d)). 取151 mg化合物6用1 mL DMF溶解、搅拌,取120 mg cRGD、25 mg硫酸铜、80 mg VcNa用1 mL纯水溶解,缓慢滴加至上述溶液,室温避光反应2天. 待反应结束后旋蒸除去溶剂,经制备型RP-HPLC纯化(纯度>95%)冻干后得到最终产物Cy-F-cRGD,4 ℃避光保存待用. 类似的,化合物6与PEG-N3通过click反应得到Cy-F-PEG的对照分子(附件材料图S1(e)),用于验证Cy-F-cRGD的主动靶向效果. 中间产物(化合物4~6)、Cy-F-PEG对照分子和最终产物(Cy-F-cRGD)的结构通过NMR和HRMS确认(附件材料图S2-S16).

图1

图1   Cy-F-cRGD的合成路线

Fig. 1   The synthesis route of Cy-F-cRGD


1.4 4种含氟中间体与对应含氟小分子的19F NMR/MRI比较

邻位双氟、间位双氟、对位单氟和邻位六氟这4种含氟中间体分别通过RP-HPLC纯化、冻干后制备得到,理论上这4种中间体与NTR作用后会分别得到2,6-二氟苯胺、3,5-二氟苯胺、4-氟苯胺、2,6-双三氟甲基苯胺4种对应的含氟小分子. 我们分别取适量上述8种化合物用DMSO溶解成10 mmol/L母液,然后加入纯水逐级稀释至0.5 mmol/L(按物质的量算,下同,DMSO含量为5%)和0.1 mmol/L(DMSO含量为2%),在稀释的过程中使用漩涡震荡保证充分溶解. 分别取0.1 mmol/L的邻位双氟和2,6-二氟苯胺各 200 μL于5 mm NMR样品管中,加入100 μL重水(D2O). 间位双氟与3,5-二氟苯胺、对位单氟与4-氟苯胺、邻位六氟与2,6-双三氟甲基苯胺按照相同的方法装入NMR样品管中,在Bruker 500 MHz核磁共振谱仪上等待测试. 样品温度设置为25 ℃,采样次数设置为100,采用对1H去耦的zgflqn序列采集数据. 另外,0.1 mmol/L的邻位双氟、间位双氟、对位单氟和邻位六氟与NTR(1 U/mL)和NADH(1 mmol/L)在37 ℃水浴中孵育1 h后取部分反应液于Bruker 500 MHz谱仪上采用对1H去耦的zgflqn序列采集数据. 19F溶液实验中,将0.5 mmol/L的上述8种样品各取2 mL于10 mm NMR样品管中,按顺序捆绑好后置于30 mm 19F体线圈,在Bruker 400 MHz宽腔谱仪中使用快速采集与弛豫增强(RARE)序列采样,采样参数设置为:回波时间=8 ms,重复时间=1 000 ms,加速因子=8,采样次数=128,分辨率=32×32,视野=4.0×4.0 cm2. 类似的,2 mL 0.5 mmol/L终产物目标探针(Cy-F-cRGD)与NTR(5 U/mL)和NADH(5 mmol/L)在不同时间下的19F MRI则使用10 mm 19F体线圈,采样参数设置为:回波时间=8 ms,重复时间=1 000 ms,加速因子=8,采样次数=128,分辨率=32×32,视野=2.0×2.0 cm2.

1.5 探针分子与NTR随反应时间变化的光谱/波谱研究

Cy-F-cRGD冻干粉末用磷酸盐缓冲液(PBS,pH 7.4)制备成5 mmol/L母液,然后稀释成5 μmol/L待测液与NTR(0.05 U/mL)和NADH(50 μmol/L)共孵育,在37 ℃条件下,按指定时间间隔(0~60 min,每隔5  min)取1 mL反应液,使用Evolution-220 UV-Vis紫外-可见分光光度计测量500~900 nm范围内的吸收光谱. 在F-4700荧光分光光度计上获得荧光发射光谱,激发波长为685 nm,扫描范围设置为700~900 nm. 将Cy-F-cRGD母液稀释成100 μmol/L后与NTR(1 U/mL)和NADH(1 mmol/L)在相同条件下孵育,并在37 ℃水浴锅中孵育一定的时间(每隔15 min取一次样). 反应液加入DMSO终止反应后取400 μL溶液并加入100 μL D2O混匀后装入5 mm NMR样品管中,在Bruker 500 MHz核磁共振谱仪上设置样品温度为25 ℃,采样次数设置为100,采用对1H去耦的zgflqn序列采集数据.

1.6 探针分子对NTR特异性的测定

1.6.1 荧光光谱分析

将5 μmol/L的Cy-F-cRGD溶于PBS缓冲液中,并分别加入以下生物分子进行孵育:人血清白蛋白(HSA,10 mg/L)、半胱氨酸(Cys,30 mg/L)、谷胱甘肽(GSH,30 mg/L)、胰蛋白酶(1 U/mL)、溶菌酶(1 U/mL)、β-半乳糖苷酶(1 U/mL)和NTR(0.05 U/mL),以及NTR抑制剂双香豆素(1 mg/mL)预处理的NTR(0.05 U/mL). 所有样品置于37 ℃恒温孵育60 min,随后利用荧光光谱仪在激发波长685 nm条件下,记录发射波长700~900 nm范围内的荧光发射光谱.

1.6.2 19F NMR分析

类似地,将100 μmol/L的Cy-F-cRGD溶于PBS缓冲液中,并分别加入以下生物分子进行孵育:HSA(100 mg/L)、Cys(300 mg/L)、GSH(300 mg/L)、胰蛋白酶(10 U/mL)、溶菌酶(10 U/mL)、β-半乳糖苷酶(10 U/mL)和过量的NTR(1 U/mL)以保证Cy-F-cRGD被完全反应,以及经NTR抑制剂双香豆素(20 mg/mL)预处理的NTR(1 U/mL). 将该混合物在37 ℃的水浴中孵育90 min后在Bruker 500 MHz核磁共振谱仪上进行记录19F NMR谱图.

1.7 活体荧光成像

当非小细胞肺癌细胞(A549)铺满培养瓶90%后用胰酶将细胞小心消化、离心、去掉上清后收集,重新用培养基分散后用细胞计数器计数约为1 × 106个/mL. 用注射器在10只6周龄BALB/c裸鼠的右后腿注射200 μL细胞悬液,3~4周后肿瘤大小约200 mm3时可进行下一步实验. 选择6只肿瘤大小相近的裸鼠,实验组Cy-F-cRGD(100 μmol/L,100 μL)和对照组Cy-F-PEG(100 μmol/L,100 μL)各3只经尾静脉注射入A549皮下瘤肿瘤模型小鼠体内. 分别在注射后的2、4、6、8、12 和24 h获取全身荧光图像. 全身荧光成像在IVIS Lumina XRMS Series III成像系统上于指定时间点进行,激发波长为710 nm,发射波长为760 nm. 肿瘤部位的荧光信号强度通过Living Image软件对进行定量分析.

2 结果与讨论

2.1 19F NMR响应特性与含氟基团筛选

为优化探针的19F NMR响应特性,本研究系统考察了不同取代位点与类型的含氟基团对NTR响应前后化学位移变化(ΔδF)的影响. 我们设计并合成了4种不同结构的含氟中间体分子(邻位双氟、间位双氟、对位单氟、邻位六氟),旨在探究分子结构与NMR信号变化之间的构效关系. 这4种中间体分子均使用相同的半花菁骨架单元,仅通过在异氰酸酯连接上不同的含氟单元. 在NTR作用前,各中间体分子的19F{1H} NMR信号均表现为尖锐的单峰. 加入NTR及NADH启动酶反应后,通过监测19F{1H} NMR谱图变化,我们观察到所有中间体分子均发生了不同程度的化学位移,但其ΔδF值存在显著差异. 具体实验结果如表3所示:邻位双氟中间体分子(图2(a))的δF从-121.40位移至-132.27,ΔδF高达10.87. 相比之下,间位双氟中间体分子(图2(b))的ΔδF仅为1.25(从δF -110.75至-112.00),而对位单氟中间体分子(图2(c))的ΔδF高达13.56 ppm(从δF -112.93至-126.49),响应最为显著. 值得注意的是,邻位六氟中间体分子 (图2(d))的化学位移变化微乎其微,ΔδF仅为0.12(从δF -61.01至-61.13),表明该结构对酶触发的分子环境变化极不敏感.

表3   中间体分子与NTR反应前后19F{1H} NMR变化

Table 3  Changes in the intermediate molecule's 19F{1H} NMR before and after the NTR reaction

中间体分子类型反应前δF*反应后δF*ΔδF
邻位双氟-121.40 (δ1)-132.27 (δ2)10.87
间位双氟-110.75 (δ3)-112.00 (δ4)1.25
对位单氟-112.93 (δ5)-126.49 (δ6)13.56
邻位六氟-61.01-61.130.12

*括号中为该处19F{1H} NMR信号峰的简记

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图2

图2   不同取代位点与类型的含氟中间体与NTR响应前后的19F{1H} NMR变化. (a)邻位双氟;(b)间位双氟;(c)对位单氟;(d)邻位六氟. 溶剂为2% DMSO + 98% H2O. 所有19F NMR数据均对1H去耦

Fig. 2   19F{1H} NMR changes of fluorine-containing intermediate molecules with different substitution sites and types before and after NTR activation: (a) ortho-difluoro, (b) meta-difluoro, (c) para-monofluoro, (d) ortho-hexafluoro. The solvent is 2% DMSO and 98% H2O. All 19F NMR data were acquired with 1H decoupling


上述结果表明,含氟基团的种类和取代位置对探针的NMR响应性能具有决定性影响. 邻位双氟和对位单氟结构产生较大ΔδF的原因可能在于酶促反应断裂氨基甲酸酯键后,邻位或者对位氟原子与新生成的氨基之间的空间位阻和电子效应发生剧烈改变,极大地影响了其NMR屏蔽常数. 对于-CF3基团,由于其三个氟原子的对称性及较强的C-F键能,其化学环境在反应前后保持高度稳定,因此化学位移变化极小. 基于此筛选结果,我们选择化学位移变化较为显著且氟含量更高的邻位双氟结构中间体(化合物6)作为研究对象进行进一步的靶向衍生得到最终的目标探针(即Cy-F-cRGD). 该目标探针巨大的化学位移窗口确保了其在复杂生物环境中进行19F MR成像时具有高信噪比和特异性,为后续的体外及体内研究奠定了坚实基础.

2.2 目标探针分子Cy-F-cRGD的酶响应光学与NMR响应性

首先,为验证Cy-F-cRGD对NTR特异性响应,我们将其与多种常见的生物分子和蛋白(HSA、Cys、GSH、胰蛋白酶、溶菌酶、β-半乳糖苷酶)作为对照组分别共孵育,并通过荧光光谱和19F{1H} NMR进行表征. 实验结果显示,相比于对照组,Cy-F-cRGD和实验组的NTR孵育60 min后其荧光信号明显增强,对照组基本保持不变(附件材料图S17(a)). 在NTR中加入等当量的双香豆素,最后溶液的荧光信号和对照组基本保持一致,未见任何增加. 与此同时,只有在与NTR组作用后出现新的19F{1H} NMR信号峰(附件材料图S17(b)). 以上两个实验说明了Cy-F-cRGD被NTR反应后使得溶液整体的荧光信号增强和19F{1H} NMR化学位移发生变化.

进一步,我们系统研究了目标探针Cy-F-cRGD在NTR作用下的实时响应过程. 如图3(a)所示,紫外-可见吸收光谱随时间变化呈现出显著特征:最大吸收波长从605 nm红移至685 nm,红移幅度高达80 nm. 这一现象与探针分子结构的根本性转变直接相关. 在NTR催化下,探针末端的硝基被还原为氨基,进而触发自发的分子内电子重排,导致连接氨基甲酸酯键断裂,并释放出2,6-二氟苯胺. 这一关键步骤恢复了被阻断的半花菁母核的完整π-共轭体系,极大地降低了分子的能隙,从而引起吸收光谱的显著红移. 与吸收光谱的变化相呼应,荧光光谱(图3(b))显示在710 nm处的荧光发射强度增强了约90倍,产生了显著的“Turn-On”荧光信号. 这种巨大的荧光增强效应可归因于两个协同作用的机制:首先,如上所述,完整共轭体系的恢复使得分子本身成为一个强荧光团;其次,分子内电荷转移(ICT)效应的改变是关键. 在反应前,作为强吸电子基的硝基抑制了ICT过程;反应后,硝基被还原为给电子能力更强的氨基,极大地优化了ICT效率,共同导致了荧光的急剧增强. 这种高信噪比的荧光开启响应,确保了探针的高灵敏度检测能力. 在加入NTR抑制剂的条件下,探针荧光强度随时间几乎保持不变,说明荧光信号的增强确实来源于NTR催化作用,而不是非特异性反应或底物自发变化(附件材料图S18).

此外,我们还通过19F{1H} NMR谱图监测了反应的过程(图3(c)). 结果清晰地显示底物Cy-F-cRGD在-121.40 ppm处的单一19F信号随时间逐渐减弱,同时在-132.27 ppm处出现一个新的信号峰并逐渐增强,该信号归属于反应产物2,6-二氟苯胺. 同时,新生成的2,6-二氟苯胺的信号随NTR浓度升高而逐渐增加(附件材料图S19). 19F{1H} NMR信号此消彼长的变化和浓度依赖性直接证实了Cy-F-cRGD被NTR特异性催化水解,并定量生成含氟小分子产物. 整个反应在90 min内完成,表明该探针具有高效的响应速率.

图3

图3   Cy-F-cRGD与NTR反应前后荧光和19F{1H} NMR双模态信号随反应时间的变化. (a)紫外吸收光谱;(b)荧光光谱;(c) 19F{1H} NMR,-128.82 ppm为内标19F信号,溶剂为2% DMSO + 98% H2O

Fig. 3   Time-dependent changes of fluorescence and 19F{1H} NMR dual-modal signals of Cy-F-cRGD before and after reaction with NTR. (a) UV-vis absorption spectra; (b) fluorescence spectra; (c) 19F{1H} NMR spectra, with the 19F signal at -128.82 ppm as the internal reference and the solvent is 2% DMSO + 98% H2O


2.3 基于化学位移编码的多色19F MRI可行性研究

基于上述不同含氟中间体分子和目标探针Cy-F-cRGD化学位移变化的显著差异,我们进一步探索了利用19F化学位移特性实现多色MRI成像的可行性. 对于不同取代位置的含氟中间体分子反应前后的19F{1H} NMR如图4(a)所示,在Bruker 400 MHz宽腔核磁共振谱仪中对溶液体系进行成像,当采样频率中心设置为-120.40 ppm(δ1),采样带宽按照常规的快速采集与弛豫增强(RARE)序列设置为5 400 Hz时,所有谱峰均可被激发,无法分辨相应的19F信号(图4(b)). 当减小采样带宽至1 000 Hz时,根据各中间体分子在酶反应前后特定的化学位移值(δ1~δ6)设置了相应的伪彩色编码:邻位双氟结构反应前信号(δ1)编码为红色,反应后信号(δ2)编码为蓝色;间位双氟结构反应前(δ3)与反应后(δ4)信号分别编码为青色与黄色;对位单氟结构反应前(δ5)与反应后(δ6)信号分别编码为绿色与品红色(图4(c)). 邻位六氟结构因其化学位移变化太小未予以考虑. 采样带宽缩短后部分峰可实现分离,但谱中δ3δ4δ5三者化学位移非常接近,即使对采样带宽或采集参数进行调整,依然存在明显的信号串扰,因而不利于基于频率通道的可靠编码(图4(c)). 相比之下,邻位双氟中间体分子在反应前后的19F溶液像上可完全区分开,极大地降低了频率编码时的串扰风险. 虽然对位的化学位移变化更大,但邻位的对称结构提供了更多的19F信号和避免了信号串扰风险,在后续的实验中我们选择邻位双氟中间体分子作为研究对象进行进一步衍生得到目标探针Cy-F-cRGD. 当Cy-F-cRGD与NTR在溶液中孵育时,用红色表示未反应的底物19F信号,蓝色表示反应后的产物19F信号时,可以在溶液中观测到完整的酶响应过程. 清晰展示了信号从δF -121.40向δF -132.27的转换(图4(d)). 需要注意的是,活体成像中还可能出现由磁场非均匀性、组织效应或代谢分布导致的峰展宽或位移漂移,因此在向体内转化时应通过提高场强、优化激发带宽/选择性脉冲、以及在体内/体外系统评估峰分辨率与信噪比,以确保所选编码能在体内保持可分辨性.

图4

图4   19F频率编码成像. (a)邻位(δ1δ2)、间位(δ3δ4)和对位(δ5δ6)结构中间体纯样品的19F{1H} NMR谱图,中间体分子的浓度均为0.1 mmol/L,溶剂为2% DMSO + 98% H2O; (b)采样中心位δ1,采样带宽为5 400 Hz时δ1~δ6对应样品的溶液19F MRI; (c)采样带宽为1 000 Hz,激发频率设置为各样品中心时的19F MRI;(d) Cy-F-cRGD与NTR反应后随时间变化的19F MRI,激发中心分别设置为底物Cy-F-cRGD(δ1)和2,6-二氟苯胺(δ2)处. 所有溶液成像实验中探针浓度均为0.5 mmol/L,溶剂为5% DMSO + 95% H2O

Fig. 4   19F frequency-encoded imaging. (a) 19F{1H} NMR of pure intermediate molecule samples with ortho (δ1, δ2), meta (δ3, δ4), and para (δ5, δ6) substitution patterns. The concentration of intermediate molecules were 0.1 mmol/L, and the solvent were 2% DMSO + 98% H2O. (b) 19F MRI of samples δ1~δ6 acquired with the sampling center at δ1 and a bandwidth of 5 400 Hz. The sample concentration was 0.5 mmol/L. (c) 19F MRI acquired with a sampling bandwidth of 1 000 Hz and excitation frequencies set to the individual center frequencies of each sample. (d) Time-dependent 19F MRI of Cy-F-cRGD before and after reaction with NTR, with excitation centers set at δ1 (substrate Cy-F-cRGD) and δ2 (2,6-Difluoroaniline). In all solution imaging experiments, the concentration of probe was 0.5 mmol/L, with the solvent being 5% DMSO and 95% H2O


本研究成功地将19F NMR的化学位移差异转化为可视化的多色MRI信号,其核心机理在于显著的化学位移变化(ΔδF ≥ 10 ppm)足以在频谱上形成两个完全分离、互不干扰的信号峰. 邻位双氟探针的δF -121.40和δF -132.27两个信号峰间距达10 ppm,远大于通常的谱线宽度(约0.1~0.2 ppm),因此可以像调频收音机一样,被MRI扫描仪的不同频率通道准确识别并赋予截然不同的伪彩色. 此策略的优势在于:(1)高特异性,颜色的变化完全由NTR酶活性触发,非特异性背景信号不会产生颜色干扰;(2)可定量化,红色与蓝色信号的强度比值可直接反映酶反应的进程;(3)直观可视,无需复杂后处理即可通过颜色直接判断酶活性存在与否及其强度. 综上所述,显著的化学位移变化(ΔδF)是实现高效、可靠、多色19F MRI的先决条件. 本研究通过系统的构效关系分析,筛选出的邻位双氟结构的目标探针(Cy-F-cRGD)是实现这一目标的理想选择,为发展基于化学位移编码的智能MRI探针提供了新的设计思路和实验依据. 这种颜色的动态变化为直观地可视化和定量分析酶活性提供了可能.

2.4 靶向性与活体荧光实验

为明确验证cRGD肽介导的主动靶向作用,本研究选用了高表达整合素αvβ3的A549细胞构建荷瘤小鼠模型,并以PEG修饰探针(Cy-F-PEG)作为对照组. 从活体荧光成像的时序图中可以直观地看到两组探针在生物分布上的显著差异. 对于接cRGD的实验组,在注射探针后的2 h即可观察到肿瘤区域有荧光信号聚集,且随时间推移,该区域的荧光强度逐渐减弱,至24 h时,肿瘤区域仍可观察到一定的荧光信号(图5(a)). 反观接PEG的对照组,其荧光分布模式则截然不同. PEG修饰以其良好的“隐形”效应延长了探针的血液循环时间,但其分布主要依赖于增强的渗透性和滞留效应(EPR效应),这是一种被动靶向过程. 成像结果显示,PEG组探针在全身分布较为分散,在肿瘤区域的荧光信号强度较弱,且在整个观察时间窗内(2~24 h)未出现如实验组那般显著的增强变化. 这表明,仅凭被动靶向不足以实现探针在肿瘤部位的高效特异性聚集. 定量分析显示2 h实验组相比对照组肿瘤区域荧光增强了约60%(图5(b)),得益于cRGD肽能够特异性识别并高亲和力地结合于肿瘤血管及细胞表面过表达的整合素αvβ3,从而介导整个分子探针被更加高效地“滞留”在肿瘤组织内,实现了高效的靶向蓄积.

图5

图5   活体荧光成像与定量分析. (a) A549荷瘤小鼠经尾静脉注射Cy-F-cRGD(100 μmol/L,100 μL)或Cy-F-PEG(100 μmol/L,100 μL)后,在2、4、6、8、12和24 h进行体内荧光成像(λex = 710 nm,λem = 760 nm),红色虚线圈为肿瘤区域;(b)肿瘤区域内荧光强度的定量分析结果

Fig. 5   In vivo fluorescence imaging and quantitative analysis. (a) In vivo fluorescence images of A549 tumor-bearing mice at 2, 4, 6, 8, 12, and 24 h after intravenous injection of Cy-F-cRGD (100 μmol/L, 100 μL) or Cy-F-PEG (100 μmol/L, 100 μL) (λex = 710 nm, λem = 760 nm). Red dashed circles indicate tumor regions; (b) Quantitative analysis of fluorescence intensity in the tumor regions


3 结论

本研究成功设计并合成了一种新型的cRGD靶向、硝基还原酶(NTR)响应的半花菁-19F双模态分子探针Cy-F-cRGD. 本研究基于合理的分子工程策略,成功构建了集靶向、响应与信号报告于一体的智能探针. 探针结构中的三个功能单元协同作用:cRGD肽确保了对肿瘤标志物整合素αvβ3的高亲和力与特异性靶向;硝基芳香族化合物作为NTR的特异性响应单元,实现了疾病的精准识别;半花菁染料与19F原子则分别作为光学与磁共振信号报告基团,为多模态成像奠定了基础. 实验结果表明,该探针在NTR触发下表现出卓越的双信号响应特性. 在光学成像方面,探针响应后紫外吸收发生80 nm的红移,荧光强度增强约90倍,这种显著的“关-开”信号切换源于氨基甲酸酯断裂后半花菁共轭体系的恢复和分子内电荷转移(ICT)效应的改变. 在MRI方面,我们通过系统的含氟基团筛选,发现邻位双氟结构能产生较大的19F化学位移变化(ΔδF = 10.87 ppm),远优于间位、三氟甲基结构. 这一显著的化学位移变化使得基于化学位移编码的多色19F MRI成为可能,为复杂生物环境中酶活性的可视化与定量分析提供了独特优势. 我们提出了将氨基甲酸酯平台用于连接光学报告基团与磁共振报告基团的智能探针设计新策略,为双模态探针的开发提供了新途径. 该探针实现了对肿瘤微环境关键生物标志物NTR的高灵敏度、高特异性检测与成像,在肿瘤的早期诊断、边界界定及疗效评估方面具有广阔的转化前景.

附件材料(可在《波谱学杂志》官网 http://magres.wipm.ac.cn获取

图S1 中间体及其对照分子结构

图S2 化合物41H NMR谱图

图S3-S4 化合物51H NMR和13C NMR谱图

图S5-S7 化合物61H NMR、13C NMR和19F{1H} NMR谱图

图S8-S10 化合物Cy-F-cRGD的1H NMR、13C NMR和19F{1H} NMR谱图

图S11-S13 化合物Cy-F-PEG的1H NMR、13C NMR和19F{1H} NMR谱图

图S14-S16 化合物456的HRMS谱图

图S17 Cy-F-cRGD与NTR反应特异性选择实验

图S18 加入抑制剂双香豆素后Cy-F-cRGD与NTR反应的荧光光谱及其定量

图S19 Cy-F-cRGD与不同浓度NTR反应90 min后的19F{1H} NMR谱图

利益冲突

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The close interplay between thrombotic and immunologic processes plays an important physiological role in the immune defence after tissue injury and has the aim to reduce damage and to prevent the spread of invading pathogens. However, the uncontrolled or exaggerated activation of these processes can lead to pathological thromboinflammation. Thromboinflammation has been shown to worsen the outcome of cardiovascular, autoinflammatory, or even infectious diseases. Imaging of thromboinflammation is difficult because many clinically relevant imaging techniques can only visualize either inflammatory or thrombotic processes. One interesting option for the noninvasive imaging of thromboinflammation is multispectral 19F magnetic resonance imaging (MRI). Due to the large chemical shift range of the 19F atoms, it is possible to simultaneously visualize immune cells as well as thrombus components with specific 19F tracer that have individual spectral 19F signatures. Of note, the 19F signal can be easily quantified and a merging of the 19F datasets with the anatomical 1H MRI images enables precise anatomical localization. In this review, we briefly summarize the background of 19F MRI for inflammation imaging, active targeting approaches to visualize thrombi and specific immune cells, introduce studies about multispectral 19F MRI, and summarize one study that imaged thromboinflammation by multispectral 19F MRI.

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Many biomacromolecules are known to cluster in microdomains with specific subcellular localization. In the case of enzymes, this clustering greatly defines their biological functions. Nitroreductases are enzymes capable of reducing nitro groups to amines, and play a role in detoxification and pro-drug activation. Although nitroreductase activity has been detected in mammalian cells, the subcellular localization of this activity remains incompletely characterized. Here, we report a fluorescent probe that enables super-resolved imaging of pools of nitroreductase activity within mitochondria. This probe is activated sequentially by nitroreductases and light to give a photo-crosslinked adduct of active enzymes. In combination with a general photoactivatable marker of mitochondria, we performed two-color, three-dimensional, single-molecule localization microscopy. These experiments allowed us to image the sub-mitochondrial organization of microdomains of nitroreductase activity.© 2019 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

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Radiotherapy-induced prodrug activation provides an ideal solution to reduce the systemic toxicity of chemotherapy in cancer therapy, but the scope of the radiation-activated protecting groups is limited. Here we present that the well-established photoinduced electron transfer chemistry may pave the way for developing versatile radiation-removable protecting groups. Using a functional reporter assay, N-alkyl-4-picolinium (NAP) was identified as a caging group that efficiently responds to radiation by releasing a client molecule. When evaluated in a competition experiment, the NAP moiety is more efficient than other radiation-removable protecting groups discovered so far. Leveraging this property, we developed a NAP-derived carbamate linker that releases fluorophores and toxins on radiation, which we incorporated into antibody-drug conjugates (ADCs). These designed ADCs were active in living cells and tumour-bearing mice, highlighting the potential to use such a radiation-removable protecting group for the development of next-generation ADCs with improved stability and therapeutic effects.© 2024. The Author(s), under exclusive licence to Springer Nature Limited.

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A strategy for the conjugation of alcohol-containing payloads to antibodies has been developed and involves the methylene alkoxy carbamate (MAC) self-immolative unit. A series of MAC β-glucuronide model constructs were prepared to evaluate stability and enzymatic release, and the results demonstrated high stability at physiological pH in a substitution-dependent manner. All the MAC model compounds efficiently released alcohol drug surrogates under the action of β-glucuronidase. To assess the MAC technology for ADCs, the potent microtubule-disrupting agent auristatin E (AE) was incorporated through the norephedrine alcohol. Conjugation of the MAC β-glucuronide AE drug linker to the anti-CD30 antibody cAC10, and an IgG control antibody, gave potent and immunologically specific activities in vitro and in vivo. These studies validate the MAC self-immolative unit for alcohol-containing payloads within ADCs, a class that has not been widely exploited.© 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

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Antibody-drug conjugates consist of potent small-molecule payloads linked to a targeting antibody. Payloads must possess a viable functional group by which a linker for conjugation can be attached. Linker-attachment options remain limited for the connection to payloads via hydroxyl groups. A releasing group based on 2-aminopyridine was developed to enable stable attachment of -aminobenzyl carbamate (PABC) linkers to the C21-hydroxyl group of budesonide, a glucocorticoid receptor agonist. Payload release involves a cascade of two self-immolative events that are initiated by the protease-mediated cleavage of the dipeptide-PABC bond. Budesonide release rates were determined for a series of payload-linker intermediates in buffered solution at pH 7.4 and 5.4, leading to the identification of 2-aminopyridine as the preferred releasing group. Addition of a poly(ethylene glycol) group improved linker hydrophilicity, thereby providing CD19-budesonide ADCs with suitable properties. demonstrated targeted delivery of budesonide to CD19-expressing cells and inhibited B-cell activation in mice.

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