作者为Qi Wang、Qiwen Sun、Mingxuan Wang等，通讯作者为Jiabin Cui、Xiaomei Wang和Juan Diwu，研究单位主要为苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室等。该研究发表于 *Analytical Chemistry*，接收日期为2026年5月14日。
本研究的核心科学问题是如何在活体系统中快速、准确地检测铀酰离子（uranyl ion）。铀是核燃料的主要成分，人体摄入后会对肾脏、肝脏和骨骼等造成急性和慢性损伤，且在血液中转移迅速、在器官中滞留时间长。因此，在核应急医学中，快速评估体内铀污染水平对于及时诊断和治疗至关重要。然而，传统铀分析方法如原子吸收光谱、X射线荧光光谱和电感耦合等离子体原子发射光谱等虽然精密，但样品前处理复杂、耗时长，无法实时反映铀在活体中的动态分布。已有的荧光探针大多适用于环境样品检测，在生物体内应用时受到毒性、选择性和组织穿透能力的限制。针对这些不足，本研究旨在开发一种基于近红外（near-infrared, NIR）荧光增强机制的高灵敏铀酰探针，以实现活细胞和活体动物中铀的快速检测。
研究工作的整体流程包括探针设计合成、光学性质表征、理论计算、细胞水平检测和活体成像等若干环节。首先，作者设计了探针NRHB-AO。其分子结构在经典罗丹明骨架基础上进行了双重改造：一方面引入偕胺肟基团（amidoxime group）以提高对铀酰离子的选择性，另一方面引入半菁骨架（hemicyanine backbone）将荧光发射波长红移至近红外区域，增强组织穿透能力。探针的合成通过缩合环化、酰胺化环化和偕胺肟化等步骤完成，并通过核磁共振氢谱、碳谱和液相色谱-质谱联用确认了分子结构和纯度。稳定性实验显示NRHB-AO在1天内保持稳定，满足生物成像检测的需求。随后，作者系统考察了NRHB-AO对铀酰离子的光学响应。在紫外-可见吸收光谱实验中，随着铀酰浓度从0增加到100 μM，探针在722 nm处的吸收逐步增强，最大增加54.5倍，并伴随由无色到绿色的裸眼可见颜色变化。在荧光实验中，铀酰加入后NRHB-AO在750 nm处出现显著荧光增强，最大增强倍数为71.5倍。荧光响应在2分钟内达到稳定，并可维持5小时以上。选择性实验表明，在Cu²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺等常见金属离子存在下，探针荧光几乎不变，仅对UO₂²⁺表现出明显增强。Job’s plot分析表明NRHB-AO与铀酰形成1:1配合物。作者还利用密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算了NRHB-AO及其铀酰配合物的前线轨道能量和静电势。计算结果显示，NRHB-AO闭环形式的HOMO和LUMO能级分别为−4.9 eV和−1.7 eV；与铀酰结合后，HOMO和LUMO能级变为−4.4 eV和−2.7 eV，能隙减小，且与开环形式NRHB的轨道能级接近。这表明铀酰与羰基和偕胺肟基团的螯合诱导了罗丹明骨架中螺内酰胺环的打开，使探针从非荧光闭环形式转变为强荧光开环形式。
在细胞水平实验中，作者使用大鼠肾近端小管上皮细胞（NRK-52E）作为研究对象。CCK-8细胞毒性实验显示NRHB-AO在3.1–100 μM范围内呈浓度依赖性细胞毒性，在100 μM时细胞存活率降至56%，因此选择12.5 μM作为后续实验浓度。在共聚焦显微镜成像中，对照组细胞仅与NRHB-AO孵育时未观察到荧光，而先用6.2 μM或12.5 μM铀酰预处理30分钟再与12.5 μM NRHB-AO孵育10分钟的细胞出现明显红色荧光，且荧光强度随铀浓度增加而增强。流式细胞术进一步用于定量分析细胞内铀水平。NRK-52E细胞先分别用0、25、50、75和100 μM铀酰处理30分钟，再与12.5 μM NRHB-AO孵育5分钟后收集检测。结果显示，与对照组相比，25、50、75和100 μM铀处理组的平均荧光强度分别增加约1.31倍、1.43倍、1.65倍和1.90倍，并且细胞内铀浓度与荧光强度之间建立良好的线性关系（r² = 0.9802），实现了铀酰的定量检测。
在活体成像实验中，作者以BALB/c-nu雌性小鼠为研究对象。首先通过尾静脉注射NRHB的结构类似物NRHB（探针激活后的荧光形式）来研究探针的体内代谢。在注射后0–24小时内不同时间点收集肝脏、脾脏、肺和肾脏进行离体荧光成像，结果显示探针主要蓄积于肝脏和肾脏，并在24小时内经肝和肾途径清除。在后续铀检测实验中，实验组小鼠先尾静脉注射NRHB-AO（100 μM，0.2 mL），15分钟后再注射铀溶液（2 mg/kg），对照组仅注射等体积生理盐水。再经过15分钟后进行活体成像。结果显示，实验组小鼠肾脏区域的荧光信号明显增强，定量分析表明实验组肾脏荧光强度为对照组的约1.7倍。脏器离体成像也证实肾脏是铀的主要沉积器官，其荧光增强约为1.7倍，而肝脏和脾脏的荧光水平在两组间保持稳定。体内毒性评价通过H&E染色切片进行，在注射NRHB-AO后30分钟和24小时的小鼠心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏中均未观察到明显的炎症、细胞坏死或结构异常，证明该探针在动物实验中具有较低的毒性和良好的生物相容性。
本研究的结论是，NRHB-AO是一种基于螺内酰胺开环机制的近红外荧光增强型探针，能够对铀酰离子实现高选择性和高灵敏度检测。偕胺肟基团赋予探针良好的铀酰选择性，半菁骨架使荧光发射位于近红外区，有助于组织穿透。铀酰与羰基/偕胺肟基团的螯合诱导螺内酰胺开环，形成1:1配合物，从而产生最高71.5倍的荧光增强。该探针在NRK-52E细胞中实现了铀酰的快速定量检测，并在小鼠肾脏中观察到约1.7倍的活体荧光信号增强。该研究表明，通过将放射性核素特异性结合基团与荧光探针结合，是开发活体污染监测探针的有效策略，对核应急响应、环境毒理学和医学诊断具有重要应用价值。
本研究的亮点主要体现在三个方面：首先，探针NRHB-AO将偕胺肟基团的高选择性和半菁骨架的近红外发射特性相结合，解决了传统罗丹明探针组织穿透差以及已有分子探针选择性不足的问题；其次，该探针实现了细胞内铀酰的定量检测，流式细胞术结果表明荧光强度与铀浓度之间存在良好的线性关系，这是以往探针所不具备的能力；第三，活体成像实验证实了该探针能够在肾脏这一铀的主要沉积器官中产生快速荧光增强，展示了其在核应急医学中实时体内铀监测的应用潜力。此外，DFT计算与Job’s plot实验共同揭示了铀酰诱导的螺内酰胺开环机制，为理解探针的响应本质提供了理论支持。