一种基于苯并噻唑的荧光化学传感器，用于在环境和生物系统中选择性检测Hg2+离子，并具有理论支持

本研究的合成了一种新型苯并噻唑啉基席夫碱化学传感器BTAE，其在80%水溶液中表现出对Hg2?的高选择性和灵敏度（检测限7.16×10?1? M），通过UV-Vis、荧光、FT-IR、1H NMR及HR-MS光谱证实1:1结合 stoichiometry。BTAE兼具颜色变化（蓝→无色）和荧光淬灭，并成功应用于纸张基、氧化铝板传感器及乳腺癌细胞实时检测，克服传统方法耗时、昂贵、不便携的缺点。

　　

Kruba Karthiyayani Chandran|Karthikeyan Natesan Sundaramurthy|Ravichandran Cingaram

印度金奈Easwari工程学院化学系，邮编600 089

摘要

由于阳离子物种在生物系统和环境污染中的重要作用，其选择性检测在分析化学中仍是一个重要挑战。在本研究中，合成了一种含有Schiff碱的苯并噻唑类化学传感器BTAE，并对其结构进行了表征。为了实现选择性检测，通过UV–Vis和FL响应以及FT-IR、¹H NMR和HR-MS光谱数据研究了其阳离子结合亲和力。结果表明，该传感器BTAE在混合水介质（80% H₂O）中对Hg²⁺离子表现出优异的选择性和灵敏度，这一点通过动态光散射（DLS）分析得到了验证。从蓝色到无色的明显颜色变化以及FL信号的淬灭现象，以及7.16?×?10^?10?M的检测限，证实了BTAE与Hg²⁺离子之间为1:1的结合 stoichiometry比。与Hg²⁺结合后，由于分子内电荷转移（ICT）的抑制，发生了螯合增强荧光淬灭（CHEQ）现象，这一过程通过FL滴定、¹H NMR滴定、pH稳定性和响应动力学研究得到了验证。此外，BTAE还表现出可逆的INHIBIT逻辑门行为，理论计算也支持了这种结合作用。该探针BTAE在固态检测、纸质传感器和氧化铝板传感器中具有很强的应用潜力，并且适用于环境水样、氨基酸系统的检测以及活细胞中Hg²⁺离子的实时监测。

引言

随着对工业和人为来源的重金属离子污染问题的日益关注，开发用于传感应用的离子受体变得越来越重要。特别是汞（Hg），作为一种普遍存在的最危险的重金属污染物，由于其天然存在于地壳中的硫化汞形式、高毒性、不可生物降解性和生物累积性，即使在微量水平下也会对人类健康和生态系统构成严重威胁[1]、[2]、[3]。因此，美国有毒物质和疾病登记署（ATSDR）和世界卫生组织（WHO）将其列为三大有毒化学物质之一[2]。二价汞离子（Hg²⁺）具有极强的反应性，能够通过与蛋白质中的功能基团结合（顺序为S > N > O）干扰生物过程，导致氧化应激和不可逆的细胞损伤[1]、[2]、[3]。由于Hg²⁺对含有巯基的生物分子和蛋白质活性位点具有很强的亲和力，它会干扰酶的活性，改变细胞的氧化还原平衡并导致氧化应激和细胞损伤。长期暴露于汞会导致神经毒性、肾毒性和免疫毒性，并可能对神经系统、肾脏系统、心血管系统和免疫系统造成严重损害。汞优先在肾脏和神经组织等器官中积累，干扰线粒体功能和核糖体形成，从而导致器官损伤。即使在低浓度下，它也会引起头痛、视力问题和肌肉无力等症状。由于其不可生物降解性和广泛的工业排放，在水和生物系统中检测超痕量水平的Hg²⁺至关重要。因此，需要在多个生物尺度上有效监测Hg²⁺，以便将分子结合现象与器官损伤、食物链生物累积、环境危害和公共卫生联系起来，这需要高度敏感和选择性的检测技术[4]、[5]、[6]、[7]。传统的分析技术如原子吸收/发射光谱法（AAS/AES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、冷蒸气原子荧光光谱法（CV-AFS）和色谱法能够提供出色的Hg²⁺灵敏度和物种鉴定能力。然而，这些方法通常耗时较长，需要昂贵的仪器，样品制备繁琐，不便于携带，且需要熟练的操作人员，不适合现场分析[8]、[9]、[10]。相比之下，光学化学传感器（比色和荧光基）提供了一种快速、低成本、便携的替代方案，可以通过可见光变化实现实时和现场检测[11]、[12]、[13]。近年来，利用罗丹明衍生物、香豆素或杯芳烃骨架、吡唑啉衍生物、Schiff碱受体和适配体功能化的纳米材料开发了一系列Hg²⁺化学传感器，在复杂基质中表现出高选择性和灵敏度。其中，Schiff碱化合物因其易于合成、结构多样性、可调的光物理性质以及对过渡金属离子的强配位亲和力而成为比色和荧光传感器的优秀平台[8]、[11]、[14]、[15]。许多先前报道的Schiff碱化学传感器存在水溶性差、背景荧光强且依赖有机溶剂的问题，限制了其在水环境中的应用[16]。在本研究中，我们报道了一种新型的Schiff碱苯并噻唑衍生物化学传感器2,2′-(4-(benzo[d]thiazol-2-yl) phenyl) azanediyl bis (ethane-2,1-diyl) bis (sulfanediyl) bis (ethan-1-ol) [BTAE]探针，该探针在高度水基介质（约80% H?O）中表现出优异的性能，并在与Hg²⁺结合时通过比色和荧光响应实现双重光学检测。重要的是，Schiff碱中的供体原子（O, S）与软Lewis酸Hg²⁺离子形成了强配位，从而提高了选择性。针对这一全球性问题，美国环境保护署（EPA）和WHO将饮用水中的汞安全限定为0.006?mg/L[11]、[12]、[13]、[14]。由于Hg²⁺的相对论性质，其电子抽取能力增强，与硫、氧和氮等软供体形成了强配位。当与ICT型荧光团结合时，这种显著的电子抽取作用可以阻止非辐射衰减，增加荧光（CHEF），或者开启新的电荷转移路径，导致荧光淬灭（CHEQ）。由于Hg²⁺的重原子特性和强的自旋-轨道耦合，主要促进荧光淬灭，使得CHEQ成为主要响应。因此，Hg²⁺在ICT基探针中的结合会导致发射强度和波长的显著变化[17]、[18]。BTAE化学传感器的检测限远低于安全限，证实了其优于先前报道的分子。使用质子核磁共振（¹H NMR）滴定、高分辨率质谱（HR-MS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见光谱仪（UV–Vis）、荧光（FL）光谱仪、FL滴定和结合 stoichiometry研究了BTAE对Hg²⁺离子的传感机制。此外，还进行了密度泛函理论（DFT）计算、动力学响应、pH稳定性和可逆分子逻辑门（INHIBIT）研究，以理论探讨汞离子与BTAE的选择性相互作用和结合模式[15]。作为我们研究的延续，我们开发了纸质和硅胶涂层的氧化铝板化学传感器，以提高实际应用性、实时选择性和便捷性，实现了Hg²⁺离子的比色检测，并在液态和固态传感应用中表现出良好性能。此外，通过乳腺癌细胞（MCF-7）中的荧光成像证实了BTAE的生物相容性，支持其在细胞内实时检测Hg²⁺及其在氨基酸系统中的应用。

化学物质和测量方法

本研究中使用的所有溶剂、化学物质和金属盐（氯化物/亚硝酸盐）均为分析级，购自Hyma、SD Fine Chemicals、TCI和Sigma-Aldrich。所有实验均使用新鲜制备的去离子（DI）水。薄层色谱（TLC）在Merck Silica Gel 60?F211154板上进行，以监测反应进度。FT-IR光谱使用JASCO-4100光谱仪测量，而¹H和¹³C NMR光谱使用Bruker 400?MHz仪器记录。

对阳离子的选择性

基于苯并噻唑的荧光探针BTAE的光物理行为表现出独特的双模式光学响应，通过UV–Vis和FL光谱分析进行了表征。随着水含量的增加（图5S），观察到从420?nm（3370 a. u.）到436?nm（2854 a. u.）的明显浴色位移和FL强度的降低。值得注意的是，在80% H₂O体系中（432?nm, 3240 a. u.），由于氢键增强引起的激发态稳定，表现出最佳的极性溶剂化效应。

结论

总结来说，成功合成了一种基于苯并噻唑的Schiff碱探针BTAE，其对Hg²⁺离子表现出高度选择性的比色和荧光传感响应，且没有其他金属离子的明显干扰。在80%的水-乙腈介质中，探针BTAE从蓝色变为无色，并显示出明显的“关闭”FL响应。其检测限达到了非常低的7.16?×?10^?10?M，远低于WHO规定的安全限。

CRediT作者贡献声明

Kruba Karthiyayani Chandran：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析。Karthikeyan Natesan Sundaramurthy：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、概念构思。Ravichandran Cingaram：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。

未引用参考文献

[23], [33]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

N. S. Karthikeyan感谢DST – SERB青年科学家计划项目（参考编号SB/FT/CS-067/2013）、印度原子能监管委员会（Atomic Energy Regulatory Board）批准CSRP项目（参考编号AERB/CSRP/PROJ.No.65/06/2017），以及印度科学技术部（Department of Science and Technology）的FIST计划提供的资助（SR/FIST/college-110/2017）。