一种用于同时检测环境中有毒肼和光气的串联方法

《Analytica Chimica Acta》：A Tandem Approach for Simultaneous Detection of Toxic Hydrazine and Phosgene in the Environment

荧光探针FBTZ通过ESIPT机制实现水华剂和光气选择性检测，检测限分别为5.1 nM和0.49 μM，具有快速响应和环境适用性，适用于土壤及活细胞成像分析。

　　

Natarajan Vijay | Gopal Balamurugan | Thirumalaivasan Natesan | Kenkera Rayappa Naveen | Tae Hwan Oh

印度哈里亚纳邦Sonipat市Kundli的国立食品技术及创业管理研究所跨学科科学系，邮编131028

摘要：

背景

有毒化学物质的不当工业处理对生态系统构成威胁，尤其是用于塑料、农药和聚合物中的肼，其暴露限值为1 ppm；光气是一种快速作用的有毒气体，会导致肺水肿。虽然存在用于选择性实时检测单一毒素的荧光传感器，但同时检测肼和光气的报道尚无。我们强调需要一个具有双重功能的荧光传感平台，以便快速、选择性地在现场监测这些共存的环境危害。

结果

基于激发态质子转移（ESIPT）的亮荧光噻唑探针——甲酰苯并噻唑（FBTZ），对肼和光气具有敏感的响应，检测限分别为5.1 nM和0.49 μM。这种选择性和敏感性以及快速的响应使其成为通过荧光喷雾和纸条测试监测环境中这些有毒化学污染物的潜在候选者。该探针的有效性使其能够在活体系统中通过荧光显微镜成像微量的肼和光气。

意义

“单一钥匙开多把锁”的策略在复杂系统中检测多种分析物时具有成本效益且节省时间。在这里，我们描述了一种串联激活的荧光探针，可以快速检测有毒的肼和光气，并具有明显的荧光变化。据我们所知，这是首个基于串联方法检测肼和光气的荧光探针。其选择性和敏感性以及快速的响应使其成为监测环境中有毒化学污染物的潜在候选者。

引言

肼是一种高反应性的碱，主要因其高易燃性而被用作火箭推进剂[1] [2]。它也被世界卫生组织列入危险化学品清单2中，以保障人类健康和安全[3]。由于肼在制药、塑料和农药行业的广泛应用，它在我们的日常生活中起着关键作用。这也增加了它从工业废物进入饮用水和土壤的可能性，从而对自然资源和环境造成严重的化学污染风险。美国环境保护署[4] [5]和世界卫生组织为了人类健康，将肼的阈值限值定为10 ppb[4] [5]。 另一方面，光气是二战期间使用的主要化学武器之一，造成了大量平民和士兵的死亡。它是一种无色无味的气体，能与乙酰胆碱酯酶迅速反应并导致肺水肿[3]。它还作为潜在的原料用于制造塑料、农药和聚合物。它对公众和人类构成严重危害，因此在短时间内暴露就可能造成严重健康影响。为了确保安全健康的工作环境，监测工作场所和周围环境中这些有毒化学物质的存在非常重要。根据现有研究，已经开发了许多使用色谱和光谱技术来检测这些急性化学物质的方法[6] [7] [8] [9]，但这些方法需要复杂的仪器、长时间的样品制备和经验丰富的分析师操作，并且检测耗时较长。为了替代这些繁琐的程序，人们开发了基于比色和荧光响应的检测技术[10] [11] [12]，以有效检测有毒化学物质。最近，基于不同荧光团（如香豆素[13] [14] [15] [16]、萘[17]、三苯胺[18]、二氰异佛尔酮[19] [20]、诺博尔烯[21]、萘酰亚胺[22] [23]和吩噻嗪[24]）开发了许多荧光探针来检测肼。为了与高反应性的肼产生显著的比色和荧光变化，人们在荧光团中引入了不同的反应位点，构建了新的传感系统。这些系统可以分为几类：a) 与醛和酮的缩合反应[25] [26]，b) 二氰基[27]或单氰基[28] [29]基团，c) 1,3-茚二酮[30]，d) 巴比妥酸或硫代巴比妥酸[31]，e) 酯或酰胺的肼解[32] [33] [34]。另一方面，光气的高反应性使其能与羟基或氨基反应形成酯或酰胺。研究人员为检测光气做出了许多努力，开发了比色和荧光探针[35] [36] [37] [38] [39] [40] [41]。这些探针的设计包含两个相邻的亲核基团，可以作为与光气反应的位点，包括二胺[42] [43] [44] [45]、乙醇胺[46] [47] [48] [49]、酰胺[50]、儿茶酚[51]和咪唑衍生物[52] [53]，从而实现对其他酸性氯化物的选择性响应。 C. Zeng及其同事报道了一种简单有效的荧光探针，可用于准确检测实际环境样品中的肼[17]。他们设计了基于萘的探针，用于在水溶液中选择性和敏感地检测肼。还制备了便携式纸条，可以通过手机在现场检测肼。最后，该探针在水中、土壤、植物和斑马鱼胚胎等各种环境样品中检测到肼的潜力得到了验证。2024年，Z. Shang等人设计了一种基于萘酰亚胺-三苯胺骨架的高荧光探针，可用于在实际水样中检测微摩尔级别的肼[22]。ICT的抑制会引发快速的荧光“关闭”响应。Y. Yang等人报道了一种基于萘酰亚胺的荧光探针，可用于检测溶液和气相中的光气，气相中的检测限为1 ppm[54]。O-苯二胺基团与光气反应迅速，通过分子内环化反应引发快速的荧光变化。浸渍有该探针的纸条可实现实时检测气相中的肼。2023年，S. Shao及其同事开发了一种具有较大斯托克位移（139 nm）的新型比率荧光探针，用于敏感检测光气[55]。使用苯并血红素骨架作为荧光团，并以氨基醇作为识别单元，用于选择性地检测光气。该探针在光气处理后荧光增强400倍，检测限为0.12 ppm。浸渍有该探针的测试条可在实时检测应用中对光气蒸汽产生选择性的荧光变化。有一些报告描述了通过特定分子设计区分两种分析物的方法[56] [57] [58] [59] [60] [61] [62]。

除了最近报道的荧光探针的优点外，还有空间开发更智能、更有效的下一代荧光传感器，以便实际应用中检测这些有毒分析物。为了实现这两种分析物的实时可靠检测，我们设计了一种新型荧光系统，能够以不同的荧光变化来检测它们。据我们所知，目前还没有基于串联方法检测肼和光气的报道。在这里，我们开发了一种简单有效的串联激活系统，可以检测肼和光气，并具有明显的荧光变化[图1]。这种亮荧光探针与肼迅速反应，引起可见光波长的蓝移。与肼反应后形成的新荧光产物具有两个相邻的亲核位点，可以与其他活性酸性氯化物反应。光气通过与羟基或氨基团反应形成新的荧光产物，通过分子内环化产生红色发射。使用了一种结晶稳定的三光气替代品，易于储存和运输，并在常见的光气反应中证明是有用的[63]。这两种不同的分析物在串联添加时会产生不同的发射，荧光变化在紫外光下可见。这有效地用于通过荧光条和喷雾应用检测我们周围环境中这些有毒化学物质的微量存在。最后，还检验了该探针在荧光显微镜下可视化活细胞中这些有毒分析物痕迹的潜力。

化学物质和仪器

本研究使用的化学物质均从商业供应商处获得，无需额外纯化。整个水相实验过程中使用了双蒸水（DD水）。使用Bruker 600 MHz（¹H）和150 MHz（¹³C）磁共振波谱仪（Bruker 600 MHz和150 MHz），通过将样品溶解在CDCl₃溶剂中获取¹H和¹³C NMR光谱。详细的光物理实验使用Microdigital Ubi-600和RF-5301PC光谱仪进行吸收和发射研究。

分子设计策略

我们设计了一种系统，通过串联传感方法提供不同的荧光响应来检测两种不同的分析物。为此，分子设计了亲核加成的反应位点和诱导快速荧光变化的荧光团。简单的Duff-形式酰化反应在两步反应中以良好的产率生成所需产物。设计的分子在分子内部发生激发态质子转移（ESIPT）。

结论

总之，我们首次开发了一种串联激活的荧光探针，用于检测肼和光气。所报道的分子在精确选择性和快速响应方面表现出极佳的性能。该探针对肼和光气也具有敏感的响应，检测限分别为5.1 nM和0.49 μM。它有可能用于制作基于纸张的测试试剂盒，以实现快速简便地检测肼和光气。

CRediT作者贡献声明

Kenkera Rayappa Naveen： 数据管理、形式分析、软件、撰写-审稿与编辑。 Vijay N： 撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、方法学、数据管理、概念化。 Gopal Balamurugan： 撰写-审稿与编辑、软件、资源管理、数据管理。 Tae Hwan Oh： 撰写-审稿与编辑、监督、资源管理、资金获取。 Natesan Thirumalaivasan： 撰写-审稿与编辑、资源管理、概念化。

未引用的参考文献

[64]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据将根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度Kundli的国立食品技术及创业管理研究所提供的研究设施（NIFTEM-K出版编号：NIFTEM-P-2025-134）。作者还感谢延世大学（Yeungnam University）的天然产物和医用材料核心研究中心（CRCNM），以及韩国政府（MSIT韩国国家研究基金会（编号2022R1A2C1004283）的支持。