基于 Schiff 基团的荧光探针，用于快速现场检测溶液和蒸汽中的神经毒剂模拟物

《Microchemical Journal》：Schiff base-based turn-on fluorescent probe for rapid on-site detection of nerve agent simulants in solution and vapor

敌敌畏（DCP）检测荧光探针CDT开发及其机制验证。通过Schiff碱结构实现DCP特异性诱导的C=N键断裂，导致ICT荧光增强22倍，检测限24 nM。采用HPLC双平台验证和DFT计算确证反应机理，并成功应用于湿度20%-80%环境及复杂食品基质（大米、大豆等）的DCP快速定量检测。

　　

作者：文欣、江涛、刘天欣、赵波、徐雄豪、郑贤顺、范春华、孙一强、尹俊勇、卢正良

中国山东省济南市济南大学化学与化学工程学院，邮编250022

摘要

神经毒剂对公共环境和食品安全构成严重威胁。为了实现神经毒剂模拟物的可靠和准确检测，我们开发了一种基于Schiff碱的荧光探针CDT，该探针含有4-氨基邻苯二甲酰亚胺荧光团和一个C=N识别位点，可用于气相和液相中二乙基氯磷酸酯（DCP）的检测。在372 nm的激发光下，CDT的荧光强度增加了22倍，检出限（LOD）低至24 nM。通过时间分辨高效液相色谱（HPLC）监测、¹H NMR、质谱以及密度泛函理论（DFT）/拓扑密度泛函理论（TD-DFT）计算，证实了C=N的断裂机制。通过独立的HPLC交叉验证，证明了该探针的高分析灵敏度。此外，这种便携式的定量检测平台能够在20%–80%的相对湿度（RH）范围内实现快速且稳定的定量分析。CDT还成功检测了复杂食品基质（大米、大豆和豆芽）中的DCP残留物。这种高对比度信号传导、严格的双平台验证以及良好的环境适应性，凸显了CDT在现实场景中用于可靠现场神经毒剂检测的巨大潜力。

引言

极具毒性的神经毒剂，如梭曼（Soman）、沙林（Sarin）和塔崩（Tabun），曾被用作恐怖袭击中的化学武器，对国家安全和公共安全构成严重威胁[1]。神经毒剂可通过皮肤、呼吸等方式进入人体，并与体内的乙酰胆碱酯酶发生不可逆的磷酸化反应，从而导致器官衰竭甚至危及生命[2]。以往用于战争的化学神经毒剂可在几分钟内引发瘫痪和死亡[2][3]。因此，开发一种可靠、高灵敏度和选择性的检测方法仍是一个关键且持续的挑战。

目前已有多种检测神经毒剂的技术，包括酶测定[4]、离子迁移谱[5]、气相色谱[6]、高效液相色谱[7]、光纤阵列[8]、质谱[8]和电化学[9]。相比这些技术，荧光检测因其可视化、低成本、优异的选择性、高灵敏度、便携性以及适用于现场检测等优点而受到广泛关注（相关文献见表S1[10][11][12][13][14][15][16][17]。由于神经毒剂的极高毒性，其使用受到严格监管，而DCP因其易于获取和处理且保留了关键的有机磷结构（P=O基团）[18]，常被选为沙林的模拟物。需要注意的是，DCP对湿度敏感，因此气相测量会受到湿度的影响。然而，大多数现有研究未评估传感器在不同湿度条件下的性能，这严重限制了其在实际环境中的分析可靠性[19]。迄今为止，已有大量关于DCP的可靠荧光探针的研究[20][21][22][23][24][25][26]。各种荧光团，如三苯胺染料、喹啉衍生物[27]、BODIPY染料[28][29]、罗丹明染料、Schiff碱[30]、聚合物[31][32]和苯并噻唑衍生物[34]，都被用于设计DCP荧光探针。基于Schiff碱的荧光探针因其可调的高稳定性、快速响应特性和易于合成而受到广泛关注。例如，李及其团队合成了含有喹啉-2-酮单元和苯乙烯-吡啶结构的比色荧光传感器[35]；张及其团队合成了基于o-苯二胺连接的丹磺酰氯的显色荧光传感器，能够在气相和液相中比色检测DCP[36]。然而，许多报道的荧光传感器仍存在一些局限性，如合成步骤复杂、选择性低、检测成本高、响应时间慢、便携性差或灵敏度低[37][38][39]。一些DCP探针需要使用三乙胺和DMAP（4-二甲基氨基吡啶）等添加剂，这增加了实验复杂性[40]。此外，当前探针设计往往更注重复杂的多步骤合成而非分析的严谨性。许多报道的传感器仅限于定性分析，缺乏分子层面的直接机制验证和与分析仪器的独立交叉验证[41][42]。因此，目前许多DCP检测方法缺乏定量能力，导致实验室研究与实际应用之间存在显著差距。为了有效应用于现场，理想的检测平台不仅需要产生非专家也能识别的明显信号，还需要在指定校准范围内实现精确定量，并具备对环境干扰（尤其是高湿度）的强抗性。将高对比度信号探针整合到实时定量检测系统中，并通过双平台验证和环境适应性测试，对于弥合基础研究与实际应用之间的差距至关重要[43]。此外，评估传感器在多种农产品（如大米、大豆和豆芽）中的性能对于验证其对复杂食品基质的抵抗能力至关重要，这是实际食品安全监测中经常被忽视的关键要求。因此，开发一种快速、灵敏且合成方便的荧光传感器，并通过严格的分析验证，对于实现DCP的现场定量检测至关重要。

为了解决这些问题，我们开发了一种基于Schiff碱的荧光探针CDT，通过4-氨基邻苯二甲酰亚胺和4-吡啶甲醛的缩合反应制备。与传统检测机制不同，DCP通过分子内电荷转移（ICT）机制诱导探针中C=N键的断裂，这一过程通过时间分辨HPLC监测、¹H NMR、质谱和DFT/TD-DFT计算得到了验证。与DCP反应后，CDT的荧光寿命和量子产率显著增加，这与增强的ICT过程一致。其高选择性主要归因于DCP中氯（P=Cl）离去基团的优良能力，该离去基团促进了亲核取代并引发了C=N键的断裂。CDT在372 nm激发光下发出475 nm的弱蓝光，荧光强度增加了22倍，检出限低至24 nM。我们通过独立的HPLC交叉验证对荧光滴定进行了校准。此外，还开发了一种基于CDT的便携式检测平台，能够在低DCP浓度（5–25 ppm）和20%–80%的相对湿度条件下准确检测DCP。通过在大米、大豆和豆芽等复杂农业基质中快速检测DCP残留物，进一步证明了CDT

CDT的合成

CDT是通过一步反应合成的，该方法参考了先前的报道[44]。将4-氨基邻苯二甲酰亚胺（50 mg，0.31 mmol）、4-吡啶甲醛（39.6 mg，0.37 mmol）和乙酸（AcOH，104.9 mg，1.75 mmol）加入甲醇（4.0 g，0.12 mol）中，在60°C下回流6小时。冷却后，通过过滤收集固体，并用热甲醇洗涤三次，得到白色固体CDT（61.8 mg，产率80%）。HPLC分析显示CDT的纯度为95.2%。

CDT的设计与合成

在复杂环境中精确检测DCP需要一种具有高光稳定性和优异信噪比的探针。虽然4-氨基邻苯二甲酰亚胺（4-AP）是一种稳健的荧光团，但其实际应用常受背景干扰的限制[45]。为克服这一问题，我们采用了一种新的调控策略，通过Schiff碱连接引入了低供电子能力的4-吡啶甲醛结构。Schiff碱为探针构建提供了良好的框架。

结论

总结来说，我们成功开发了一种基于Schiff碱的荧光探针CDT，可用于视觉和快速检测神经毒剂模拟物DCP。与DCP反应后，CDT在484 nm处的荧光强度增加了22倍，检出限低至24 nM，这一现象得益于C=N键的特异性断裂以及随后的ICT过程恢复。这一检测机制通过时间分辨HPLC监测、¹H NMR和质谱得到了验证。

CRediT作者贡献声明

文欣：撰写初稿、数据整理。 江涛：验证工作。 刘天欣：软件开发。 赵波：形式分析。 徐雄豪：软件开发。 郑贤顺：撰写、审稿与编辑、资金争取。 范春华：撰写、审稿与编辑、资金争取。 孙一强：撰写、审稿与编辑、验证工作。 尹俊勇：撰写、审稿与编辑、资金争取。 卢正良：撰写、审稿与编辑、撰写初稿、资金争取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（ZR2023MF054）和济南大学研究项目的资助。J.Y.感谢韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）项目（项目编号：2022R1A2C3005420）的支持。