一种具有双态发射和激发态分子内质子转移活性的有机发光体用于手性氨基醇的“开启式”对映选择性识别及选择性肼检测

《Sensors & Diagnostics》：A DSE–ESIPT-active organic luminogen for “turn-on” enantioselective recognition of chiral amino alcohols and selective hydrazine sensing

本文报道了一种新型的双态发射（DSE）有机发光体ANMB，它集成了激发态分子内质子转移（ESIPT）机制。该材料在溶液和固态下均展现出巨大的斯托克斯位移，并能与Cu2+配位导致荧光淬灭。基于此，ANMB实现了对手性氨基醇的“开启式”对映选择性荧光传感（S-对映体为单峰，R-对映体为双峰）以及对肼（NH2NH2）的高选择性检测，使荧光从绿色切换为蓝色。此外，研究还通过分子对接揭示了其潜在的抗腹泻活性，并通过活体植物成像展示了其实际应用潜力。这项工作凸显了DSE-ESIPT有机发光体在分析检测和潜在生物医学应用中的多功能性与可调性。

　　

引言

有机发光分子因其光学信号能对外部刺激（如特定底物或环境物理参数变化）产生响应而备受关注。传统有机荧光团面临在固态下因聚集导致淬灭（ACQ）或在固态下因分子转子运动受限而诱导发光（AIE）的局限。双态发射（DSE）有机荧光团则能在溶液和固态下均保持发光，弥合了ACQ与AIE之间的功能鸿沟。其中，具有激发态分子内质子转移（ESIPT）能力的分子，因其光致互变异构特性，通常表现出大斯托克斯位移、高光稳定性及固态强发射等优势，成为传感应用的理想候选。本文研究的有机发光体（E）-4-(5-溴-2-羟基亚苄基氨基)-2,3-二甲基-1-苯基-1,2-二氢吡唑-5-酮（ANMB）正是一种基于DSE-ESIPT机制的多功能传感器。

ANMB的合成与基本光学性质

ANMB通过4-氨基安替比林与5-溴水杨醛在乙醇中经席夫碱缩合反应合成，产率高达98%。核磁共振氢谱证实了产物的形成。

该化合物表现出显著的ESIPT活性，其光学性质受多种外部刺激影响。在不同激发波长（340-430纳米）下，ANMB显示出激发依赖性发射特性。当激发波长从400纳米增至430纳米时，可观察到约34纳米的蓝移，且发射峰相对强度随之变化。对应的色坐标图表明，其发射光颜色可从绿色调至蓝色，揭示了其光致互变异构过程（烯醇式与酮式互变）。

在不同极性溶剂中，ANMB的吸收峰稳定在356-364纳米，表明其电子结构不受溶剂环境影响，是具有高度刚性的荧光团。然而，其发射光谱在强极性溶剂中出现74-82纳米的显著蓝移，这归因于激发态下可能的氢键或质子转移减少了电荷分离。量子产率计算表明，ANMB在DMSO和DMF中量子产率最高（分别为0.0136和0.0141），这与这些非质子极性溶剂的粘稠特性有助于稳定激发态分子内质子转移有关，因此后续研究选用DMF作为溶剂。

ANMB在溶液态和固态均表现出巨大的斯托克斯位移，分别为109纳米和155纳米。这种大位移能有效减少光谱重叠和背向散射，提升了传感的可靠性。

此外，通过改变DMF中水的比例，研究了ANMB的聚集诱导淬灭（ACQ）特性。当水含量从10%增至90%时，发射强度逐渐下降，证实了其ACQ行为，这归因于形成了导致浓度淬灭效应的有序晶体聚集体。

金属离子（特别是Cu²⁺）的配位与荧光淬灭

ANMB对多种金属离子的荧光响应测试显示，其荧光在与金属离子配位后会发生淬灭。其中，Cu²⁺和Fe³⁺的淬灭效率最高，分别达到96%和83%。干扰实验表明，ANMB对Cu²⁺离子具有高选择性和灵敏度。

通过吸收光谱和发射光谱滴定，研究了ANMB与Cu²⁺的相互作用。随着Cu²⁺浓度增加，吸收光谱在360纳米处的峰强度下降，并伴随20纳米的红移，同时在420纳米处出现新吸收峰，溶液颜色变为黄色。基于此的比值法测定，得出对Cu²⁺的检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别为5.91微摩尔和17.92微摩尔。发射光谱滴定显示，加入Cu²⁺会导致509纳米处荧光逐渐淬灭，完全淬灭需要约26当量的Cu²⁺，据此计算的LOD和LOQ分别为3.11微摩尔和9.41微摩尔。

通过Job’s plot和Benesi–Hildebrand（BH）plot分析，推测ANMB与Cu²⁺可能形成1:2（Cu²⁺: ANMB）的配合物。Stern-Volmer曲线分析在较高Cu²⁺浓度下呈现非线性，表明淬灭过程复杂。基于1:2结合模型的拟合，得出两个结合常数K₁₁= 5.14 M^-1和K₂₁= 3.44 × 10⁶M^-1，较高的K₂₁值提示正协同效应。

密度泛函理论（DFT）计算进一步阐明了结合机制。优化后的几何结构和分子轨道分析表明，ANMB的酮式结构（ANMB_keto）的前线轨道（HOMO和LUMO）密度定域在包含关键供体原子（酚氧O^-、亚胺氮N和吡唑啉酮羰基氧）的区域，使其更易于与Cu²⁺完全螯合。静电势（ESP）图显示，酮式结构具有更离域的负静电势，而Cu²⁺配合物形成后，负电势区域被中和，分布更均匀，支持了稳定螯合物的形成。推测的配合物结构中，一个Cu²⁺离子与两个ANMB分子通过两个酚氧、两个亚胺氮和两个羰基氧以六配位扭曲八面体几何构型相结合。

手性氨基醇的对映选择性“开启式”传感

基于氨基醇对Cu²⁺的强竞争配位能力，将ANMB-Cu²⁺体系（荧光淬灭态）用于手性氨基醇的检测。加入氨基醇后，Cu²⁺被竞争夺走，游离的ANMB恢复荧光，实现“开启式”传感。

研究以(S)-(+)-2-苯基甘氨醇和(R)-(-)-2-苯基甘氨醇为模型分子。结果显示，随着(S)-(+)-对映体浓度增加，体系在497纳米处出现单一发射峰，并伴有约14纳米的蓝移，其LOD和LOQ分别为1.13微摩尔和3.42微摩尔。有趣的是，加入(R)-(-)-对映体时，体系在464纳米和502纳米处出现双发射峰，其LOD和LOQ分别为3.32微摩尔和10.07微摩尔。这种差异化的荧光响应使ANMB能够实现对映选择性识别。研究表明，R-对映体可能同时稳定了ANMB的两种构象体或电子态，从而产生双发射峰；而S-对映体可能由于构象或空间位阻阻止了ESIPT过程，只允许正常发射，故呈现单峰。当两种对映体等量混合加入时，得到的发射光谱与单独加入任一异构体时均不同，表明在ANMB-Cu²⁺体系的手性环境中存在竞争性结合和差异性相互作用。

对肼（NH₂NH₂）的选择性检测

ANMB对肼也表现出高选择性传感能力。在溶液中，随着肼浓度的增加，ANMB在520纳米的原始发射峰强度先增后减，同时在411纳米和432纳米处出现两个新发射峰，荧光颜色从绿色逐渐变为蓝色。这种变化归因于肼与ANMB中游离的羰基发生反应，形成了新的亚胺键。基于发射强度比值（I₄₃₂/I₅₂₀）与肼浓度的线性关系，计算出LOD和LOQ分别为0.122毫摩尔和0.371毫摩尔。时间响应实验显示，比值信号在约8-9分钟内达到稳定，表明这是一个反应介导的传感过程。选择性测试表明，ANMB对肼的响应远高于其他可能的干扰物。

为了发展简便可靠的固态检测方法，研究还制备了ANMB荧光试纸。试纸在紫外光（365纳米）下呈青柠绿色荧光。滴加不同浓度的肼溶液后，试纸在紫外光下的荧光颜色从青柠绿色变为蓝色，在白光下则从无色变为淡黄色，实现了肼的固态可视化检测。

分子对接研究与ADME性质预测

为探索ANMB的潜在生物活性，对其进行了分子对接研究。靶点选择了与腹泻相关的胃肠道（GI） motility和分泌调节密切相关的蛋白：小鼠μ阿片受体（μOR，PDB ID: 5C1M）、δ阿片受体（δOR，PDB ID: 4EJ4）以及M3毒蕈碱乙酰胆碱受体（PDB ID: 4U14）。对接结果显示，ANMB与这三种蛋白均能稳定结合，结合自由能（ΔG）分别为-7.1、-7.8和-8.1千卡每摩尔。具体相互作用包括与μOR（5C1M）中Thr220和Ser222残基形成的三个常规氢键；与δOR（4EJ4）中Glu112残基通过OE1/OE2形成的盐桥，以及与Lys108、Glu112、His301的pi-阳离子/pi-阴离子相互作用；与M3受体（4U14）中Leu225残基形成的常规氢键以及与Trp525的pi-阳离子相互作用，此外还存在多种疏水相互作用。

通过瑞士ADME在线工具进行的药代动力学性质预测表明，ANMB符合Lipinski、Ghose、Veber、Egan和Muegge的所有类药性规则，具有零违规。其总极性表面积（TPSA）为59.52 ?²，脂水分配系数（log P）为3.49，表现出良好的胃肠道吸收特性和血脑屏障（BBB）渗透性，提示其具有口服给药的潜力。虽然它会抑制除CYP2D6和CYP3A4以外的其他细胞色素P450（CYP）酶，且不是P-糖蛋白的底物，但整体性质支持其作为先导化合物的进一步开发。

实际应用

真实水样分析：将ANMB用于实际水样（河水、自来水、饮用水）和植物提取液（印楝叶提取物）中Cu²⁺和肼的加标检测。对于10微摩尔的Cu²⁺加标，回收率在97.3%至101.7%之间，相对标准偏差（RSD）为0.78%-1.29%。对于0.5毫摩尔的肼加标，回收率在91.26%至96.94%之间，RSD为1.06%-1.34%。在印楝叶提取物中肼的回收率略低，可能是由于天然植物代谢物或基质的轻微干扰。总体而言，ANMB在复杂实际样品中表现出准确、可靠的检测能力。

植物活体成像：为了评估ANMB在生物体系中的成像能力，研究选择了发芽的鹰嘴豆以及Boerhavia diffusa L.和Bignonia magnifica的茎切片。用ANMB孵育后，这些植物组织在紫外光下显示出强烈的绿色荧光。随后加入肼溶液处理，鹰嘴豆幼苗的胚根和胚芽部分，以及两种植物的茎切片均呈现出明亮的蓝色荧光。这证明了ANMB能被植物组织良好吸收，并在与肼反应后产生颜色可变的荧光信号，成功实现了对植物体内肼分布的成像，拓展了其在植物科学领域的应用前景。

结论

本研究成功开发并表征了一种集成了DSE和ESIPT机制的新型有机发光体ANMB。该材料在溶液和固态下均表现出巨大的斯托克斯位移，具备作为多功能传感器的潜力。其核心功能包括：通过与Cu²⁺的高选择性配位导致荧光淬灭；基于此淬灭-恢复机制，实现了对手性氨基醇的“开启式”对映选择性识别（S-对映体单峰，R-对映体双峰）；以及对肼的高选择性检测，并伴随从绿色到蓝色的明显荧光颜色变化。此外，分子对接研究揭示了ANMB靶向腹泻相关蛋白的潜在治疗活性，ADME预测支持其良好的类药性质。实际水样分析和活体植物成像实验进一步验证了其在环境监测和生物成像领域的实用价值。综上所述，ANMB代表了DSE-ESIPT有机发光体在分析传感、手性识别、环境检测及潜在生物医学应用方面的一个重要进展。