新型喹啉化学传感器的双模式荧光与DFT机制用于汞离子检测：高灵敏度与选择性水环境监测方案

《Journal of Fluorescence》：Novel Quinoline Chemosensor with Dual-Mode Fluorescence and DFT-Backed Mechanism for Mercury(II) Sensing

针对环境中汞（Hg2+）污染的严重威胁，研究人员开发了一种新型喹啉基化学传感器HMQC。该探针在pH 5和pH 7下分别展现出荧光猝灭和增强的双重响应，实现了对Hg2+的定性与定量检测。其在pH 7条件下检测限（LOD）低至1.47 nM，线性范围广，选择性高，并成功应用于真实水样分析，回收率高达92%-108%。该工作为环境汞污染监测提供了高效、实用的新平台。

　　

想象一下，你手中的一杯清水，清澈透明，但其中可能隐匿着一种看不见的威胁——汞离子（Hg²⁺）。作为一种剧毒的重金属污染物，汞通过工业排放、采矿活动等途径进入水环境，它不仅难以降解，还能在生物体内累积，最终通过食物链进入人体，引发神经系统损伤、肾脏疾病等一系列严重的健康问题。为了保护环境和公众健康，世界卫生组织（WHO）等机构对饮用水中汞的含量设定了极其严格的限值，低至1微克/升（约5纳摩尔/升）。因此，开发能够快速、灵敏、特异地检测水中痕量汞离子的方法，成为环境科学和分析化学领域一项紧迫而重要的任务。

传统的汞检测技术，如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等，虽然灵敏度高，但通常需要昂贵、笨重的仪器，操作复杂且耗时，难以满足现场快速筛查和实时监测的需求。相比之下，基于荧光信号的化学传感器（Chemosensor）因其高灵敏度、响应快速、成本较低以及易于实现可视化检测等优点，展现出巨大的潜力。然而，现有的荧光探针常常面临水溶性差、易受其他金属离子干扰、信号模式单一等挑战，限制了其在复杂环境样品中的实际应用。那么，能否设计出一种集高灵敏度、高选择性、pH适应性以及稳健性于一体的新型荧光探针呢？

针对这一系列挑战，一个研究团队在《Journal of Fluorescence》期刊上发表了一项创新性研究。他们设计并深入探究了一种名为甲基-4-羟基-2-氧代-1,2-四氢喹啉-3-羧酸酯（简称HMQC）的新型喹啉基化学传感器，用于水环境中Hg²⁺的高性能检测。这项研究的核心亮点在于HMQC独特的“双重人格”——它的荧光行为会随着环境酸碱度（pH值）的改变而呈现出截然相反的响应模式。在酸性条件（pH 5）下，遇到Hg²⁺时，它的荧光会显著“熄灭”（猝灭）；而在中性条件（pH 7）下，遇到Hg²⁺时，它的荧光则会显著“点亮”（增强）。这种双模式响应赋予了HMQC前所未有的灵活性，使其既能用于高浓度汞污染的定量分析（利用猝灭模式），也能用于痕量汞的快速定性甚至定量检测（利用增强模式），大大拓展了其应用场景。

为了揭示HMQC的优异性能并深入理解其工作原理，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们通过系统的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析，全面表征了HMQC在不同pH下的光学性质及其与Hg²⁺的相互作用。其次，采用乔布图法（Job‘s plot analysis）确定了传感器与Hg²⁺在不同pH下的结合化学计量比。再者，利用Stern-Volmer方程和标准曲线法建立了定量检测模型，并计算了关键的检测限（LOD）和定量限（LOQ）。为了验证实际应用能力，研究团队从埃及伊斯梅利亚市采集了四种真实水样，进行了加标回收实验。最后，也是本研究的特色之一，是借助密度泛函理论（DFT， Density Functional Theory）计算，对HMQC与Hg²⁺形成的复合物的几何结构、电子分布及前线分子轨道进行了模拟，从原子层面深入阐释了荧光猝灭和增强的内在机制。

研究团队围绕HMQC的传感性能展开了一系列深入探究，并得出了多项重要结论。

HMQC作为化学传感器

HMQC分子结构中含有羟基、羧基、羰基和芳香喹啉骨架，这些官能团提供了金属离子结合位点，并使其具有pH响应性。其芳香骨架保证了强π-共轭，使其光物理性质对化学环境高度敏感。

HMQC的紫外-可见吸收光谱分析

在不同pH（4-10）缓冲溶液中，HMQC的紫外光谱表现出显著变化。在酸性到微酸性条件下（pH 4-6），可观察到287 nm和339 nm处的吸收峰；而在pH 7-10时，287 nm和339 nm处的峰消失，仅余297 nm处的吸收肩峰，且强度随pH升高先增后减。这反映了HMQC官能团质子化-去质子化过程对其电子结构的显著影响。

HMQC的荧光光谱分析

在pH 7的MOPS缓冲液中，HMQC的激发峰在345 nm，发射峰在415 nm，斯托克斯位移约为70 nm。更重要的是，HMQC的荧光强度表现出强烈的pH依赖性：在pH 4-6（尤其是pH 5）时荧光强度最高，而在pH 7-10时强度急剧下降并维持在低水平。这种“钟形”响应凸显了其作为pH敏感荧光探针的潜力。

HMQC与Hg²⁺在不同pH下的荧光和吸收分析

这是本研究的核心发现。紫外吸收光谱表明，在酸性pH（4-6）下，Hg²⁺的加入引起吸收谱的显著变化，表明结合效率最高，尤其在pH 5时。而在pH 7及以上，游离与结合的探针光谱差异极小。荧光光谱进一步证实了这种pH依赖的双重行为：在pH 5和6时，Hg²⁺引起显著的荧光猝灭；在pH 7和8时，则引起明显的荧光增强；在pH 9和10时，则无明显变化。量子产率测定显示，在pH 7下，HMQC的量子产率从无Hg²⁺时的0.21提升至加入Hg²⁺后的0.43，证实了“开启”型荧光机制。

结合化学计量

通过乔布图分析确定，在pH 5.0（醋酸缓冲液）下，HMQC与Hg²⁺以2:1的化学计量比结合；而在pH 7.0（MOPS缓冲液）下，则以1:1的化学计量比结合。这直接解释了为何在不同pH下会观察到相反的荧光响应模式。

可逆性

通过交替添加Hg²⁺和螯合剂乙二胺四乙酸（EDTA），HMQC的荧光响应可以可逆地增强和减弱，且经过多个循环后性能保持稳定。这证明了HMQC-Hg²⁺复合物的结合是动态且可逆的，为探针的重复使用和连续监测提供了可能。

响应时间影响

HMQC对Hg²⁺的荧光响应在5分钟内即可达到稳定，并在长达60分钟的监测期内保持稳定，显示出快速的结合动力学和良好的光稳定性。

Hg(II)浓度的影响

研究人员建立了两种pH条件下的定量检测模型。在pH 5（醋酸缓冲液）下，基于Stern-Volmer猝灭机制，线性范围为3.09–15 μM，检测限（LOD）为0.93 μM，适用于较高浓度汞的检测。在pH 7（MOPS缓冲液）下，基于荧光增强机制，线性范围为4.84–50 nM，检测限（LOD）低至1.47 nM，定量限（LOQ）为4.84 nM。该性能优于许多已报道的传感器，且其LOD远低于WHO规定的饮用水标准（5 nM），突显了其在痕量汞检测方面的卓越灵敏度。

HMQC的重要性和新颖性

与近年报道的其他Hg²⁺化学传感器相比，HMQC在灵敏度（LOD低至nM级）、双模式响应、水相缓冲液适用性以及在实际水样中的验证（回收率92%-108%）等方面展现出综合优势。其双荧光响应策略是传感器设计中的一个新颖方法。

探针双荧光响应在Hg²⁺检测中的应用

HMQC的双模式行为使其能够根据样品性质灵活选择检测策略。对于中性或饮用水样品，可采用pH 7下的增强模式进行快速筛查或定量；对于酸性工业废水等样品，则可利用pH 5下的猝灭模式进行定量分析。

选择性

在pH 7条件下，HMQC对Hg²⁺表现出极高的选择性。当存在其他常见金属离子（如Cu²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺）时，HMQC的荧光几乎无变化；而只有当Hg²⁺存在时，才会产生显著的荧光增强信号。即使在多种金属离子共存的混合物中加入Hg²⁺，增强信号依然清晰，证明了其强大的抗干扰能力。

DFT计算结果

密度泛函理论计算为理解双重荧光响应机制提供了原子层面的见解。计算显示，在酸性pH下形成的2:1（Hg:HMQC）复合物结构相对灵活，其最低未占轨道（LUMO）在金属结合区域显示出明显的电子缺乏，这有利于非辐射衰变，从而导致荧光猝灭。而在中性pH下形成的1:1复合物则呈现出刚性螯合结构，最高占据轨道（HOMO）和LUMO在整个传感器框架上离域更广，这种增强的共轭和电子耦合稳定了激发态，抑制了非辐射衰变，从而导致了荧光增强。

机理阐释

综合实验与理论计算，研究人员提出了完整的传感机理。在酸性pH下，HMQC的官能团处于质子化状态，其本身荧光较强。与Hg²⁺形成2:1复合物后，通过光诱导电子转移（PET， Photoinduced Electron Transfer）等途径引发荧光猝灭。在中性pH下，HMQC的羧基和羟基部分去质子化，产生更强的分子内电荷转移（ICT， Intramolecular Charge Transfer），导致其自身荧光被猝灭。而当Hg²⁺与去质子化的HMQC形成1:1刚性螯合物时，螯合作用抑制了ICT过程，同时通过螯合增强荧光效应（CHEF， Chelation-Enhanced Fluorescence）实现了荧光的显著开启。结合常数分析也表明，中性pH下的1:1复合物（K_a= 1.12 × 10⁶L·mol^-1）比酸性pH下的2:1复合物（K_a= 1.30 × 10⁵L·mol^-1）稳定得多。

分析应用

为了验证HMQC的实际效用，研究团队将其用于检测来自埃及伊斯梅利亚市的四种真实水样中的Hg²⁺。在加标浓度10-50 nM范围内，HMQC测得的回收率在92%至108%之间，相对标准偏差（RSD）均低于5%，结果准确、可靠，充分证明了其在复杂环境基质中应用的可行性和稳健性。

综上所述，本研究成功开发并系统验证了新型喹啉化学传感器HMQC用于水环境中Hg²⁺的检测。其创新性的双模式（pH 5猝灭 / pH 7增强）荧光响应机制，不仅解决了单一响应模式探针适用场景有限的问题，还实现了从高浓度到痕量浓度的宽范围检测。该传感器具备高灵敏度（LOD 1.47 nM）、高选择性、快速响应、良好可逆性以及在实际水样中的高准确度等综合优势。特别值得一提的是，研究通过DFT计算从电子结构层面深入揭示了双重响应背后的物理化学机制，将实验现象与理论模型紧密结合，增强了研究的深度和说服力。这项工作不仅为汞污染监测提供了一种性能优异、实用性强的潜在工具，其独特的双模式设计思路和理论-实验相结合的研究范式，也为未来开发新型多功能化学传感器提供了有价值的参考。HMQC的成功研制，标志着在应对环境重金属污染挑战、发展先进传感技术以保障水安全和公众健康的道路上，迈出了坚实而富有启发性的一步。