《Journal of Hazardous Materials》：Field-Deployable Fluorescent Probe for Rapid Assessment of Palladium and Hydrazine Contamination in Real Samples
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开发了一款双响应荧光探针HBI-S，通过ESIPT和ICT机制分别检测Pd2?（672nm）和N?H?（475nm），灵敏度高（1.52μM和2.80μM），支持便携试纸和活细胞成像，应用于环境监测。
Ozcan Kocyigit | Serkan Erdemir | Duygu Aydin | Sait Malkondu
塞尔丘克大学，理学院，化学系，土耳其科尼亚42250
摘要
基于钯的催化剂的广泛使用以及肼在工业和农业过程中的大量应用，引发了日益严重的环境和生物问题，因此需要开发出灵敏、选择性强的现场检测策略。本文报道了一种基于反应的双重响应荧光探针（HBI-S），能够通过分离良好的发射通道选择性地检测Pd2?和肼。该探针通过整合一个具有ESIPT活性的羟基苯并噻唑荧光团、一个吲哚啉电子受体单元和一个二甲基硫代氨基甲酸酯反应触发剂来合理设计。在初始状态下，由于有效的PET淬灭效应，HBI-S的荧光较弱。当Pd2?诱导二甲基硫代氨基甲酸酯结构断裂时，ESIPT和ICT过程得以恢复，产生672 nm处的强荧光。相比之下，肼会引发二甲基硫代氨基甲酸酯的去除和分子内螺环化反应，产生475 nm处的强烈蓝光荧光。该探针表现出优异的灵敏度，Pd2?的检测限为1.52 μM，N?H?的检测限为2.80 μM，同时具有快速响应时间（<2分钟）、高选择性和对中性或生理pH值的耐受性。其传感机制通过1H NMR、TOF-MS和TD-DFT计算得到了验证。通过便携式试纸条、智能手机辅助分析以及在土壤、水、食品基质、肼蒸气和活细胞中成功可视化Pd2?和N?H?，进一步证实了其实际应用可行性。总体而言，HBI-S为实时监测Pd2?和肼污染提供了一个强大且多功能的平台。
引言
钯（Pd）是一种在催化、材料科学和药物合成中广泛使用的过渡金属[1]、[2]、[3]、[4]。尽管钯具有工业价值，但由于其能与含有巯基的氨基酸、蛋白质、RNA（核糖核酸）和DNA（脱氧核糖核酸）等生物分子结合，可能导致细胞毒性和遗传毒性效应（如氧化应激、酶抑制和代谢紊乱）[5]、[6]、[7]，因此钯污染对健康和环境造成了重大威胁。先前的研究强调了钯物种与蛋白质和核酸之间的强烈相互作用，表明其在生物系统中可能存在生物累积风险和毒性[8]。为了减轻钯暴露带来的健康风险，政府法规对最终产品中的钯残留量设定了严格限制；例如，活性药物成分中的钯含量通常不得超过5–10 ppm，许多国家推荐的每日膳食摄入量限制在1.5–15 μg/人以下[4]、[9]、[10]。
肼（N?H?）是一种高反应性的还原剂，广泛应用于聚合物工业、制药、农用化学品、防腐、燃料电池和航空航天推进领域[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。尽管具有实用性，肼被归类为致癌和致突变污染物；接触肼可对肝脏、肾脏、肺部和中枢神经系统造成严重损害[16]、[17]、[18]、[19]。由于肼的高毒性和环境持久性，美国环境保护署（EPA）将其阈限值（TLV）设定为10 ppb[20]。因此，开发快速可靠的Pd2?和N?H?痕量检测方法具有重要意义。
已有多种经典分析方法用于测定钯和肼，包括气相色谱-质谱（GC–MS）[21]、原子吸收光谱（AAS）[22]、电化学[23]、[24]、拉曼光谱（RS）[25]、超高效液相色谱（UHPLC）[26]、X射线荧光（XRF）[27]和流动注射化学发光（FIC）[28]、[29]。虽然这些方法精度较高，但通常需要复杂的仪器、繁琐的样品制备过程和专业的操作人员，并且往往缺乏便携性。此外，许多方法不适用于钯离子的实时监测或在复杂基质中选择性检测肼。
相比之下，小分子荧光探针具有高灵敏度、操作简便、检测限低、适用于活细胞和真实样品成像以及实时或现场监测能力等显著优势[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。基于分子内电荷转移（ICT）、激发态分子内质子转移（ESIPT）和反应触发“开启”机制的荧光传感策略逐渐成为环境和生物分析的强大工具[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]。已有几种针对钯或肼的荧光探针被报道。Pekarik等人开发了基于香豆素的探针，主要用于检测凝胶中的钯/铂与蛋白质和核酸的相互作用，这些探针依赖于烯丙基/丙炔基醚的断裂机制。然而，这些系统并非为同时检测两种分析物设计，且工作在单一发射窗口内[48]。Ding等人报道了两种用烯丙基碳酸酯或丙炔基团修饰的香豆素探针（C1和C2），用于检测Pd?和N?H?。在这种方法中，需要预先加入Pd2?，因为N?H?会将Pd2?还原为Pd?，从而释放荧光团。这两种分析物在相似的光谱区域产生荧光变化，限制了它们的同时区分[49]。最近，Zhu等人报道了一种与环境相关的肼检测荧光传感系统[50]，该系统将基于邻苯二甲酰亚胺的ICT探针（NAP）集成到纤维素膜中，并与无线便携设备结合，实现了对蒸汽、水、土壤和植物样品中肼的实时现场监测。这项研究标志着荧光探针在环境监测中的实际应用迈出了重要一步。
虽然已经开发了许多用于单独检测Pd2?或肼的荧光探针[36]、[51]，但据我们所知，尚未有能够通过不同化学途径独立检测这两种分析物并具有分离良好荧光输出的单一分子系统。现有设计需要额外的试剂（例如，检测肼需要Pd2?）或发射波长重叠，使得选择性或双通道检测变得困难。在此背景下，我们设计并合成了一种新的基于2-羟基苯并噻唑（HBT）的荧光探针，其中包含一个吲哚啉受体单元和一个二甲基硫代氨基甲酸酯（DMTC）反应位点。该探针通过涉及DMTC脱保护和螺环化的两条基于反应的途径实现双重分析物响应，能够选择性地检测Pd2?和肼，分别产生672 nm和475 nm的荧光峰值。这种结构上的双通道策略相比以往报道的系统具有显著优势，是首个能够通过两种独立荧光输出区分Pd2?和N?H?的单一荧光分子的例子。
试剂和设备
设备、化学品和生物测试协议的完整规格在补充信息部分提供。
HBI-O的合成
首先通过Duff反应将2-羟基苯并噻唑（HBT）转化为相应的醛衍生物（1），从而得到HBI-O[52]。随后，将化合物1（0.20 g，0.78 mmol）溶解在乙醇（10.0 mL）中，并加入1,2,3,3-四甲基-3H-吲哚啉碘化物（0.25 g，0.82 mmol）和哌啶（10.0 μL）。反应混合物在
化学设计与合成
新开发的荧光探针（HBI-S）的分子设计基于成熟的ESIPT和ICT原理[53]。选择羟基苯并噻唑（HBT）作为核心荧光团，因为它具有强烈的ESIPT倾向、较大的斯托克斯位移和环境敏感性[54]。为了构建一个双重响应的信号平台，在HBT核心上连接了两个功能单元：(i) 一个吲哚啉单元以增强电子接受能力
结论
总之，我们开发了一种多功能、基于反应的荧光探针（HBI-S），通过两种不同的化学途径和发射通道选择性地检测Pd2?和肼。合理结合了具有ESIPT能力的HBT荧光团、一个吲哚啉受体和一个DMTC反应单元，能够精确调节PET、ESIPT和ICT过程，从而产生清晰的近红外（672 nm）和蓝光（475 nm）荧光响应。该探针响应迅速
环境影响
肼（N?H?）和钯离子（Pd2?）是具有持久性和生物累积性的高毒性污染物，对生态系统和人类健康构成日益严重的威胁。来自工业过程和汽车催化转化器的钯已成为水、土壤和植物系统中的新兴环境问题。HBI-S探针通过双发射荧光响应实现了Pd2?和肼的快速、便携和同时现场检测。这一特性
CRediT作者贡献声明
Sait Malkondu：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。Serkan Erdemir：撰写 – 审稿与编辑，实验研究，概念构思。Duygu Aydin：撰写 – 原始草稿，实验研究，形式分析。Ozcan Kocyigit：验证，项目管理，形式分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢塞尔丘克大学研究基金会（SUBAP-25401159）和土耳其吉雷松大学科学项目办公室（GUBAP）提供的财政支持
