一种基于2,6-二(噻唑-2-基)吡啶核心的双响应荧光/比色化学传感器，用于Fe2+和Cu2+的灵敏、选择性与形态特异性检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：An efficient 2,6-di(thiazol-2-yl)pyridine-based chemosensor for dual-response fluorometric and colorimetric detection of Fe2+ and Cu2+

本期推荐一篇发表于《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》的论文。研究旨在解决环境中Fe2+和Cu2+离子同时、快速、特异性检测的挑战。作者基于2,6-二(噻唑-2-基)吡啶(dthp)核心，设计合成了一种甲基酯化受体3。该受体能在有机介质中通过“turn-on”比色(检测Fe2+)和“turn-off”荧光(检测Cu2+)实现双响应，对18种常见竞争离子具有高选择性，并能区分同种金属的不同价态(Fe2+/Fe3+, Cu2+/Cu+)，其检测限(LOD)可达亚ppm级。研究还成功制备了基于滤纸的固态传感试纸条，为实时、现场检测提供了实用化工具。

　　

铁和铜，这两种看似寻常的金属离子，却在生命与环境系统中扮演着至关重要的角色。在生物体内，它们是多种酶的关键辅因子，参与氧气运输、能量代谢和神经信号传递等核心过程。然而，这两种离子的“好”与“坏”往往只在一线之间——其浓度、存在形态（即价态，如Fe²⁺与Fe³⁺、Cu⁺与Cu²⁺）以及空间分布的微小失衡，就可能引发连锁反应。例如，过量的Fe²⁺和Cu²⁺可通过芬顿(Fenton)反应产生高活性的活性氧(ROS)，导致氧化应激，这与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性病变密切相关。在环境领域，来自矿山废水、工业排放和农业径流的铁和铜离子是常见的水体污染物，各国对饮用水中的铜含量有严格的安全限值（如加拿大为2 ppm），对总铁含量也有基于感官的指导值。因此，开发能够同时、快速、灵敏且选择性检测Fe²⁺和Cu²⁺，并能区分其不同价态的分析工具，对于生物医学研究、疾病诊断、环境监测和工业过程控制具有迫切的现实意义。

尽管已有许多针对单一铁离子或铜离子的传感器被报道，但能同时检测Fe²⁺和Cu²⁺，并在复杂离子背景下有效区分它们的体系仍属罕见。现有的一些方法或存在干扰离子影响大，或无法进行价态区分（形态分析），或检测限不够理想，难以满足实际应用中对准确性、选择性和便捷性的综合要求。为此，由Yelyzaveta V. Antsybora、Cordelia Y. Adams、Alan J. Lough、Nisha R. Agarwal和Olena V. Zenkina组成的研究团队，在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》上发表了一项创新性研究。他们从经典的2,6-二(噻唑-2-基)吡啶(dthp)配体核心出发，通过巧妙的分子设计，成功开发出两种新型化学传感器，其中甲基酯化产物展现出卓越的双离子检测与区分能力。

研究人员运用了多项关键技术来构建和验证这一传感体系。首先，他们通过有机合成方法，以商业可得的原料为起点，设计并合成了水溶性的2,6-二(噻唑-2-基)异烟酸(传感器2)及其甲基酯(传感器3)。其次，利用核磁共振(NMR)、质谱(MS)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对合成化合物及它们与Fe²⁺、Cu²⁺形成的金属络合物进行了全面的结构表征。关键的传感性能评估则通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和荧光光谱(Fluorimetry)完成，用于研究传感器在不同溶剂中对各种金属离子的响应行为、灵敏度（通过滴定实验计算检测限LOD和定量限LOQ）、选择性（通过竞争实验验证）以及结合化学计量比（通过Job‘s plot法确定）。此外，研究还通过X射线单晶衍射分析，解析了传感器3与Fe²⁺、Cu²⁺形成的配合物的精确三维晶体结构。最后，为了推动实际应用，团队将传感器3负载于Whatman滤纸上，开发了可用于裸眼和紫外灯下判读的固态传感试纸条，并评估了其性能。

3. 结果与讨论

3.1. 传感器2的传感特性

化合物2在水性磷酸盐缓冲液中具有良好溶解性，可用于水环境中Fe²⁺的检测。其原理在于Fe²⁺与受体结合形成加合物后，会产生一个对应于金属到配体电荷转移(MLCT)的吸收带，在560 nm处出现吸收峰，溶液肉眼可见变为浅紫色。通过监测该吸收信号，建立了Fe²⁺浓度与吸光度的线性关系，计算出检测限(LOD)为0.68 ppm。然而，研究发现传感器2与Fe²⁺的长期相互作用会导致副反应，例如Fe²⁺在磷酸盐缓冲液中被空气自动氧化为Fe³⁺，和/或与羧基发生相互作用，这限制了其在长时间测量或复杂基质分析中的应用。

3.2. 传感器3的传感特性

为了规避羧基可能带来的非目标配位问题，研究人员合成了2的甲基酯类似物——传感器3。该传感器在有机介质中表现出优异的双响应传感性能。

3.2.1. 定性测量

在乙腈中，传感器3与Fe²⁺结合后，溶液呈现肉眼可见的洋红色，并在570 nm处出现明显的MLCT吸收带。而在乙腈:甲醇混合溶剂中，传感器3自身的荧光（激发于330 nm，发射于400 nm）会被Cu²⁺有效地淬灭（“turn-off”响应），但不会被Cu⁺淬灭。值得注意的是，传感器3还能通过吸收光谱有效区分Fe²⁺和Fe³⁺。结合紫外-可见吸收和荧光发射测量，传感器3能够选择性检测Fe²⁺、Fe³⁺和Cu²⁺，并有效区分这些离子，实现了对铁和铜离子的形态分析。

3.2.2. 竞争实验

在竞争离子存在下评估传感器3的选择性。在乙腈中，当Fe²⁺与18种其他金属离子共存时，Ni²⁺、Cs⁺、Co²⁺和Al³⁺会对Fe²⁺的检测产生显著干扰。然而，在乙腈:甲醇混合溶剂中，对于Cu²⁺的荧光检测，仅Fe²⁺会产生显著干扰，且此问题可通过在乙腈中预先检测并掩蔽Fe²⁺来解决。更严苛的测试表明，在包含13种金属离子的复杂混合物中，传感器3对Cu²⁺的响应保留了93%，展现了强大的抗干扰能力。

3.2.3. 定量测量

通过滴定实验建立了定量校准曲线。在乙腈中，传感器3对Fe²⁺的检测在0.5至10 ppm范围内呈线性关系，LOD为0.66 ppm，LOQ为2.00 ppm。在乙腈:甲醇混合溶剂中，传感器3对Cu²⁺的荧光淬灭检测LOD低至0.64 ppm，LOQ为1.94 ppm。这两个检测限值均低于加拿大饮用水中铜的指导值，且铁检测值接近其感官目标值，表明其具备实际应用灵敏度。

3.3. 光物理机制与溶剂效应

Fe²⁺产生的洋红色源于其d⁶电子构型与配体形成的MLCT跃迁。而Cu²⁺（d⁹）的顺磁性导致其与配体结合后通过配体到金属电荷转移(LMCT)引起荧光淬灭。溶剂极性对这两种过程有不同影响：高极性的甲醇环境会淬灭MLCT跃迁，因此抑制了在混合溶剂中对Fe²⁺的比色检测；但同时增强了Cu²⁺对荧光的淬灭效应，并提高了其对Cu²⁺相对于Ni²⁺和Co²⁺的选择性。

3.4. 结合化学计量比的确定及Fe²⁺、Cu²⁺加合物的合成与表征

通过Job‘s plot法确定传感器3与Fe²⁺和Cu²⁺均以2:1的配体:金属化学计量比结合。据此合成了相应的络合物4 (Fe(dthp-COOMe)₂)和5 (Cu(dthp-COOMe)₂)，并通过NMR、FT-IR、质谱和X射线单晶衍射进行了全面表征。晶体结构证实了预期的NNN三齿配位模式，并揭示了配合物的详细键长和空间构型。结合常数计算表明，传感器3对Fe²⁺的结合常数(1.9 × 10¹²M^-1)远高于对Cu²⁺的(6.5 × 10⁸M^-1)，说明其对铁离子有更强的亲和力。

3.5. 稳定性与可逆性测试

传感器3与Fe²⁺或Cu²⁺形成的配合物在溶液中100小时内信号稳定。此外，传感过程具有良好的可逆性：向形成的金属络合物溶液中加入强螯合剂乙二胺四乙酸二钠盐(Na₂EDTA)可以夺取金属离子，使传感器恢复初始状态，此“传感-重置”循环可重复多次。

3.6. 与已报道的Fe²⁺/Cu²⁺传感器的比较

与文献中已报道的多种Fe²⁺/Cu²⁺传感器相比，本研究中的传感器3在检测限、响应速度（数秒内）、结合常数（对Fe²⁺的结合常数为同类最高）以及能否制备固态传感材料等方面具有综合优势。

3.7. 固态传感试纸条的开发

将传感器3负载于滤纸上制成的固态试纸条，可用于实时、现场检测。在环境光下，试纸条与Fe²⁺反应后产生明显的红棕色变化（色差CD=29），可用于裸眼判别。在365 nm紫外灯下，与Cu²⁺反应导致蓝色荧光淬灭并发生显著的色调变化（CD=50.5），而与Cu⁺和Fe³⁺的反应则仅引起强度变化而色调不变，从而实现了对目标离子的区分。该固态传感器在环境条件下放置两周后性能稳定。

4. 结论与讨论

本研究成功设计并合成了两种基于dthp核心的新型化学传感器。水溶性的传感器2虽能检测水相中的Fe²⁺，但受副反应限制。而其甲基酯化产物传感器3则表现卓越，成为一种高效的多元分析化学传感器。其核心价值在于：首先，实现了双目标检测，通过“turn-on”比色（570 nm MLCT带）和“turn-off”荧光（400 nm发射峰淬灭）两种机制，分别在优化溶剂中选择性检测Fe²⁺和Cu²⁺。其次，具备了强大的形态分析能力，能够有效区分Fe²⁺/Fe³⁺和Cu²⁺/Cu⁺，这对于理解金属离子在生物和环境中的具体行为至关重要。第三，展现了优异的分析性能，对18种竞争离子具有高选择性，对两种目标离子的检测限均达亚ppm级别，且响应快速。第四，验证了实际应用潜力，所开发的固态传感试纸条性能稳定，为环境监测和潜在的生物医学诊断提供了便捷的现场检测工具。

这项研究的成功，不仅为同时检测生物和环境体系中两种关键金属离子提供了一个高性能的分子工具，其巧妙利用溶剂效应调控传感选择性的策略，以及从溶液传感器到固态试纸条的成功转化，也为未来设计开发新一代多靶点、现场化、智能型传感系统提供了有价值的思路和范例。