基于酰腙的荧光传感系统的合成与应用：用于Cu2+和草甘膦的快速连续检测

荧光探针协同检测铜离子与草甘膦;

　　

刘玉龙|姜鹏|陈阳|高玲|王安晨|张贤明|王子石|傅颖|叶飞

中国哈尔滨市东北农业大学文理学院化学系，邮编150030

摘要

我们开发了一种基于酰腙的荧光探针（TPA-HBD），能够快速检测铜离子和除草剂草甘膦，满足了对于快速响应探针的需求。该荧光探针与Cu²⁺的结合伴随着显著的荧光淬灭现象。该传感器表现出优异的选择性、强的抗干扰能力、15秒内的快速响应时间以及高灵敏度（LOD = 0.1033 μM）。此外，原位形成的TPA-HBD-Cu²⁺复合物可作为草甘膦特异性检测的二次传感平台。这种二次检测也显示出了高选择性、出色的抗干扰性能、15秒的快速响应时间以及优异的灵敏度（LOD = 0.0362 μM）。该传感系统的实际应用已在真实的土壤和水样中得到成功验证。此外，这种荧光探针系统不仅支持智能手机辅助的现场分析，还在细胞和斑马鱼模型中实现了生物成像，证实了TPA-HBD在体内追踪铜离子和草甘膦代谢方面的可行性。这项工作为开发多功能传感器用于环境监测和生物医学诊断开辟了有前景的方向。

引言

人类赖以生存的环境中的污染物来源多样[1]、[2]、[3]。这些污染物可以直接进入人体或通过食物链积累，最终对身体健康构成严重威胁[4]、[5]、[6]。重金属污染和农药残留是目前环境监测和食品安全领域面临的两个主要挑战。实现对这些污染物的高效、准确和实时监测是环境保护、食品安全和公共卫生领域的关键需求。

在各种污染物中，铜（Cu²⁺作为一种必需的微量元素，对多种生理功能至关重要，从基本的酶催化和能量代谢过程到复杂的骨骼发育和神经递质合成[7]、[8]、[9]、[10]。然而，维持其自然平衡至关重要。过量的铜离子不仅对水生生态系统具有高毒性，导致藻类死亡和水体富营养化，还会通过食物链逐渐在生物体内积累，对人类健康构成严重威胁[11]、[12]、[13]。这种积累可能导致肝脏和神经系统功能障碍，如威尔逊病、阿尔茨海默病和帕金森病[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。工业废水排放、采矿活动以及过量使用含铜农药是环境中铜污染的主要来源。因此，开发能够实时高效检测Cu²⁺浓度的技术对于环境保护、食品安全和疾病诊断至关重要。

除了重金属污染外，农药残留也是一个重要的环境问题。草甘膦（Gly）作为全球使用最广泛的有机磷除草剂，由于其高效和广谱除草能力，在现代农业中发挥着不可或缺的作用[19]、[20]。其广泛应用显著促进了全球粮食生产[21]、[22]。然而，其大规模和长期的应用导致土壤、水源和农产品中残留物的广泛存在，引发了日益严重的环境污染和食品安全问题[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。尽管其毒性仍存在国际争议，但世界卫生组织的专门机构国际癌症研究机构（IARC）已将草甘膦归类为“可能对人类致癌”（2A组）。这一分类使其安全性成为公众和科学界的关注焦点[28]。欧盟、美国和中国等国家[29]、[30]、[31]、[32]已经为食品和环境样品中的草甘膦制定了极其严格的最大残留限量（MRLs）。因此，迫切需要开发快速、高灵敏度和用户友好的草甘膦检测方法，这对于环境监管、食品安全保障和贸易合规性至关重要。

虽然重金属污染和农药残留的威胁已被充分记录，但当前的监测模式主要依赖于离散的分析技术。这些方法往往难以同时检测多种污染物类型，无法满足对实时、现场分析日益增长的需求，从而在主动风险评估和管理方面造成了关键的技术缺口[33]、[34]、[35]。环境监测的范式正从集中式实验室分析向分散式、快速传感转变[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。基于荧光的检测技术处于这一转变的前沿，因其实时响应、操作简便以及独特的生物成像能力而受到重视——这些是传统光谱法和色谱法无法实现的[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]。

传统的Cu²⁺和草甘膦检测方法存在显著局限性。开发一种能够同时检测这两种不同类型污染物的统一系统具有重要意义。鉴于草甘膦的膦酸基和羧基与Cu²⁺之间异常强的结合能力，这一特性为构建顺序响应传感平台提供了独特的分子设计策略[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。因此，为满足农药检测中快速响应的需求，本研究设计了一种快速响应的荧光分子探针（E-N′-((4′-(二苯氨基)-3-羟基-[1,1′-联苯]-4-基)亚甲基)苯腙（TPA-HBD）。该探针不仅对Cu²⁺表现出高选择性、灵敏度和快速的“开-关”荧光响应，还能原位形成TPA-HBD-Cu²⁺复合物。该复合物作为草甘膦特异性检测的二次传感平台，通过“开-关-开”荧光响应实现Cu²⁺和草甘膦的顺序和区分性检测。我们详细研究了识别机制，并系统评估了分析性能。该方法已成功应用于实际水样、土壤样的检测以及智能手机辅助分析，并在细胞和斑马鱼体内实现了成像检测。这项工作为同时检测多种环境污染物提供了一种高效便捷的解决方案，并展示了一种可应用于新型多功能传感平台的设计方法。

材料与仪器

合成中使用的所有试剂和化学品均从商业供应商处购买，为分析级或更高等级，除非另有说明，否则无需进一步纯化。

在实验中，使用蒸馏水和以下试剂制备了金属离子储备溶液（10^?2 M）：Al³⁺、Ba²⁺、Ca²⁺、Co²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺和Zn²⁺。同样，使用DMSO作为溶剂制备了农药储备溶液（10^?2 M）：

TPA-HBD系统的设计策略

该探针利用酰腙结构作为配位结合位点。酰腙化合物含有多种杂原子官能团，其中羰基、羟基和亚胺基对Cu²⁺具有优异的配位能力。除草剂草甘膦含有膦酸基、羧酸基和仲胺基，使其能够与各种金属离子形成稳定的配位复合物。

因此，这种荧光化学传感器（E

结论

本研究成功设计并合成了一种基于酰腙的荧光传感器TPA-HBD，用于顺序、快速和高选择性地检测Cu²⁺和草甘膦。该探针通过其腙结构中的O和N原子与Cu²⁺形成稳定的复合物，导致显著的荧光淬灭。TPA-HBD具有低检测限、快速响应时间、优异的抗干扰能力和良好的pH适应性。此外，TPA-HBD-Cu²⁺复合物可作为

CRediT作者贡献声明

刘玉龙：研究、资金获取。姜鹏：方法学、形式分析。陈阳：监督。高玲：验证。王安晨：数据管理。张贤明：研究。王子石：研究。傅颖：验证。叶飞：方法学。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFD1701700）、黑龙江省自然科学基金（编号YQ2023B001）、东北农业大学“学术骨干”项目（编号20XG19）以及黑龙江省农业可再生能源利用技术重点实验室启动项目（HLJHDNY2304）的支持。