一种基于吖啶酮-吡啶结构的荧光传感器，可用于选择性检测有毒的Hg2+离子

《Inorganic Chemistry Communications》：A turn-off fluorescent sensor for selective detection of toxic Hg2+ ions using acridinedione-pyridine framework

汞离子检测的荧光传感器ARP研究：通过合成新型受体ARP，采用光谱和计算化学方法验证其高效选择性识别Hg2?，检测限19.8 nM，并成功应用于水样、试纸和活细胞成像，实现环境与生物体系中汞污染的快速可视化检测。

　　

S.P. 拉加维 | D. 蒂鲁马拉伊 | 杰比蒂·哈里巴巴布 | 塔纳伊·德布纳特 | I.V. 阿沙拉尼

印度泰米尔纳德邦韦洛尔市韦洛尔理工学院高级科学学院化学系，邮编632 014

摘要

金属离子对许多化学和生物过程至关重要；然而，即使是微量浓度下的Hg²⁺也具有高度毒性。因此，高效检测Hg²⁺至关重要。基于受体的荧光检测方法是一种有前景的技术。在这项研究中，我们开发了一种基于吖啶酮-吡啶-3,5-二氰酸酯的受体ARP，用于灵敏且特异性地检测Hg²⁺。通过FTIR、NMR（¹H和¹³C）和HRMS对ARP进行了表征。与其他金属离子相比，该受体对Hg²⁺表现出显著的选择性，在乙腈溶液中其颜色从黄棕色变为浅黄色。通过¹H NMR滴定、HRMS分析和DFT计算确定了ARP与Hg²⁺之间的相互作用。ARP与Hg²⁺的结合比例为2:1，这一点通过Job图得到了验证。Hg²⁺的检测限和定量限分别为19.8 nM和66.6 nM。ARP对Hg²⁺离子的反应迅速，EDTA滴定实验也证实了其可逆性。ARP成功地在实际样品中检测到了Hg²⁺，包括水、试纸条和活的HeLa细胞，证明它是一种可靠且多用途的传感器，适用于环境和生物系统中汞污染的监测。

引言

汞（Hg²⁺）是一种普遍存在且极其危险的全球性污染物，即使在微量浓度下也会对人类健康和环境造成严重威胁[1]。在重金属和过渡金属离子中，Hg²⁺被认为是最危险的。由于工业活动和人类行为释放的汞离子会被细菌和化学过程转化为神经毒性化合物甲基汞[2]、[3]。水和土壤中的Hg²⁺污染源于大气中汞蒸气的氧化[4]，而水生细菌会将无机汞进一步转化为有机形式（如甲基汞），这些有机汞会在鱼类和海洋生物体内积累[5]、[6]。这种生物积累对人类健康构成严重威胁，因为汞会进入食物链，导致汞中毒及相关疾病。燃煤发电站、金矿开采以及含汞设备（如灯具、温度计和气压计）都促进了这种有毒金属在空气、水和土壤中的广泛分布[7]、[8]。汞暴露可能导致严重的健康问题，如DNA损伤、肝肾功能障碍、免疫系统抑制、皮疹、生殖异常和神经系统疾病，包括精子和卵巢损伤，以及流产[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。日本的水俣事件就是由于受污染的海产品导致的汞中毒造成毁灭性后果的典型案例[14]。

为应对汞带来的全球健康威胁，美国环境保护署（USEPA）将饮用水和食品中Hg²⁺的允许浓度严格控制在10 nM（2 ppb）[15]、[16]。这突显了开发用于生物和生态基质中检测Hg²⁺的选择性和特异性传感技术的必要性。尽管传统检测方法被广泛使用，但它们通常涉及复杂的样品制备和昂贵的设备[17]、[18]、[19]、[20]。荧光光谱是一种更简单、更具成本效益的替代方法，具有高灵敏度、快速响应和实时检测能力。与金属离子相互作用并产生可测量荧光变化的荧光化学传感器已成为区分金属离子的有希望的工具[21]、[22]、[23]、[24]。尽管已有大量关于大气中汞离子监测的文献，但仍需要改进检测策略（见表S2），设计一种具有更高选择性和灵敏度的新型汞离子检测化学传感器仍然是研究的关键领域。

在这项工作中，我们开发了ARP（2-氨基-4-(4-(3,3,6,6,10-五甲基-1,8-二氧-1,2,3,4,5,6,7,8,9,10-十氢吖啶-9-基)苯基)-6-(吡咯里啶-1-基)吡啶-3,5-二氰酸酯），这是一种用于选择性识别Hg²⁺的新化学传感器。ARP通过简单的缩合反应合成，表现出优异的荧光传感性能。它对Hg²⁺具有高特异性和灵敏度，即使在存在其他金属离子的情况下也能有效区分。ARP显示出极低的检测限（LOD）、定量限（LOQ）和快速响应时间，非常适合实时检测。此外，ARP能够通过可视化研究和试纸条测试直接肉眼识别Hg²⁺离子。另外，在活的HeLa细胞中的荧光成像证明了其在生物监测中的适用性。与之前报道的荧光受体相比，ARP的新结构设计显著提高了其对Hg²⁺离子的结合亲和力和荧光响应，实现了低至19.8 nM的检测限。此外，ARP受体在一个平台上集成了实时检测、视觉识别和生物成像功能。

部分内容摘录

化学品和设备

所有化学品均从SD Fine Chemicals、Sigma-Aldrich和TCI购买。分析级溶剂直接使用，无需额外纯化。所有制备步骤均使用双蒸水进行。红外（IR）光谱覆盖4000–400 cm^?1范围，采用KBr颗粒法在Shimadzu FTIR光谱仪上记录。使用Bruker Avance光谱仪，在DMSO-d₆和CDCl₃介质中，分别在400和100 MHz下测量了¹H和¹³C NMR光谱。

ARP受体的设计与合成

化合物4和5按照支持信息[26]中描述的程序合成。受体ARP的通用合成路线如图1所示。目标化合物的结构通过光谱分析确认，包括¹H NMR、¹³C NMR和HRMS（图S4-S9）。

ARP受体的UV–vis吸收光谱研究

研究了受体ARP与不同阳离子（如Al³⁺、Ag⁺、Cr⁶⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Pb²⁺、K⁺和Zn²⁺）的相互作用

细胞成像

为了评估受体ARP检测生物基质中Hg²⁺离子的能力，进行了生物成像研究。在成像实验之前，通过MTT测定法评估了ARP对HeLa癌细胞的细胞毒性[30]、[31]。结果表明ARP几乎没有细胞毒性，在较高浓度下也未观察到细胞活力显著下降（图16）。这些发现表明ARP受体是无毒的，适用于活细胞实验。

结论

总之，基于吖啶酮-吡啶-3,5-二氰酸酯的ARP受体被成功开发，并被详细描述为一种极其灵敏和选择性的Hg²⁺离子检测受体。该受体对Hg²⁺表现出极高的选择性，而对其他金属离子（包括Ag⁺、Cu²⁺、Pb²⁺和Al³⁺）则没有这种选择性，这通过其在乙腈中从黄棕色变为浅黄色的明显颜色变化得以体现。结合研究（包括¹H NMR滴定和Job图分析）证实了这一点

CRediT作者贡献声明

S.P. 拉加维：撰写 – 原始草稿、方法学、实验、数据分析。D. 蒂鲁马拉伊：撰写 – 审稿与编辑、验证。杰比蒂·哈里巴巴布：数据管理。塔纳伊·德布纳特：数据分析。I.V. 阿沙拉尼：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢韦洛尔理工学院的实验室和先进的仪器设施（SIF）。这项研究得到了VIT SEED基金（RGEMS Fund, SG20240089）的支持。J. 哈里巴巴布感谢阿塔卡马大学为该项目提供的资金支持（DIUDA-88231R3）。

S.P. 拉加维在韦洛尔的穆图兰加姆政府文理学院获得化学学士学位，并在韦洛尔的蒂鲁瓦卢瓦尔大学完成硕士学位。目前，她在韦洛尔理工学院攻读博士学位，研究方向为吖啶酮的合成及其化学传感器应用。