利用电感耦合等离子体质谱法研究金纳米颗粒与具有临床意义的化合物之间的关联

《Talanta》：Using inductively coupled plasma mass spectrometry for studying the association of gold nanoparticles with compounds of clinical interest

本工作设计合成了一种新型近红外荧光和颜色探针NIR-2，通过Hg2?诱导的环开合结构转换实现高效灵敏检测，检测限低至3.77×10?1? M，并成功应用于水、食品及生物样本分析，智能手机检测法灵敏度达1.66×10?? M，填补了现有研究的空白。

　　

Dila Cetin|Emre Ozdemir|Ozgur Yavuz|Yusuf Alcay|Hulya Aribuga|Utku Ertugral|Nebahat Ejder|Ismail Yilmaz

伊斯坦布尔技术大学，化学系，土耳其伊斯坦布尔Maslak，邮编34469

摘要

我们设计并合成了一种新型近红外（NIR）荧光和比色探针NIR-2，用于高选择性和高灵敏度地定量实际样品中的Hg²⁺离子。NIR-2与Hg²⁺之间的相互作用引发了从环闭合的荧光关闭型硒内酯结构到环开放型酸结构的转变，导致可见光颜色的变化和显著的荧光增强。包括HRMS、FT-IR和NMR在内的光谱技术证实了该探针与Hg²⁺离子之间的分子结构和相互作用机制。NIR-2在广泛的浓度范围内对Hg²⁺离子表现出出色的检测性能，其检测限分别为UV-Vis光谱下的3.77×10^-10 M和荧光光谱下的4.54×10^-9 M，响应时间仅为10秒。该探针已在实际应用中得到验证，包括水和食品样品分析，取得了较高的回收率。此外，基于智能手机的检测方法的发展使得汞的快速、现场和低成本监测成为可能。据我们所知，使用基于智能手机的Hg²⁺检测方法所实现的检测范围（1.66 × 10^-9 M至7.50 × 10^-6 M）是文献中报道的最灵敏的范围。此外，细胞毒性评估和成像研究证实NIR-2在生物环境中也能有效检测Hg²⁺。总体而言，这些发现突显了NIR-2作为环境、食品和健康安全应用中有前景的工具的实用价值。

引言

近年来，能够感知和监测有毒金属离子的先进分子系统在生物学和环境科学领域受到了广泛关注。[1],[2],[3],[4],[5]。其中，汞（Hg）广泛应用于温度计、牙科汞合金、珠宝、电池、杀虫剂、气压计、油漆和电子设备等日常产品中，但它仍然是最具毒性和持久性的环境污染物之一[6],[7],[8],[9]。汞以离子态、金属态、无机态和有机态存在，即使在低浓度下也具有高度毒性。其在水资源中的广泛存在对生态系统和人类健康构成了重大威胁。一旦被吸收，汞会破坏中枢神经系统和内分泌系统，对重要器官造成永久性损伤，并对胎儿发育构成严重风险[10],[11],[12]。根据美国环境保护署（EPA）的规定，饮用水中无机汞的最大允许限值为9.97 × 10^-9 M，这一数值反映了这种污染物带来的严重健康风险[13],[14]。

目前，已经使用多种技术对Hg²⁺进行了广泛研究，包括原子吸收光谱（AAS）[15]、伏安法[16]、电感耦合等离子体-原子发射光谱（ICP-AES）[17]、原子荧光光谱（AFS）[18]和红外光谱（IR）[19]。尽管这些技术具有精确和灵敏的检测能力，但它们受到高成本、复杂的样品制备过程以及需要专业操作人员的限制。针对这些挑战，靶向荧光和比色化学传感器因使用简便、视觉检测能力强以及在生物和环境背景下的优异选择性和灵敏度而越来越受到关注[20],[21],[22],[23],[24]。

文献中报道了多种用于Hg²⁺检测的荧光和比色有机材料，包括罗丹明、芘、BODIPY、香豆素、方酸酯、醌和花青素[25],[26],[27],[28],[29],[30]。然而，许多这些平台存在基质稳定性差和响应时间长的问题。最关键的是，它们的发射波长低于650 nm，这限制了它们在生物应用中的适用性。

文献中明确指出，近红外光（700–2500 nm）由于生物成分（如皮肤和血液）在较长波长下的散射和吸收较少，因此具有更好的组织穿透能力[31],[32],[33]。正如Smith等人所指出的，650 nm到950 nm之间存在一个关键的“光学窗口”，特别适用于活体动物的深层组织成像[31]。尽管水吸收和组织自荧光等因素会影响信噪比，但近红外光的增强穿透深度（通常可达1–2 cm）使其成为生物应用的理想选择。此外，近红外探针预计会表现出高亮度和量子产率，从而实现灵敏的分析物检测[34]。

chromenylium-花青素（CS）平台通过与罗丹明类似的检测机制工作，经过胺类修饰后形成闭合的螺内酯环，处于荧光“关闭”状态，呈现淡黄色[35]。在适当的分析物相互作用或低pH条件下（通常pH<3），螺内酯环打开，使分子内的共轭结构延伸，导致在近红外区域（>700 nm）的强吸收和发射，并使颜色变为绿色。环开放结构通常具有高量子产率，使CS平台成为传感和生物成像应用的优秀候选者[20]。

基于这些假设，首次设计并合成了一个将硒结合到CS平台中的刚性NIR-2化学传感器。在闭合的硒内酯构型下，NIR-2不发光。加入Hg²⁺离子会引发水解反应，导致脱硒并形成开放的CS2酸结构。这使分子内的共轭结构延伸，从而在719 nm处产生强吸收并在755 nm处发出明亮的光。使用NMR、FT-IR、HR-MS、UV–Vis和荧光光谱对NIR-2及其与Hg²⁺的相互作用进行了详细研究（见图S1–S9和表S1）。与近年来报道的许多Hg²⁺探针相比，NIR-2表现出更优异的性能。NIR-2作为一种优越的探针，其发射能量较低（755 nm波长）、应用范围更广以及出色的灵敏度超过了大多数文献报道的探针。它提供了比率的UV–Vis和荧光“开启”特性，具有优异的检测限（UV-Vis光谱下为3.77×10^-10 M，荧光光谱下为4.54×10^-9 M），宽线性范围（UV–Vis和荧光光谱均为1–10 nM），以及快速（10秒）、高选择性和灵敏度的Hg²⁺离子检测能力，如表1所示。此外，该探针对Hg²⁺表现出明显的浓度依赖性颜色响应，便于通过视觉观察和基于智能手机的检测进行实际样品分析，无需任何复杂的仪器。根据我们的研究，我们开发的基于智能手机的Hg²⁺检测范围（1.66 × 10^-9 M至7.50 × 10^-6 M）是文献中报道的最灵敏的范围。此外，细胞毒性和成像研究表明NIR-2也能在生物环境中有效检测Hg²⁺。

材料与方法

本研究使用的材料、化学品和仪器列在补充信息中。

结果与讨论

首先，¹H-NMR、APT、COSY、HMBC、HSQC、FT-IR和HR-MS对探针的表征结果与提出的结构一致（见图S1–S7和表S1）。详细的2D NMR表征结果见图S9和表S1。完成表征后，开始进行光谱分析（UV-Vis和荧光光谱）研究，并对探针进行了优化。使用了多种可与...

结论

本研究介绍了一种新型近红外荧光化学传感器NIR-2的设计与合成，该传感器用于环境、食品和活细胞样品中Hg²⁺离子的选择性和灵敏检测。该探针具有多个显著优势：(i) 它是一种双通道传感器，兼具比色和荧光特性，提供了经济高效、简单快捷的微量Hg²⁺检测能力；(ii) 其吸收和发射...

CRediT作者贡献声明

Ismail Yilmaz：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、概念化。Nebahat Ejder：撰写 – 原稿撰写、验证、方法学、研究、数据分析。Utku Ertugral：验证、方法学、研究、数据分析。Hulya Aribuga：验证、方法学、研究、数据分析。Yusuf Alcay：验证、方法学、研究、数据分析。

注释

作者声明没有竞争性财务利益

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了高等教育委员会（Y $$K）-伊斯坦布尔技术大学（ITU）研究基金YAP（项目编号：TGA-2023-43934）的支持。作者感谢Y?K和ITU的支持。