基于罗丹明的化学传感器对Hg2+的快速双模比色和荧光检测：光谱学、密度泛函理论（DFT）及试纸研究

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Rapid dual-mode colorimetric and fluorometric detection of Hg2+ using a rhodamine-based chemosensor: Spectroscopic, DFT, and test strip investigations

　　

Tadepalli Sanjeevakumar | G. Durga Prasad | Venkatachalam Rajeshkumar | Ashok K. Sundramoorthy | Surendra H. Mahadevegowda

印度安得拉邦国家技术学院理学院化学系，Tadepalligudem 534101

摘要

本研究介绍了一种基于罗丹明的化学传感器，用于颜色化和荧光检测Hg²⁺。合成了新型化合物N-甲基二氢苯并[d]噻唑-罗丹明共轭物（RDBT），该方法从罗丹明B开始，获得了良好的产率。该探针通过NMR、FT-IR和HRMS技术进行了全面表征。Hg²⁺促使RDBT的螺内酯环打开，导致在λ_max 569 nm处出现可见吸收带，并在λ_max 583 nm处产生荧光信号，同时颜色从无色变为粉色。滴定实验表明信号强度随浓度增加而增强，Job图证实了1:1的结合比，检测限（LOD）为5.154 × 10^?6 M，结合常数为1.068 × 10³ M^?1。¹H NMR滴定实验明确表明Hg²⁺结合诱导了RDBT的螺内酯环打开，证实金属离子负责探针的结构变化。此外，对实际水样的分析证明了该探针的实用性，在环境样品中能够可靠地检测到Hg²⁺。试纸条测定法实现了汞离子的选择性可视化检测。进一步，DFT/TD-DFT分析支持了O-N-S配位及其对探针光物理行为的调控作用，揭示了配位后探针的平面化及HOMO-LUMO能隙的减小。我们的实验和DFT研究结果表明，开发的RDBT探针可作为Hg²⁺的快速、选择性光学传感器。

引言

汞是一种广为人知的毒性金属，可以轻易穿透皮肤、呼吸道和消化道组织等生物屏障[1]。汞可通过自然过程和人类活动释放到环境中。自然界的汞排放来源于火山活动、森林火灾以及含汞岩石的侵蚀。然而，人类活动（如煤炭燃烧、金矿开采以及氯和烧碱生产等）显著增加了汞在环境中的含量[2]。汞进入人体后，会损害中枢神经系统和内分泌系统[3]。长期暴露于高浓度汞下会导致大脑和肾脏永久性损伤，并影响消化系统。汞暴露还会引发神经系统问题，包括视力、听力和记忆方面的问题。高浓度汞还可能损害肺部，引起恶心、呕吐和腹泻。此外，汞会干扰维持某些免疫细胞（T细胞）平衡的自然机制，从而影响免疫系统。汞还导致了多起严重的污染事件[4]。微生物可将汞(II)离子转化为元素汞和有机汞化合物，这些汞形式可通过食物链在海洋生物体内积累，食用受污染的海产品会危害人体大脑、肾脏和神经系统[5]、[6]。美国环境保护署（EPA）规定，饮用水中的无机汞(II)含量应低于十亿分之二（ppb）[7]。环境中汞污染的增加归因于工业发展，尤其是电子制造、煤炭燃烧和采矿等行业[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

因此，开发一种简单准确的Hg(II)离子检测方法对于监测环境污染和确保食品安全至关重要。近年来，出现了一些有效方法，包括基于颜色变化材料的传感器和金纳米粒子，以及伏安法、毛细管电泳等电化学技术[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。荧光传感器被证明是检测和测量Hg(II)离子的强大工具，具有高灵敏度和选择性。为此，专门开发了许多用于选择性检测这些离子的荧光传感器[18]、[19]、[20]、[21]。通常，大多数荧光传感器的荧光强度会因汞(II)离子（Hg²⁺）的自旋轨道耦合效应而在跨系统过程中减弱[22]、[23]、[24]、[25]。因此，需要开发“开启型”荧光传感器，即非荧光分子在与离子结合后才能发出荧光。最近的研究表明，基于罗丹明的荧光传感器对Hg(II)离子具有明显的“开启型”响应[26]、[27]、[28]。由于罗丹明衍生物具有优异的光物理性质（如高荧光量子产率（Φ）、强的光稳定性、高的摩尔消光系数（ε）和长发射波长（超过550 nm）[29]，它们常被用作化学传感器中的荧光团。鉴于Hg²⁺离子能与含氮和硫基团结合，常采用噻吩和三唑基团设计出针对Hg²⁺的特异性探针，其结构类似“O-N-N-S”[30]。

目前，我们的研究重点是开发用于检测和监测重金属离子的小分子杂化探针[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]。在这项研究中，我们设计并合成了一种新型罗丹明基探针(Z)-3′, 6′-双(二乙氨基)-2-((3-甲基苯并[d]噻唑-2(3H)-亚胺)螺[异吲哚-1,9′-xanthen]-3-酮，专门用于高含水量环境中的Hg²⁺离子识别。这种合成的化学传感器对汞表现出高灵敏度和选择性，同时有效减少了其他金属分析物的干扰。¹H NMR滴定实验明确显示Hg²⁺的结合引发了RDBT的螺内酯环打开，证实这一结构变化确实是由金属离子引起的。为深入理解传感机制和电子跃迁，我们用密度泛函理论（DFT）计算验证了实验结果。试纸条测试证实了该探针的实际应用效果，能够轻松实时检测Hg²⁺。此外，对实际水样的分析表明该探针在环境样品中表现出良好的检测性能。

章节片段

材料与方法

用于合成RDBT探针的所有试剂、金属盐和起始材料均来自商业供应商，除非另有说明，否则无需额外纯化。所有反应均在氮气环境中、用 oven-dried 玻璃器皿进行，除非另有规定。反应进程通过分析薄层色谱（TLC）监测：Merck silica gel 60 F254/Kieselguhr 板。TLC 斑点在254和365 nm紫外光下可视化。

结果与讨论

通过¹H NMR、¹³C NMR、DEPT-135、FT-IR和HRMS分析确认了合成探针RDBT的结构。¹H NMR谱图中，芳香质子位于δ 6.20–7.80 ppm范围内，二乙氨基团在δ ~ 3.1–3.5 ppm（-CH₂）和δ ~ 1.0–1.3 ppm（-CH₃）处有信号。羧酸基团的缺失表明罗丹明B已成功转化。¹³C NMR谱图显示酰胺CO (~165–170 ppm)、CN (~150–160 ppm)和芳香碳的信号

计算研究：DFT 计算和几何优化

使用 B3LYP 杂化泛函和 6-311G(d,p) 基组对RDBT进行了几何优化，所得结构如图 9 所示。为了将 DFT 结果与实验数据关联起来，在计算研究中使用乙醇作为溶剂。对于金属配合物RDBT + Hg²⁺，采用 B3LYP 泛函和 LanL2DZ 基组进行了几何优化。这些计算模型为理解结构提供了有力支持。

结论

本研究成功合成了一种新型罗丹明基化学传感器N-甲基二氢苯并[d]噻唑罗丹明共轭物(RDBT)，用于快速选择性检测 Hg²⁺离子。该探针对 Hg²⁺离子表现出优异的灵敏度和选择性反应，通过荧光开关机制实现，且受其他金属阳离子的干扰极小。光谱研究证实了 Hg²⁺结合引发的螺内酯环打开现象。

CRediT 作者贡献声明

Tadepalli Sanjeevakumar：撰写——初稿、方法论、研究、数据整理。G. Durga Prasad：形式分析。Venkatachalam Rajeshkumar：撰写——审稿与编辑、形式分析。Ashok K. Sundramoorthy：撰写——审稿与编辑、形式分析。Surendra H. Mahadevegowda：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、概念构思。

作者声明他们没有可能影响本研究内容的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了安得拉邦国家技术学院的支持（种子项目编号：NITAP/SD-G/19/2020）。作者感谢安得拉邦国家技术学院提供的部门基础设施。