双模式N4O3三足半缩醛Schiff碱传感器，用于Ni2+的选择性比色检测和Zn2+的荧光检测：在食品、环境和法医样品中的分析应用

《RSC Advances》：Dual-mode N4O3 tripodal hemi-salen Schiff base sensor for selective colorimetric detection of Ni2+ and fluorometric sensing of Zn2+: analytical applications across food, environmental, and forensic matrices

　　三-(2-氨基乙基)胺和3,5-二-叔丁基-2-羟基苯甲醛是三足N4O3供体tris-Schiff碱半-salen分子探针L的来源，我们在这里介绍了这种探针，用于在水介质中灵敏且选择性地检测Ni2+，以及在其他竞争阳离子存在的情况下检测Zn2+的荧光响应。其检测限分别为9.4 × 10?7 M和4.68 × 10?7 M。FT-IR、ESI-mass和Job-plot光谱分析证实了L与Zn2+以及L与Ni2+离子之间为1:1的化学计量比。使用Na2EDTA证明了该探针与Ni2+和Zn2+离子的可逆反应性。此外，L在广泛的pH范围内均能发挥作用，有助于检测和定量食品和环境材料中的Ni2+和Zn2+。在多种法医应用中，它还有助于生成潜在指纹。本文还报告了L的分子对接研究，作为对可能的生物分子相互作用的初步计算分析。

1 引言

金属离子传感的研究对生物系统和环境仍然至关重要。镍是过渡金属系列中的重要成分，对于呼吸、代谢和生物合成等生物过程是必需的。它是多种金属酶（如氢化酶、乙酰还原酮双加氧酶和一氧化碳脱氢酶）的重要组成部分。镍在环境中的存在主要是由于各种自然过程，包括风化、侵蚀和火山爆发。此外，镍天然存在于巧克力、可可、咖啡、茶等食物中，以及西兰花、菠菜、芦笋、胡萝卜和番茄等植物中，还有青豆和杏仁等豆类中。镍在化学工业中也有广泛的应用，用于电镀、电铸以及生产有用的电子产品（如Ni-Cd电池）。

长期以来，人们认为镍是一种潜在的危险金属。在饮用水中，2.5 mg/mL的Ni2+离子浓度是可以接受的。由于镍在工业过程中的广泛应用，Ni2+容易渗透到水环境中并对环境造成负面影响。过量积累Ni2+会导致中枢神经系统疾病、肺癌、过敏、肺炎和呼吸系统问题等健康问题。因此，当前研究中的一个难点是在生物和环境水平上精确检测Ni2+离子。同样，Zn2+作为金属蛋白的组成部分，是人体中第二常见的微量元素。Zn2+对细胞代谢、神经信号传导、细胞凋亡等人体过程至关重要。含Zn2+的化合物可用作抗癌药物、胰岛素模拟物、抗菌剂、抗糖尿病药物和肿瘤光敏剂。然而，作为一种常见的工业废物，Zn2+会在生态系统中积累并严重污染水源。生物体内Zn2+的失衡会对多种人类疾病产生重大影响，如精神障碍、帕金森病、婴儿腹泻、阿尔茨海默病、缺血性中风、癫痫、性成熟延迟、威尔逊病和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。锌是食品和农业废物中的常见污染物，过量的Zn2+离子会对植物产生毒性作用并降低土壤微生物活性。因此，需要一种高度灵敏可靠的Zn2+传感器来监测生物体和环境中的Zn2+存在和含量。鉴于重过渡金属离子在生物、环境和工业过程中的重要性，人们非常关注设计和合成有效的化学受体以检测和测量这些离子。近年来，已经使用了多种传统的分析方法来检测重金属离子，包括原子吸收光谱（AAS）、流动注射安培法（flow-injection amperometry）、色谱法（chromatography）、电位法（potentiometry）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-ES）。然而，这些方法大多存在严重的缺点，如灵敏度低、选择性差、耗时长、样品制备复杂、需要高素质的人员以及使用昂贵和复杂的设备。近年来，基于光学信号传导的化学传感器因其操作优势、现场分析能力、良好的选择性和灵敏度而成为可行的技术。此外，使用单一受体同时检测多种目标（包括不同类型的分析物）比一对一的分析技术更高效且成本更低，因此会吸引更多关注。

在这项研究中，我们描述了一种三足N4O3供体tris-Schiff碱分子探针L，它是通过三-(2-氨基乙基)胺（tren）和3,5-二-叔丁基-2-羟基苯甲醛的缩合反应制备的，用于Ni2+离子的比色检测和Zn2+离子的选择性荧光检测。上述研究工作以及我们对荧光比色化学传感器的探索是这项工作的推动力。该受体在甲醇–tris–HCl缓冲液（10 mM，pH 7.2，1:1 v/v）中与Ni2+离子反应时颜色从浅黄色变为橙黄色，检测限为9.4 × 10?7 M；与Zn2+离子反应时表现出荧光“开启”现象，检测限为4.68 × 10?7 M。尽管基于Schiff碱的过渡金属离子化学传感器已经很成熟，但本工作提供了几个独特的改进。首先，所设计的探针具有罕见的三足N4O3半-salen结构，提供了一个预先组织的多齿结合腔，这与传统的平面Schiff碱系统有根本不同。其次，它实现了真正的正交双模式传感，能够在单一分子平台上通过LMCT选择性地检测Ni2+并通过CHEF机制荧光检测Zn2+。通过独立信号通路区分两种金属离子的情况很少见。第三，该探针具有多功能性，不仅限于溶液相传感，还适用于实际样品分析和潜在指纹的可视化。这些结构、机制和应用层面的特点共同使当前系统成为近期基于Schiff碱的金属离子化学传感器的重大进步。

2 实验

2.1 材料和设备

Sigma Aldrich公司提供了金属盐、3,5-二-叔丁基-2-羟基苯甲醛和三-(2-氨基乙基)胺。所有实验均使用分析级溶剂，并用双蒸水配制了tris缓冲液（pH = 7.2）进行稀释。使用它们的硝酸盐制备金属离子溶液。使用Shimadzu UV 1800分光光度计在200至800 nm波长范围内、光程为10 mm的石英比色皿捕获吸收光谱。使用Shimadzu RF 5000荧光光谱仪记录发光光谱。使用Waters质谱仪在由三蒸水和甲醇组成的混合溶剂中进行高分辨率质谱（HRMS）测量。使用Bruker Alpha II FTIR分光光度计记录FTIR光谱（KBr盘）。使用Bruker DRX光谱仪在400 MHz频率下记录1H和13C NMR光谱。化学位移以ppm为单位，相对于TMS进行测量。使用数字pH计（Merck）通过改变缓冲液中的氢氧化钠和盐酸来测量pH值。使用甲醇–tris–HCl缓冲液（10 mM，pH 7.2，1:1 v/v）和H2O分别制备受体L（1 × 10?5 M）和金属盐（1 × 10?4 M）溶液。

2.2 三足N4O3供体tris-Schiff碱半-salen配体（L）的合成

将3,5-二-叔丁基-2-羟基苯甲醛（702 mg，3 mmol）和三-(2-氨基乙基)胺（146 mg，1 mmol）在蒸馏甲醇中回流加热六小时。过滤去除悬浮物后，让黄色溶液缓慢蒸发，使L以黄色固体形式沉淀。产率为0.684克，产率86%。熔点为88 °C。C51H78N4O3的分析计算值为：C 77.03；H 9.89；N 7.05。实际测得C 77.01；H 9.82；N 7.05%。1H NMR（400 MHz，CDCl3，TMS）：δ（ppm）13.91（s，3H，OH），8.34（s，3H，HC = N），7.38（s，3H，Ar–CH），7.04（s，3H，Ar–CH），3.68（t，6H，J = 6.0 Hz，CNCH2），2.97（t，6H，J = 6.3 Hz，N–CH2），1.45（s，27H，C–(CH3)3），1.31（d，27H，C–(CH3)3）（图S1）。13C NMR（100 MHz，CDCl3，TMS）：δ（ppm）166.77（HC = N），158.14，139.93，136.62，126.83，125.81和117.88（Ar–CH），58.31和55.97（CH2），35.02和34.12，（C–(CH3)3），31.53和29.72（C–(CH3)3）（图S2）。FTIR/cm?1（KBr）：3856（wb），3743（m，–OH），3213（m，–NH），2990（s，脂肪族–CH），1623（vs., CN），1546（s，–CC），1448（vs., –CC），1360（m），1250（m，–C–N），1170（s），1030（m），875（m），776（s），690（m）（图S3）。ESI MS：796.7438 [M–H]+（图S4）。

2.3 UV-Vis滴定

将L（7.95 mg，0.01 mmol）溶解在CH3OH–H2O（1:1，v/v）溶剂混合物中（10 mL），然后用该溶剂混合物将其稀释至3 mL，得到最终浓度为10 μM。使用三蒸水和它们的硝酸盐分别制备客体阳离子溶液，浓度范围为10 mM。随后将其稀释至适当浓度。将L与每种金属离子混合后，在室温下记录UV-Vis光谱。

2.4 荧光滴定

将Zn(NO3)2·6H2O（29.7 mg）溶解在10 mL的三蒸水中，然后向每种受体溶液（10 μM）中加入15–90 μL的Zn2+溶液，使L（7.95 mg，0.01 mmol）溶解在同一溶剂（10 mL）中制备溶液，再将30 μL的该溶液用3 mL溶剂混合物稀释至最终浓度10 μM。在短暂混合后，在室温下获取荧光光谱。

2.5 Job图测量

分别取100、90、80、70、60、50、40、30、20、10和0 μL的L溶液，并将其放入小瓶中，其中L（7.95 mg，0.01 mmol）溶解在10 mL甲醇中。将Ni(NO3)2·6H2O/Zn(NO3)2·6H2O（0.01 mmol）溶解在10 mL的三蒸水中，然后用2.9 mL混合溶剂稀释每个小瓶。每种稀释后的L溶液分别加入0、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100 μL的Ni2+/Zn2+溶液，总体积为3 mL。摇晃小瓶一分钟后，静置一段时间，然后进行室温UV-Vis光谱测量。

2.6 pH效应测试

使用100 mM HEPES缓冲液制备pH值在2到12之间的多种缓冲液。将受体L（7.95 mg，0.01 mmol）溶解在10 mL甲醇中，调整溶液的pH值后使用上述缓冲液。将30 μL的该溶液（1 mM）进一步稀释至3 mL，得到最终浓度10 μM。使用十毫升HEPES缓冲液（pH 7.00）溶解0.1 mmol的Ni(NO3)2·6H2O/Zn(NO3)2·6H2O。对于每个预先制备的10 μM受体溶液，加入30 μL的Ni2+/Zn2+溶液（10 mM）。在短暂混合后，在室温下获取荧光光谱。

2.7 与其他金属离子的竞争

将L（7.95 mg，0.01 mmol）溶解在先前提到的溶剂混合物（10 mL）中，然后用溶剂混合物将其稀释至3 mL，得到最终浓度10 μM。将M(NO3) × (0.1 mmol)和Ni(NO3)2·6H2O/Zn(NO3)2·6H2O（0.01 mmol）溶解在十毫升三蒸水中。为了获得10当量的金属离子，将每种金属溶液（10 mM）与3 mL的受体L（10 μM）溶液混合。将每种金属离子和L的混合溶液与30 μL的Ni2+/Zn2+溶液（10 mM）混合，得到10当量。在短暂混合后，在室温下获取UV-Vis/荧光光谱。

2.8 分子对接

蛋白质数据库提供了许多蛋白质靶标的晶体结构（PDB ID：4OUH、1PXX、3SFH和3RCD），然后通过去除杂原子和水分子来创建这些结构。使用ChemDraw Professional 12.0绘制半-salen配体L，使用ArgusLab 4.0.1（MMFF94力场）降低其能量。在ArgusLab 4.1.0中，使用了一个包围活性位点的网格框来进行对接，并通过结合能来确定最佳位置。51,52 Discovery Studio Visualizer被用来研究和可视化配体-蛋白质之间的相互作用，包括二维和三维情况。

2.9

计算细节

所有计算都使用了GAUSSIAN-09 Revision C.01程序包。53 在单重基态下，对化学传感器L的气相几何结构进行了完全优化，没有对称性限制，采用了梯度校正的DFT水平，并结合了使用Coulomb-attenuating方法B3LYP的杂化交换-相关泛函。54 基组6-31++G被认为适用于整个分子。对于L + Ni2+和L + Zn2+复合物的几何优化，使用了LanL2DZ基组。

3

结果与讨论

3.1

探针L的合成与结构

有机配体6,6′,6″-((1E,1′E,1″E)-((nitrilotris(ethane-2,1-diyl))tris(azaneylylidene)) tris(methaneylylidene))tris(2,4-di-tert-butylphenol) (L)（方案1)通过tris-(2 aminoethyl)amine和3,5-Di-tert-butyl-2 hydroxy-benzaldehyde在脱水甲醇中的1:3缩合反应以良好的产率（86%）获得。它通过1H NMR和13C NMR光谱、FTIR、EI-MS光谱以及元素分析进行了表征。在探针L的1H-NMR光谱中，–OH质子在13.91 ppm处共振，苯基质子在7.04到7.38 ppm之间共振，–CHN质子在8.34 ppm处共振。三 Schiff碱L的红外光谱显示，O–H伸缩频率为3743 cm?1，–NH为3213 cm?1，脂肪族–CH为2990 cm?1，CN为1623 cm?1。不幸的是，尽管我们在多种溶剂中做出了最大努力，我们仍然无法制备出适合X射线衍射研究的单晶。方案1

3.2

化学传感器L的UV-vis光谱研究

在甲醇–三–HCl缓冲介质（10 mM，pH 7.2）溶液（1:1 v/v）中，检测了受体L在三种不同金属离子存在下的比色传感行为，这些金属离子包括Al3+、Cr3+、Co2+、Fe3+、Cu2+、Zr4+、Cd2+、Fe2+、Hg2+、Ag+、Mn2+、Pb2+、Ni2+、Sr2+和Zn2+。这样做是为了确定受体L的独特选择性。图1显示，只有Ni2+从黄色变为橙色；其他金属离子没有这种变化。在紫外光下的类似颜色变化在图S5中有所描述。受体L在270和346 nm处显示出初级吸收带，这是由于S0–S1跃迁。只有当存在三当量的Ni2+离子时，346 nm处的吸收带才会向蓝端移动22 nm，并且在415 nm处形成一个新的吸收带（图S6）。当加入相同量的其他金属离子时，在415 nm处没有峰值。Ni2+离子与L的较高配位能力可能是导致颜色变化和光谱移动的原因。通过吸收滴定测试进一步研究了化学传感器L检测金属离子的能力。图1

3.3

在甲醇-水（1:1，v/v）中加入3当量不同阳离子后，L的颜色变化。加入Ni2+会导致明显的浴色变化，并在可见光区域出现一个新的低能量吸收带。这种光谱特征是配体到金属的电荷转移（LMCT）跃迁的典型表现，其中电子密度从配体供体原子（O/N）转移到部分填充的Ni2+ d轨道。随着Ni2+浓度的增加，这个带的强度和位置系统性地增加，证实了复合物的形成和电荷转移相互作用，而不是简单的聚集或溶剂致色效应。为了进一步了解化学传感器L对Ni2+离子的敏感性响应，进行了UV-vis滴定实验，分别记录了不同浓度的Ni2+离子。当向L中加入七当量的Ni2+时，346 nm处的吸收带逐渐扩展并向蓝端移动（最多21 nm），并在396 nm处形成了一个新的吸收带（图2）。在325 nm处的等吸点（图2）表明，L和Ni2+之间只生成了一种复合物。Ni2+离子与其他离子相比具有更高的配位能力，这可能是添加Ni2+离子后发生颜色变化和光谱移动的原因。通过UV-vis滴定实验进一步研究了化学传感器L检测金属离子的能力。图1

3.4

使用UV-Vis滴定法基于UV-Vis滴定方法计算L对Ni2+的检测限的标准偏差和线性拟合。通过线性拟合图1/(A ? A0) 1/[Ni2+]1/2，假设1:1的宿主-客体比例，使用Benesi–Hildebrand (B–H)方程计算了结合常数。测量值1.86 × 103 M?1/2表明受体L与分析物Ni2+具有非常高的亲和力（图S7）。化学传感器L对其他干扰离子的耐受限和优异的金属离子选择性是两个关键特性。为了评估受体对Ni2+离子检测的选择性，在许多离子（Al3+、Cr3+、Co2+、Fe3+、Cu2+、Zr4+、Cd2+、Fe2+、Hg2+、Ag+、Mn2+、Pb2+、Ni2+、Sr2+和Zn2+）存在的情况下，获取了受体L的UV-Vis光谱（图4）。溶液中其他金属离子的同时存在对由于L-Ni2+复合物的形成而在396 nm处产生的吸收带的强度没有任何影响。稀释效应只会导致颜色强度的轻微下降。因此，即使在背景离子浓度是三倍的情况下，所提出的化学传感器L仍然对Ni2+离子表现出选择性。图4

3.5

使用不同的金属离子对L进行了吸光度干扰测试。常用的金属螯合剂二乙胺四乙酸钠（Na2EDTA）被用来研究化学传感器L的可逆性。当向探针（L）溶液中加入三当量的Ni2+离子时，混合物的颜色从浅黄色变为橙黄色。如果用三当量的强螯合剂Na2EDTA处理L + Ni2+加合物，大约396 nm处的吸收带立即变为黄色（图5）。反复引入Ni2+离子几乎恢复了颜色和光谱变化。即使在交替引入螯合剂和分析物的三个循环后，L和L + Ni2+复合物之间的切换行为保持不变。图5

3.6

在没有和有Ni2+以及Na2EDTA的情况下，L的UV-可见光吸收光谱。介质的pH值对受体L检测Ni2+离子的能力有重大影响。在不同的pH值下确定了L-Ni2+复合物和自由L的吸收强度，并使用稀释的HCl和NaOH进行了校正。自由受体L的强度逐渐增加，直到pH约为7，之后开始下降，表明在极端碱性或酸性条件下发生了部分去质子化效应和受体不稳定。相比之下，在评估的整个pH范围内，L-Ni2+组合显示出明显的更高强度。在pH约为7时达到峰值，随着pH接近碱性，强度开始下降。这表明强酸性或碱性条件降低了结合效率，尽管在中性pH下复合物的形成最为稳定和有效。总体而言，研究结果表明受体L对pH敏感，并且它最能在pH 5–8范围内检测到Ni2+离子，这与生理系统一致（图S8）。

3.7

在甲醇和三HCl缓冲液（10 mM，pH 7.2，1:1 v/v）的混合物中，进一步研究了受体L在特定金属离子存在下的发射特性。在紫外灯下，L在室温下受到360 nm刺激时显示出淡蓝黄色，并在485 nm处有微弱的发射，荧光量子产率（Φ = 0.0068）较低。在选定的金属离子中，只有加入三当量的Zn2+离子到配体L溶液中显著增加了480 nm处的发射强度。其他金属离子（包括Ni2+）的相同量并没有显著增加受体L的发射（图6）。

3.8

在（CH3OH–H2O；1:1，v/v）中，不同浓度的Ni2+存在下，L的发射光谱。我们观察到L-Zn2+加合物在480 nm处的荧光强度随着Ni2+浓度的增加而系统性地增加，并且出现了新的吸收带。通过滴定实验逐步加入Zn2+离子，发现L-Zn2+加合物在480 nm处的吸收强度增加了53倍，并伴有轻微的蓝移。金属离子与受体L通过亚胺侧的连接很可能抑制了非辐射衰减途径和>CN异构化过程，从而由于螯合增强荧光效应（CHEF）导致发射强度的增加。但是对于Ni2+离子，L的发射强度保持不变，这表明在L-Ni2+复合物中，顺磁荧光淬灭和螯合增强荧光的相反机制相互抵消。为了研究受体L对Zn2+离子检测的选择性，我们分析了配体L、L + Zn2+离子以及L + Zn2+离子+其他金属离子的荧光光谱。使用荧光数据和Benesi–Hildebrand (B–H)方程，结合常数被确定为1.2 × 105 M?1/2（图S9），假设1:1的宿主-客体比例。这表明受体L与分析物Zn2+之间具有非常高的亲和力。

3.9

在（CH3OH–H2O；1:1，v/v）中，不同量的Zn2+存在下，对L进行了发射滴定。我们观察到L-Zn2+加合物在480 nm处的荧光强度不受其他金属离子的影响（图8）。使用相同的公式3σ/m，发现荧光检测限为4.68 × 10?7 M（图S10）。稳定的螯合物通常是由金属离子如Zn2+与多齿配体Na2EDTA形成的。使用L + Zn2+溶液和Na2EDTA作为工作介质进行的荧光测量验证了可逆性。一旦L + Zn2+加合物与三当量的Na2EDTA相互作用，宿主-客体组合在480 nm处的特征发射带就消失了（图9）。在加入三当量的分析物Zn2+后，480 nm处的发射强度几乎恢复，表明传感过程比任何可能的不可逆反应都更可逆。

3.10

在Zn2+和不同金属离子存在下，L的发射光谱。图9

3.11

为了确保L的比色和荧光响应的结合位置，使用Job图计算了L + Ni2+/Zn2+的化学计量比。根据Job的研究，396纳米处的相对比色强度波动与480纳米处的荧光强度变化之间的关系，L-Ni2+和L-Zn2+配合物的化学计量比为1:1，其摩尔分数（χM）分别为0.51和0.50（见图S11）。为了更好地理解传感过程，利用质谱和红外光谱分析研究了L-Ni2+和L-Zn2+加合物。根据ESI质谱，[L-Ni2+]和[L-Zn2+]分别对应于m/z = 852.2938（见图S12）和m/z = 859.0926（见图S13）的分子离子峰。自由配体L的红外光谱中，中心位于1623 cm?1的宽带是由CN基团的亚胺部分引起的。在L的Ni2+配合物中，该带移至1610 cm?1，表明亚胺基团可能参与了金属离子与配体的相互作用（见图S14）。L-Zn2+加合物的FT-IR光谱与L-Ni2+相似。分析物结合位点的检测和信号转导途径是实现金属传感的主要因素。3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛的一个单元和三(2-氨基乙基)胺的亚胺部分作为信号传导组分，而两个3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛单元的两个-OH基团以及三(2-氨基乙基)胺的三个亚胺N原子则构成了适合金属配位的口袋。首先，在吸收光谱中观察到了在受体位点的配位现象。在基态下，这改善了ICT过程并导致了比色传感。非辐射性的PET和>CN异构化过程可能由于Zn2+通过亚胺侧与受体L的配位而受到阻碍。这导致了发射强度的增加，因为螯合增强了荧光效应（CHEF）。在L-Ni2+加合物中，顺磁荧光的淬灭相互抵消了。图2展示了探针L最可能的传感机制。

3.5 对配体及其Ni2+和Zn2+配合物的DFT研究

对配体L进行了密度泛函理论（DFT）计算，以确定L的最可能结构。图10显示了几何优化的结构以及L的MOs能量和某些HOMO和LUMO轨道的示意图。L的HOMO和LUMO之间的能量差估计为2.86 eV（见图10）。

为了更接近可能的结合机制，对相应的Ni2+和Zn2+配合物进行了密度泛函理论计算。几何优化的结构以及L-Ni2+和L-Zn2+配合物的MOs能量和选定的HOMO和LUMO轨道的等高线图分别显示在图S15和图S11中。值得注意的是，L的HOMO和LUMO之间的计算能量差从L（2.86 eV）降低到了其M2+配合物（对于M = Ni为0.47 eV；对于M = Zn为1.39 eV）。配体L的HOMO–LUMO能量差在Ni2+和Zn2+配位后降低，这归因于电子的重新分布，从而导致吸收光谱和荧光光谱的变化。我们无法生长出L-Ni2+或L-Zn2+配合物的单晶（见图11）。

4.1 化学传感器L在真实样品分析中的应用

为了检验当前化学传感器L对Ni2+和Zn2+的传感能力，我们在废水中测试了探针L，并得到了一些发现。为了评估其在各种真实样品中的传感性能，添加了已知量的标准M2+溶液来制备人工M2+（M = Ni和Zn）污染的自来水样品。通过适当的预处理后，通过过滤和稀释将分析物浓度调整到工作范围内。使用相同的UV-vis光谱仪和荧光光谱仪分析了制备的样品，并利用校准曲线（强度与浓度）和Lambert–Beer定律确定了回收量。表1显示，每个样品中回收的M2+浓度准确且与添加的量非常接近。因此，受体L可能在实际应用中非常有用，因为它能够定量识别真实水样中的M2+离子（见表1）。

4.2 在食品样品中检测Zn2+

本研究考察了探针L测量水果和蔬菜样品中Zn2+离子的能力。首先，在收集的食品样品中没有检测到可测量的Zn2+量。通过使用消化后的水果和蔬菜提取物进行了对照实验，以确保金属离子的完全释放，以便进一步确认探针L用于Zn2+传感的可行性。当这些样品用探针L处理时，在480纳米处观察到了荧光强度的明显变化，证明了探针与Zn2+离子之间的强相互作用。样品包括苹果、番石榴、芒果、甜菜根、柠檬、土豆、胡萝卜和石榴，它们与不同浓度的标准Zn2+溶液（10、50和100 μM）混合，以进行定量研究。然后采用了传统的添加方法来评估荧光响应，这种方法可以减少可能由复杂食品成分引起的基质效应，从而影响分析结果。与传统校准技术相比，这种方法能够更准确地量化目标分析物。根据表2，所有调查食品中Zn2+的预期回收值的相对标准偏差（RSD）在0.28%到3.63%之间，回收率在78%到99.9%之间。这些发现证明了探针L在识别实际食品基质中的Zn2+离子方面的准确性、精确性和可靠性。探针L是一种有用的荧光传感器，可用于追踪食品样品中的Zn2+污染，因为其回收率低于允许的分析值。

4.3 指纹应用

指纹是手指尖上独特的脊状图案，终生不变，使其成为个人识别和法医调查的强大工具。由于潜在指纹通常由于汗水、皮脂和油脂而留在表面上，肉眼不可见，但它们可以提供将个人与犯罪现场联系起来的关键证据。在各种可视化技术中，粉末显现法被广泛使用，因为它简单、成本低廉，并且在非多孔表面上非常有效。粉末附着在指纹残留物上，形成清晰的脊状图案，可以轻松提取和保存。在这项研究中，我们使用了Schiff碱（L）来开发潜在指纹（LFP）。将化合物L制备成细粉后，立即用于涂抹潜在指纹以帮助其显现。显现后，LFP在396纳米的紫外光下可见。在包括云母、玻璃、塑料、硬币和笔记本电脑表面等多种表面上创建了LFP的图像。照片显示了清晰的乳突脊状图案，该化学物质能够识别指纹轮廓。图12展示了使用OnePlus Nord 4智能手机拍摄的照片。

使用L开发的潜在指纹（LFP）经过分析用于识别。指纹图案可以分为三个级别。一级识别包括核心和三角形的初步识别。二级识别包括脊状物、分叉、钩子、桥梁等特征。三级识别具有足够的信息来唯一识别一个人，例如脊状路径的偏差和汗孔。为了识别一个人，使用化合物L开发的LFP被检查了这些特征。图12表明，使用化合物L开发的LFP具有高分辨率，并且背景干扰较少。该化合物在各种表面上显示出三个级别的指纹图案识别能力。图像是在可见光和396纳米紫外光下拍摄的。图像清晰可读（见图13）。该化合物在各个级别捕捉复杂细节的能力对于法医和执法工作特别有利，提高了基于潜在指纹的个人识别的精确性和可靠性。

5. 分子对接

进行了分子对接研究，以提供关于探针相互作用能力的分子级见解，特别是通过其亚胺（CN）、酚类-OH和芳香族功能团。这样的相互作用不仅对于生物分子系统很重要，也有助于理解探针L在复杂环境中的行为，包括真实样品和指纹基质。最近的研究表明，源自Schiff碱的探针可以与生物分子展示有意义的非共价相互作用，支持了它们在传感之外的更广泛应用。使用ArgusLab 4.0.1对人类PI31蛋白酶体抑制剂（PDB ID: 4OUH）的FP域进行的分子对接测试显示，探针L具有显著的结合亲和力。使用Discovery Studio的二维相互作用分析发现，Lys1的氮原子与一个未命名残基（1088）的氧原子之间存在1.79 ?的距离上的关键氢连接。此外，通过稳定残基Asp62、Ile63、Leu65、Leu66、Asp217、Val222和Asn218的疏水性和范德华相互作用，进一步增强了配体-蛋白质复合物的稳定性。通过三维成像验证了配体L深入结合口袋的情况。它与FP域的疏水核心匹配良好，并在活性位点凹槽内形成了互补的相互作用。根据结构洞察，配体L利用极性和非极性接触的组合产生稳定的锚定，可能对PI31相关的蛋白酶体调节具有显著的抑制作用。这些结果展示了L作为治疗蛋白酶体失调疾病框架的潜力（见图14）。图14

新型配体与人类PI31蛋白酶体抑制剂FP结构域的分子对接（PDB ID：4OUH）。使用ArgusLab 4.1.0进行了分子对接模拟，以评估L对环氧化酶（另一种蛋白质，COX-2的活性位点；PDB ID：1PXX）的结合亲和力。根据对接数据，计算出的结合能为-12.77 kcal mol?1，表明具有很强的结合亲和力。通过Discovery Studio中的二维相互作用分析，揭示了一个稳定的相互作用网络，包括Lys114的氮原子与氨基酸残基35454的氧原子之间的关键氢键，键长为2.51 ?（见图15右侧）。L在COX-2活性位点口袋中的深度适应通过三维模型得到了验证（见图15左侧），表明这是一种稳健且定向的相互作用。其作为选择性COX-2抑制剂的潜在功能得到了结构洞察的支持，这些结构洞察显示配体L通过极性和疏水性相互作用实现了稳定的锚定。鉴于COX-2在炎症和疼痛信号传导中的关键作用，这些结果表明L构成了开发抗炎和镇痛疗法的可行框架。这些结果还表明L可能作为进一步开发针对COX-2介导途径的抗炎和镇痛剂的有希望的结构支架。然而，需要额外的实验验证来确定其生物效应和药理学相关性（见图15）。

图15

新型配体与COX-2环氧化酶活性位点的分子对接（PDB ID：1PXX）。人类3SFH蛋白（PDB ID：3SFH）是一种已验证的治疗靶点，与癌症和其他临床疾病相关，是使用相同化学配体进行分子对接研究的对象。蛋白质数据库提供了其晶体结构，该结构显示了由HDAC8氨基酸生成的抑制剂复合物。使用ArgusLab 4.1.0进行了对接模拟，而Discovery Studio用于显示和分析生成的蛋白质-化合物复合物。对接得分为-10.50 kcal mol?1，表明该分子具有非常有利的结合形状，显示出对3SFH活性位点的显著亲和力。经过彻底的相互作用分析后，发现与Ser63之间的关键氢键，键长为2.89 ?。通过观察几种稳定接触，包括范德华力、疏水性和静电相互作用与重要残基如Glu66、Val91和Arg163的相互作用，进一步增强了复合物的整体稳定性。这种新型化学物质作为3SFH的有希望的抑制剂的前景得到了突出显示，这得益于其良好的对接得分和特定的残基级相互作用。这些计算发现表明所研究的支架具有进一步探索与3SFH相关疾病的潜力，并为后续的体外和体内实验验证提供了初步的结构洞察（见图16）。

图16

配体L与HDAC8活性位点的分子对接（PDB ID：3SFH）。同样，配体L也与另一种蛋白质（PDB ID：3RCD）进行了分子对接实验，该蛋白质是一种与乳腺癌相关的HER2受体。在ArgusLab 4.0.1中使用了MMFF94力场来最小化化合物的能量，并使用ArgusLab进行了包含活性位点的网格框的对接模拟。Discovery Studio用于显示和评估产生的蛋白质-化合物复合物。该分子显示出强烈的稳定亲和力，对接得分为-13.58 kcal mol?1，表明在3RCD活性位点内的结合构象非常有利。除了几种稳定接触外，如与PHE E:1046的吸引电荷相互作用、与LEU E:1047、ILE E:1107和VAL E:1111的疏水相互作用，以及与带正电荷残基的Pi-Cation相互作用外，详细的相互作用分析还显示在2.46 ?的距离上形成了一个关键的氢键。观察到的对接得分以及有利的残基级相互作用表明该化合物可能在HER2活性位点表现出潜在的结合亲和力。这些计算机发现提供了配体-靶标识别的初步结构洞察，并可能支持对该支架针对HER2阳性乳腺癌的进一步优化和生物学评估。然而，需要通过适当的体外和体内研究进行实验验证以证实其药理学相关性（见图17）。

图17

配体L与HER2活性位点的分子对接（PDB ID：3RCD）。获得的结合能量处于典型范围（-5至-10 kcal mol?1）内，表明配体-蛋白质相互作用稳定。对接构象展示了具有化学意义的相互作用，包括氢键和疏水接触，这与已建立的配体-蛋白质结合模式一致。关键功能基团（CN、-OH）的参与与光谱结合证据和先前报道的结构相关化合物的对接研究结果一致。

对于选定目标的探针的计算结合亲和力分别为-10.36、-12.77、-10.50和-13.58 kcal mol?1。这些值与文献中的最新报告进行了比较，其中结合能量在-5至-10 kcal mol?1范围内的通常与中等至强配体-蛋白质相互作用相关，而超过-10 kcal mol?1的值表明结合非常稳定且有利。获得的值，特别是接近-12至-13 kcal mol?1的值，明显落在或超过了强配体-蛋白质相互作用的报告范围内，从而证实了对接结果的强大结合能力和可靠性。对接构象展示了具有化学意义的相互作用特征，包括涉及关键功能基团（如亚胺（CN）、酚基-OH和芳香环的氢键和疏水接触。这些相互作用模式与最近研究中报道的已建立的配体-蛋白质结合模式一致。探针在结合口袋内采用了稳定的构象，没有空间阻碍，进一步支持了对接预测的结构有效性。

6

L与其他报道的荧光和比色化学传感器的性能比较

在文献中，找到一种既能用于比色检测Ni2+又能用于“开启”荧光检测Zn2+离子的单一探针是罕见的。我们的系统与其他系统相比具有几个吸引人的分析特点，包括高灵敏度、宽线性范围、优异的选择性、低检测限、用户友好的技术、良好的溶解性、敏感的可视化以及出色的实际应用性。此外，由于使用的化学物质较少且不产生任何危险副产品，我们提出的化学传感器L可以一步合成。我们包含了两个表格（表3和表4），比较了不同经过验证的光学传感器对Ni2+离子的比色检测和对Zn2+离子的开启式荧光检测。表3

一些先前报道的Ni2+离子比色化学传感器的比较

编号 传感器类型 选择性 检测限（LOD） 结合常数 溶剂介质 传感机制 pH范围 结构 参考文献

1 香豆素Schiff碱 Ni2+比色传感器 14.7 × 10?7 2.9 × 104 M?1 MeCN–H2O 荧光淬灭 —

3 吡啶Schiff碱 Ni2+关闭式传感 5.6 × 10?7 2.43 × 10?7 M 水-EtOH (1:1), pH 7.0 ET, CT, PET, ESIPT 2.0–12.0

4 羟基苯亚甲基传感器（BHEP） Ni2+比色 17.79 × 10?7 3.69 × 105 M?1 甲醇-Tris–HCl缓冲液 (1:1, pH 7.2) CHEF和FRET 2至11

5 基于香豆素的传感器 Ni2+比色传感器 0.5 μM 2.343 × 104 M?1 HCl–EtOH (2:1), pH 5–6 ICT —

6 乙酰吡啶基传感器 Ni2+比色传感器 3.61 × 10?7 1.13 × 108 M?1 CH3OH–H2O; 1:1, v/v ICT, LMCT 1–12

7 基于4-甲酰苯甲酸的传感器 Ni2+比色传感器 3 × 10?7 1.54 × 108 M?1/2 CH3OH–H2O; 1:1, v/v LMCT, CHEF 2至12

8 7-羟基吡啶-肼基吡啶Schiff碱 Ni2+, Cu2+, Zn2+, Co2+ 未指定 1.35 × 105 M?1 50% EtOH–Tris–HCl缓冲液 (pH 7.4) Esipt, IMHB 7.40

9 吡啶二羧酸腙Schiff碱 对Ni2+具有高度选择性 0.14 μM 3.07 × 103 M?2 MeOH–PBS缓冲液 (5:1, pH 7.4) CT 3–11

10 3,5-二-叔丁基-2-羟基苯甲醛 Ni2+比色 9.4 × 10?7 M 1.86 × 103 M?1/2 甲醇-Tris–HCl缓冲液 (1:1, pH 7.2) LMCT 6–8

表4

一些先前报道的Zn2+离子荧光化学传感器的比较

编号 传感器类型 选择性 检测限（LOD） 结合常数 溶剂介质 传感机制 pH范围 结构 参考文献

1 羟基苯甲醛 Zn2+荧光CHEF（关闭-开启-关闭） 5.0 × 10?9 3.21 × 10?6 M2 H2O:CH3CN (1:1) ESIPT 2–10

2 4-喹啉甲醛 Zn2+荧光PET, CHEF（开启式） 2.04 × 10?6 5 × 109 M?2 CH3OH-tris缓冲液 (1/1, v/v) PET, CHEF 1至12

3 3-甲氧基水杨醛 Zn2+荧光CHEF（开启式） 11.9 × 10?6 4.5 × 103 M?1 DMSO 1:1 CHEF, ICT 2–12

4 4-(N,N-二乙基)-2-羟基苯甲醛 Zn2+荧光CN, CHEF（开启式） 8.6 × 10?9 DMF 1:1 CHEF —

5 5-溴水杨醛 Zn2+荧光CN, CHEF（开启式） 1.59 μM 4.24 × 104 M?1 CHEF, PET 2–12

7 4-甲基-2,6-双(1-(2-哌啶基乙基)亚氨基甲基)酚 Zn2+荧光 — ～104 M1 丙腈 (1:2) PET —

7 3,5-二-叔丁基-2-羟基苯甲醛 Zn2+荧光 4.68 × 10?7 M 1.2 × 105 M?1/2 甲醇-Tris–HCl缓冲液 (1:1, pH 7.2) CHEF —

结论

总之，我们成功开发了一种三足N4O3供体三-Schiff碱半-salen分子探针L，由3,5-二-叔丁基-2-羟基苯甲醛和三-(2-氨基乙基)胺制成，用于在水溶液中敏感且特异性地比色检测Ni2+和开启式荧光检测Zn2+，在多种竞争阳离子中检测限分别为9.4 × 10?7 M和4.68 × 10?7 M。Job-plot、FT-IR和ESI-mass光谱分析以及DFT研究均支持Zn2+与L以及Ni2+与L之间的1:1化学计量比。L对Ni2+和Zn2+离子的可逆反应性通过Na2EDTA进行了测试。此外，L能够在广泛的pH范围内工作，适用于识别和测量食品和环境材料中的Ni2+和Zn2+。它有助于创建可用于法医应用的潜在指纹。通过对L的潜在生物分子相互作用的初步计算理解，进行了分子对接研究。作者贡献

Dishen Kumar：概念化、方法论、研究。Srishti Dutta：研究。Rajat Kumar Roy：研究。Abhilash Pandey：形式分析。Devanand Sahu：概念化。Vanshika Sharma：验证。Anjali Suryavanshi：生物学研究。Goutam Kumar Patra：撰写手稿、概念化、监督。利益冲突

作者声明没有利益冲突。数据可用性

在本研究期间生成和/或分析的数据集可根据合理请求从相应作者处获得。补充信息（SI）可在此处获取：https://doi.org/10.1039/d6ra01601d。致谢

G. K. P感谢印度政府科学技术部（SR/FST/CSI-264/2014和EMR/2017/0001789）和生物技术部在新德里提供的财政支持。参考文献