含有1,3-茚二酮的比色和荧光探针用于氰化物检测：在食品样品分析和生物成像中的应用

《Journal of Molecular Structure》：Colorimetric and Fluorescent Probe Containing 1,3-Indanedione for Cyanide Detection: Application in Food Sample Analysis and Bioimaging

新型AIE探针NBI通过D-π-A结构设计实现氰根离子高灵敏度检测，其溶液非发光特性在聚集后发光并伴随光谱变化，检测机理涉及1,4-迈克尔加成和溶剂化效应，结合紫外-可见光谱、荧光滴定和理论计算验证，适用于饮用水安全监测。

　　在当今科学研究领域，荧光探针因其在化学检测、生物成像和环境监测中的广泛应用而备受关注。特别是在环境和生物领域，对某些特定离子或分子的高选择性、高灵敏度检测需求日益增长。氰化物（CN?）作为一种具有高毒性的物质，其检测对于保障饮用水安全、工业生产过程控制以及生态系统的健康至关重要。为了应对这一挑战，研究者们不断探索新的探针材料，以提高检测效率和准确性。本文介绍了一种基于聚集诱导发光（AIE）原理的新型荧光探针——NBI探针，该探针在检测氰化物方面展现出优异的性能。

AIEgens，即聚集诱导发光物质，近年来因其独特的光物理特性而受到广泛关注。这类物质在稀溶液中通常不发光或发光较弱，但在聚集或固态下表现出显著的荧光增强现象。这种特性源于分子内运动的受限（RIM），从而减少了非辐射能量损失，促进了辐射跃迁的发生。与传统的荧光探针不同，AIEgens在固态或聚集状态下能够维持较高的荧光强度，使其在复杂环境下的应用更加广泛。基于这一原理，研究团队设计并合成了一种新型的AIE活性荧光探针NBI，用于氰化物的高选择性和高灵敏度检测。

NBI探针的结构设计采用了典型的供体-π-受体（D-π-A）架构，其中供体部分为4-乙氧基萘-1-基取代的苯基，而受体部分则为1,3-吲anedione。两者之间通过一个π共轭的乙烯基桥连接，形成一个高度有序的分子结构。这种结构设计不仅有助于增强分子的共轭程度，还通过引入立体阻碍效应，促使分子在溶液中保持扭曲构型，从而诱导出一种特殊的内部分子电荷转移（TICT）现象。当探针处于溶液状态时，其荧光强度较弱，呈现出黄色发光；而在聚集或固态下，由于分子内运动受到限制，其荧光强度显著增强，呈现出深橙红色的发光特征。这种由聚集引起的荧光增强特性是NBI探针能够有效应用于环境监测和生物检测的关键因素之一。

为了验证NBI探针的检测性能，研究团队通过多种实验手段对其进行了系统分析。其中包括紫外-可见光谱（UV-Vis）分析、荧光滴定实验、荧光寿命测量以及1H NMR滴定实验。这些实验结果不仅证实了NBI探针在聚集状态下表现出显著的AIE效应，还进一步揭示了其在检测氰化物时的响应机制。当NBI探针与氰化物接触时，会发生一种1,4-迈克尔加成反应，即氰化物阴离子对探针中的电荷转移位点进行亲核攻击，从而破坏原有的共轭结构，抑制了分子内的电荷转移过程。这一变化导致探针的荧光强度显著增强，同时伴随着颜色从橙色向无色的转变。这种颜色变化不仅提供了直观的检测信号，还能够通过光谱分析实现定量检测。

除了上述实验手段，研究团队还借助时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）计算对NBI探针的分子结构和光物理特性进行了深入探讨。通过理论计算，研究人员能够预测分子在不同环境下的电子分布和能量转移路径，从而进一步理解其在检测氰化物时的响应机制。计算结果与实验数据高度吻合，验证了NBI探针在结构设计和功能实现上的合理性。

为了拓展NBI探针的应用范围，研究团队还开发了一种可视化检测原型，该原型能够用于溶液、纸条和固态（如硅胶）等多种基质中进行氰化物的快速检测。在实验中，当NBI探针暴露于氰化物时，其颜色在紫外灯（365 nm）照射下发生明显变化，从橙色变为蓝色，这种颜色变化不仅直观，而且具有较高的检测灵敏度。通过荧光滴定实验，研究人员发现NBI探针与氰化物之间的结合比例为1:1，表明其具有良好的选择性。此外，通过计算得出的检测极限为2.3 nM，这一数值远低于世界卫生组织（WHO）对饮用水中氰化物的最大允许浓度（1.9 μM），表明NBI探针在实际应用中具有很高的可行性。

值得注意的是，NBI探针不仅在检测氰化物方面表现出色，还具有显著的溶剂极性敏感性，即其荧光特性会随着溶剂极性的变化而发生改变。这一特性使得NBI探针在评估有机溶剂纯度方面也具有重要价值。例如，在检测有机溶剂中的微量水分时，NBI探针能够通过其荧光强度的变化来判断溶剂的极性，从而提供一种简便、快速的检测方法。这种溶剂极性敏感性不仅拓宽了NBI探针的应用场景，还为其在环境监测和工业过程控制中的使用提供了新的思路。

从应用角度来看，NBI探针的开发为氰化物检测提供了一种高效、经济且环保的方法。相比于传统的化学检测方法，如滴定法和色谱法，NBI探针的荧光检测方法具有更高的灵敏度和更快的响应速度。此外，其可视化特性使得检测过程更加简便，无需复杂的仪器设备即可完成。这种便携性和易操作性使其在野外环境或现场检测中具有显著优势。例如，在工业废水处理过程中，NBI探针可以用于快速筛查氰化物污染，从而为环境治理提供及时的数据支持。

在生物医学领域，NBI探针同样展现出广阔的应用前景。由于氰化物在生物体内具有毒性，其检测对于医学诊断和环境监测具有重要意义。NBI探针的高灵敏度和选择性使其能够用于生物样品中氰化物的检测，如血液、尿液等。此外，其在固态下的荧光特性也为其在生物成像中的应用提供了可能。例如，在活体组织或细胞中，NBI探针可以用于标记和追踪氰化物的分布情况，从而为相关疾病的诊断和治疗提供新的工具。

从材料科学的角度来看，NBI探针的结构设计为新型荧光材料的开发提供了参考。其D-π-A架构和AIE特性表明，通过合理设计分子结构，可以实现对特定分析物的高选择性和高灵敏度检测。同时，其在溶液和固态下的不同发光行为也表明，这种材料具有多环境适应性，能够在多种条件下稳定工作。这种多环境适应性不仅提高了其应用的灵活性，还为其在复杂环境下的实际应用提供了保障。

此外，NBI探针的开发还体现了跨学科研究的重要性。在本研究中，化学合成、光物理分析、理论计算以及材料应用等多个领域的知识和技术被综合运用，共同推动了新型荧光探针的开发。这种跨学科的研究方法不仅有助于解决单一学科难以克服的难题，还能够为未来的研究提供新的思路和方法。

在实际应用中，NBI探针的检测性能需要进一步验证。虽然实验室条件下的实验结果表明其具有良好的检测能力，但在实际环境中，如复杂的水体、土壤或生物样品中，可能会受到多种因素的干扰，如其他离子的存在、pH值的变化以及温度波动等。因此，未来的研究需要进一步优化NBI探针的结构，提高其在复杂环境中的稳定性，并探索其在实际应用中的可行性。此外，还需要对NBI探针的长期存储和使用条件进行研究，以确保其在实际应用中的可靠性。

在环境保护方面，NBI探针的开发为氰化物污染的监测和治理提供了新的手段。氰化物污染通常来源于工业排放，如金属电镀、黄金开采以及某些化工生产过程。这些污染源对水体和土壤造成严重危害，影响生态环境和人类健康。通过NBI探针的快速检测，可以及时发现污染源并采取相应的治理措施，从而有效控制氰化物的扩散。此外，NBI探针的可视化特性也使其在环境监测中具有较高的实用性，能够为环保部门提供直观的数据支持。

在工业生产过程中，NBI探针的应用可以提高生产效率和安全性。例如，在金属电镀和制药行业中，氰化物常被用作重要的化学试剂，但其使用和排放必须严格控制，以防止环境污染。通过NBI探针的实时监测，可以确保生产过程中氰化物的浓度始终处于安全范围内，从而减少潜在的环境和健康风险。此外，NBI探针的高灵敏度和选择性使其能够在微量水平上检测氰化物，为工业过程的优化和质量控制提供了新的工具。

在生物医学研究中，NBI探针的开发为氰化物的体内检测提供了新的可能性。氰化物在生物体内的积累可能导致严重的中毒症状，因此，其检测对于临床诊断和治疗具有重要意义。通过NBI探针的荧光信号，研究人员可以实时监测生物体内氰化物的浓度变化，从而为相关疾病的诊断和治疗提供依据。此外，NBI探针的固态发光特性也使其在生物成像中具有应用潜力，能够用于标记和追踪特定的生物分子或细胞结构。

总的来说，NBI探针的开发不仅在技术层面取得了突破，还在实际应用中展现出巨大的潜力。其基于AIE原理的结构设计、优异的检测性能以及多环境适应性，使其成为一种高效的氰化物检测工具。随着对AIEgens研究的不断深入，未来可能会出现更多类似NBI探针的新型材料，为化学检测、生物医学和环境监测等领域带来更多的创新和突破。同时，NBI探针的开发也为相关领域的研究提供了新的方向和思路，推动了跨学科合作和技术创新。