基于2-萘酚偶氮框架的Hg2+识别：实验与量子计算研究揭示高选择性传感机制及其在乳腺癌治疗中的潜在应用

本研究针对汞离子（Hg2+）的高毒性污染问题，开发了一种新型2-萘酚衍生物偶氮化学传感器L。通过UV-Vis、ATR-FTIR、NMR和FESEM等多技术验证，该传感器对Hg2+表现出1:1结合模式，检测限达6.21×10-7 M，并展现出显著的金属到配体电荷转移（MLCT）机制。分子对接显示其与雌激素受体-α（3ERT）具有-7.8 kcal/mol的结合能，为抗乳腺癌药物开发提供了新思路。

　　

汞污染是当今世界面临的重大环境健康挑战，尤其是汞离子（Hg²⁺）具有极强的生物累积性和神经毒性，即使微量暴露也可导致严重的心血管疾病、肾功能障碍和神经系统损伤。传统检测方法如ICP-MS和原子吸收光谱虽灵敏度高，但存在设备昂贵、操作复杂等局限性。因此，开发简单、快速、高选择性的Hg²⁺检测技术成为环境分析和生物医学领域的迫切需求。

在此背景下，来自孟加拉国Jashore科技大学的研究团队在《Chinese Journal of Analytical Chemistry》上发表了一项创新性研究。他们设计合成了一种基于2-萘酚的偶氮化合物（L），并系统探究了其对Hg²⁺的高选择性识别能力及其在乳腺癌治疗中的潜在应用价值。

研究人员采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、核磁共振（NMR）、场发射扫描电镜（FESEM）和循环伏安法（CV）等实验技术，结合密度泛函理论（DFT）计算和分子对接模拟，全面阐明了传感器L与Hg²⁺的相互作用机制。实验所用金属离子溶液均由其氯化盐配制，传感器L的浓度为1.0×10^-5 M。

3.1 传感器的光物理性质

研究发现，传感器L在甲醇溶液中于478 nm处显示特征吸收峰，对应于偶氮基团（-N=N-）与羟基的共轭体系。加入Hg²⁺后，在220 nm处出现新的吸收带，表明形成了金属-配体电荷转移（MLCT）复合物。

3.2 金属离子干扰研究

在存在20种竞争金属离子（包括Al³⁺、Ca²⁺、Fe³⁺等）的情况下，传感器L仅对Hg²⁺表现出显著响应，证明了其优异的选择性。

3.3 紫外-可见滴定分析

通过滴定实验确定传感器L与Hg²⁺的结合常数为1.07×10⁴ M^-1，检测限低至6.21×10^-7 M，表明其具有高灵敏度和强亲和力。

3.4 结合 stoichiometry

Job's plot分析表明传感器L与Hg²⁺以1:1的化学计量比结合，为后续理论计算提供了实验依据。

3.5 结合现象与表征

FT-IR光谱显示，配合物形成后-OH伸缩振动峰发生位移，表明羟基参与了配位。FE-SEM图像显示配合物形成了多孔结构，进一步证实了配位作用的发生。¹H NMR滴定显示羟基质子信号向低场移动，证实了其与Hg²⁺的直接配位。

3.6 循环伏安研究

CV研究表明，加入Hg²⁺后，传感器L的氧化还原峰发生显著变化，出现了新的峰位，表明发生了与电子转移相关的配合物形成过程。

3.7 pH影响

研究表明传感器L在pH 4-10范围内保持稳定，在强酸条件下由于H⁺与配体的竞争作用而受到影响。

3.8 可逆性测试

使用EDTA作为竞争螯合剂，实现了传感器L的多次可逆使用，证明了其在实际应用中的潜力。

3.10 红外光谱分析

配合物形成后，-N=N-特征峰从1553 cm^-1移至1535 cm^-1，证实了偶氮基团参与配位。

4.2 优化几何结构

DFT计算显示，配合物中Hg²⁺同时与-N=N-和-OH基团配位，键长分别从1.216 ?增至1.253 ?和从1.345 ?增至1.412 ?。

4.3 前沿分子轨道分析

配合物的HOMO-LUMO能隙从3.18 eV显著减小至0.685 eV，表明电荷转移效率提高，灵敏度增强。

4.4 NCI-RDG分析

非共价相互作用分析揭示了配合物中存在氢键、范德华力和空间排斥等多种弱相互作用。

4.5 全局反应性描述符

计算得到了电离势、电子亲和势、化学势等一系列全局反应性参数，揭示了传感器的电子结构特征。

4.6 分子静电势

MEP分析显示了分子中的富电子区和缺电子区，为理解分子间相互作用提供了直观依据。

4.7 Mulliken电荷分析

配合物中N和O原子的电荷分布发生变化，证实了金属到配体的电荷转移（MLCT）过程。

4.8 QTAIM分析

量子理论原子在分子分析揭示了配合物中存在的部分共价键和弱非共价键相互作用。

4.9 ELF-LOL拓扑分析

电子定位函数和局域轨道定位器分析直观展示了分子中的电子离域和定域区域。

5. 分子对接分析

分子对接研究表明，传感器L与雌激素受体-α（ER-α，PDB ID：3ERT）具有强烈的相互作用，结合能为-7.8 kcal/mol，主要通过Pi-硫和Pi-烷基相互作用与MET343、LEU346等关键残基结合，表明其具有抗乳腺癌应用的潜力。

这项研究不仅开发了一种高选择性、高灵敏度的Hg²⁺传感器，还通过全面的理论计算和分子对接分析，揭示了其与乳腺癌相关靶点的相互作用，为环境监测和生物医学应用提供了新的思路。传感器L的可逆性和稳定性进一步增强了其在实际应用中的可行性，为开发多功能化学传感器提供了重要参考。