吡啶-2,6-二碳肼席夫碱：一种对Th4+离子具有高灵敏度的荧光“开关”探针，及其在斑马鱼成像中的潜在应用

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Pyridine-2,6-dicarbohydrazide Schiff base: a sensitive fluorescent ‘turn-on' probe for Th4+ ions and potential application in zebrafish imaging

本工作开发了一种新型希夫碱探针（L），基于吡啶-2,6-二羰酰二脲与2,4-二羟基苯甲醛的缩合反应。探针L在DMSO/H?O（7:3）中对Th?+离子具有高选择性和灵敏度（检测限9.87 nM），并在pH 4.5-8.5范围内稳定。实验表明L与Th?+形成2:1复合物，结合常数Ka为3.99×10? M?2。该探针成功应用于钍矿石、灯丝及水样检测，并在斑马鱼细胞和胚胎中实现活体成像。

　　

A. Mujthaba Aatif|Selva Kumar Ramasamy|R. Bhaskar|S. Abdul Majeed|A.S. Sahul Hameed|S. Zaheer Ahmed|S.K. Ashok Kumar

印度泰米尔纳德邦韦洛尔632014，韦洛尔理工学院高级科学学院化学系

摘要

本文介绍了一种新型Schiff碱探针(L)的研制，该探针由吡啶-2,6-二羧肼和2,4-二羟基苯甲醛衍生而来。研究显示，在DMSO:H?O（7:3，v/v）介质中，L在Cu2?和Th??离子存在下表现出显色和荧光特性，这一现象通过吸收光谱和发射光谱技术得以证实。L在无荧光状态下为蓝色，当与Th??结合后变为蓝绿色荧光；在340 nm处激发L?Th??复合物时，可在485 nm处观察到发射峰，其斯托克斯位移为145 nm（8793 cm?1）。然而，Cu2?离子的存在会抑制L的荧光强度。L在pH 4.5至8.5范围内表现出最佳性能，检测限为9.87 nM。EDTA作为配体进一步验证了其动态特性。通过ESI质谱、1H NMR和计算模拟研究了L与Th??的相互作用，结果表明Th??与L的结合比为2:1，结合常数Ka为3.99 × 10? M?2。L探针成功应用于单斜石砂、灯罩材料及多种环境水样中Th??含量的测定；此外，还利用光学荧光显微镜在斑马鱼DrG细胞系和新生斑马鱼胚胎的细胞间隙中实现了Th??的成像。

引言

全球对钍燃料循环作为未来核能计划表现出浓厚兴趣。钍还广泛应用于喷气发动机、化工行业、核医学、反应堆燃料及放射性物质生产，并可作为喷气发动机和灯罩材料的合金成分[[1], [2], [3], [4]]。最新研究表明，过度使用和滥用钍可能导致生物系统污染、短期毒性效应以及肺部、胰腺和骨骼组织的癌症风险增加[5]。由于过渡金属离子的相似配位特性，准确测定钍含量至关重要。现有文献提出了多种检测方法，包括薄层色谱[7]、滴定[8]、反相液相色谱[9]、荧光法[10]、电化学方法[11,12]、X射线荧光[13]和电感耦合等离子体质谱[14]。但这些方法操作复杂、耗时且成本高昂。近年来，由于荧光传感器具有高灵敏度、选择性、快速响应、无需昂贵设备、易于使用和广泛应用等优点，其在Th??检测中的应用日益增多[[15], [16], [17], [18]]。

锕系元素属于强酸，能与亲氧性受体形成稳定结合[19]。大多数钍的分子受体结合位点含有氧和氮原子[20]。基于这一特性，研究人员设计了多种新型荧光化学传感器用于检测Th??离子，其关键作用机制包括分子内电荷转移（ICT）、光诱导电子转移（PET）、螯合增强荧光淬灭（CHEF和CHFQ）[21,22]。然而，关于用于细胞内（体外和体内）环境中检测Th??的荧光传感器的研究较少[[23], [24], [25], [26], [27]]。这类传感器易受其他金属离子（如Al3?和Ga3?）干扰，耐水性差，检测阈值较高[28]。文献表明含羧肼基团的化合物对d和f族金属具有强亲和力，因此吸引了众多研究者的关注[29,30]。目前亟需研究基于吡啶-2,6-二羧肼和2,4-二羟基苯甲醛合成的非环状腙类Schiff碱。所设计的探针(L)中，2,4-二羟基苯甲醛同时充当结合单元和信号传导单元，结合单元中的吡啶氮上的自由-OH基团通过电子转移增强荧光强度。为深入理解L的传感特性，进行了结合常数、结合机制、检测限以及体外和体内成像研究。

实验部分

实验部分详细描述了本研究使用的材料、仪器、分析方法和计算细节。

结果与讨论

通过吡啶二羧肼与2,4-二羟基苯甲醛的简单Schiff碱缩合反应制备出L探针，产率和纯度均较高。FTIR、NMR和质谱技术阐明了L的结构特征，并分析了含Th??和不含Th??状态下的光谱数据。

首先测试了L探针在不同溶剂（甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷、甲醇）中的溶解性。

试纸条应用

为验证探针的实际应用效果，将L探针的DMSO溶液涂覆在纤维素试纸上，干燥30分钟后将其浸入硝酸钍溶液（5 μM）中再干燥。经紫外光照射后发现，浸入硝酸钍溶液的试纸条区域呈现亮蓝绿色荧光，而其他金属离子区域则无荧光。

结论

基于吡啶-2,6-二羧肼衍生的Schiff碱的L荧光化学传感器在半水环境中对Th??表现出优异的检测性能，具有高选择性和灵敏度（检测限达9.87 nM），适用pH范围为4至8。EDTA滴定实验表明L?Th??复合物的荧光反应具有可逆性。

作者贡献声明

A. Mujthaba Aatif：撰写初稿、实验设计、概念构建。Selva Kumar Ramasamy：撰写初稿、软件开发、数据整理。R. Bhaskar：实验方法、概念构思。S. Abdul Majeed：结果可视化、验证。A.S. Sahul Hameed：资源获取、数据分析。S. Zaheer Ahmed：实验方法、数据分析。S.K. Ashok Kumar：撰写修订稿、监督工作、概念完善。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢DST-VIT-FIST提供NMR分析支持，感谢VIT-SIF提供HR-MS分析支持。同时衷心感谢韦洛尔理工学院通过VIT SEED GRANT（SG20250031）项目提供的资金支持，也感谢C. Abdul Hakeem学院（自治机构）在研究过程中的协助。