基于香豆素的比色荧光化学传感器，能够高选择性和高精度地检测水中的Cu2+离子以及活细胞中的Cu2+离子

《Inorganic and Nuclear Chemistry Letters》：Coumarin-based colorimetric fluorescent chemical sensors for highly selectively and accurately detect Cu2+ ions in water and living cells

合成并表征了新型“关断”荧光探针HTM，证实其对Cu2+具有高选择性和灵敏度（检测限3.70 nM），响应时间约40秒，并实现可见光颜色变化（黄→橙）。研究揭示了N-N-O结合模式，通过Job's plot、NMR滴定及DFT计算阐明荧光淬灭机制，验证其在生物成像和环境监测中的应用潜力。

　　这项研究成功合成了一种新型的“关断”香豆素荧光探针HTM，并通过理性设计实现了其对铜离子（Cu2?）的高灵敏度和高选择性检测。该探针具有在可见光下颜色变化的特性，能够直观地识别Cu2?的存在。在实验中，当Cu2?加入溶液后，HTM的响应在约40秒内即可达到稳定的平台期，其荧光检测限低至3.70纳摩尔。这种快速响应特性使得HTM在实际应用中具有显著的优势，尤其是在实时监测和环境检测领域。

HTM的合成过程分为两个步骤，首先以哌啶为催化剂，将4-(二乙氨基)-2-羟基苯甲醛与乙基乙酰乙酸酯进行缩合反应，生成3-乙酰基-7-(二乙氨基)香豆素（CK）。随后，在醋酸催化下，CK与4-甲基-2-肼基苯并噻唑在无水乙醇中回流反应，最终得到目标产物HTM。整个合成过程通过化学反应的合理设计，使得HTM具备了对Cu2?的高效识别能力。

为了验证HTM的结构和性能，研究者采用了多种表征手段，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、1H核磁共振（1H NMR）、13C核磁共振（13C NMR）以及高分辨率质谱（HR-MS）。这些技术不仅确认了HTM的分子结构，还揭示了其在不同环境条件下的化学行为。实验结果表明，HTM在乙醇/水（1:1，体积比）溶液中对Cu2?表现出极高的选择性，与其他金属离子的相互作用可以忽略不计。这种高度选择性是其在复杂环境和生物体系中应用的关键。

进一步的研究通过荧光光谱和紫外-可见光谱对HTM与Cu2?的相互作用进行了深入分析。结果表明，当HTM与Cu2?结合时，会产生显著的荧光猝灭效应，而其他金属离子则对荧光信号的影响微乎其微。同时，在可见光下，HTM与Cu2?结合后，溶液的颜色会从黄色转变为橙色，这一变化可以通过肉眼直观观察。这种颜色变化不仅提供了另一种检测手段，还增强了检测的可视化效果，使HTM在实际应用中更加便捷和直观。

为了更深入地理解HTM与Cu2?的结合机制，研究者采用了Job’s图、1H核磁共振滴定和密度泛函理论（DFT）计算等方法。这些方法共同揭示了HTM与Cu2?之间以1:1的比例结合，表明探针的识别能力主要依赖于其分子结构中的特定官能团与Cu2?之间的相互作用。这种结合方式使得HTM在检测过程中能够实现高度的特异性，同时保持良好的灵敏度。

此外，研究者还对HTM在不同Cu2?浓度下的紫外-可见吸收光谱和荧光强度进行了线性拟合，计算得出其检测限分别为5.22纳摩尔和3.70纳摩尔。这一结果表明，HTM具有非常低的检测限，能够有效识别极低浓度的Cu2?，从而适用于环境和生物体系中的微量检测需求。同时，实验还对标准添加法的回收率进行了研究，表明HTM在实际水样中的定量检测能力良好，能够准确反映Cu2?的实际浓度。

HTM的潜在应用不仅限于环境监测，还拓展到了生物分析领域。实验表明，该探针可以成功应用于活细胞中的Cu2?监测，这为研究铜离子在细胞内的动态变化提供了新的工具。在细胞成像实验中，HTM能够清晰地显示Cu2?在细胞内的分布情况，为理解铜离子在生物体内的作用机制提供了重要的实验依据。

研究还探讨了HTM在指纹检测中的应用潜力。通过对比不同金属离子对HTM的影响，研究者发现HTM在Cu2?的检测中具有显著的特异性，能够与其他金属离子有效区分。这一特性使得HTM在环境和生物体系中具有广泛的应用前景，尤其是在复杂样品中对Cu2?的快速识别和定位。

总体来看，这项研究通过合成和表征HTM，验证了其在Cu2?检测中的优异性能，包括高选择性、高灵敏度和快速响应。同时，HTM在可见光下颜色变化的特性为检测提供了直观的信号，增强了其实用性。此外，HTM在活细胞中的应用进一步拓展了其在生物分析领域的价值，为研究铜离子在生物体内的作用提供了新的思路。

在实际应用中，HTM不仅能够用于环境监测，还能够应用于临床诊断和生物研究。由于其良好的水溶性和生物相容性，HTM在实际水样中的检测能力得到了验证，能够准确反映Cu2?的浓度。此外，HTM的快速响应特性使其适用于实时监测，这在环境和生物研究中尤为重要。

该研究的创新点在于，通过香豆素结构的合理设计，开发出一种新型的荧光探针HTM，使其在Cu2?检测中表现出优异的性能。同时，HTM在可见光下的颜色变化特性为检测提供了额外的视觉信号，增强了其实用性。此外，HTM在活细胞中的应用进一步拓展了其在生物分析领域的价值，为研究铜离子在细胞内的动态变化提供了新的工具。

研究的意义在于，为环境和生物体系中铜离子的检测提供了一种高效、快速且灵敏的方法。通过HTM的合成和性能验证，研究者不仅揭示了其在Cu2?检测中的作用机制，还为其在实际应用中的推广奠定了基础。此外，HTM在活细胞中的应用为理解铜离子在生物体内的作用提供了新的实验依据，具有重要的科学价值。

研究还强调了铜离子在环境和生物体系中的重要性。铜离子不仅是许多酶和蛋白质的重要辅因子，还在调节基本生命过程方面发挥关键作用。同时，铜离子在环境中的过量积累会对生态系统造成严重影响，包括土壤微生物活性的抑制、水体自净能力的减弱以及生物多样性的下降。因此，开发高效、快速且灵敏的检测方法对于环境保护和生物研究具有重要意义。

HTM的开发不仅解决了传统探针在反应速率、水溶性和生物相容性方面的不足，还提供了新的检测手段。通过荧光猝灭效应和颜色变化的双重信号，HTM能够实现对Cu2?的高效识别。这种双重信号机制不仅提高了检测的准确性，还增强了检测的直观性，使得HTM在实际应用中更加可靠。

此外，研究还探讨了HTM在不同条件下的检测性能。通过改变反应时间和pH值，研究者发现这些因素对HTM的检测性能具有显著影响。这表明，在实际应用中，需要根据具体环境条件优化HTM的检测参数，以确保其检测效果的最大化。同时，HTM在不同pH值下的稳定性也得到了验证，表明其适用于多种检测环境。

总的来说，这项研究通过合成和表征HTM，验证了其在Cu2?检测中的优异性能。HTM不仅具有高选择性和高灵敏度，还能够在可见光下通过颜色变化提供直观的检测信号。此外，HTM在活细胞中的应用进一步拓展了其在生物分析领域的价值，为研究铜离子在生物体内的作用提供了新的工具。研究结果表明，HTM具有广泛的应用前景，有望在环境和生物领域中发挥重要作用。