一种适用于智能手机的、基于香豆素的荧光探针，可用于实时检测环境和生物系统中的Hg2+

《Microchemical Journal》：A smartphone-compatible coumarin-based fluorescent probe for real-time detection of Hg2+ in environmental and biological systems

高效检测汞离子的新型荧光探针SLM及其应用

　　汞离子（Hg2?）作为一种高度有毒的重金属污染物，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。其毒性主要源于其在环境中的持久性以及通过食物链的积累特性。长期接触Hg2?可能导致多种健康问题，如神经系统损伤、听力丧失、腹部疼痛、Hunter-Russell综合征、肾功能衰竭，甚至死亡。因此，开发一种高效、准确的检测方法对于保护环境和公众健康至关重要。本文介绍了一种新型荧光探针SLM，专门用于Hg2?的特异性识别，其在实际水样中的检测性能表现出色。

SLM探针的检测机制基于荧光猝灭和随后的荧光恢复过程。在初始状态下，探针的荧光被酚羟基（–OH）的共轭结构所稳定，因此处于“荧光开启”状态，具有较强的发光能力。然而，当探针中的硫代苯甲酰基团（thiobenzoyl group）与酚羟基形成某种相互作用时，会阻断其共轭结构，从而导致荧光被猝灭，进入“荧光关闭”状态。这种状态的变化与荧光的激发电子转移（PET）效应密切相关。当Hg2?加入时，其与硫原子之间的特定软-软相互作用会引发酯键的断裂，重新释放出酚羟基。这一过程恢复了coumarin荧光团的共轭结构，使探针的荧光从“关闭”状态切换至“开启”状态，同时伴随着显著的荧光增强信号。该机制通过氢核磁共振（1H NMR）和高分辨率质谱（HRMS）等分析技术进行了验证。

SLM探针在30%乙醇-水溶液中表现出良好的溶解性，并且其响应时间非常短，不到20秒。在Hg2?浓度范围为20–125 μM时，荧光强度与浓度之间呈现良好的线性关系（R2 = 0.999），检测限（LOD）低至0.099 μM。这一结果表明，SLM探针不仅具备高灵敏度，还能实现对Hg2?的精确定量分析。此外，SLM探针在常见的金属离子（如Pb2?、Co2?和Cu2?）存在的情况下，仍能保持良好的抗干扰能力，表现出更高的选择性和灵敏度。这种特性使其在复杂环境中具有显著的优势，能够有效区分Hg2?与其他金属离子，从而提高检测的准确性。

在实际应用方面，SLM探针在环境水样、土壤和食品样本中均表现出高回收率，说明其在实际检测中具有良好的适用性。研究团队还成功将其应用于智能手机传感平台，为现场检测提供了便捷的工具。此外，SLM探针还被用于活细胞中Hg2?的荧光成像，以及不同环境和食品样本中Hg2?的定量分析。这些应用表明，SLM探针不仅适用于实验室环境，还具备在实际场景中广泛使用的潜力。

在探针的设计策略方面，coumarin衍生物因其独特的光物理性质，成为荧光探针开发的重要选择。coumarin结构中的酚羟基是调控荧光行为的关键部位。当酚羟基通过共轭结构稳定coumarin的电子结构时，探针处于“荧光开启”状态，具有较强的发光能力。然而，当酚羟基被化学修饰，例如引入硫代苯甲酰基团，会阻断其共轭结构，导致荧光被猝灭，进入“荧光关闭”状态。这种设计思路使得SLM探针能够在Hg2?存在时实现显著的荧光增强，从而实现特异性检测。

为了进一步提高SLM探针的性能，研究团队在合成过程中采用了多种优化策略。首先，探针的合成路线基于文献方法，通过一锅法将3,5-二羟基苯甲醛与苯并噻唑-2-乙腈进行缩合和加成反应，得到中间体MUS。随后，通过与苯基硫氯甲酸酯（phenyl thiochloroformate）的反应，进一步构建了SLM探针的结构。这一合成过程不仅简化了步骤，还确保了探针的结构稳定性，使其能够在多种环境中保持良好的性能。

SLM探针的性能测试显示，其在30%乙醇-水溶液中表现出优异的水溶性和响应能力。此外，它在自然水样和生物样本中也表现出良好的适用性，能够快速、准确地检测Hg2?。这种高灵敏度和高选择性的特点，使其成为环境监测和生物成像领域的重要工具。特别是在食品安全方面，SLM探针的应用有助于快速筛查食品中的汞污染，为食品安全监管提供技术支持。

研究团队还对SLM探针的检测性能进行了全面评估。在不同浓度的Hg2?下，探针的荧光强度呈现出显著的增强，表明其对Hg2?的响应具有良好的可重复性和稳定性。同时，通过与已有的检测方法进行对比，SLM探针在灵敏度和选择性方面均表现出明显优势。例如，传统的PCR扩增方法虽然能够检测Hg2?，但其操作复杂，耗时较长，且难以实现实时监测。原子吸收/发射光谱和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）虽然具有高灵敏度和定量准确性，但需要昂贵的仪器和复杂的样品预处理过程，限制了其在实际应用中的普及。相比之下，SLM探针不仅具备高灵敏度和快速响应能力，还能通过智能手机平台实现便携式检测，为现场快速筛查提供了便利。

SLM探针的检测机制还具有良好的抗干扰能力。在实际环境中，水样可能含有多种金属离子，这些离子可能对检测造成干扰。然而，SLM探针在与Hg2?相互作用时，能够特异性地发生结构变化，从而避免了其他金属离子的干扰。这一特性使得SLM探针在复杂基质中依然能够保持较高的检测准确性。此外，探针的荧光增强信号在Hg2?浓度变化时具有良好的线性关系，这为定量分析提供了可靠的基础。

在实际应用中，SLM探针的便携性和易用性使其成为环境监测和食品安全检测的理想工具。通过智能手机平台，用户可以在现场快速完成检测，无需复杂的实验室设备。这一技术的普及将有助于提高检测效率，降低检测成本，从而推动汞污染的实时监测和广泛筛查。此外，SLM探针还可用于活细胞中的荧光成像，为生物医学研究提供了新的手段。在细胞水平上，探针能够特异性地识别Hg2?，并实时显示其分布情况，这对于研究汞离子在生物体内的毒性机制具有重要意义。

除了在环境和生物样本中的应用，SLM探针在食品检测中的表现也十分突出。食品中的汞污染可能来源于工业排放、环境污染或生物富集过程，因此，开发一种高效、快速的检测方法对于保障食品安全至关重要。SLM探针能够对食品样本中的Hg2?进行高灵敏度和高选择性的检测，有助于发现潜在的汞污染源，从而采取相应的预防和控制措施。此外，探针在不同食品基质中的适用性也表明，其检测方法具有良好的通用性，能够适应多种食品样品的检测需求。

SLM探针的成功开发，不仅解决了传统检测方法在灵敏度、选择性和操作便捷性方面的不足，还为汞污染的快速检测提供了新的思路。该探针的检测机制基于Hg2?与硫原子之间的特异性相互作用，通过酯键的断裂实现荧光状态的转变。这一机制的高效性和稳定性，使其在实际应用中表现出色。同时，探针的结构设计也充分考虑了其在复杂基质中的适用性，确保了检测的准确性和可靠性。

综上所述，SLM探针在汞离子检测领域展现出了重要的应用价值。其快速响应、高灵敏度和良好选择性，使其成为环境监测、食品安全检测和生物医学研究中的理想工具。此外，探针的便携性和智能化检测平台的应用，进一步拓展了其在实际场景中的使用范围。随着对汞污染问题的关注不断加深，SLM探针的开发为解决这一问题提供了新的技术支持，有望在未来广泛应用于相关领域。