新型吡啶偶氮衍生铜离子化学传感器的合成与理论研究：精准检测铜离子的新突破

为解决铜离子检测难题，研究人员开展新型吡啶偶氮衍生化学传感器的合成与理论研究。合成两种新传感器，它们对 Cu2+离子有高选择性和灵敏度，遇 Cu2+溶液由黄变无色。这为铜离子检测提供新方法。

　　

在生命的舞台上，铜离子扮演着极为重要却又充满矛盾的角色。它是地壳中含量第三丰富的金属元素，是生物体不可或缺的营养物质，在植物的生长发育进程中发挥着关键作用。同时，在人体内部，铜离子参与大脑和全身的新陈代谢，作为多种酶的辅助因子，对维持酶的正常代谢功能至关重要。然而，一旦铜离子的浓度失衡，便会引发一系列严重问题。当细胞内铜离子浓度过高时，它会展现出毒性，抑制重要的细胞过程；而铜离子缺乏同样会导致诸如门克斯综合征等疾病。对于成年人来说，体内铜离子浓度低于 100mg，就可能引发血液学变化、白细胞减少，以及威尔逊病、门克斯病、阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病。因此，寻找一种简单有效的方法来精准检测铜离子浓度，成为了科学界亟待攻克的难题。

在此背景下，化学传感器凭借其独特的优势，成为研究人员关注的焦点。与传统的分析技术相比，化学传感器检测机制更为简单，无需昂贵、复杂且庞大的仪器设备，能够实现现场检测。其中，光学化学传感器（optical chemosensor）基于吸收或发光特性的变化来检测目标物，基于吸收变化的比色传感器（colorimetric sensor）更是因其能通过颜色变化直观快速地检测分析物，在医学、环境科学等领域备受青睐。金属离子与传感器中供体或受体基团的相互作用会改变传感器的 UV-Vis 吸收光谱，进而引发颜色变化，这一原理为设计高选择性和灵敏度的铜离子传感器提供了理论基础。

此前研究虽已发现吡啶衍生物和重氮盐具有潜在的传感特性，但现有的化学传感器仍存在一些问题，如 2020 年报道的传感器检测铜离子时会受到镍离子干扰。为了进一步优化传感器性能，提升对铜离子检测的准确性和选择性，来自未知研究机构的研究人员展开了深入探索。他们致力于合成新型的基于吡啶偶氮衍生的化学传感器，并通过理论计算深入剖析其光学性质和光谱位移机制。该研究成果发表在《Dyes and Pigments》上，为铜离子检测领域带来了新的突破。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。在合成新传感器时，采用了化学合成的方法制备两种新的N,N-双 (吡啶 - 2 - 基甲基)-4-(X - 二氮烯基) 苯胺（X：A= CH₃，B= CN）化学传感器。在检测方面，利用 UV-Vis 吸收光谱技术，研究传感器与不同金属离子作用时光谱的变化情况。同时，借助密度泛函理论（DFT）进行理论计算，从理论层面分析传感器的光学性质和光谱位移。

结果与讨论

1. 传感性能：研究人员观察到，所制备的吡啶衍生结构的化学传感器在与铜离子接触时，展现出独特的比色检测能力。传感器溶液原本呈黄色，在与 Cu²⁺离子接触后，溶液颜色褪去变为无色。传感器 A 和传感器 B 均表现出对铜离子的选择性，但二者的吸收光谱存在明显差异。传感器 A 与 Cu²⁺离子相互作用时，在 250 - 300nm 处呈现出较高的吸收峰。
2. 理论计算与实验关联：通过时间相关密度泛函理论（TDDFT）和 Morokuma-Ziegler 分解分析进行的理论计算结果显示，其与实验数据具有良好的相关性。研究发现，自由传感器以及传感器与金属形成的配合物均以 π→π* 跃迁为特征。在研究其他金属离子时，实验和理论研究表明，只有 Cu²⁺配合物在 312 - 323nm 处的吸收带强度增加，表现出配体 - 金属电荷转移（LMCT，π→3d_x²_-y²）特性，且 Cu²⁺离子的 3d 分子轨道对此贡献显著。

研究结论

研究人员成功合成并通过 DFT 方法对两种新型化学传感器进行了理论研究。这两种传感器在 CH₃CN/H₂O 溶液中，相较于其他金属离子（Ag⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Na⁺、Hg²⁺、Fe²⁺和 Mg²⁺），对 Cu²⁺离子表现出极高的选择性和灵敏度，这主要源于溶液与铜离子作用时从黄色到无色的显著颜色变化。N,N-双 (吡啶 - 2 - 基甲基)-4-(R - 二氮烯基) 苯胺衍生的传感器与铜离子之间的相互作用会产生蓝移现象。

这项研究意义重大，为铜离子的检测提供了更高效、更精准的方法，有望在环境监测、生物医学等领域得到广泛应用。其合成的新型传感器不仅在分析检测领域具有潜在的应用价值，而且通过理论计算与实验相结合的研究方式，为后续设计和开发性能更优的化学传感器提供了重要的理论依据和实践经验，推动了化学传感器领域的进一步发展，为解决与铜离子相关的健康和环境问题奠定了坚实基础。