基于ESIPT机制的腙类席夫碱荧光探针设计及其对水样中Al3+和CN?的双输入逻辑检测：DFT计算与分子对接研究

研究人员针对水体中Al3+（与阿尔茨海默症相关）和CN?（剧毒污染物）的检测难题，开发了一种基于激发态分子内质子转移（ESIPT）的腙类席夫碱荧光探针L。该探针在DMF/H2O体系中实现对Al3+（LOD 0.54 μM）和CN?（LOD 84.4 μM）的高选择性识别，并通过DFT计算和分子对接阐明作用机制，同时构建了OR/NOT逻辑电路，为环境监测提供新型工具。

　　

铝离子（Al³⁺）和氰根离子（CN^?）是环境中两类极具威胁的污染物。前者在人体内蓄积可能引发神经退行性疾病，后者则能通过抑制细胞色素c氧化酶导致急性中毒。尽管原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等技术能精确检测这些离子，但高昂的成本和复杂的操作流程限制了其现场应用。如何开发一种兼具高灵敏度、选择性和操作简便的检测方法，成为环境分析领域的迫切需求。

针对这一挑战，某研究机构的Raziyeh Arabahmadi团队设计合成了一种新型腙类席夫碱荧光探针L。该探针在DMF/H₂O（4:1 v/v）体系中，通过激发态分子内质子转移（ESIPT）机制，分别以荧光增强（对Al³⁺）和猝灭（对CN^?）响应实现双功能检测，相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

研究采用多学科交叉方法：通过核磁共振（NMR）和红外光谱（FT-IR）表征探针结构；利用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析识别性能；结合密度泛函理论（DFT）计算阐明电子转移机制；采用分子对接模拟探针与酶活性位点相互作用；通过DPPH法评估抗氧化活性；应用纸基检测kit实现实际水样现场检测。

结果与讨论

1. 探针设计与合成
   通过苯甲酰肼与偶氮醛的缩合反应合成探针L（产率76%），其结构中同时存在ESIPT活性位点和金属配位点，为双离子识别奠定基础。

2. 选择性识别性能
   L对Al³⁺表现出"关-开"型荧光响应（检测限0.54 μM），源于Al³⁺配位抑制光诱导电子转移（PET）；对CN^?则通过去质子化导致荧光猝灭（检测限84.4 μM）。竞争实验证实其在10种共存离子中保持优异选择性。

3. 理论计算验证
   DFT计算显示Al³⁺结合后L的HOMO-LUMO能隙减小，证实电子转移受阻；分子对接揭示L与金黄色葡萄球菌（S. aureus）DNA旋转酶结合能达-8.7 kcal/mol，解释其对革兰氏阳性菌的选择性抑制作用。

4. 实际应用拓展
   开发的纸基检测kit在365 nm紫外灯下可直接可视化识别实际水样中的污染物。逻辑电路设计将Al³⁺和CN^?作为输入信号，通过OR/NOT门实现二进制信号输出。

这项研究创新性地将分子识别与信息处理相结合：探针L不仅解决了传统检测方法成本高、步骤繁琐的痛点，其模块化设计思路为开发多输入环境传感器提供了新范式。特别值得注意的是，该探针对Al³⁺的检测限远低于世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准（7.41 μM），在环境污染早期预警方面具有重要应用价值。分子对接结果暗示该骨架可能成为抗S. aureus药物的先导化合物，为后续研究开辟了新方向。