基于喹唑啉衍生物的多功能荧光传感器SP55对Ru3+/Ir3+/Th4+/UO22+的高选择性检测及其环境应用

本研究针对环境中重金属和放射性金属离子检测难题，开发了一种新型喹唑啉衍生物荧光传感器SP55，可高选择性识别Ru3+、Ir3+、Th4+和UO22+，检测限达纳摩尔级（最低0.44 nM）。该传感器通过-OH/-NH基团配位形成1:1复合物，具有快速响应（<1秒）、可逆检测（EDTA解离）和环境水样实际应用价值，为核废料监控和工业污染治理提供新工具。

　　

在核工业快速发展和电子废弃物激增的背景下，重金属（如钌、铱）和放射性金属（如钍、铀）污染已成为全球性环境健康威胁。这些金属离子即使微量存在也会通过生物富集作用危害生态系统，其中UO₂²⁺的水溶性和生物可利用性更使其成为饮用水安全的重要隐患。传统检测方法如质谱和色谱分析虽精准但设备昂贵，而现有荧光探针多存在选择性差、响应慢或不可逆等问题。

针对这一技术瓶颈，Vellore Institute of Technology（印度韦洛尔理工学院）的研究团队设计合成了一种创新型喹唑啉衍生物荧光传感器SP55。该研究通过两步法合成2-(10-羟基苯并[h]喹啉-9-基)喹唑啉-4(3H)-酮，利用核磁共振（NMR）、高分辨质谱（HR-MS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确证结构后，系统评估了其对22种金属离子的识别性能。研究发现SP55在乙腈-水（8:2）体系中可特异性结合Ru³⁺、Ir³⁺、Th⁴⁺和UO₂²⁺，产生显著的吸收红移（至450 nm）和发射蓝移（从600 nm至540-570 nm），且检测限突破纳摩尔级（UO₂²⁺达1.99 nM）。相关成果发表于《Sensors and Actuators Reports》，为环境重金属监测提供了新型分子工具。

关键技术方法包括：1）紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析溶剂效应及金属响应；2）Job's plot和Benesi-Hildebrand方程计算结合常数（最高2.25×10⁶ M^-1）；3）¹H NMR滴定和FT-IR验证配位位点；4）密度泛函理论（DFT）计算电子结构变化；5）实际水样（自来水、湖水和饮用水）加标回收实验。

研究结果揭示：

4.1 溶剂效应：SP55在非极性到极性溶剂中呈现40 nm蓝移的负溶剂化效应，证实其激发态极性小于基态。

4.2 选择性：仅目标金属离子引起显著光谱位移，其他离子（包括常见干扰物Al³⁺、Cu²⁺等）无响应。

4.3 滴定分析：金属结合导致380 nm吸收降低而450 nm吸收增强，等吸收点证实单一复合物形成。

4.4 结合机制：HR-MS证实1:1化学计量比，DFT显示配合物能隙缩小（如SP55+Ir³⁺ ΔE=1.101 eV）。

4.7 实际应用：三种环境水样中金属回收率99.7%-100.6%，验证了方法的可靠性。

该研究的突破性在于：首次实现喹唑啉传感器对铂族和锕系金属的多重识别，其超低检测限（0.44-2.35 nM）优于多数文献报道。通过EDTA可逆循环实验证实传感器可重复使用，而快速响应特性（<1秒）满足现场监测需求。理论计算阐明酚氧和仲胺氮的双齿配位模式，为后续探针设计提供分子模板。这项技术不仅可用于核设施周边环境监测，在医疗废弃物处理和稀土冶炼行业也具有重要应用前景。值得注意的是，研究者特别强调SP55的生物相容性基础——喹唑啉骨架本身具有抗癌、抗病毒等药理活性，这为未来开发活体检测探针奠定了基础。