基于D–π–A型水溶性比率荧光探针的双通道裸眼检测重水新策略

针对重水(D2O)与普通水(H2O)理化性质相似导致的检测难题，研究人员设计了一系列HTCPP-X小分子探针，通过精确调控pKa实现基态质子转移机制驱动的双模式比率荧光/比色检测。水溶性HTCPP-F-PEG探针无需有机助溶剂即可实现裸眼区分和定量分析，为核工业、生命科学等领域的重水检测提供了高灵敏度、高选择性的解决方案。

　　

在核反应堆、生物医学和精密化学实验中，重水(D₂O)因其独特的氘原子特性成为不可替代的介质。然而这个"科学宠儿"却有个恼人的特性——极易吸收环境中的普通水(H₂O)，就像干燥剂遇到水蒸气般难以控制。传统检测手段如核磁共振(NMR)和质谱(MS)虽精确但笨重昂贵，好比用电子显微镜找钥匙，而现有荧光探针又像娇气的化学家，必须泡在有机溶剂"保姆"中才能工作。

贵州高校科学技术创新团队的研究人员独辟蹊径，从分子开关的设计原理获得灵感。他们发现羟基三氰基吡咯(HTCP)骨架就像精密的pH感应器，其电离状态会因H₂O和D₂O微妙的酸碱差异(pH 7.0 vs pD 7.4)而发生改变。通过引入氟原子"微调旋钮"，他们打造出HTCPP-F探针，其pK_a=6.59恰好处在两种水的酸碱分界线上。更巧妙的是，给分子装上聚乙二醇(PEG)的"水溶性滑翔翼"后，诞生了首个无需有机溶剂助溶的智能探针HTCPP-F-PEG。

研究团队主要采用分子光谱分析技术，包括紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱测定，结合核磁共振氢谱(¹H NMR)和碳谱(¹³C NMR)进行结构表征，通过高分辨质谱(HRMS)验证分子量。所有实验均使用双重蒸馏水配制溶液以排除干扰。

【设计原理与光学特性】
HTCPP-H探针在H₂O中仅显示427 nm单一吸收峰，而遇到D₂O时550 nm新峰如预警信号般跃出。氟化改造后的HTCPP-F将这种差异放大：在D₂O中，分子内电荷转移(ICT)效应导致吸收红移63 nm，溶液颜色由黄变紫，荧光强度比(I₅₅₀/I₄₂₇)变化达28倍，肉眼即可辨识。

【水溶性突破】
HTCPP-F-PEG通过PEG链段实现完全水溶，打破传统探针依赖DMSO/DMF的桎梏。实验显示，其荧光量子产率在D₂O中提升2.3倍，检测限低至0.006%（v/v），相当于在游泳池里检测一滴重水。

【作用机制】
X射线单晶衍射揭示，探针酚羟基与相邻氰基形成分子内氢键网络。D₂O中氘核的强电负性打破这种平衡，触发酚氧负离子生成，进而增强ICT效应。这种基态质子转移机制如同分子级别的"酸碱试纸"。

这项发表于《Spectrochimica Acta Part A》的研究开创了重水检测的新范式。HTCPP-F-PEG探针不仅解决了有机溶剂污染的行业痛点，其双信号输出模式更构建了视觉-仪器双保险检测体系。该设计策略为同位素检测、核电站泄漏监测等特殊场景提供了模块化开发平台，其pK_a精确调控理念对开发其他离子探针具有普适指导意义。正如审稿人所言："这可能是自氘元素发现以来，重水检测领域最优雅的化学解决方案之一。"