综述：用于金属离子检测的三唑类及氨基/亚氨基基团的碳水化合物锚定配体

《Polyhedron》：Triazole and amino/imino-based carbohydrate-anchored ligands for metal ion sensing

金属离子检测面临高选择性、灵敏度需求，传统传感器存在溶解性差、响应慢等问题。碳水化合物锚定基团因其水溶性、生物相容性和手性结构成为理想材料。本文系统综述了基于单糖的荧光/显色传感器近20年进展，重点分析三唑和氨基/亚氨基功能化两类传感机制：前者通过三唑环配位金属离子，后者依赖糖羟基与金属的氢键及电子相互作用。两类传感器均展现出ppm级超低检测限、纳米级响应时间及高稳定性和可重复性，在生物成像、水质监测等领域潜力显著。

　　

Srabasti Chakraborty|Sonali Palo|Arijit Chakraborty|Biswa Nath Ghosh

印度西孟加拉邦加尔各答Parnasree的Behala学院，邮编700060

摘要

由于对选择性和灵敏度的要求极高，检测金属离子仍然是一个严峻的挑战。尽管已经开发出了许多荧光和比色传感器，但它们仍存在许多缺点，如水溶性有限、响应时间延迟、易受竞争离子干扰以及潜在的细胞毒性。基于碳水化合物的配体由于具有手性、水溶性和生物相容性，成为一种多功能的金属离子传感分子框架。本研究探讨了含有三唑和氨基/亚氨基基团的碳水化合物支架的设计与合成，这些基团是过渡金属离子的关键配位位点。通过点击化学引入的三唑部分提供了强大的金属结合能力，而氨基/亚氨基界面则通过氢键和电子相互作用提高了选择性和灵敏度。因此，本文强调了驱动这些配体在金属离子传感应用中性能提升的配位机制和设计原则。该综述深入分析了自2004年以来基于单糖的荧光和比色传感器的最新进展及其在金属离子检测中的应用，涵盖了大约二十年的研究工作。特别关注了碳水化合物（尤其是吡喃糖形式）的结构优势，它在实现选择性离子结合中起着关键作用。本文介绍的一些化学传感器具有非常低的检测限（ppm级别）、快速检测能力以及高结合常数，并可用于活细胞生物成像、有机凝胶制备或实际水样分析等多种应用。总体而言，这项工作突显了基于碳水化合物的配体系统在开发具有高选择性、稳定性和适应性的下一代金属离子传感器方面的潜力。

引言

由于分析检测中对选择性和灵敏度的严格要求，金属离子传感是一项关键且复杂的任务。在过去二十到三十年中，高效金属离子传感器的开发一直是研究的重点，科学文献中有大量相关记录。已经设计并评估了多种传感器系统，每种系统在检测限、响应时间和稳定性方面都表现出独特的优势。然而，尽管取得了进展，这些传感器仍存在一些固有局限性，如受竞争离子干扰、操作条件受限或重复性挑战。因此，当前的研究旨在通过新型材料、先进的信号转导机制和改进的表面功能化策略来提升传感器性能。在这方面，光学检测方法（尤其是比色和荧光方法）由于其简单性、出色的灵敏度以及能够实现“肉眼”检测阳离子和阴离子的能力而具有明显优势[[1], [2], [3]]。因此，已经开发出多种非基于碳水化合物的比色和荧光传感器用于金属离子检测，例如Cu²⁺ [4,5]。然而，这些传感器大多存在一些缺点，如水溶性有限、起始材料昂贵、响应时间较长、易受其他阳离子或阴离子干扰以及潜在的细胞毒性。

为了解决这些挑战，基于碳水化合物的生物友好型比色和荧光传感器提供了一个可行的解决方案。糖分子中的羟基（-OH）和氧原子显著增强了阳离子的结合亲和力，同时提高了水溶性[6]。基于碳水化合物的荧光或比色传感器通常是通过将荧光团或发色团整合到碳水化合物骨架中构建的。已经研究了多种形式的碳水化合物（包括开链、吡喃糖和呋喃糖衍生物）用于铜离子检测[7]。其中，吡喃糖形式特别适合容纳轴向取代基，因为糖中的异头效应促进了电负性取代基在异头中心的轴向定位（图1）。轴向构象‘A’中的n-σ*重叠在构象‘B’中是不可能发生的，因此电负性取代基在轴向位置的稳定性高于赤道位置。此外，碳水化合物环氧原子上的轴向孤对电子与环己烷衍生物中的轴向氢原子相比，受到的1,3-轴向排斥作用较小[8]。这种独特的结构特性增强了它们在选择性离子检测中的实用性。

本研究旨在全面分析和总结现有关于使用基于碳水化合物（单糖）的传感器进行金属离子比色和荧光检测的研究成果。通过强调碳水化合物的独特结构特征及其通过多种配位机制促进选择性金属离子识别的能力，本文强调了根据其基本连接结构对传感器进行分类的必要性。为此，我们将基于碳水化合物的金属离子传感器分为两大类：（i）三唑连接的基于碳水化合物的传感器和（ii）亚氨基/氨基连接及其他基于碳水化合物的传感器。第一类传感器中，三唑部分通过氮等杂原子与碳水化合物骨架共价结合，从而实现金属离子的配位；第二类传感器包含亚氨基或氨基功能团以及其他结构变化，这些变化通过席夫碱形成、氢键或其他超分子相互作用促进金属离子的结合。大多数传感器具有非常低的检测限和高结合常数。虽然分类主要基于结构特征，但它导致了两种不同的传感机制。在三唑连接的基于碳水化合物的传感器中，三唑环主要促进金属离子的配位，进而引发比色和/或荧光响应；而在其他基于碳水化合物的传感器中，碳水化合物本身积极参与金属离子的结合，从而提高了选择性和整体传感效率。

1,2,3-三唑连接子的简易合成路线

1,2,3-三唑框架可以通过叠氮-炔烃Huisgen环加成反应有效合成，这是一种涉及叠氮化合物和末端或内部炔烃的1,3-偶极环加成反应，生成1,2,3-三唑[图2a]。Rolf Huisgen首次发现了这一有机反应的广泛应用[9]。然而，炔烃和叠氮化合物之间的热Huisgen 1,3-偶极环加成需要高温，且常常产生区域异构体混合物。

结论

本简要综述概述了过去二十年开发的约48种基于碳水化合物的传感器，用于检测各种金属离子。这些传感器含有经过三唑或氨基/亚氨基基团修饰的碳水化合物部分，能够选择性地识别Cu²⁺、Hg²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Ag⁺和Au³⁺等金属离子——其中许多金属离子在超过允许限值时会对环境造成危害。大多数传感器通过光物理方法实现检测。

CRediT作者贡献声明

Srabasti Chakraborty：撰写初稿，概念构思。Sonali Palo：撰写初稿。Arijit Chakraborty：撰写、审稿与编辑，概念构思。Biswa Nath Ghosh：撰写、审稿与编辑，监督，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Sourav Sutradhar先生的帮助。