吡咯-亚胺大环结构：自组装的交叉反应阴离子受体与传感器

《Chemistry – A European Journal》：Pyrrole-Imine Macrocycle: Self-Organizing Cross-Reactive Anion Receptor and Sensor

分子内氢键与荧光探针结合的聚酰胺环受体选择性检测磷氧阴离子及类似物，通过NMR和DFT计算验证其氢键结合机制，利用荧光强度、宽度和峰值位移实现11种阴离子的区分，并采用LDA和SVM算法完成多组分定量分析，检测误差低于3.5%。

　　在自然界和工业领域中，磷相关阴离子如磷酸盐、膦酸盐和氧化磷阴离子（如ATP、ADP、AMP等）扮演着重要角色。它们不仅是细胞内能量传递的关键分子，还广泛参与生物代谢过程，并且在农业和工业中具有重要应用。由于这些阴离子在水溶液中通常以盐的形式存在，其结构复杂性和高水合能使得它们的识别和检测变得极具挑战性。因此，开发一种高效、选择性强且适用于复杂混合体系的传感方法成为当前研究的热点。

本研究提出了一种新型的分子传感器，该传感器基于咪唑类大环结构设计，能够同时检测多种磷相关阴离子。该大环结构通过引入柔性乙烯基团，显著增强了其适应不同阴离子的能力。此外，该传感器集成了荧光信号响应机制，利用一种环境敏感的荧光探针（如Dansyl基团）实现对阴离子的快速识别和定量分析。通过这种设计，单个分子可以像“分子传感器阵列”一样，对多种阴离子进行响应，从而大大简化了传统需要多个传感器才能完成的检测过程。

为了验证这一设计的可行性，研究人员通过多种实验手段，包括核磁共振（NMR）光谱分析和荧光光谱测量，对传感器的性能进行了深入研究。NMR实验揭示了传感器与不同阴离子结合时的构象变化和氢键作用，而荧光实验则提供了对阴离子种类和浓度的敏感响应。值得注意的是，传感器对某些阴离子（如磷酸盐和膦酸盐）表现出极高的结合亲和力，而对于其他阴离子（如卤素离子、硝酸盐、碳酸盐或硫酸氢盐）则几乎没有响应。这种选择性使得该传感器在复杂样品中能够有效区分目标阴离子。

在实验过程中，研究人员采用两种合成路径来制备传感器分子。第一种路径（Route A）使用二吡咯甲烷二醛和二乙撑三胺，但由于反应过程中可能形成复杂的交联网络，导致产物难以分离。因此，研究人员尝试了第二种路径（Route B），通过使用二乙撑三胺的Dansyl酰胺衍生物，成功得到了多个大环结构（如化合物1、2和3），并能通过多次结晶法将其分离。其中，化合物2因其结构稳定性和良好的结合性能，成为主要研究对象。

化合物2的结合行为在不同温度条件下表现出显著的变化。在室温下，其与磷酸盐的结合属于快速交换过程，但在低于0℃的低温条件下，结合行为逐渐变慢，进入慢交换模式。这种温度依赖性表明，化合物2在高温下具有更快的分子采样能力，这对其在多阴离子体系中的应用至关重要。此外，通过变温NMR实验，研究人员观察到化合物2在低温下与磷酸盐形成多种结合构型，进一步支持了其结构灵活性和对多种阴离子的适应能力。

荧光实验则揭示了化合物2在不同阴离子存在下的响应特性。当与不同阴离子结合时，其荧光强度、荧光带宽以及最大发射波长均发生变化，这些变化具有显著的阴离子特异性。通过对比不同阴离子的荧光响应数据，研究人员发现，某些阴离子（如磷酸盐和膦酸盐）能够引起明显的荧光变化，而其他阴离子则几乎没有影响。这一特性使得该传感器能够通过荧光信号区分至少十种不同的阴离子，并对其浓度进行定量分析。

为了提高检测的准确性和可靠性，研究人员采用了一种基于机器学习的分类方法，即线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）。这些方法能够根据荧光光谱的变化对不同的阴离子进行有效识别，并且在未知样品的检测中表现出较低的误差（3.5%或更低）。这表明，该传感器不仅具有高度的灵敏性和选择性，还具备良好的可重复性和可扩展性，适用于实际环境中的复杂样品分析。

除了对磷酸盐的检测，该传感器还显示出对其他磷相关阴离子（如膦酸盐）的高亲和力。例如，广谱除草剂草甘膦（GlyP）和其片段甲基膦酸盐（MP?）均能与传感器产生显著的荧光响应。通过NMR和荧光实验，研究人员确认了这些阴离子与传感器结合时的构象变化和氢键作用，进一步验证了其结构的适应性和功能的多样性。同时，研究还发现，某些阴离子（如AMP、ADP、ATP等）与传感器的结合亲和力存在差异，这可能与它们的分子结构和电荷分布有关。

为了进一步探讨传感器与不同阴离子的结合机制，研究人员结合了密度泛函理论（DFT）计算和NMR实验数据。DFT计算结果显示，传感器在与磷酸盐或膦酸盐结合时，其构象发生明显变化，导致荧光信号的显著改变。这些变化不仅与结合的阴离子种类相关，还受到其浓度的影响。例如，在低浓度下，传感器与阴离子的结合主要表现为单分子配位，而在高浓度下，可能会形成多分子复合物，从而影响荧光响应的强度和模式。

此外，研究人员还发现，传感器的荧光响应不仅取决于阴离子的种类，还与其在溶液中的水合状态密切相关。由于磷相关阴离子在水溶液中通常与大量水分子结合，这使得它们的识别变得更加复杂。而该传感器通过引入柔性乙烯基团，能够有效适应这些水合阴离子的结构变化，从而实现更准确的检测。

本研究的成果不仅为磷相关阴离子的检测提供了新的思路，也为开发具有高度选择性和灵敏度的环境友好型传感器奠定了基础。该传感器能够在水溶液中有效识别多种磷相关阴离子，包括常见的磷酸盐和结构相似的膦酸盐，同时避免了传统方法中对多种传感器的需求。其结合能力、结构灵活性和荧光响应特性，使其在环境监测、生物医学研究以及工业分析等领域具有广阔的应用前景。

值得注意的是，该传感器的设计理念与传统的“锁钥模型”不同，它更倾向于一种“适应性”模型，即能够根据不同的阴离子种类和浓度动态调整自身的结构，从而实现更高效的识别和检测。这种设计理念在未来的分子传感器开发中具有重要的参考价值，尤其是在应对复杂环境和多组分样品的检测需求时。

综上所述，该研究通过创新的分子设计，成功开发出一种能够同时检测多种磷相关阴离子的传感器。其结合了结构灵活性、氢键作用和荧光信号响应机制，为磷相关阴离子的检测提供了一种高效、经济且环保的新方法。未来，该传感器有望在实际应用中发挥重要作用，尤其是在需要快速、准确检测多种阴离子的场景中，如环境监测、药物分析和生物化学研究等领域。