基于PNHQ/β-环糊精包合物的金属离子检测能力与抗菌活性研究：环境与生物应用的多维探索

本研究通过合成新型杂环化合物PNHQ并与β-环糊精(β-CD)构建包合物，解决了重金属离子(Fe2+/Pb2+)检测灵敏度不足和抗菌药物溶解性差的问题。实验结合光谱学、计算模拟和生物学评估，证实该包合物具有4.03 nM级检测限和显著抗菌活性，为环境监测和生物医药提供了新型功能材料。

　　

在环境监测和生物医学领域，重金属污染和细菌耐药性已成为全球性挑战。铁(Fe²⁺)作为血红蛋白的关键组分，其失衡会导致贫血等疾病；铅(Pb²⁺)则是强效神经毒素。传统检测方法如原子吸收光谱(AAS)和电感耦合等离子体(ICP)存在设备昂贵、操作复杂等局限。同时，8-羟基喹啉(8-HQ)衍生物虽具抗菌潜力，但溶解性差限制了应用。这些痛点催生了Sujitha Muthuchamy团队在《Results in Chemistry》发表的创新研究。

研究人员采用回流法合成4-(2-硝基苯基)-3,4-二氢-2H-[1,3]恶嗪并[5,6-h]喹啉-2-酮(PNHQ)，并通过共沉淀法制备其与β-环糊精(β-CD)的包合物(PNHQ/β-CD)。关键技术包括：1)紫外-荧光光谱分析金属结合特性；2)核磁共振(2D ¹H-ROESY)验证包合结构；3)密度泛函理论(DFT)计算分子取向；4)抗菌实验采用琼脂扩散法；5)MTT法评估HEK293细胞毒性。

研究结果方面：1)结构表征确认PNHQ通过硝基苯和恶嗪环修饰的喹啉骨架，FT-IR显示特征峰位移证实β-CD包合。2)光谱分析显示PNHQ对Fe²⁺/Pb²⁺的检测限达4.26/4.20 nM，包合后进一步降至4.03/4.02 nM，Benesi-Hildebrand方程计算结合常数达10^-13 M^-1级。3)计算模拟显示PNHQ喹啉环进入β-CD窄缘时结合能最低(-50.02 kJ/mol)，HOMO-LUMO能隙从3.64 eV降至3.16 eV。4)溶解实验证实包合物在pH7.2磷酸盐缓冲液中溶解度提升31%，Weibull模型显示半衰期10.69分钟。5)生物学评估显示PNHQ/β-CD对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑菌圈达18-22 mm，且HEK293细胞存活率>94%，IC₅₀<100 μg/mL。

该研究创新性地将超分子化学与功能材料相结合，其意义体现在：1)开发的荧光传感器解决了传统重金属检测技术复杂的痛点；2)β-CD包合策略显著改善了药物分子的水溶性和生物相容性；3)计算与实验的协同验证为分子设计提供了新范式。这项工作为环境污染物监测和抗菌药物开发提供了双重解决方案，展示了超分子材料在交叉领域的应用潜力。