在用于检测蔬菜、海鲜、植物、化妆品和细胞中Hg2+的芘-尿嘧啶化学传感器中，间隔物诱导的双单体发射现象

《Talanta》：Spacer-induced dual monomer emission in pyrene–uryl chemosensors for Hg2+ detection across vegetables, seafood, plants, cosmetics and cells

合成了两种硫脲基荧光探针APS和PMS，选择性检测Hg2?及农药MNZ、AZA。APS因无间隔基团淬灭荧光检测MNZ，PMS因间隔基团增强荧光并红移检测AZA。两者检测限低（0.5-3.6 μM），成功应用于海鲜、化妆品及农作物样本，为环境监测提供新方法。

　　

Narmatha Ganesan|Gokul Sankar Palanisamy|Elizabeth Antony|Kavanya Srinivasan|Abisha Nancy Sukumar|Abiram Angamuthu|Parvatham Kalyanasundaram|Velu Rajesh Kannan|Raju Nandhakumar

印度哥印拜陀卡鲁尼亚技术科学学院（被认定为大学）物理科学系荧光材料实验室，卡鲁尼亚纳加尔，641 114

摘要

我们合成了两种新型的基于硫脲的荧光化学传感器APS和PMS，它们由芘荧光团和苯异硫氰酸酯组成，并通过¹H NMR、¹³C NMR和质谱技术进行了表征。这些芘-尿嘧啶化学传感器中的间隔基团引入了双单体发射特性，使得它们能够在DMSO–H₂O（1:1，pH 7.4）溶液中选择性检测Hg²⁺和农药。Hg²⁺的检测通过PET效应实现，同时荧光强度增强；Job图和结合研究证实了其1:1的化学计量比。Hg²⁺的检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别为APS的1.0 μM和3.6 μM，以及PMS的0.5 μM和1.9 μM。探针APS通过荧光淬灭效应特异性识别MNZ，而探针PMS对AZA具有特异性，且其发射光谱发生红移。荧光寿命衰减和量子产率的研究进一步支持了这种检测机制。此外，这两种探针成功应用于海产品、化妆品样品以及细菌（E. coli）的检测，同时也用于水果、蔬菜和土壤中农药的检测。

引言

汞（Hg²⁺）是一种强效的环境毒素，具有高毒性和在生态系统中生物累积的倾向，对野生动物和人类健康构成威胁[1,2]。其中，二价汞离子（Hg²⁺）因其高水溶性和对生物硫基团的强亲和力而特别危险，这可能导致酶系统和细胞活动的中断[3]。即使低浓度的汞暴露也可能导致严重的健康问题，如发育迟缓、肾脏和神经系统疾病[4,5]。历史上，汞被广泛应用于多个领域；然而，由于对其高毒性的担忧，许多国家已禁止或严格限制了有机汞化合物在农业中的使用，例如农药、杀菌剂和种子消毒剂[[6], [7], [8], [9]]。工业领域仍在使用汞，如温度计、开关、荧光灯管、手工金矿开采和氯碱工业[[10], [11], [12], [13]]。汞还被用作医学中的防腐剂（硫柳汞）和牙科汞合金[[14], [15], [16], [17]]。目前，水生生态系统中汞的累积是一个紧迫问题，因为微生物活动会将无机汞转化为高毒性的甲基汞，后者会在鱼类和海产品中生物累积，对人类健康构成严重风险。推荐的每日安全摄入量范围为0.1至7 μg。超过这一限值会导致严重的神经和心脏毒性。特别脆弱的人群，如新生儿和孕妇，面临更高的风险，因为甲基汞会损害胎儿发育并导致长期健康问题。鉴于汞污染的广泛性和持续性，迫切需要可靠、灵敏的检测技术。在各种探针中，如罗丹明、BODIPY、量子点和萘酰亚胺，硫脲是通过HSAB理论检测Hg²⁺离子的最佳方法之一[[18], [19], [20]]。

从印楝树（Azadirachta indica）的种子中提取了一种名为印楝素（AZA）的生物活性四萜类化合物[21]。它在可持续农业中的广泛应用使其成为有机害虫管理的理想选择，因为它具有强烈的杀虫、拒食和抑制昆虫发育的作用，尤其是通过阻断控制昆虫蜕皮和变态的主要激素——蜕皮酮[22]。印楝素作为一种环保替代人工农药而越来越受到重视，因为它可生物降解，对非目标物种无毒，并适用于有机农业实践[23,24]。广谱杀菌剂代森锰锌（MNZ）属于乙烯双（二硫代氨基甲酸酯）（EBDC）家族[25]，在现代农业中常用于控制谷物、水果和蔬菜等多种作物的真菌病害，作为多部位接触杀菌剂。MNZ通过干扰真菌病原体的关键酶活性有效阻止孢子萌发和生长。由于其预防作用和低抗性发展风险，它仍然是综合害虫管理（IPM）策略中的有效工具[26,27]。然而，由于其环境持久性和潜在的有害副产物（如乙烯硫脲（ETU）的存在，需要灵敏的检测技术，尤其是在其广泛应用的情况下。尽管印楝素结构复杂、天然含量稀少，且对pH值、温度和光照变化敏感，但质谱和HPLC等传统分析技术仍能实现对其的准确检测。

在各种农药检测方法中，如气相色谱（GC）[[28], [29], [30]]、液相色谱（LC）[31,32]与质谱（MS）联用、免疫传感器[[33,34]]、生物传感器[[35], [36]]、电化学传感器[[38,39]]、红外光谱[40]和比色技术[41,42]中，荧光光谱因其高灵敏度、选择性和能够在多种农药混合物中检测微量农药而脱颖而出。近年来，荧光化学传感器被证明是快速、选择性和灵敏地识别多种化学物质（包括农药）的强大工具。基于硫脲的化学传感器因其能够形成强氢键并与缺电子物种发生电荷转移相互作用而受到广泛关注。当基于硫脲的荧光探针用于通过超分子相互作用检测AZA和MNZ时，硫和氮供体原子的存在会导致特定的光物理变化，如荧光增强或淬灭。由于这种技术无需标记、实时且成本低廉，非常适合环境应用和现场监测。基于硫脲的荧光传感为准确检测AZA和MNZ提供了有效方法，同时也为农业环境中的农药监测、残留分析和质量控制提供了创新策略。

在这项工作中，我们报道了两种基于硫脲的荧光化学传感器APS和PMS的合成，这两种传感器专门用于检测Hg²⁺离子和农药。APS探针能选择性检测代森锰锌（MNZ），而PMS探针则对印楝素（AZA）具有选择性。这两种探针都包含一个作为荧光团的富电子芘部分和一个作为离子载体的硫脲单元。在PMS探针中，芘和硫脲单元之间加入间隔基团后产生了双单体发射，与仅产生单体发射的APS相比，增强了其对分析物的光物理响应。PMS中的间隔基团调节了芘的电子环境，影响了光诱导的电子转移（PET）过程，从而提高了对Hg²⁺离子的灵敏度和选择性。与Hg²⁺结合后，硫脲的吸电子能力被中和，增强了荧光强度。在农药检测中，APS与MNZ的结合抑制了PET过程，而PMS与AZA的相互作用则调节了芘荧光团的发射，产生了激子峰。这些探针在海鲜（鱼类和虾）和化妆品样品中的Hg²⁺检测效果得到了验证，同时也在水果和蔬菜样品中验证了农药的检测效果。

材料与试剂

1-氨基芘（CAS编号：1606-67-3）、1-吡啶甲基胺盐酸盐（CAS编号：93324-65-3）和苯异硫氰酸酯（CAS编号：103-72-0）均购自Sigma-Aldrich。所有金属离子（K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Li⁺、Bi³⁺、Sr²⁺、Ag⁺、Ba²⁺、Zr²⁺、Pb²⁺和Fe²⁺的硝酸盐和氯化物盐均从Himedia、Loba Chem. Ltd和Sigma Aldrich等商业渠道购买。

结果与讨论

荧光化学传感器APS和PMS分别由1-氨基芘和吡啶甲基胺合成。在APS的合成过程中，1-氨基芘的亲核氨基攻击苯异硫氰酸酯的亲电碳，形成硫脲键，从而得到所需的荧光化学传感器。PMS探针的制备采用了类似的程序，其中吡啶甲基胺代替1-氨基芘作为胺前体，并在三乙胺存在下进行反应。

量子产率和荧光寿命测量

通过DMSO:H₂O（1:1）和HEPES缓冲液（pH = 7.4）进行了量子产率和荧光寿命的测量，以评估APS和PMS探针的光物理性质。这些参数有助于了解它们的发光效率和激发态动力学，进一步支持其在灵敏荧光检测中的应用。

使用APS和PMS探针检测化妆品中的Hg²⁺

APS和PMS两种探针均采用峰谷法（Spike and Recovery）检测了各种化妆品（如粉饼、眼影、唇彩和指甲油）中的Hg²⁺。在样品中加入已知浓度的Hg²⁺（2、4和6 μM）后计算了回收率。表3和表4总结了每个样品的分析结果，显示回收率高达93%至100%。这些结果也与ICP-MS进行了比较。

结论

我们开发并比较了两种结构相似的吡啶-硫脲荧光探针，它们之间的区别仅在于是否存在亚甲基间隔基团。APS和PMS探针均能通过PET机制选择性地与Hg²⁺离子结合。当这两种硫脲探针与农药接触时，APS特异性结合代森锰锌（MNZ），表现为荧光淬灭；而PMS特异性结合印楝素（AZA），表现为荧光增强和红移。这两种探针均能可靠地检测Hg²⁺

CRediT作者贡献声明

Narmatha Ganesan：撰写——原始草稿、方法学、正式分析、概念构思。Gokul Sankar Palanisamy：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、正式分析、概念构思。Elizabeth Antony：撰写——审稿与编辑。Kavanya Srinivasan：撰写——审稿与编辑、正式分析。Abisha Nancy Sukumar：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、软件开发。Abiram Angamuthu：撰写——审稿与编辑、软件开发。Parvatham Kalyanasundaram：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

Narmatha Ganesan、Kavanya Srinivasan和Elizabeth Antony衷心感谢卡鲁尼亚技术科学学院（被认定为大学）通过研究助理奖学金提供的财务支持。作者还感谢卡鲁尼亚技术科学学院的中央NMR设施。