《Results in Chemistry》：Simple and efficient probes for detection of cyanide in water
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氰化物是一种具有高毒性的离子，即使在低浓度（约2 mg/L）下也能致命，因此对水体中痕量氰化物的检测与定量至关重要。本研究设计并合成了两种基于1,4-萘醌的叠氮类小分子探针，即N'-(1,4-二氧代-1,4-二氢萘-2-基)异烟酰肼（IsoNAP）和N'-(1
氰化物是一种具有高毒性的离子，即使在低浓度（约2 mg/L）下也能致命，因此对水体中痕量氰化物的检测与定量至关重要。本研究设计并合成了两种基于1,4-萘醌的叠氮类小分子探针，即N'-(1,4-二氧代-1,4-二氢萘-2-基)异烟酰肼（IsoNAP）和N'-(1,4-二氧代-1,4-二氢萘-2-基)苯甲酰肼（BenzNAP）。该类探针通过非共价的协同氢键作用识别氰离子（CN?），避免了传统共价反应型探针的不可逆缺陷。实验结果表明，两种探针在水溶液中可通过裸眼比色和紫外-可见吸收光谱实现对CN?的选择性检测，检测限分别达到51.6 nM（BenzNAP）和165.4 nM（IsoNAP）。荧光光谱实验亦显示探针在376 nm（BenzNAP）和435 nm（IsoNAP）处对CN?有响应，检测限分别为199.0 μM和98.2 μM。通过1H NMR滴定实验和密度泛函理论（DFT, B3LYP/6-311+G*(d,p)）计算，研究人员证实了CN?对探针酰胺NH基团的去质子化作用，并借助萘醌及芳环上peri-位氢原子形成的电荷辅助协同氢键稳定了识别中间体。理论计算预测的HOMO-LUMO能隙对应的吸收波长（BenzNAP为598.5 nm，IsoNAP为589.5 nm）与实验观察到的特征吸收峰（577 nm和570 nm）吻合，验证了识别机制。此外，两种探针在酸性条件（pH≈2）下仍可检测CN?，并能有效区分OH?的干扰；在含氟离子（F?）、牛血清白蛋白（BSA）、Fe2?/Fe3?等离子或生物分子的复杂体系中，探针的选择性不受影响。将探针浸渍于Whatman滤纸上可制成便携式试纸条，与CN?接触后由藏红花色变为蓝色，实现实时、快速的可视化检测。该研究为开发操作简便、性能优异、可在中性水相环境中工作的非破坏性氰化物传感材料提供了新策略。
一、研究背景与问题
氰化物是一类剧毒离子，即使在低浓度下也可致命，因此对水环境中氰化物的灵敏检测是环境和公共安全领域的迫切需求。目前报道的多种光学探针虽能实现氰化物检测，但普遍存在以下问题：其一，多数荧光探针依赖非水或混合溶剂体系，难以在纯水相中应用；其二，比色/荧光探针常需借助氰化物与探针发生共价加成反应，导致传感过程不可逆，且检测后分析物被消耗；其三，常用碱金属离子如F?和OH?会与CN?竞争，对检测产生严重干扰；其四，部分高性能探针合成路线复杂，或需借助纳米材料固定化，增加了使用成本与操作难度。因此，开发能够在近中性水相条件下、无需缓冲液、通过非共价作用可逆识别氰化物的小分子探针，具有重要的学术意义和应用价值。
二、研究内容与意义
研究人员设计并合成了两种基于1,4-萘醌母体的叠氮类探针——N'-(1,4-二氧代-1,4-二氢萘-2-基)异烟酰肼（IsoNAP）和N'-(1,4-二氧代-1,4-二氢萘-2-基)苯甲酰肼（BenzNAP）。两种探针通过一步反应制得，合成路线简单，原子经济性高。探针以萘醌作为信号转导单元，通过酰胺NH基团与相邻芳环peri-位氢原子形成协同氢键，实现对CN?的非共价识别。实验结果表明，探针在水溶液中可与CN?发生选择性响应，产生明显的颜色变化（由浅色变为蓝色）及特征吸收峰变化。该设计避开了共价反应型探针的不可逆缺陷，使检测过程对分析物无损，且可在中性水相条件下实时完成。DFT计算和NMR滴定实验共同证实了协同氢键作用机制，理论预测的HOMO-LUMO能隙与实验光谱高度吻合。该工作为设计非破坏性、高选择性、可在纯水相工作的氰化物探针提供了新思路。
三、主要关键技术方法
实验所用试剂为商业化1,4-萘醌（Sigma-Aldrich）、苯甲酰肼（BLD Pharma）和异烟酰肼（BLD Pharma）。探针BenzNAP和IsoNAP分别由1,4-萘醌与苯甲酰肼或异烟酰肼在甲醇中室温反应6小时制得，产率分别为38%和44%。检测实验采用四丁基氰化铵（TBACN）作为氰源，探针和氰盐均先配制成7.5 mM或10 mM的储备液。手段包括：UV–visible吸收光谱滴定、荧光发射光谱、1H NMR滴定、高分辨率质谱（HRMS）、红外光谱（IR）及DFT理论计算（B3LYP/6-311+G*(d,p)）。检测限按3σ/K公式计算，结合常数通过Bensei-Hildebrand方程获得，Job plot确认络合计量比为1:1。试纸条通过将Whatman滤纸浸入1×10?? M探针水溶液后空气中干燥制备。
四、研究结果与结论
探针合成与表征：BenzNAP和IsoNAP通过萘醌与相应酰肼的直接加成反应制得，产率分别为38%和44%。产物经IR、NMR和HRMS表征确认结构正确。
紫外-可见吸收光谱检测：BenzNAP水溶液在加入CN?后在577 nm处出现新吸收峰，IsoNAP在570 nm处出现新吸收峰，溶液均变为蓝色。滴定过程中出现清晰等吸收点，表明发生1:1的去质子化过程。BenzNAP和IsoNAP的检测限分别为51.6 nM和165.4 nM，结合常数分别为4.76±1.0×103 M?1和5.05±0.56×10? M?1。Job plot证实1:1结合。SO?2?、S?O?2?、H?PO??、HCO??、CO?2?、CH?COO?、NO??、NO??等阴离子不干扰检测。Ca2?、Mg2?、Ba2?等硬水金属离子也不影响探针性能。探针在超纯水和自来水中的响应一致。
1H NMR滴定：IsoNAP与TBACN滴定后，吡啶环上的peri-C-H信号发生位移和展宽，NH质子信号消失或位移，表明CN?夺去NH质子，并与芳环peri-氢形成C-H…N协同氢键。
DFT计算：理论模拟显示，去质子化后的阴离子与CN?（以HCN形式）通过电荷辅助氢键结合，其中在吡啶甲酰基（或苯甲酰基）侧去质子化的形式更稳定（IsoNAP两种形式能量差为?33.2 kJ/mol）。该稳定构型的HOMO-LUMO能隙对应吸收波长分别为589.5 nm（IsoNAP）和598.5 nm（BenzNAP），与实验值（570 nm和577 nm）吻合，从理论上确认了协同氢键识别机制。
荧光光谱检测：BenzNAP在376 nm处的发射峰随CN?浓度增加而增强，IsoNAP在435 nm处的发射峰系统增强，而两者330 nm处的发射峰被猝灭。荧光法检测限分别为199.0 μM（BenzNAP）和98.2 μM（IsoNAP）。背景离子如Cl?、Br?、I?、F?和SO?2?不干扰荧光响应。
选择性与实际应用：在酸性条件（pH≈2）下，探针仍能检测CN?，表明酸碱调控性能优于OH?干扰。探针在牛血清白蛋白（BSA）、Fe2?/Fe3?和聚乙二醇存在下不受干扰。浸渍探针的滤纸试纸条与CN?接触后由藏红花色变为蓝色，可重复且响应迅速，吸收信号至少稳定24小时，具备便携式应用潜力。
五、讨论与结论
讨论部分指出，多数已报道的醌类或酰肼类探针需要在非水溶剂或缓冲溶液中工作，且常受F?和OH?干扰。相比之下，本文的两种探针为单一小分子组分，可在纯水（仅含痕量乙醇）中于纳摩尔浓度水平实现CN?选择性检测，合成简单且不需金属离子参与。通过NMR、DFT和光谱实验的联合验证，探针通过三中心协同氢键实现了对CN?的选择性识别，该非共价机制保证了检测过程的可逆性和分析物的非破坏性。理论计算与实验光谱一致地证明了去质子化位置选择性和氢键稳定化作用。
研究结论：BenzNAP和IsoNAP是能够通过协同氢键选择性识别氰离子的高效探针。1H NMR滴定和DFT计算共同证实了C-H…N-CN?相互作用的机制。该探针可浸渍于滤纸制成便携式试纸条，实现水中氰化物的快速目视检测。简单的一步合成路线、生物和电化学相关的萘醌发色团、在纯水中的良好实时响应能力，使这两种探针优于需要复杂合成、多组分设计或缺乏水溶性的已有体系。响应过程自发快速，混合后一分钟内即可完成测量。
