一种新型席夫碱荧光探针，基于置换法用于水介质中Hg2+和S2?离子的“关-开-关”连续检测：分子逻辑门、实际样品和活细胞成像

《Inorganic Chemistry Communications》：A novel Schiff base fluorescent probe for “off-on-off” sequential detection of Hg2+ and S2? ions in aqueous medium based on displacement approach: Molecular logic gate, real samples and live cell imaging

　　

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  通过¹H NMR、¹³C NMR、FT-IR和HR-MS对一种新型席夫碱（MPP）进行了表征。
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  MPP在PBS（pH 7.4）中对Hg²⁺在450 nm处表现出15倍荧光增强。
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  MPP实现了可逆循环以及Hg²⁺/S^2?的Off–On–Off逻辑传感。
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  水样中Hg²⁺和S^2?的回收率分别为97.6–101.2%和97.4–103.1%。
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  MPP保持了约90%的细胞活性，成像实验确认了对Hg²⁺/S^2?的顺序检测。

引言

痕量的必需金属离子（如铜、铁、锌和锰）对生物体的正常生长和生理功能至关重要 [1]。然而，这些金属的过量积累可能产生毒性效应，并对人体健康和生物系统构成风险 [2]。有毒重金属包括砷、汞、铅和镉，其积累可能对生物和生态系统造成损害 [3]。工业过程和产品会向环境中释放重金属和过渡金属（HTM）。汞是这些HTM离子中特别有害的一种，因为它存在于土壤和水中，可在体内积累并具有毒性 [4]。由于汞污染对健康和环境构成严重威胁，已成为全球性问题并引起了广泛关注 [5]。在各种条件下，人类会接触不同类型的汞，其中最具危害性的是甲基汞和无机汞。无机汞盐（Hg²⁺）若被摄入可导致肾脏中毒，并对皮肤、眼睛和消化系统具有腐蚀性 [6]。美国环境保护署（USEPA）因其广泛分布和严重危害，将饮用水中Hg²⁺的最大允许浓度定为2 ppb [7]。检测Hg²⁺离子的常用方法包括循环伏安法 [8]、原子吸收/发射光谱法 [9]和电感耦合等离子体质谱法 [10]。然而，这些传统技术因成本高昂且需要持续监测、专业人员和精密仪器，不适合现场Hg²⁺检测。近年来，已开发出具有开启型或关闭型荧光信号的优秀有机探针用于Hg²⁺的荧光检测 [11]–[15]。尽管其中少数可同时提供上述优势，但具有长波发射和较大Stokes位移的探针对于离子的荧光检测无疑极具吸引力 [16]–[18]。因此，开发用于Hg²⁺的新型荧光探针仍然是一项挑战。

相反地，硫化物（S^2?）通常被认为是一种令人不快的物质，具有类似臭鸡蛋的气味 [19]。然而，S^2?对生物体内的许多生理过程具有重要影响，包括血管舒张、细胞增殖、抗氧化、抗炎、抗凋亡、大脑神经调节以及抑制胰岛素信号传导 [20]–[22]。但是，异常的硫化物产生可能引发多种生化问题，包括唐氏综合征、亨廷顿病、阿尔茨海默病、窒息、肝硬化和高血糖 [23], [24]。目前已有多篇关于S^2?荧光传感器的报道 [25]–[27]。迄今为止，有机-金属配合物荧光平台间接实现了大多数S^2?的检测。该平台作为S^2?监测的中介工具，其中有机探针的荧光强度通常可通过S^2?与有机-金属配合物的后续相互作用得以恢复 [28]–[32]。因此，S^2?光学传感的研究仍处于起步阶段。文献中关于金属和S^2?顺序识别且伴随荧光信号On-Off-On或Off-On-Off变化的研究很少。Hasan [33]、Yun [34]、Liyan [35]和Deng [36]课题组分别报道了Hg²⁺和S^2?的顺序识别系统。然而，仍存在一些不足，包括非水相传感介质、间接选择性和较小的Stokes位移。

因此，本研究的新颖性不仅在于席夫碱结构，还在于将多种传感特性整合到单一的MPP基平台中。与之前报道的Hg²⁺/S^2?顺序探针相比，本研究在水相PBS缓冲液中（pH ≈ 7.4）实现了识别，同时具有较大的Stokes位移、强Hg²⁺诱导的荧光增强和较低的检测限。本研究合成了一种新型甲基苯基吡唑并嘧啶酮（MPP）席夫碱，并通过¹H NMR、¹³C NMR、FT-IR和HR-MS分析进行了结构表征。MPP探针在pH 7.4的水相PBS缓冲液中对有毒的Hg²⁺和S^2?离子表现出优异的选择性和灵敏度，受其他测试金属离子和阴离子的干扰极小。由于S^2?对Hg²⁺的强亲和力，加入S^2?可通过形成高度稳定的HgS有效地将Hg²⁺从MPP/Hg²⁺配合物中去除，从而实现荧光信号的完全恢复。这种可逆的荧光响应使得后续对S^2?的检测成为可能。此外，系统研究了MPP对两种分析物的传感特性，包括结合化学计量比、结合亲和力、检测限和pH依赖的荧光行为。MPP对Hg²⁺的检测限为0.79 nM（浓度范围0–25 μM），对S^2?的检测限为76.2 nM（浓度范围0–50 μM）。此外，MPP对Hg²⁺和S^2?的荧光"Off-On-Off"响应可合理化为涉及与门与或非功能耦合的集成分子逻辑运算。这种荧光行为可用于Hg²⁺和S^2?的顺序识别，并可进一步拓展至真实水样和生物细胞成像。

章节摘要

材料

起始原料4-氨基-1-甲基-3-丙基-1H-吡唑-5-甲酰胺和苄硫醇购自Sigma–Aldrich公司。所有阳离子均以高氯酸盐形式，所有阴离子均以钠盐形式购自Sigma–Aldrich Chemical公司。所有试剂和溶剂（分析和光谱级）均从Sigma-Aldrich商业购买，未进一步纯化。所有实验步骤中使用的均为二次蒸馏水。

MPP的合成

向溶液中

结果与讨论

4-氨基-1-甲基-3-丙基-1H-吡唑-5-甲酰胺1与苄硫醇2和Na₂CO₃（2.0当量）在空气氛围下简单反应。反应混合物在140 °C下搅拌2小时。最终产物的化学结构通过¹H NMR、¹³C NMR、FT-IR和HR-MS分析得到确认（图S1–S4）。此外，甲基苯基吡唑并嘧啶酮（MPP）席夫碱的光学性质在pH 7.4的PBS缓冲液中进行评估，如图1所示。MPP显示出强

结论

综上所述，成功合成了一种新型席夫碱荧光探针甲基苯基吡唑并嘧啶酮（MPP），并通过¹H NMR、¹³C NMR、FTIR和HRMS分析进行了结构表征。MPP探针在pH 7.4的水相PBS介质中对Hg²⁺和S^2?表现出显著的荧光响应。MPP在加入Hg²⁺后于450 nm处表现出显著的15倍荧光增强，而Hg²⁺诱导的荧光随后在加入S^2?后被淬灭。Hg²⁺

CRediT作者贡献声明

Kuppu Sakthi Velu：写作 – 审阅与编辑。Mathivanan Durai：方法论、调查研究、概念化。Lalitha Gnanasekaran：调查研究、数据整理。Karthikeyan Manivannan：验证、形式化分析。Sonaimuthu Mohandoss：写作 – 原稿撰写、方法论、调查研究。Nagaraj Murugan：方法论、调查研究。Mani Durai：方法论、调查研究、概念化。Dharani Shanmugapriya：方法论、调查研究。Salim Manoharadas：方法论、调查研究，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢持续研究资助计划（ORF-2026-708）、沙特阿拉伯王国利雅得沙特国王大学提供的支持。

Kuppu Sakthi Velu于2021年在印度泰米尔纳德邦卡拉伊库迪Alagappa大学化学科学学院工业化学系T. Stalin博士的指导下完成了博士学业。随后，他先后在印度泰米尔纳德邦金奈安娜大学SSN工程学院担任博士后研究员（2021–2022年），以及在韩国延世大学（2022–2023年）。目前，他担任国际研究教授（助理教授）

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