不对称吖嗪-纳米材料杂化体系在环境和生物应用中的最新进展

《Results in Surfaces and Interfaces》：Recent Advances in Unsymmetrical Azine–Nanomaterial Hybrid Systems for Environmental and Biological Applications

　　

近年来，不对称吖嗪-纳米材料杂化体系在环境和生物应用中的研究取得了显著进展。吖嗪是一类结构明确的富氮有机化合物，可视为1,3-丁二烯的2,3-二氮杂类似物，其特征为N-N连接的二亚胺骨架（C=N-N=C）。传统上，吖嗪通过肼与醛或酮缩合制备，分别得到醛吖嗪和酮吖嗪；然而，近年来的合成进展已通过替代路线实现了结构多样化的吖嗪架构。根据吖嗪骨架上的取代模式，这些化合物可分为对称和不对称吖嗪。含杂环取代基的对称吖嗪主要用于氧化还原相关应用，而含有强碱性官能团（如胍基）的不对称吖嗪则代表了一个化学性质独特的子类。这些衍生物，正式名称为1,1-二氨基-2,3-二氮杂丁二烯，表现出高碱性并易于发生质子化和成盐反应。它们可通过两种不同的羰基前体缩合合成，产生结晶倾向降低、结构灵活性增强的不对称吖嗪。这一策略还能将化学性质不同的功能单元连接到单一分子框架中，使这些化合物在传感应用中特别具有相关性。 尽管具有明确的电子结构和配位能力，吖嗪——尤其是脂环族衍生物——历史上一直未被充分探索，这主要是由于它们与腙之间存在密切的互变异构关系，常导致结构归属模糊。从分析角度看，共轭的C=N-N=C基序和多个供体原子的存在赋予了吖嗪多样的金属结合行为和可调的配位几何构型。重要的是，金属离子结合常会诱导吖嗪电子结构的显著扰动，导致其光学性质（特别是荧光）发生可测量的变化，这构成了其作为化学传感器应用的基础。除了配位驱动的传感外，吖嗪还参与多种化学转化，包括与亲双烯体的环加成反应以生成吡唑和嘧啶等杂环骨架。此外，吖嗪衍生物表现出一系列生物学相关活性和有利的物理化学属性，包括合成易得性、热稳定性、共轭诱导的发色行为以及易于分离等特点。这些特性促进了它们在药物、功能染料、光电子学和光捕获系统中的应用。 在分析实践中，用于分析物检测的传统技术——如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体基方法和电化学分析——虽然灵敏度高，但依赖于昂贵的仪器和熟练的操作人员。因此，人们对能够实现快速、经济高效和现场检测的替代传感策略持续保持兴趣。在此背景下，比色和荧光化学传感器因其操作简便、检测限低和实时响应能力而成为强大的分析工具。荧光化学传感器通过选择性分析物-受体相互作用发挥作用，这些相互作用通过光诱导电子转移（PET）、螯合增强荧光（CHEF）、分子内电荷转移（ICT）、激发态分子内质子转移（ESIPT）和C=N异构化等机制调节发射行为。不对称吖嗪的结构可调性允许对这些光物理过程进行精确控制，使其成为基于荧光检测的特别有吸引力的平台。 近年来，不对称吖嗪与纳米材料的杂化已成为克服传统分子探针局限性的有效策略。已被探索用于开发高性能传感平台的多种纳米材料包括石墨烯及其衍生物、碳点（CDs）、量子点（QDs）、金属纳米颗粒（MNPs）、有机纳米颗粒（ONPs）、共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs）以及聚集诱导发光（AIE）活性纳米组装体。这些纳米材料具有更大的表面积、丰富的活性位点和高效的电荷转移途径，从而实现更好的分析物吸附和信号转导。它们增强了信号的放大，最小化了非辐射能量损失，提高了荧光量子产率，并增加了分析物向活性传感位点的扩散速率。此外，纳米结构平台改善了探针的稳定性、在水中的分散性、光稳定性以及与真实环境样品的兼容性。因此，杂化吖嗪-纳米材料系统通常表现出更低的检测限、更高的选择性、更快的响应时间和优于相应分子吖嗪探针的实用性。 因此，本综述涵盖了用于检测重金属离子、阴离子、农药和生物污染物的不对称吖嗪基比色和荧光化学传感器的最新进展。研究人员侧重于阐明吖嗪骨架内的分子不对称性如何影响配位行为、结合选择性和信号转导，而非提供纯粹描述性的叙述。通过考察配体结构、金属-配体相互作用以及由此产生的光学响应之间的关系，本综述强调了决定传感性能的关键机理特征。这些见解旨在为未来研究人员合理设计具有更高灵敏度、选择性和环境监测实际相关性的不对称吖嗪衍生配位系统铺平道路。

一、研究背景与目的

吖嗪是一类富含氮元素的有机化合物，其核心结构为C=N-N=C二亚胺骨架，可视为1,3-丁二烯的2,3-二氮杂类似物。根据取代模式的不同，吖嗪可分为对称型和不对称型两大类。其中，不对称吖嗪因含有两个不同的羰基前体缩合而成的结构，展现出更强的结构灵活性和更低的结晶倾向，能够将化学性质迥异的功能单元整合到同一分子框架中。尽管吖嗪具有明确的电子结构和优异的配位能力，但其在传感领域的应用长期受到忽视，主要原因在于其与腙类化合物的互变异构关系常导致结构鉴定困难。

传统的分析检测技术，如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电化学分析法，虽具备高灵敏度，但依赖昂贵的大型仪器和专业技术人员的操作，难以满足现场快速检测的需求。因此，开发低成本、快速响应、可现场部署的替代传感策略具有重要的科学意义和应用价值。比色和荧光化学传感器凭借操作简便、检测限低、可实现实时监测等优势，成为极具前景的分析工具。不对称吖嗪因其结构的高度可调性，能够通过调控光诱导电子转移（PET）、螯合增强荧光（CHEF）、分子内电荷转移（ICT）、激发态分子内质子转移（ESIPT）和C=N异构化等多种光物理机制，实现对目标分析物的选择性识别和信号输出。

然而，单纯的分子型吖嗪探针在实际应用中仍面临荧光量子产率低、水溶性差、光稳定性不足等问题。近年来，将不对称吖嗪与各类纳米材料进行杂化，成为突破上述瓶颈的有效策略。纳米材料如石墨烯、碳点（CDs）、量子点（QDs）、金属纳米颗粒（MNPs）、有机纳米颗粒（ONPs）、共价有机框架（COFs）和金属有机框架（MOFs）等，凭借其巨大的比表面积、丰富的活性位点和高效的电荷转移能力，能够显著增强信号放大效应、减少非辐射能量损耗、提高荧光量子产率并加快分析物向传感位点的扩散速率。基于此，本综述系统梳理了近年来不对称吖嗪基比色和荧光化学传感器在重金属离子、阴离子、农药残留及生物污染物检测方面的研究进展，重点探讨分子不对称性如何影响配位行为、结合选择性和信号转导机制，旨在为未来合理设计高性能不对称吖嗪衍生配位系统提供理论指导。

二、主要研究方法

研究人员综合运用了多种关键技术和理论计算方法。首先，通过有机合成手段制备了一系列结构各异的不对称吖嗪配体及其纳米材料杂化体系。其次，采用紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和荧光光谱技术对传感器的光学响应进行表征，并结合Job's plot和质谱分析确定配体与金属离子的结合计量比。密度泛函理论（DFT）计算被广泛用于优化配合物几何结构、分析前线分子轨道（HOMO/LUMO）能级分布以及验证传感机制。此外，动态光散射（DLS）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）被用于表征纳米颗粒的聚集形态。细胞成像实验借助荧光显微镜在MCF-7、HepG2等细胞系中进行，以评估探针的生物相容性和细胞内检测能力。

三、研究结果

a) 重金属离子检测

研究人员发现，不对称吖嗪类传感器主要通过N,O-螯合方式与金属离子形成1:1或2:1的配合物，从而引起荧光信号的开启或关闭。例如，Dong等人合成的双-[4-(N-氮杂-15-冠-5)苯甲醛]吖嗪在乙醇溶剂中对Al3?和Fe3?表现出“TURN-ON”荧光响应，检测限分别为0.33 μM和0.36 μM，DFT计算证实金属配位抑制了C=N异构化路径。Tiwari等人报道的席夫碱5-二乙氨基-2-[(2-羟基-亚苄基)肼基亚甲基]-苯酚在乙醇-缓冲液中对Cu2?产生比色响应，荧光淬灭机制的检测限为3.4×10?? M。Yadav等人开发的NDEA探针在含水甲醇中分别对Al3?和Cu2?呈现“TURN-ON”和“TURN-OFF”响应，检测限分别为1.65×10?? M和1.52×10?? M，并成功用于C6胶质瘤细胞的荧光成像。Khanra等人合成的四种ESIPT活性吖嗪衍生物对Zn2?表现出选择性荧光增强，检测低至15.20 nM，归因于刚性加合物形成后抑制了ESIPT过程并激活了CHEF机制。Kashyap等人开发的BODIPY-吖嗪传感器通过FRET机制对Al3?产生“TURN-ON”响应，检测限为4.1×10?? M，并在MCF-7细胞中实现了荧光成像。Mohammadi等人设计的嘧啶基传感器对Cu2?和CN?具有双重响应，检测限分别为0.116 μM和0.320 μM。Zhao等人合成的RHCS-NH?探针分别在CH?CN-H?O和DMF-H?O体系中对Ca2?和Zn2?产生“TURN-ON”响应，检测限低至0.10 nM和0.14 nM，且具有良好的细胞膜通透性和低毒性。Liu等人报道的不对称双(salamo)基探针H?L对Cu2?具有高选择性，检测限为3.07×10?? M，并进一步用于Cys和GSH氨基酸的检测。Khanra等人开发的蒽基不对称吖嗪在SDS介质中对Al3?产生约49倍的荧光增强，检测限为62.8 nM。Bhosle等人合成的BTDPA探针在10% DMF-H?O介质中对Cu2?呈现“TURN-OFF”响应，检测限达5×10?? M，低于美国EPA标准值。Yao等人开发的HSD双通道传感器对CN?的检测限为1.02×10?? M，并通过1H NMR滴定和DFT计算阐明了识别机制。Musikavanhu等人合成的噻吩取代萘基肼化合物对Cr3?的检测限为41 nM，呈现荧光淬灭响应。Santhiya等人设计的不对称硫代卡巴腙传感器对Cu2?和Cys实现了INHIBIT逻辑门功能。Sharifi等人合成的二茂铁基双吖嗪对Cu2?具有高选择性，荧光法和线性扫描伏安法的检测限分别为4.2×10?? M和1.78×10?? M。Jain等人通过微波辅助法合成的四种SDPA基AIEgen对Cu2?的检测限范围为4.4–12.1 nM。Bhosle等人开发的BAPCP化学剂量计对N?H?和HSO??的检测限分别为4×10?? M和2.5×10?? M，并成功应用于活细胞检测。Wang等人合成的靛红-3-(7'-甲氧基色酮-3'-亚甲基)腙对Cr3?产生70倍荧光增强，检测限为3.14×10?? M，并在HepG2细胞中实现了成像。Mondal等人开发的色-荧光传感器对Hg2?、Cu2?和Co2?的检测限分别为97 nM、96 nM和65 nM，同时对苦味酸呈现“TURN-OFF”响应。2025年，He等人通过曼尼希反应将槲皮素共价接枝到甲壳素上，开发了对Zr??的选择性荧光“TURN-ON”传感器，检测限为1.157 μM，响应时间小于60秒。2026年，Anand等人开发的三唑基荧光传感器对Pb2?和Ag?实现了选择性检测和去除，去除效率分别达到98.40%和76.20%。

b) 阴离子检测

Li等人合成的偶氮-席夫碱传感器在DMSO/H?O溶液中对CN?产生肉眼可见的颜色变化，检测限为1×10?? M。Bhattacharyya等人开发的不对称萘基腙传感器对F?具有选择性，检测限为1.31×10?? M，并成功用于牙膏中F?的检测。Yuan等人开发的NYL荧光探针对F?的检测限为1.5×10?? M，颜色由黄色变为浅紫色。Pei等人合成的喹啉基吖嗪传感器在DMSO/水体系中对CN?产生比色和“TURN-ON”荧光响应，检测限为4.5×10?? M，并用于苦杏仁中CN?的检测。Devendhiran等人合成的香豆素基吖嗪衍生物对CN?的检测限为5.79×10?? M。Paul等人开发的AIE活性探针H?L对CN?的检测限为45.42 nM，且具有良好的可重复使用性。

c) 农药检测

研究人员开发的吖嗪-三嗪基COF（ANCOF）对敌草隆和4-硝基苯胺的检测限分别为142 ppb和89 ppb。DPBN探针对二乙基氯磷酸酯（DCP）在THF和THF/水中的检测限分别为200 nM和106 μM。A1探针对DCP的检测限为9.86 nM。(E)-(4-氯苯基)-1,1-二氨基-2,3-二氮杂丁二烯对谷硫磷的检测限为5.16 μM。(E)-(4-氟苯基)-1,1-二氨基-2,3-二氮杂丁二烯对吡虫啉的检测限为4.53 nM。

d) 生物活性

含香豆素基团的不对称吖嗪对七种细菌和两种真菌菌株表现出抗菌活性，最低抑菌浓度（MIC）范围为1.32 μmol/mL至6.03 μmol/mL。噻唑-吖嗪配体（THP）对大肠杆菌、变形杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、烟曲霉和白色念珠菌均显示出抗菌活性，并对HCT-116细胞具有抗癌活性。二茂铁基吖嗪对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有抗菌活性。双噻唑和聚噻唑类化合物对HEPG-2、MCF-7和HCT-116细胞系表现出抗增殖、抗氧化和抗菌活性，MIC值在6.89–9.94 μM范围内。[Ag(L)(NO?)]?配合物对测试的微生物表现出抗菌、抗氧化和抗癌活性。

四、总结与展望

本综述系统总结了近年来不对称吖嗪基比色和荧光化学传感器在重金属离子、阴离子、农药及生物活性检测领域的研究进展。研究表明，不对称吖嗪通过引入不同取代基和功能单元，能够精确调控其光物理性质和配位行为，实现对多种分析物的高选择性、高灵敏度检测。与纳米材料的杂化策略显著提升了传感器的信号放大能力、水分散性、光稳定性和实际样品适用性。当前研究趋势表明，不对称吖嗪基传感器正从单一分析物检测向双模式、双靶点和实际样品兼容的方向发展，近红外发射型不对称吖嗪、ESIPT-TICT-AIE杂化体系以及吖嗪功能化多孔材料的涌现，标志着该领域向实用化传感平台迈出了重要一步。这些进展为开发便携式、智能手机辅助和逻辑门传感系统奠定了坚实基础，有望在环境监测、生物成像和现场诊断等领域发挥重要作用。