一种咪唑基席夫碱化学传感器用于水介质中Ni2+的选择性、灵敏及可逆光学检测：分析、抗菌与分子识别应用

《RSC Advances》：An imidazole-based Schiff-base chemosensor for selective, sensitive and reversible optical detection of Ni2+ ions in aqueous media: analytical and biological applicationOpen Access

　　

研究人员合成了一种新型咪唑基席夫碱化学传感器（LH），并在1:1甲醇–水介质中考察其对Ni²⁺的选择性光学检测。该受体对Ni²⁺较其他测试金属离子表现出高选择性响应，产生明显的比色变化和显著荧光猝灭。该传感器在吸收和荧光测量中的检测限（LOD）分别为2.1 × 10^?7 M和1.98 × 10^?7 M，具有1:1的L–Ni²⁺结合化学计量。吸收研究和荧光研究得到的结合常数分别为4.7 × 10⁶ M^?1和2.6 × 10⁶ M^?1。传感过程在宽pH范围内有效，并可通过Na₂EDTA实现可逆，允许重复传感循环。密度泛函理论（DFT）/含时密度泛函理论（TDDFT）计算支持高自旋四面体[Ni(L)(H₂O)₂]⁺配合物的形成，能量分解分析（EDA）和自然键轨道（NBO）分析表明Ni–N和Ni–O配位得到强化，显示出显著的静电/轨道相互作用及配体到金属电荷转移（LMCT）。LH对E. coli和S. aureus显示抗菌活性，最小抑菌浓度（MIC）值分别为6.25 μg mL^?1和25 μg mL^?1。它还展示了以Ni²⁺和Na₂EDTA为化学输入的INHIBIT型分子逻辑门。与血管内皮生长因子受体2（VEGFR-2）的分子对接给出最佳预测结合亲和力为?9.4 kcal mol^?1，提示其具有潜在的生物分子识别性质。总体而言，LH代表一个用于选择性Ni²⁺传感的多功能系统，具有分析、生物和分子识别应用。

一、研究背景与问题
过渡金属离子的选择性识别在工业、生物和环境体系中具有重要意义。Ni²⁺是维持含镍金属酶（如脲酶、氢化酶和一氧化碳脱氢酶）正常功能所需的微量元素，参与氮代谢、细胞呼吸和代谢通路。微量Ni²⁺为生命所需，但工业活动造成的过量积累可带来健康和环境风险；原文指出长期高镍暴露与过敏性皮炎、肾毒性、肝毒性、呼吸系统疾病、神经问题、心血管问题及致癌后果相关，镍污染还可通过氧化应激干扰植物光合和代谢过程。Ni²⁺广泛用于不锈钢生产、电镀、可充电电池、催化剂、颜料、采矿和合金制造，持续进入土壤和水环境，因此需要快速、准确、灵敏的监测手段。现有原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、X射线荧光光谱和电化学方法灵敏精确，但常受昂贵设备、耗时样品制备、专业人员需求和便携性受限等制约。基于比色和荧光信号转导的光学化学传感器因操作简单、响应快、灵敏度高、成本低、可实时监测及裸眼检测潜力而受到关注。席夫碱易于合成、结构可调、配位能力强，其azomethine（–C═N–）及N/O/S供体原子可提供配位位点；金属配位可通过分子内电荷转移（ICT）、光诱导电子转移（PET）、LMCT和螯合增强荧光（CHEF）等机制改变光学性质。咪唑具有强金属结合能力和给电子性，但已有咪唑基传感器存在水溶性差、因与多种金属离子配位导致选择性不足、响应动力学慢和传感不可逆等缺点。为此，研究人员设计LH，将咪唑荧光团与含多个氮/氧供体位点的水杨醛亚胺席夫碱框架结合，预期咪唑氮、亚甲胺氮、酚氧和甲氧基取代基可与Ni²⁺形成强而选择性配位，并改变探针光学特性；随后以紫外–可见（UV-vis）吸收和荧光光谱评价选择性、灵敏度、检测限和结合机制，并结合DFT计算和实际样品分析评估实用性。

二、研究开展、结论与意义
研究人员合成并表征了咪唑基席夫碱配体LH，系统研究其与Ni²⁺的光学响应。结果显示，LH对Ni²⁺具有明显比色变化和显著荧光猝灭，检测限低，结合化学计量为1:1，结合常数较高；传感在较宽pH范围内有效，并可由Na₂EDTA可逆再生，支持重复循环。DFT/TDDFT、EDA和NBO分析支持高自旋四面体[Ni(L)(H₂O)₂]⁺配合物形成，并揭示显著静电/轨道相互作用和LMCT特征。LH还表现抗菌活性、INHIBIT型分子逻辑门行为及与VEGFR-2的分子对接相互作用。其意义在于构建了一个兼具选择性Ni²⁺传感、分析检测、生物活性和分子识别研究潜力的多功能体系。

三、关键技术方法
未涉及人群队列；实际水样来源为实验室自来水与池塘水，生物样本包括Saccharomyces cerevisiae YPH499及E. coli、S. aureus新鲜培养。主要方法为UV-vis吸收与荧光滴定、Job法、Benesi–Hildebrand及BindFit非线性拟合、pH影响与竞争干扰实验、Na₂EDTA可逆循环；DFT/TDDFT、EDA和NBO计算；酵母点斑实验；刃天青（resazurin）微量稀释法测定MIC；AutoDock Vina对接VEGFR-2（PDB ID: 2OH4）并用Discovery Studio可视化；水样加标回收评价。

四、研究结果
3.1 探针（LH）的合成与结构：通过咪唑基苯胺衍生物与羟基甲氧基硝基苯甲醛的一步缩合制备LH，产率大于80%，经元素分析、¹H NMR、¹³C NMR、ESI-MS和FTIR表征，结果与 proposed structure 一致；咪唑、azomethine和硝基邻香草醛单元分别提供配位、共轭和发色功能。
3.2 LH的光物理研究：自由受体在约324 nm有强吸收，归属π→π*跃迁并受ICT影响，溶液呈淡黄色。
3.2.1 UV-vis吸收研究：在多种金属离子中仅Ni²⁺诱导396 nm新吸收带及淡黄至亮黄色变化，显示选择性。
3.2.2 吸收滴定与灵敏度研究：随Ni²⁺加入，396 nm吸收增强，324 nm吸收蓝移至约304 nm，327 nm处有明确等吸收点；校准线性至11 μM，LOD为2.1 × 10^?7 M，原文称低于WHO建议限值及多数已报道Ni²⁺传感器。
3.2.3 竞争干扰研究：其他金属离子等摩尔或三倍过量时，304和396 nm特征吸收基本不变，表明抗干扰能力良好。
3.2.3.1 结合化学计量与结合常数：Job法在Ni²⁺摩尔分数约0.501处最大，支持1:1 L–Ni²⁺；Benesi–Hildebrand分析得Ka为4.7 × 10⁶ M^?1。
3.2.3.2 非线性结合分析与结合常数：BindFit按1:1模型得Ka为4.7 × 10⁶ M^?1，拟合误差13.8%，残差较小但存在浅系统偏差，且滴定仅至0.91当量；原文认为该结果与1:1模型一致而非定论，Job图和ESI-MS亦支持1:1。
3.2.4 pH影响：pH 2–5响应较弱，pH 6–10吸收显著增强，更高pH逐渐下降；L–Ni²⁺在pH 6–10最大且至约pH 13仍较稳定，酸性下供体位点质子化、碱性下氢氧根竞争可解释该趋势。
3.2.5 可逆性与重复使用研究：Na₂EDTA使396 nm吸收带消失并由深黄变淡黄，再加Ni²⁺恢复颜色和吸收；五次循环结果可重复，说明识别基于可逆配位。
3.3 荧光研究：330 nm激发下LH在411 nm强发射，荧光量子产率Φ=0.438；Ni²⁺导致约23倍发射强度下降、约95%猝灭，其他金属离子影响可忽略；滴定至约10当量饱和，线性至约17 μM，LOD为1.98 × 10^?7 M，Benesi–Hildebrand Ka为2.6 × 10⁶ M^?1；竞争实验和三倍干扰离子下猝灭基本不变，Na₂EDTA/Ni²⁺交替加入显示可逆。
3.4 传感机制：因未获单晶，作者依据Job法、ESI-MS、光物理和DFT推断结合模式；ESI-MS中m/z 585.1372峰归属[L + Ni + 2H₂O]，FTIR中C═N由1609 cm^?1移至1595 cm^?1（Δν=14 cm^?1），O–H区及酚C–O区变化和约583 cm^?1新带支持N/O供体参与；ICT变化产生396 nm吸收和颜色变化，配位扰动电子结构促进非辐射衰减和电子转移而猝灭荧光。
3.5 LH及L–Ni²⁺配合物的DFT和TDDFT研究：优化得到[Ni(L)(H₂O)₂]⁺，Ni–N和Ni–O距离分别为2.011和1.930 ?；EDA总相互作用能为?469.5 kcal mol^?1，其中静电和轨道作用贡献显著；TDDFT显示配体339 nm为π→π*，配合物341 nm为π→π*、356 nm为LMCT；NBO给出N→Ni和O→Ni的E(2)分别为15.22和13.87 kcal mol^?1。
4.1 LH在实际样品分析中的应用：对实验室自来水和池塘水加标5、10、15 μM Ni²⁺，回收率分别约为99.20%–99.07%和98.80%–100.27%，三次重复RSD较低，显示满意回收。
4.2 分子逻辑门应用：以Ni²⁺为IN1、Na₂EDTA为IN2、396 nm吸收变化为输出，构建INHIBIT型逻辑门；仅Ni²⁺存在时输出为1，Ni²⁺与Na₂EDTA同时存在时输出为0。
4.3 酵母点斑实验：在S. cerevisiae YPH499中，LH生长圈为5.30 ± 0.02 mm，阳性对照为7.50 ± 0.02 mm，实验对照为5.10 ± 0.01 mm，原文据此描述其具有生长促进作用。
4.4 基于刃天青比色微量稀释法的MIC测定：LH以浓度依赖方式抑制E. coli和S. aureus；E. coli的MIC为6.25 μg mL^?1，S. aureus的MIC为25 μg mL^?1；原文将其作为独立于Ni²⁺传感功能的探索性抗菌性质。
4.5 分子对接：LH与VEGFR-2（PDB ID: 2OH4）对接得到五个结合模式，最佳预测亲和力为?9.4 kcal mol^?1；重对接RMSD为0.63 ?；结合位点邻近Lys866、Glu883、Ala864、Lys1043，疏水残基Val846、Leu838、Val914、Val897构成口袋，Lys1043附近标注2.96 ?近距离极性接触；原文强调这些相互作用应视为对接来源的结构假设而非实验验证。
5 与其他荧光比色化学传感器的比较：原文将LH与已报道的席夫碱、腙及相关框架传感器比较，指出各体系在传感模式、选择性、检测限、结合常数、溶剂、pH、可逆性、量子产率和实际样品应用方面不同；本工作的LOD、结合常数、pH 6–10适宜响应、Na₂EDTA可逆五循环、选择性、Φ=0.438（自由L）及加标水样回收等特征被置于现有Ni²⁺检测文献中展示其分析性能相关性。

五、讨论与结论
讨论部分通过比较表明，已报道Ni²⁺化学传感器的检测限跨越纳摩尔至微摩尔范围，传感模式、溶剂和可逆性各异；本研究以低检测限、较强结合、宽pH适宜窗口、Na₂EDTA可逆性、良好选择性和实际水样回收，展示了其在现有Ni²⁺检测体系中的分析相关性。结论部分翻译如下：总之，研究人员成功合成了一种新型咪唑基席夫碱受体LH，并证明其可作为对Ni²⁺离子具有高选择性的光学化学传感器。该受体在Ni²⁺配位时表现出明显的比色响应和荧光猝灭，检测限低，结合化学计量为1:1。传感过程具有优异选择性、宽pH耐受性，并在Na₂EDTA存在下具有良好可逆性。DFT/TDDFT计算支持高自旋四面体[Ni(L)(H₂O)₂]⁺配合物的形成，EDA和NBO分析表明Ni–N和Ni–O配位得到强化，并显示显著静电/轨道相互作用及LMCT。LH的实际应用通过加标水样中Ni²⁺检测得到证明，回收率令人满意。此外，LH显示抗菌活性、INHIBIT型分子逻辑行为以及与VEGFR-2的良好分子对接相互作用；这些对接结果为所提出的相互作用提供计算支持，但应视为需要实验验证的结构假设。总体而言，这些发现表明LH是一种有前景的多功能系统，可用于选择性Ni²⁺传感，并具有潜在分析和生物应用价值。