基于胶束簇发光技术的多目标高选择性卤化消毒副产物检测

《Bioscience Reports》：Multi-target and highly selective halogenated disinfection byproducts detection based on micelle-based clusteroluminescence

卤代副产物检测：基于表面活性剂诱导的CDHis·CTAB聚集发光平台，通过430nm蓝光与517nm绿光变化实现多目标选择性检测，其中THMs抑制绿光发射而TCA增强红光发射，现场超声辅助可视化检测灵敏度达21 μg/L和3.5 μg/L。

　　

邱菊丽|李旭欣|陶天|吴星宇|卓丽|毛顺

上海工程技术大学环境科学与工程学院，生物医学多学科创新研究所，上海东方医院，国家水污染控制与绿色资源回收重点实验室，同济大学，上海市四平路1239号，200092，中国

摘要：

家庭废水和饮用水消毒过程中产生的卤代副产物在水中具有高毒性。由于这些副产物在分子结构上的相似性，多目标、选择性检测仍然是一个挑战。本文提出了一种基于表面活性剂诱导的簇发光（clusteroluminescence）技术的卤代副产物多功能传感平台。除了由聚集诱导的发光组氨酸修饰环糊精（CDHis）产生的蓝光（430 nm）外，表面活性剂辛基三甲基铵溴化物（CTAB）在水或气-水界面诱导的分子组装过程中，由于空间内共轭（TSC）作用，会引发新的绿光（517 nm）。以多色CDHis·CTAB聚集体作为传感元件，疏水性三卤甲烷（THMs）可以嵌入组装体并阻碍TSC作用，导致绿光减弱；而亲水性三氯乙酸（TCA）由于与组氨酸基团的高亲和力，可以促进TSC作用，产生红光（617 nm）。该多功能传感平台实现了超灵敏检测，总THMs和TCA的检出限分别为21 μg/L和3.5 μg/L。通过成像分析，可以在原位超声条件下实现THMs和TCA的可视化同时检测。本研究提供了一种用于水样中多目标、高选择性卤代副产物的新型原位传感平台，为基于聚集体科学的微量卤代副产物检测提供了新方法。

引言

研究表明，用于家庭废水和饮用水消毒的消毒剂（如HClO/NaClO）会与溶解的有机物或无机离子反应，产生具有致畸、致癌和致突变毒性的消毒副产物（DBPs）（Jiang等人，2024年；Krasner等人，2006年；Li和Mitch，2018年）。此外，对于含有高浓度工业有机物质的纺织印染废水进行氯化脱色时，生成DBPs和其他高毒性转化产物的可能性极高（Zhou等人，2024年）。三卤甲烷（THMs）和卤代乙酸（HAAs）是主要的卤代DBPs类别，受到世界卫生组织（WHO）和许多国家的监管。中国饮用水卫生标准中规定的总THMs和三氯乙酸（TCA）的最大含量为100 μg·L^?1。由于THMs和HAAs的性质不同，需要不同的仪器进行多目标检测，例如用气相色谱法检测THMs，用液相色谱法检测HAAs（Yang等人，2024年），这非常复杂且耗时。

目前，由于卤代副产物的痕量浓度及其分子结构的相似性，多目标检测仍然是一个重大挑战。已有基于脱氯过程的电化学传感器用于卤代副产物的检测，但这些传感器的选择性通常较低（Li等人，2017年；Liao等人，2023年；Zhang等人，2019年）。另一方面，关于同时检测THMs和HAAs的荧光传感器的报道较少（Fang等人，2023年）。因此，亟需一种多目标、具有区分能力的传感平台来检测水环境中的卤代副产物。

共轭聚合物系统的设计原理及其高灵敏度检测能力已得到充分研究（Chai等人，2016年；Lee等人，2012年）。与传统有机荧光团不同，非传统荧光团仅含有富电子的杂原子（如N、O、S和P）或孤对电子，或孤立的不饱和键（如C=O、C=C、C=N和C≡N）。这种非传统现象称为聚集诱导发射（CTE）或簇发光（clusteroluminescence），具有CTE特性的荧光团被称为簇发光团（CLgens）。得益于这些非共轭化学结构，CLgens具有许多内在优势，包括合成路线简单、易得性高、加工效率高和生物相容性好，这对于实际传感/成像应用和大规模生产非常重要（Liao等人，2021年；Ren等人，2022年；Tang等人，2021年；Yang等人，2023年）。近年来，非传统荧光团受到了越来越多的关注（He等人，2024年；Mahapatra等人，2024年）。

更重要的是，尽管卤代副产物的结构相似，但关于其毒性途径的研究发现它们在蛋白质组水平上针对不同的蛋白质靶点（Hall等人，2020年）。因此，基于关键氨基酸结合位点与目标DBPs之间的高亲和力，由氨基酸衍生的CLgens将成为一种极具前景的卤代副产物传感平台，因为它具有优异的电子捐赠能力和丰富的氢键相互作用。已有研究报道了基于聚合物组装转变和PDA诱导的结构重构的无标记传感平台（Park等人，2016年；Rasmussen等人，2020年）。特别是在之前的研究中，聚集诱导发射和超分子组装驱动的光致发光调制已经得到了很好的建立（Li等人，2023年）。

然而，由于非传统发光机制尚未完全理解，因此从未有报道过用于多目标检测的簇发光调控方法。此外，尽管通常情况下发光依赖于激发，但簇发光的颜色主要以蓝光为主，而绿光到红光/近红外光的发射效率较低（Li等人，2023年；Tang等人，2021年）。蓝光区域的单调且有限的发射使得CLgens在许多传感应用中无效，因为天然有机物在蓝光区域的干扰较强（Carstea等人，2016年；Kellerman等人，2015年）。因此，特别是在长波长范围内，需要多色的CLgens以实现卤代副产物的多目标、选择性和灵敏检测，并具有抗天然有机物（NOM）的干扰能力。

在本研究中，我们通过调控CLgens中的空间内共轭作用，提出了一种用于选择性检测卤代副产物的多功能平台（图1）。首先制备了在稀溶液中具有高发光性能的组氨酸修饰环糊精（CDHis）。上述CDHis与表面活性剂辛基三甲基铵溴化物（CTAB）形成的聚集体表现出430 nm和517 nm的双色发射。CTAB诱导的分子组装促进了分子聚集，导致空间内共轭作用增强和构象固化。特别是在超声发泡条件下发生的气-液界面上的分子组装过程中，THMs会嵌入CDHis·CTAB聚集体中，阻碍TSC作用，从而实现总THMs的检测。另一方面，TCA的存在可以促进高度紧凑的组装，并由于与组氨酸的高亲和力增强TSC作用，产生新的红光（617 nm），实现TCA的选择性和灵敏检测。当样品中同时存在THMs和TCA时，CDHis·CTAB超分子和上述DBPs在溶液和泡沫层中发生原位共组装，通过图像分析实现THMs和TCA的同时检测。

本研究通过调控分子组装中的空间内共轭作用，提供了一种多功能、多信号传感平台用于DBPs检测。重要的是，通过大量的理论和实验工作，合理设计了CLgens探针，筛选出具有高亲和力的选择性传感器。基于氨基酸衍生的CLgens探针，由于广泛的分子内和分子间相互作用以及构象适应性，有望成为多目标污染物的优秀传感工具，可扩展到其他氨基酸（AA）在CDAAs·CTAB聚集体中的应用。

部分内容

CDHis·CTAB聚集体的合成

首先通过β-环糊精的部分氧化获得环糊精醛（Li等人，2021年；Li等人，2023年）。然后将环糊精醛（0.1 mmol，0.113 g）、组氨酸（0.4 mmol，0.062 g）、碳酸钠（0.4 mmol，0.042 g）和不同量的CTAB（0、0.036、0.072、0.144 g）溶解在20 mL H₂O中。上述溶液在80 °C下以600 rpm搅拌1小时。所得CDHis·CTAB混合物用超纯水（MWCO = 1000 Da）透析24小时，

CDHis·CTAB聚集体的双色发射

如图1a所示，根据我们之前的报道（Li等人，2021年；Li等人，2023年），通过选择性氧化β-环糊精获得了含醛的环糊精。FTIR和¹H NMR光谱（图S1–S2）证实了环糊精分子中存在醛基。然后通过Schiff碱反应将组氨酸（His）接枝到环糊精分子上，这一点通过¹³C NMR和¹H NMR光谱（图S3–S4）得到验证。电喷雾离子化质谱

结论

卤代副产物的多目标、选择性检测具有重要意义且具有挑战性。在本研究中，我们提出了一种基于表面活性剂诱导组装的多色CDHis·CTAB聚集体作为卤代副产物的多功能传感平台。这种基于胶束的CLgens通过有效的分子聚集作用合成。在超声发泡和空气脱气作用下，疏水性和挥发性的THMs从水中提取并嵌入CDHis·CTAB聚集体中

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

邱菊丽：撰写——原始草案、方法学、研究、数据分析、概念化。李旭欣：方法学、研究、数据分析。毛顺：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、资金申请、概念化。吴星宇：方法学、研究、数据分析。卓丽：方法学、研究、数据分析。陶天：方法学、研究、数据分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22376160）和中央高校基本科研业务费（22120240362）的支持。