快速现场检测次氯酸盐：一种新型基于吩噻嗪的荧光探针，用于环境水监测和纸基传感技术

《Journal of Molecular Structure》：Rapid On-Site Detection of Hypochlorite: A Novel Phenothiazine-Based Fluorescent Probe for Environmental Water Monitoring and Paper-Based Sensing

本研究设计并合成了新型苯并噻唑荧光探针PTZ-QH，通过FT-IR、NMR、HRMS和单晶X射线衍射确认其结构。该探针对次氯酸具有高特异性（KSV=1.09×10? M?1）、低检测限（16 nM）和快速响应（30秒内），且在生理pH范围内稳定。通过纤维素试纸验证了其在环境及生物样本中的实用价值。

　　

普兰贾尔·古拉蒂（Pranjal Gulati）|希尔帕·塔内贾（Shilpa Taneja）|普拉文库马尔·塞尔瓦姆（Pravinkumar Selvam）|塞尔瓦·库马尔·拉玛萨米（Selva Kumar Ramasamy）|S.K. 阿肖克·库马尔（S.K. Ashok Kumar）

印度哈里亚纳邦安巴拉（Ambala）穆拉纳（Mullana）的马哈里希·马尔坎德什瓦尔（Maharishi Markandeshwar，被认定为大学）M.M. 工程学院化学系，邮编133207

摘要

本文报道了一种新型吩噻嗪衍生物荧光探针10-乙基-3-((2-(喹啉-2-基)肼亚基)甲基)-10H-吩噻嗪（PTZ-QH）的合理设计与高效合成方法，该过程在温和且简单的反应条件下完成。通过FT-IR、¹H和¹³C核磁共振光谱、高分辨率质谱以及单晶X射线衍射技术，明确了PTZ-QH及其关键中间体的分子结构。光物理研究表明，在DMSO: H?O（9:1, v/v）体系中，PTZ-QH在386 nm的激发光下会发出中心波长为507 nm的强荧光信号。选择性实验表明，在多种生物相关和环境相关分析物中，仅次氯酸根（ClO?）能够显著且一致地抑制PTZ-QH的荧光，这证实了其对ClO?的高选择性。该探针响应迅速，在30秒内即可检测到信号变化，并具有极低的检测限（16 nM）。Stern–Volmer分析显示其荧光抑制过程具有明确的线性特征，抑制常数（K_SV）为1.09?×?10? M?1，表明其抑制机制高效。此外，PTZ-QH在生理相关的pH范围（5.0–9.0）内表现出稳定的传感性能，且不受其他竞争离子的干扰。为了深入理解其作用机制，我们利用高分辨质谱（HR-MS）、¹H核磁共振（NMR）和密度泛函理论（DFT）计算进行了研究，这些结果支持了所提出的传感机制，并阐明了其与ClO?相互作用时电子结构的变化。最后，通过制备基于纤维素的测试条，验证了该探针在实际应用中的有效性，实现了对水样中次氯酸根的便捷、实时和现场检测。综上所述，PTZ-QH是一种性能优异、高灵敏度和选择性的荧光探针，适用于ClO?的监测，在环境和分析领域具有巨大潜力。

引言

次氯酸（HOCl）/次氯酸盐（ClOˉ）是一种广为人知的漂白和消毒剂，在纺织和水处理行业中得到广泛应用。此外，髓过氧化物酶（MPO）在细胞线粒体内催化过氧化氢（H₂O₂）和氯离子（Clˉ）的氧化反应，生成ClOˉ，后者是生物体内活性氧（ROS）的重要组成部分[1]。MPO的功能障碍与动脉粥样硬化、慢性肾病和免疫系统减弱有关。如果能够同时检测和监测MPO和ClOˉ，将有助于更早发现炎症和基因异常。控制ClOˉ的生成对于维持氧化还原平衡、减轻炎症以及抵抗外部病原体至关重要[2,3]。由于ClOˉ对溶酶体的生物氧化还原稳态起着关键作用，因此其浓度必须保持在适当水平[4,5]。然而，过高的ClOˉ水平可能引发氧化应激和线粒体功能障碍，从而导致肺部损伤、炎症性疾病甚至癌症[6,7]。为了保护人类健康并进行环境监测，迫切需要开发一种有效的ClOˉ检测方法。 荧光探针因其高灵敏度、优异的选择性、易用性、高时空分辨率和非侵入性特性而被广泛用于各种分析物的定性和定量检测[8], [9], [10], [11]。已有多种基于不同反应部位的ClOˉ荧光探针被研究，包括酰肼、硫氨基甲酸酯、硫脲、不饱和键和硫属化合物[12], [13], [14]。由于ClOˉ的高反应性，许多基于反应的荧光探针被报道，例如硫香豆素乙烯桥的氧化环化[15], [16], [17]、硒的氧化成二氧化硒[18,19]、香豆素内酯环的开环[20]、亚胺基团的氧化成醛[21,22]以及吩噻嗪（PTZ）的硫氧化成亚砜[23,24]。然而，大多数探针需要较长的反应时间才能产生荧光信号，其传感性能详见表S1。因此，现有的荧光探针无法实现ClOˉ离子的实时检测[25]，这凸显了开发更具选择性和灵敏度的探针的必要性，以便通过分子间电荷转移（ICT）的变化来监测ClOˉ离子。 传统的ICT（分子间电荷转移）机制是通过探针的氧化形成的多种产物来实现的，这种机制对于实时定量检测ClOˉ离子效率较低。而文献中广泛报道的双重传感机制能够更准确可靠地分析环境和生物系统中的ClOˉ离子。在这种机制中，吩噻嗪的硫氧化成亚砜后，肼吡啶进一步氧化环化形成1,2,4-三唑化合物，从而引发轻微的ICT（TICT）变化。Sachdeva等人利用氧化环化反应制备了基于吩噻嗪的[1,2,4]三唑[4,3-a]吡啶[26]；Zhang等人发现，基于肼苯并噻唑的探针能够识别ClOˉ，其中吩噻嗪的亚砜氧化过程也会引发ICT[27]；他们还观察到残留的ClOˉ离子可诱导苯并噻唑腙的分子内氧化环化，生成1,2,4-三唑[28,29]。这些双重氧化反应会改变ICT效率，进而显著增强ClOˉ的检测灵敏度。 在本研究中，我们设计了一种基于PTZ的荧光探针PTZ-QH，在C2位置引入了2-羟基喹啉（QH）结构。该探针具有敏感的PTZ核心，能够发生吩噻嗪亚砜氧化反应，随后QH进一步氧化环化，从而增强ICT或TICT变化[29]。与单一反应机制相比，这种双机制结构能够提高定量检测的灵敏度和选择性。

材料与方法

吩噻嗪和乙基碘化物购自印度Loba Chemicals公司；2-肼基喹啉购自印度TCI Chemicals公司。所有溶剂均购自印度Merck Chemicals公司，并按原样使用。阴离子的钠盐分别购自印度CDG Chemicals公司和Merck Chemicals公司以及Loba Chemicals公司。 使用1厘米石英池、JASCO FP-8500荧光光谱仪和Shimadzu UV-2600分光光度计，记录了探针的发射和吸收光谱数据。

探针的合成与表征

PTZ-CHO与QU-HY的缩合反应成功制备了吩噻嗪基荧光探针PTZ-QH，产率约为80%（见图1）。通过¹H、¹³C核磁共振、FTIR和高分辨质谱（HRMS）数据进一步确认了PTZ-QH的化学结构。通过缓慢蒸发反应混合物，获得了可结晶的PTZ-QH单晶。 单晶分析显示，PTZ-QH属于Pna21空间群。

结论

本文设计并合成了一种新型吩噻嗪基荧光探针PTZ-QH，采用简单的反应条件制备。通过FTIR、NMR（¹H和¹³C）和质谱技术对PTZ-QH及其中间体进行了结构表征。PTZ-QH在DMSO: H?O（9:1, v/v）体系中于386 nm激发时，发出中心波长为507 nm的强荧光信号。该探针表现出溶剂色效应和聚集诱导的荧光抑制现象。在所研究的分析物中，

CRediT作者贡献声明

普兰贾尔·古拉蒂（Pranjal Gulati）： 起草初稿、数据整理、概念构思。 希尔帕·塔内贾（Shilpa Taneja）： 起草初稿、实验研究、数据分析。 普拉文库马尔·塞尔瓦姆（Pravinkumar Selvam）： 资源提供、实验研究、数据分析。 塞尔瓦·库马尔·拉玛萨米（Selva Kumar Ramasamy）： 文稿审阅与编辑、实验指导、软件应用、概念构思。 S.K. 阿肖克·库马尔（S.K. Ashok Kumar）： 文稿审阅与编辑、实验指导、资源协调。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢马哈里希·马尔坎德什瓦尔（Maharishi Markandeshwar，被认定为大学）Mullana分校的化学系和中央研究设施，以及维洛尔理工学院（Vellore Institute of Technology, Vellore）提供的研究支持。作者希尔帕·塔内贾（Shilpa Taneja）感谢马哈里希·马尔坎德什瓦尔大学提供的研究奖学金（编号：MMDU/Ph.D/23/327）。