希夫碱(Schiff base)衍生光学传感器的设计与功能化用于Fe3+与Ni2+的模式选择性检测：药物相互作用及生物活性

《Results in Chemistry》：Design and functionalization of a Schiff base-derived optical sensor for mode-selective detection of Fe3+ and Ni2+: drug interaction, and biological activity

　　

研究人员合成了一种多功能Schiff碱探针（L），并将其开发为用于选择性检测Fe3+与Ni2+离子的双模式光学化学传感器（optical chemosensor）。光谱研究表明，该探针与Fe3+及Ni2+以1:1的结合计量比结合，结合常数（binding constants）分别为2.4?×?106?M与1.0?×?106?M，且响应迅速。Fe3+与Ni2+的检测限（limits of detection）分别为1.98?×?10?6?M与1.01?×?10?6?M。金属离子配位后电子结构调控的拟议传感机制得到了密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算的支持。探针L在实际水样分析中也表现出良好性能。合成的Schiff碱还被证实具有多种其他活性，如抗组胺药物识别、抗氧化与抗菌特性、分子对接（molecular docking）及基于智能手机的相同分析。

该研究背景立足于有害金属离子在水生与生物系统中的持久性、生物累积性及不可生物降解性，使其成为全球环境与公共卫生的重大关切。工业化进程及采矿、电镀、化肥生产、电池制造、金属冶炼及造纸工业等活动持续向环境释放危险金属离子，导致生态失衡与健康问题。传统检测方法如原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectroscopy, AAS）、电感耦合等离子体发射光谱法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy, ICP-OES）及电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS）虽灵敏度与准确性良好，但运营成本高、仪器复杂且难以便携，限制了其在常规及现场监测中的应用。铁（Fe³⁺）作为生理生化功能必需元素，异常浓度会导致贫血、肝肾衰竭等疾病；镍（Ni²⁺）在工业中广泛应用但具毒性，过量暴露可致过敏、呼吸系统疾病及癌症。因此，开发简便、快速、廉价且高选择性的传感平台至关重要。现有Schiff碱传感器多限于单一分析物单一模式检测，缺乏多功能性与生物药学应用整合。为此，研究人员设计并合成了由2,2′-吡啶酰（2,2′-pyridil）与2-氨基苯酚（2-aminophenol）构成的Schiff碱探针L，旨在实现双模式选择性传感及拓展生物药物应用。该研究发表于《Results in Chemistry》。

研究人员为开展研究采用的主要关键技术方法包括：通过冷凝反应合成Schiff碱探针L并进行元素分析、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared, FTIR）及电喷雾电离质谱（Electrospray Ionization Mass Spectrometry, ESI-MS）表征；利用紫外-可见（UV–Vis）吸收光谱与荧光光谱进行滴定分析以测定结合常数与检测限；通过Job's plot确定结合计量比；采用密度泛函理论（DFT）在B3LYP/6-31++G水平计算几何优化与前线分子轨道；使用2,2′-二苯基-1-苦基肼（2,2′-diphenyl-1-picrylhydrazyl, DPPH）法评估抗氧化活性；通过圆盘扩散法（disc diffusion method）测试对大肠杆菌（Escherichia coli）与枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的抗菌活性；利用ArgusLab 4.0软件对细菌拓扑异构酶IV亚基B（ParE, PDB ID: 3LPS）进行分子对接研究；并借助智能手机RGB分析进行比色成像应用及实际水样加标回收分析。

3.1. Synthesis and characterization of the probe L

研究人员通过2,2′-吡啶酰与2-氨基苯酚的1:2缩合反应合成探针L，产率82%，熔点148?°C。FTIR光谱在1593?cm^?1处出现亚胺（C=N）特征吸收带，3375?cm^?1为酚羟基宽峰，证实结构形成。¹H NMR与¹³C NMR及ESI-MS（m/z 395.15）进一步表征。DFT计算显示L的HOMO-LUMO能隙为0.9392?eV，表明其具有高化学反应性与电荷转移能力，对应UV–Vis约415?nm吸收带。

3.2. UV–Vis absorption study of the probe L

研究人员在CH₃OH-H₂O介质中对L进行UV–Vis滴定，仅Fe³⁺引起显著光谱变化，其他金属离子（含Ni²⁺）无响应，显示高选择性。随Fe³⁺加入，400–320?nm区域吸收增强，350?nm与275?nm处出现等吸光点，证实形成明确的L-Fe³⁺复合物。Fe³⁺检测限为1.98?×?10^?6?M，结合常数K为2.4?×?10⁶?M。pH研究显示碱性条件利于酚羟基去质子化增强配位；EDTA实验证明传感过程可逆。

3.3. Emission study of the probe L

研究人员在激发波长300?nm下测试荧光，游离L在429?nm有中等发射。仅Ni²⁺导致荧光逐渐猝灭，归因于光诱导电子转移（Photoinduced Electron Transfer, PET）及Ni²⁺顺磁性增强非辐射衰减。Ni²⁺检测限为1.01?×?10^?6?M，结合常数K为1.00?×?10⁶?M。Job's plot显示1:1结合比，EDTA添加恢复荧光，证实可逆动态配位。

3.4. Stoichiometry and binding mechanism

研究人员通过Job's plot确认L与Fe³⁺及Ni²⁺均为1:1结合。ESI-MS中L+Fe³⁺+2NO₃^?峰位于m/z 570，L+Ni²⁺+2NO₃^?位于574。FTIR显示C=N键从1593?cm^?1移至1586?cm^?1，表明亚胺基参与配位。DFT计算显示复合物能隙降至Fe³⁺ 0.0549?eV与Ni²⁺ 0.0474?eV，验证电子重分布。Fe³⁺通过分子内电荷转移（Intramolecular Charge Transfer, ICT）与配体到金属电荷转移（Ligand-to-Metal Charge Transfer, LMCT）致比色响应；Ni²⁺通过PET致荧光猝灭，实现模式选择性传感。

4.1. Drug detection

研究人员考察L对抗组胺药（levocetirizine, fexofenadine, bilastine等）的识别。Levocetirizine、fexofenadine与bilastine引起显著UV光谱变化，通过氢键与π–π堆积形成主客体复合物。检测限分别为0.71?×?10^?6?M、0.45?×?10^?6?M与0.92?×?10^?6?M，结合常数约4?×?10⁷?M，Job's plot为1:1结合。

4.2. Antioxidant activity

研究人员通过DPPH法评估抗氧化性，L呈浓度依赖性清除活性，320?μg/mL时抑制率36.27?±?2.10%，IC₅₀为334.80?±?22.11?μg/mL，显著低于抗坏血酸（112.26?±?13.30?μg/mL），显示中等抗氧化能力。

4.3. Anti-bacterial activity

研究人员采用圆盘扩散法测试，L对大肠杆菌（E. coli）抑制圈12?mm，优于阳性对照（10?mm）；对枯草芽孢杆菌（B. subtilis）为11?mm，低于阳性对照（17?mm），表明L对革兰氏阴性菌更具效力。

4.4. Molecular docking

研究人员将L与ParE（PDB ID: 3LPS）对接，最佳结合能?9.765?kcal?mol^?1。LYS A:235形成强氢键（2.20–3.14??），HIS A:156、ASP A:85及疏水残基LEU、TYR等稳定结合，解释抗菌活性分子基础。

4.5. Application in colour imaging via smartphones

研究人员利用智能手机RGB分析Fe³⁺浓度增加导致的颜色变化，红绿通道上升、蓝通道下降，红通道线性相关系数R²?=?0.98546，可实现定量检测。

4.6. Real water sample analysis

研究人员在河水与自来水中加标回收，Fe³⁺回收率95.00–99.00%（RSD 0.52–2.15%），Ni²⁺回收率94.00–99.50%（RSD 1.85–2.65%），证实方法准确可靠。

总结讨论部分，研究人员得出结论：成功合成结构简洁的多功能Schiff碱探针L，实现Fe³⁺比色与Ni²⁺荧光双模式选择性快速检测，1:1复合物经光谱与DFT验证电子重分布与能隙降低。探针在实际水样中回收满意，具环境监控实用性；同时选择性识别抗组胺药，具药物传感潜力；兼具抗氧化、抗菌及分子对接验证与智能手机辅助分析能力。高选择性、灵敏度、快速响应及理论与实际验证使L成为环境、药物及分析领域的多功能平台。