一种用于环境样品中硫化物监测的新型香豆素基分子探针：比色试纸条与实验-DFT混合研究方法

《Inorganic Chemistry Communications》：A new coumarin-based molecular probe for sulfide monitoring in environmental samples: Colorimetric test strips and hybrid experimental-DFT studies

　　

摘要

本研究合成了一种新的氨基香豆素类分子探针——4-氨基-3-(4-硝基苯偶氮)香豆素，用于在水性乙腈介质中选择性地、灵敏地检测硫化物离子（S^2?）。当加入S^2?后，该探针会从淡黄色变为橙色，并伴有明显的光谱变化，从而可实现肉眼检测。该探针对S^2?具有极高的选择性，能区分其他竞争性离子。在16–46?mg/L的浓度范围内，该探针呈现线性响应，检测限为0.04?mg/L（0.51?μM），这一数值远低于世界卫生组织规定的淡水中最允许的硫化物浓度。Job’s图分析表明探针与S^2?之间存在1:1的相互作用。通过¹H NMR光谱和DFT计算研究了其传感机制，发现是由于硫化物引发去质子化，进而增强了分子内电荷转移。该探针具有良好的可逆性，在pH 6–7的范围内表现良好，可成功用于实际水样和食品样品中S^2?的检测。此外，将探针涂覆在试纸条上，还可实现快速便捷的现场硫化物检测。

引言

硫化物离子（S^2?）是一种有毒且带有恶臭的物质，能与大多数物质发生反应，对人类、植物和动物的健康造成危害[1]、[2]、[3]、[4]。作为一种与一氧化氮和一氧化碳类似的重要的生物信号分子，硫化物离子在调控细胞增殖、细胞保护以及细胞间信号传递等关键生理过程方面起着重要作用[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。这种离子存在于各类工业废水当中，比如造纸、纺织、制革和石化工业的废水，以及温泉等自然环境中[10]、[11]、[12]。在工业废水中，根据废水的pH值不同，硫化物可能以有毒的硫化氢气体H₂S、HS^?或S^2?的形式存在。硫化物不仅在自然界和废水中会散发出类似臭鸡蛋的难闻气味，若人类摄入被硫化物污染的水和食物，还会对健康构成威胁[13]、[14]、[15]、[16]。鉴于硫化物离子具有多种生物毒性，世界卫生组织规定了淡水中最允许的硫化物浓度为14.8?μM[17]。美国环境保护署则将空气和水中的189种化学物质列为对环境和公众健康有害的物质，其中含S^2?的化合物属于其中危害最大的几类[1]。通常情况下，适度的硫化物离子浓度具有抗氧化、抗炎和抗凋亡的作用；但当人体内的硫化物浓度过高时，就会引发阿尔茨海默病、肝硬化、糖尿病、高血压、癌症以及心血管疾病等有害病症[18]、[19]、[20]、[21]。此外，所有形式的硫化物都具有腐蚀性，由于其强碱性，即便稀释后的硫化钠溶液也具有腐蚀性，可能造成皮肤损伤[10]。在医疗保健领域，监测作为环境污染物以及人体正常功能所必需的硫化物离子的浓度至关重要。因此，开发高效灵敏的方法，用于准确检测水溶液、环境样品和食品材料中的S^2?，显得极为重要。

目前已有多种分析方法可用于检测硫化物离子，包括柱层析法、电泳法、硫化物沉淀法、离子选择电极法、极谱法、电化学分析法，以及亚甲蓝法和单溴联苯法等传统的比色分析法[22]、[23]、[24]、[25]。不过这些方法中有些耗时较长，需要昂贵的设备，样品前处理复杂，而且还需要训练有素的操作人员才能获得准确的分析结果。与上述技术相比，探针尤其是比色探针，因其能够实现肉眼检测、操作简单、成本低廉、响应迅速，还能制成便携式检测试剂盒，同时还具备较高的灵敏度和选择性，有效克服了其他方法的局限性，因而成为极具前景的替代方案[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。

含有偶氮基的分子拥有偶氮发色团（NN），这一结构使得这类化合物在紫外-可见光区域具有强烈的吸收特性。由于它们显著的光学性质和明显的颜色变化，含有偶氮基的化合物被广泛用于设计比色化学传感器和分子探针[32]、[33]、[34]、[35]。

香豆素及其衍生物在天然产物和有机化学领域具有重要意义，其光物理性质可通过取代基的种类和位置进行调控。香豆素骨架上的官能团可以通过氢键与阴离子发生作用，从而实现基于去质子化的识别机制[36]、[37]、[38]、[39]。在香豆素衍生物中，4-羟基香豆素是有机化合物合成中实用且重要的前体之一。其富电子的碳中心能够与芳基和杂芳基重氮盐高效结合，从而以较高的产率生成偶氮香豆素染料[40]。因此，将偶氮发色团与香豆素骨架结合，是设计用于硫化物检测的比色探针的合理策略。在本研究中，我们开发了一种新型的氨基香豆素类分子探针，它具有很高的灵敏度和选择性，可用于S^2?的定性和定量检测。迄今为止，尚未有报道过能够有效识别硫化物离子的香豆素基探针。该探针能够在存在其他竞争性离子的情况下，通过肉眼可见的颜色变化以及紫外-可见光谱分析，直接且选择性地检测出S^2?。其传感机制通过DFT计算和¹H NMR光谱进行了研究。此外，该探针在实际水样和食品样品中表现良好，还被成功应用于纸质检测试条上，实现现场硫化物检测。

章节节选

材料与仪器

所有化学品和试剂均为分析级，购自商业供应商（Merck和Sigma-Aldrich），无需进一步纯化即可使用。实验全程使用去离子水。反应进程通过硅胶60?F₂₅₆板进行薄层色谱监测，观察是在CAMAG紫外灯下进行的。样品溶解在二甲基亚砜中，再与乙酸乙酯和石油醚的混合液（比例40–60）混合使用

表征分析

通过FT-IR、¹H和¹³C NMR以及质谱分析，确认了4-氨基香豆素及所开发探针的化学结构（详见补充数据，图S1–S4）。

比色硫化物检测与紫外-可见光谱研究

首先，通过视觉观察研究了该探针对不同离子的比色响应。加入S^2?后，探针的颜色从淡黄色明显变为橙色，这表明探针与硫化物离子发生了有效的相互作用，同时该分子探针的电子结构也发生了改变。在

结论

本研究成功合成了一种新的氨基香豆素类分子探针，可用于选择性检测硫化物离子（S^2?）。该探针在加入S^2?后会从淡黄色变为橙色，同时伴有明显的光谱变化，从而可实现快速的肉眼检测和紫外-可见光谱检测。通过¹H NMR光谱和DFT计算验证的传感机制表明，该探针的响应是由于硫化物引发去质子化，进而增强了分子内电荷转移。该探针

CRediT作者贡献说明

Mansoureh Gholizadeh：撰写——初稿，可视化，验证，方法学，正式分析，概念构思。Hassan Zavvar Mousavi：撰写——初稿，可视化，监督，研究，正式分析，概念构思。Asadollah Mohammadi：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，监督，方法学，正式分析，概念构思。Enayatollah Moradi Rufchahi：可视化，研究，正式分析，概念构思。

未引用参考文献

[43]、[44]、[45]

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

我们感谢吉兰大学的支持，以及为开展本研究提供的必要设施。特别要感谢Behzad Khalili博士在DFT计算方面给予的帮助。

Mansoureh Gholizadeh是吉兰大学分析化学专业的硕士生，她的研究兴趣包括化学传感器、分子探针以及用于环境监测的比色检测技术。

Mansoureh Gholizadeh|Hassan Zavvar Mousavi|Asadollah Mohammadi|Enayatollah Moradi Rufchahi

伊朗拉什特市，吉兰大学化学系分析化学专业