一种带有苯并噻唑和螺硫内酰胺单元的创新近红外发光铬菁染料探针，可具备超痕量灵敏度用于实际样品中Hg2+的定量检测

《Dyes and Pigments》：An Innovative Near-Infrared-Emitting Chromenylium-Cyanine Probe Decorated with Benzothiazole and Spiro-thiolactam Units for the Quantification of Hg2+ in Real Samples with Ultra-Trace Sensitivity

　　

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  一种用于Hg²⁺分析的创新近红外发光铬烯基花青素探针
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  通过苯并噻唑和螺硫内酰胺结构修饰，可实现Hg²⁺的选择性识别
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  具备超痕量灵敏度，可对实际样品中的Hg²⁺进行定量检测
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  该探针可有效用于活体A549细胞中Hg²⁺的生物成像
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  其结合机制已通过密度泛函理论计算得到验证

引言

在生物和环境领域，为实现危险离子的高选择性、高灵敏度检测而设计的先进分子结构受到了广泛关注[1]。尤其是汞，它存在四种不同形态（离子态、金属态、有机态和无机态）[2]，由于其长期持久性及生物积累潜力，即便在微量存在时也会对人类健康和生态系统造成极大危害[2]、[3]、[4]。尽管如此，这种金属仍被用于多种现代工业产品中，如气压计、牙科汞合金、珠宝以及电子设备[5]、[6]。一旦被人体吸收，汞会引发严重的毒理效应，主要影响中枢神经系统和内分泌系统，还会导致器官不可逆损伤及发育异常[7]、[8]。美国环境保护局规定，饮用水中无机汞的最大允许浓度为2 ppb[9]。

迄今为止，已有包括原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）、伏安法、红外光谱法（IR）以及原子荧光光谱法（AFS）在内的多种分析技术被用于检测Hg²⁺离子[10]。虽然这些方法具有较高的灵敏度和可靠性，但存在诸多缺陷，比如设备成本高昂、样品处理流程复杂、需要专业操作人员，且最关键的是缺乏快速、现场检测的能力。为解决这些问题，具有成本优势、操作简单、可现场用肉眼观测、选择性和灵敏度极高的荧光型及比色型化学传感器成为了理想的替代方案，非常适合用于环境和生物分析领域[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。

现有文献中报道了多种可用于检测Hg²⁺的荧光型和比色型分子体系，包括罗丹明[16]、荧光素[17]、芘[18]、BODIPY[19]、香豆素[20]、喹啉[21]以及花青素衍生物[22]。尽管这些物质具有一定应用价值，但很多在复杂样品环境中稳定性较差，灵敏度不高，响应时间较长。更为重要的是，它们的发光波长通常在650纳米以下，这限制了其在生物应用中的使用。

现有研究已证实，近红外光（650-2500纳米）具有更强的组织穿透能力（可达1-2厘米），生物相容性更好，且在生物样本中由于生物物质的散射和吸收作用较弱，信噪比更高[23]、[24]。此外，近红外探针还具有较高的荧光量子产率，有助于实现对目标分析物的痕量检测。而从另一角度而言，比色型近红外传感技术则推动了智能手机辅助检测技术的发展，无需复杂仪器即可实现快速、现场的检测[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。

在各类近红外探针中，铬烯基花青素类探针的工作机制与罗丹明类似，都具有闭合的螺环结构，呈现淡黄色，且不会发出荧光。当有特定分析物存在或溶液pH值低于3时，该闭合结构会发生开环反应，使得分子中的共轭体系得以延伸。这种结构变化会导致强烈的近红外吸收和发射（波长大于700纳米），同时伴随颜色向绿色的明显转变。由于这类探针具有较高的荧光量子产率，因此非常适合作为精确的化学传感和生物成像工具[31]、[32]、[33]。

基于以上需求，研究人员首次设计出一种新型的、结构稳定的近红外发光铬烯基花青素类化学传感器（命名为NIR20S）。其设计思路是将酰胺基团转化为硫代酰胺基团，从而实现对Hg²⁺的硫基选择性识别。未与Hg²⁺结合时的NIR20S没有荧光，但一旦有Hg²⁺存在，就会形成新的复合物，进而产生强烈的近红外发射。复合物形成后，分子共轭体系延伸，导致在719纳米处出现强吸收峰，同时在748纳米处出现强烈的发射峰。通过傅里叶变换红外光谱法、核磁共振波谱法、高分辨率质谱法、紫外-可见光谱法以及荧光光谱法，研究人员对NIR20S的化学结构及其与Hg²⁺之间的可逆相互作用进行了系统验证，之后还通过密度泛函理论计算进一步分析了相关机制。

章节要点

材料、方法与仪器

有关材料、方法及仪器的详细信息详见补充资料。

NIR20S的合成

NIR20、NIR20S以及NIR20S-Hg²⁺的合成过程如图1所示。CS2的合成方法是参照现有文献中的步骤进行的[34]。首先将0.66克、1毫摩尔的CS2溶解在20毫升的二氯甲烷中，再加入0.44克、1毫摩尔的BOP，然后在氮气环境下将混合液搅拌30分钟。之后加入0.17克、1.1毫摩尔的2-氨基苯并噻唑，继续进行反应

设计、合成与表征

在设计阶段，研究人员选择了铬烯基花青素骨架，因为它具有出色的化学稳定性和丰富的结构多样性[34]、[36]、[37]。当在该骨架上引入胺基团后，原本具有“荧光熄灭”特性且呈淡黄色的闭合螺环结构，会在与目标分析物作用后转变为具有荧光活性且呈绿色的结构（见图1a插图）。这种明显的颜色变化有助于实现快速检测

结论

综上所述，我们成功研制出一种新型的、结构稳定的近红外发光铬烯基花青素类化学传感器（命名为NIR20S），它能实现Hg²⁺离子的快速、可逆且选择性检测。通过将酰胺基团转化为硫代酰胺基团，该探针利用硫与汞之间的强亲和力，因此在与目标分析物结合时会产生特征性的荧光信号，并伴随明显的颜色变化。其检测机制是由Hg²⁺引发的

作者贡献说明

努尔坎·谢尼尤尔特·图祖恩：负责原文撰写——初稿撰写、结果验证、方法设计、实验研究、数据分析、数据整理。贝尔凯汉·库拉：负责原文撰写——初稿撰写、结果验证、方法设计、实验研究、数据分析、数据整理。伊斯梅尔·伊尔马兹：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督、项目管理、实验研究、资金申请、概念构思。尤苏夫·阿尔卡伊：负责原文撰写——初稿撰写、结果验证、方法设计、实验研究、数据分析、数据整理。奥兹古尔·亚武兹：负责原文撰写

利益冲突声明

所有作者均声明，不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

利益冲突声明

? 所有作者均声明，不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究得到了高等教育委员会（YOK）-伊斯坦布尔技术大学（ITU）的研究基金YAP（项目编号：TGA-2023-43934）的支持。作者们对YOK和ITU的资助表示衷心感谢。本研究所使用的计算资源由土耳其国家高性能计算中心（UHeM）提供，相关资助编号为1025912026。

尤苏夫·阿尔卡伊|埃姆雷·奥兹德米尔|奥兹古尔·亚武兹|胡利亚·阿里布加|乌特库·埃尔图格拉尔|埃利夫·伊尔马兹|内巴哈特·埃杰德尔|贝尔凯汉·库拉|努尔坎·谢尼尤尔特·图祖恩|伊斯梅尔·伊尔马兹