利用双酚A衍生的Schiff碱探针，通过溶剂门控技术实现Zn2+和Hg2+的双模式检测

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Solvent-gated dual-mode detection of Zn2+ and Hg2+ using a bisphenol A-derived Schiff Base probe

　　

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  合成并表征了一种含有O、N和S供体的双酚A衍生物（H₄L）。
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  该衍生物能够在H?O/DMF（8:2，v/v，pH 7.4）溶液中通过36倍的荧光强度增加来检测Zn²⁺。
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  H₄L可通过抑制荧光来检测H?O/MeOH（1:9，v/v，pH 7.4）溶液中的Hg²⁺。
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  已进行DFT研究，该方法支持了该衍生物的识别机制。
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  该衍生物已被用于HeLa细胞中Zn²⁺的成像。

引言

金属离子的检测仍然是一个重要的研究领域，因为金属离子在人类健康、环境化学和生物调节中起着不可或缺的作用[1]、[2]。某些金属离子对维持生命至关重要，但它们的生物效应强烈依赖于浓度、定位和化学形式[3]。锌就是其中一种必需的微量元素，植物、动物和微生物的生长和发展都需要微量锌[4]。植物缺锌会导致生长受阻、黄化和叶片变小[5]。在人体中，Zn²⁺是第二丰富的过渡金属离子，参与许多生物过程，包括酶催化、基因表达、细胞分裂和信号转导。锌存在于多种酶的活性位点中，如碳酸酐酶、羧肽酶和超氧化物歧化酶[6]、[7]。然而，锌的缺乏和过量积累都可能有害。锌缺乏与生长迟缓、皮肤疾病和注意力障碍有关，而异常的锌积累则与阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病有关[8]、[9]。尽管进行了大量研究，但锌的稳态及其介导的生物信号传导的某些方面仍然不完全清楚[10]。

与必需金属离子不同，有毒重金属即使在非常低的浓度下也会带来严重风险。汞是最危险的金属污染物之一，因为它具有持久性、生物累积性和对生物重要供体的高亲和力[11]。无机Hg²⁺不可生物降解，会对心脏、大脑、肾脏和中神经系统造成严重损害[12]。汞中毒还在历史上与水俣病有关，突显了其环境和公共卫生的重要性。因此，选择性检测Zn²⁺和Hg²⁺非常重要：Zn²⁺需要被监测，因为它具有必需但浓度依赖的生物功能，而Hg²⁺则需要被检测，因为它具有急性毒性和环境持久性。

常用的金属离子检测和定量技术包括原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法和电感耦合等离子体光学发射光谱法。尽管这些技术灵敏度高且可靠，但通常需要昂贵的仪器、熟练的操作、耗时的样品准备以及集中的实验室设施。荧光和比色化学传感器提供了一个有吸引力的替代方案，因为它们可以提供快速、灵敏、低成本且直观易理解的响应。化学传感器的信号产生受多种因素影响，包括荧光团的结构[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、结合位点的组成、溶剂环境、pH值以及目标离子的化学性质。在这些因素中，溶剂介质尤为重要，因为它可以影响探针的溶解度、聚集、金属离子的溶剂化、结合强度以及辐射/非辐射弛豫途径。因此，通过控制溶剂不仅可以提高灵敏度，还可以提高选择性和减少竞争离子之间的干扰。

化学传感器通常是为检测单一分析物设计的；然而，能够检测多种金属离子的探针特别有价值，因为它们可以降低分析成本、时间和样品消耗。许多双离子探针的一个主要局限性是不同的分析物会产生相似的光学响应，使得无干扰的区分变得困难[19]、[20]、[21]。为了克服这一局限性，可以通过引入不同的结合口袋、生成分离良好的发射波长、使用不同的pH条件或采用不同的溶剂介质等策略实现双重检测。一些例子证明了这种方法的可行性。Dong等人报道了一种基于喹啉的化学传感器，可以同时检测Zn²⁺和Hg²⁺，并产生不同的发射响应[22]。基于罗丹明的系统也通过不同的信号机制来区分Zn²⁺和Hg²⁺，包括简单的配位和螺内酯环的开环[23]、[24]。还有其他针对Zn²⁺/Hg²⁺、Al³⁺/Cu²⁺和Zn²⁺/Cu²⁺等离子对的比例测量或溶剂依赖系统[25]、[26]、[27]。这些研究表明，通过合理控制输出信号和介质，一个探针可以区分多种金属离子，但结合高选择性、低检测限、溶剂控制的正交响应和实际应用的例子仍然有限。

基于此背景，我们报道了一种双酚A衍生的Schiff碱化学传感器H₄L（见图1），用于选择性检测生物相关的Zn²⁺和环境中有毒的Hg²⁺。在过去几年中，我们团队一直在开发基于双酚A的化学传感器，用于检测不同的金属离子[5]、[6]、[28]、[29]、[30]。在当前的设计中，将硫供体原子引入Schiff碱框架中，以增强与Hg²⁺等软重金属离子的相互作用，同时酚氧基和偶氮甲基氮供体提供了额外的金属结合位点。该探针在两种优化的溶剂系统中显示出两种不同的、无干扰的光学响应：在H?O/DMF（8:2，v/v，pH 7.4）溶液中检测Zn²⁺时荧光增强，在H?O/MeOH（1:9，v/v，pH 7.4）溶液中检测Hg²⁺时显色/荧光减弱。这种由溶剂调节的策略是本工作的核心创新之处，因为它允许同一个探针通过正交的分析输出区分两种金属离子。通过吸收光谱、荧光光谱、量子产率和寿命测量、Job图分析、质谱、FT-IR和理论计算研究了其传感行为。通过活体HeLa细胞中的Zn²⁺成像证实了H₄L的生物适用性。（见图2。）

部分摘录

材料与方法

材料、仪器和实验方法的详细信息见电子补充信息（ESI）。

（E）-4,4′-(propane-2,2-diyl)bis(2-((E)-(2-mercaptophenylimino)methyl)phenol)（H₄L）的合成

5,5′-(Propane-2,2-diyl)bis(2-hydroxybenzaldehyde），即双酚A二醛（BDA），是根据已发表的程序合成的[31]。H₄L是通过BDA和2-氨基硫酚的缩合反应制得的。将10 mL含有0.213 g（0.75 mmol）BDA的甲醇溶液放入圆底烧瓶中，然后加入0.187 g（1.50 mmol）2-氨基硫酚

H₄L的表征

H₄L的合成过程见图1。H₄L是通过双酚A二醛（BDA）与2-氨基硫酚等量物在甲醇中的Schiff碱缩合反应获得的，产率良好。使用元素分析、HRMS/ESI-MS、FT-IR、¹H NMR和¹³C NMR等分析和光谱方法确认了H₄L的结构和纯度。ESI-MS谱显示分子离子峰位于m/z 499.13处，对应于[H₄

结论

总之，我们合成、纯化了基于双酚A的Schiff碱探针H₄L，并对其进行了全面表征，用于选择性检测Zn²⁺和Hg²⁺。该探针在两种优化的介质中表现出两种明确区分的传感响应：在H?O/DMF（8:2，v/v，pH 7.4）溶液中检测Zn²⁺时荧光增强，在H?O/MeOH（1:9，v/v，pH 7.4）溶液中检测Hg²⁺时显色/荧光减弱。这种由溶剂调控的行为是该系统的核心特征，因为它

CRediT作者贡献声明

Shephali Mahato：撰写初稿、方法学研究、数据分析、概念构思。Tiasha Dutta：数据分析、数据分析。Sushil Kumar Mandal：撰写初稿、数据分析。Pritam Ghosh：撰写、修订与编辑、数据分析。Partha Roy：撰写、修订与编辑、验证、监督、资源获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

SM衷心感谢新德里的CSIR提供的财务资助。

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