解码一种基于萘醛的双功能探针：对Ru(III)的光谱检测及其生物医学潜力的计算机模拟评估

《Inorganic Chemistry Communications》：Decoding a dual-functional naphthaldehyde based probe: Spectroscopic sensing of Ru(III) and in silico evaluation of biomedical potential

　　

摘要

本文报道了一种新型的基于萘醛的化学传感器ADRS，该传感器通过合理合成和结构表征，被证明是一种高性能和多功能化学传感器。光物理研究证实ADRS是一种出色的、对Ru(III)具有高度选择性的化学传感器，即使在存在大量竞争性金属离子的情况下也能保持优异的信号完整性。该探针具有出色的分析灵敏度，吸收光谱的检测限为0.23 μM，荧光发射光谱的检测限为0.73 μM。严格的结构和理论表征（包括红外光谱、电子自旋共振、质谱和密度泛函理论（DFT）计算）证实了金属-配体之间稳定的1:1配位比。此外，ADRS还具有多种功能性用途，表现出很强的抗癌和抗菌活性。这些生物学特性通过针对目标蛋白1RP7和1ITX的分子对接模拟得到支持，结果显示其结合亲和力分别为?6.41和?7.24 kcal/mol。最终，实际的水体检测以及智能手机辅助的RGB比色平台验证了该探针在快速、现场诊断中的实用性。

引言

工业化和现代技术实践的迅速发展导致有害重金属离子不断释放到环境中，危及生态系统和人类健康[1][2][3][4]。重金属离子具有长期危害性，因为它们不可生物降解，并倾向于在土壤、水和沉积物等环境基质中积累。迫切需要开发有效的分析技术来敏感且选择性地检测这些离子，因为它们在生物系统中的过量存在可能导致严重的生理问题。由于钌在电子学、催化、氯碱工业、半导体、热电设备和药物化学中的广泛应用，它在这些重金属中引起了广泛关注[5][6]。由于特殊的氧化还原和配位特性，钌化合物在生物和技术应用中非常有用。然而，过度暴露于Ru3?离子可能对呼吸系统、眼睛、皮肤和消化系统产生负面影响，而且其日益增长的工业使用引发了关于生物积累和环境污染的担忧[7][8][9]。由于需要对生物和环境系统中的Ru3?离子进行持续监测和精确检测，因此对钌摄入量的监管限制也更加重要[10]。基于荧光的化学传感器因其高选择性、高灵敏度和快速响应性以及易于操作而成为这一领域非常有前景的工具[11][12][13][14]。因此，设计和开发用于追踪生态和生理重要金属离子的荧光传感系统受到了广泛关注[15][16][17]。

基于席夫碱的化学传感器因其易于合成、结构适应性强以及与金属离子的优良配位行为而在各种类型的荧光探针中引起了广泛关注。通常使用涉及伯胺和醛或酮的缩合反应（生成偶氮甲基（C≡N）键）来制备席夫碱[18][19]。这些物质是传感器开发的理想选择，因为它们具有优异的热稳定性、高溶解度和可调的电学特性[20][21]。此外，通过添加氮、氧和硫等供体原子，可以改善席夫碱框架的光物理性质和金属离子结合亲和力。由于这些特殊性质，席夫碱配体及其金属复合物在催化、配位化学、药物化学和传感技术中有很多应用。最近，含有三唑的席夫碱化合物因其有趣的生物活性而受到关注。众多研究表明，这些物质及其相关金属复合物具有显著的抗菌、抗真菌和抗癌活性[22][23]。通过提高脂溶性和与生物分子靶标的结合，金属配位常常增强席夫碱复合物的生物活性。此外，富含氮和氧的钌配合物具有优良的光物理、光化学和电化学特性，使其在传感和成像应用中非常有用[24][25]。因此，具有抗菌和传感特性的多功能基于席夫碱的材料已成为当前研究的重要领域。

章节片段

材料与仪器

本研究使用的材料为6-羟基-2-萘醛（Sigma Aldrich）和(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷以及(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷（Merck），未经任何纯化处理直接使用，所有金属盐化合物均从印度S.D. Fine Chem Ltd.购买。根据标准文献方法干燥后，使用甲苯（Avra，99%）作为溶剂。为了进行结构解析，进行了1H和13C NMR光谱分析。

合成与表征

化合物3(a,b)的合成是通过醛功能化的萘衍生物（1）与氨基功能化的三烷氧基硅烷2(a,b)之间的缩合反应完成的。该反应在干燥的甲苯中于回流条件下进行4小时，有效地去除了缩合过程中产生的水，从而促进了产物3(a,b)的形成。其合成通过各种光谱方法（如1H NMR、13C NMR）得到了验证。

结论

总之，成功合成了一种新型的基于萘醛的化学传感器ADRS，并探讨了其作为选择性Ru(III)检测和生物医学应用的多功能平台。该探针对Ru(III)表现出优异的选择性和灵敏度，通过紫外-可见吸收和荧光发射研究得到的检测限分别为0.23 μM和0.73 μM。传感机制以及ADRS-Ru(III)稳定1:1复合物的形成也得到了验证。

CRediT作者贡献声明

Gurjaspreet Singh：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、资金筹措、概念构思。 Anu Radha：撰写——初稿、软件开发、实验研究、数据分析。 Geeta Rani：数据整理。 Baljinder Singh Gill：数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

作者衷心感谢DST-FIST-0215（SR/FST/CS 11-36）和Rashtriya Uchchatar Shiksha Abhiyan（RUSA-2.0）提供的仪器支持。

Gurjaspreet Singh是一位经验丰富的研究员，在无机化学、有机金属化学和有机硅化学领域拥有超过30年的教学和研究经验。根据Elsevier-Stanford大学数据库的数据（2022–2023、2023–2024和2024–2025年度），他位列全球引用最多的科学家前2%之列，这凸显了他科学贡献的全球影响力。Singh博士在有机金属化学和生物无机化学领域拥有深厚的专业背景。

Gurjaspreet Singh | Anu Radha | Geeta Rani | Baljinder Singh Gill 化学系，旁遮普大学，昌迪加尔160014，印度