《RSC Advances》：From solutions to living systems: a colorimetric and “turn-on” chemosensor for Co2+ with paper-strip and bioimaging applicationsOpen Access
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5-(4-氯苯氧基)-3-甲基-1-苯基-1H-吡唑-4-甲醛（PYA）是一种基于吡唑的荧光化学传感器，被合成并研究用于选择性检测Co2?离子。该传感器对Co2?表现出明显的“开启”型荧光响应，且对生物学和环境相关的其他金属离子具有优异的选择性。紫外-可见（U
5-(4-氯苯氧基)-3-甲基-1-苯基-1H-吡唑-4-甲醛（PYA）是一种基于吡唑的荧光化学传感器，被合成并研究用于选择性检测Co2?离子。该传感器对Co2?表现出明显的“开启”型荧光响应，且对生物学和环境相关的其他金属离子具有优异的选择性。紫外-可见（UV-Vis）和荧光滴定实验证实了强络合作用，检测限低至25 nM。Job图分析揭示了1∶1的结合化学计量比，且传感性能在宽pH范围内保持一致。密度泛函理论（DFT）计算阐明了Co2?结合后的电子结构变化和电荷转移过程，从而佐证了实验发现。此外，有效的斑马鱼生物成像研究表明PYA可用于体内Co2?检测。这些发现表明PYA是一种在化学和生物系统中追踪Co2?离子的有用、选择性和灵敏的探针。最重要的是，试纸条装置的开发展示了该传感器的实际应用价值，其能够实现Co2?离子的快速、便携和可视化检测，无需复杂仪器。
**研究背景与问题**
钴是一种广泛用于电池、合金和催化剂的过渡金属，在岩石、土壤、植物和动物中均有痕量存在。作为维生素B??的关键组分，微量Co2?对生理过程至关重要，但过量时则成为危害人类和动物健康的主要环境污染物。世界卫生组织（WHO）指出，饮用水中Co2?浓度可高达40 μg/L。因此，高灵敏度、高选择性地检测生物和环境样品中的微量Co2?具有重要意义。荧光化学传感器因其响应快速、灵敏度高、选择性好、便携且成本低，已成为传统分析方法的理想替代方案。然而，已报道的多数Co2?传感器因Co2?的顺磁性而表现为荧光淬灭，且存在检测限偏高、选择性不足和生物应用受限等问题。为此，研究人员设计并合成了一种基于吡唑的新型荧光探针PYA，以期实现Co2?的“开启”型检测，并拓展其在环境监测与生物成像中的应用。
**研究内容与意义**
该研究合成了5-(4-氯苯氧基)-3-甲基-1-苯基-1H-吡唑-4-甲醛（PYA），系统研究了其对Co2?的识别性能。结果表明，PYA对Co2?具有极高的选择性和灵敏度，检测限达25 nM，且可在宽pH范围内稳定工作。通过斑马鱼活体成像和试纸条实验，研究人员证实了PYA在生物体内实时检测和便携式可视化检测中的实用性。该研究为环境与生物样品中Co2?的监测提供了一种可靠的新工具，相关成果发表在《RSC Advances》。
**主要技术方法**
研究人员通过5-氯-3-甲基-1-苯基-1H-吡唑-4-甲醛与4-氯苯酚在KOH/DMSO中回流反应合成PYA，产率92%，并采用1H NMR、13C NMR、质谱和元素分析进行表征。光谱实验在乙腈介质中进行：紫外-可见（UV-Vis）吸收滴定用于观察络合引起的吸收带变化；荧光滴定（λ
Exc = 260 nm）用于测定检测限和结合常数；Job图分析确定化学计量比；pH荧光实验考察了酸碱度的影响。密度泛函理论（DFT）计算使用Gaussian 09软件，B3LYP/6-311+G(d,p)基组优化自由配体，对Co2?复合物采用UB3LYP并配合LANL2DZ赝势基组，分析前线轨道和分子静电势（MEP）。荧光寿命和动力学实验用于验证螯合增强荧光（CHEF）机制。斑马鱼胚胎（2–3天）用于体内毒性评估和生物成像。试纸条由Whatman滤纸浸渍PYA（1×10?3 M）溶液制成。
**研究结果**
*化学合成（Chemistry）*：通过亲核取代反应成功制得目标化合物PYA，经NMR和质谱确认结构，产率92%。
*光化学（Photochemistry）*：UV-Vis光谱显示，游离PYA在262 nm处有π–π*跃迁吸收峰；加入Co2?后，在520 nm出现新吸收带并逐渐增强，而其他金属离子无此变化，同时溶液由无色变为淡粉色，表明PYA可作为比色传感器。
*荧光光谱研究（Fluorescence spectral studies）*：在260 nm激发下，随Co2?浓度增加（10–100 μM），PYA在325 nm处的荧光强度线性增强（R2 = 0.9865），检测限为25 nM，结合常数K
a为26×10? M?1。
*荧光选择性与干扰研究（Fluorescence selectivity and interference studies）*：在多种金属离子（Cu2?、Ni2?、Mg2?、Pb2?、Al3?、Fe3?、Hg2?、Cr3?、Zn2?、Ag?、Cd2?）存在下，仅Co2?引起显著的荧光增强，干扰实验表明其他离子几乎不干扰Co2?的检测，显示极高的专一性。
*pH对荧光的影响（Influence of pH on fluorescence）*：在pH 3–12范围内，PYA与Co2?的荧光响应随pH升高而增强，在近生理条件下表现最佳；Job图证实PYA与Co2?形成1∶1配合物。
*密度泛函理论（DFT）*：计算表明，Co2?配位后，HOMO–LUMO能隙从?4.7891 eV降至?3.7382 eV，促进配体到金属及金属到配体的电荷转移（LMCT/MLCT）；MEP图显示羰基氧原子为亲电攻击位点，配位后电子密度向钴偏移，与实验观察一致。
*荧光寿命和动力学研究（Life time and kinetic studies）*：加入Co2?后，荧光寿命从0.482 ns增至1.10 ns，证明络合抑制了非辐射衰变，符合CHEF机制。动力学实验显示荧光强度在300秒内从约75 a.u.线性增至325 a.u.（R2 = 0.99），表明探针可实时响应。
*斑马鱼体内Co2?传感（In vivo sensing of Co2? by PYA in zebrafish）*：在50 μM浓度下PYA对斑马鱼胚胎无明显毒性，而75 μM时出现畸形。选用5 μM亚毒浓度进行成像，结果显示仅添加Co2?的斑马鱼在胃肠道、卵黄囊、腹腔、肝脏和肌肉区域出现显著荧光，证实PYA可透过生物膜并特异性结合内源性Co2?。
*基于试纸条的器件（Paper strip-based device）*：将Whatman滤纸浸渍PYA溶液制成试纸条，滴加不同金属离子后，仅Co2?使试纸条由无色变为淡粉色，且颜色深度随Co2?浓度（10–40 nM）增加而增强，无需复杂仪器即可实现肉眼检测。
**讨论与结论**
讨论部分指出，PYA的“开启”荧光响应源于Co2?结合后阻断光诱导电子转移（PET）并引发螯合增强荧光（CHEF）效应，DFT计算进一步验证了电荷转移机制。与文献报道的Co2?传感器相比，PYA在检测限、选择性和生物应用方面具有明显优势。研究结论翻译如下：总之，研究人员开发了一种新型吡唑衍生物荧光化学传感器PYA，用于高灵敏、高选择性地检测Co2?离子。与多数表现出荧光淬灭的Co2?传感器不同，PYA具有强烈的“开启”型荧光响应和纳摩尔级检测限。该传感器表现出优异的选择性、对竞争金属离子的低干扰性以及宽pH范围内的有效操作。DFT研究通过金属诱导的电荷转移相互作用为观察到的传感行为提供了机理理解。至关重要的是，PYA在斑马鱼生物成像中的有效应用证明了其用于实时生物监测的潜力。综上，该工作表明PYA是环境及生物分析检测Co2?离子的一个可靠平台，成功集成到试纸条装置中还实现了快速、便携和可视化的Co2?传感。这些结果证明PYA作为一种稳健可靠的Co2?传感器，在环境监测和生物成像研究中具有广阔的实际应用前景。
