用于检测Hg2+的温度依赖型双模式可切换荧光化学传感器

《Talanta》：Temperature dependent dual-mode switchable fluorescent chemosensor for Hg2+ detection

　　

摘要

荧光探针是检测Hg²⁺的重要工具。根据探针与Hg²⁺之间的结合机制，它们主要可以分为两类：配位模式和反应模式。每种模式都有其独特的优点和固有的局限性。在这项工作中，设计了一种动态智能荧光探针（TPENS），能够在配位模式和反应模式之间实现温度依赖性的切换。在室温（20°C）下，该探针与Hg(II)结合形成TPENS-Hg^{2+复合体，从而产生一个可逆的配位传感器，并输出关闭信号。当温度升高到60°C时，探针与Hg(II)发生键断裂反应，通过Hg2+触发的脱保护作用将TPENS转化为TPENO，从而构建了一个比率型反应传感器。因此，在水分数为f_w = 98%的聚集状态下，该探针仅对Hg2+离子有特异性响应，在配位模式和反应模式下都表现出优异的选择性和敏感性，检测限低至1.5 × 10-7 M。通过1H NMR光谱、FTIR光谱和HRMS对这种化学传感器在两种不同模式下的机制进行了彻底验证。此外，该探针还可以检测环境水样中的Hg2+。这项工作为开发动态智能探针提供了一种新策略，即通过合理的分子设计赋予探针在不同检测模式之间切换的能力。}

引言

汞离子作为高毒性的重金属污染物，通过污染水资源、土壤、植物和动物对生态系统构成严重威胁[1]、[2]、[3]。尤其令人担忧的是它们在食物链中的生物累积能力，这会导致人体生理的严重病理效应。长期暴露会引发肾脏和消化系统以及神经系统和脑组织等器官的不可逆损伤[4]、[5]、[6]。因此，开发高灵敏度和选择性的汞离子检测方法至关重要。

存在许多检测Hg²⁺的技术，其中荧光传感器因其高灵敏度和选择性、操作简便性、实时性和非破坏性分析等优点而受到重视[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。根据探针与Hg²⁺之间的相互作用机制，这些传感器主要可以分为两类：基于配位的模式（可逆配位相互作用）和基于反应的模式（通常涉及键断裂）。尽管这两种模式各有优点，但也都存在固有的局限性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。目前，有机荧光探针对Hg²⁺的识别通常限于仅选择这两种模式中的一种。如果能够使单个探针分子在配位模式和反应模式之间精确且可控地切换，那将是检测技术的一个重大进步。到目前为止，这样的双功能系统极为罕见，获得动态传感材料仍然是一个巨大的挑战。

鉴于汞离子的强亲硫性，研究人员开发了许多含有硫基团的荧光探针作为识别位点[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。其中一些探针通过配位机制起作用，而大多数是基于反应的类型。特别是对于含有硫醛缩酮或硫酮缩酮识别基团的探针，检测机制几乎完全依赖于脱保护反应，伴随着C-S键的断裂[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。优化汞探针的分子结构对于调节传感器性能至关重要。受到含氮芳香杂环能有效增强含硫生物大分子稳定性的启发[26]，在这项工作中，合成了一种基于吡啶和硫酮缩酮的独特荧光探针（TPENS）。与之前报道的类似物相比，引入吡啶基团显著提高了硫酮缩酮基团的稳定性[26]、[27]、[28]。因此，在室温（20°C）下，该探针在暴露于Hg²⁺时不会发生典型的脱保护反应；相反，它会与汞(II)离子结合形成TPENS-Hg^{2+复合体，由于螯合增强猝灭（CHEQ）效应而产生“关闭”信号[29]、[30]、[31]、[32]。通过添加S2-离子可以逆转这一过程（图1）。值得注意的是，当温度升高到60°C时，Hg2+诱发的键断裂反应（硫酮缩酮的脱保护）迅速发生，同时探针TPENS转化为前体酮化合物TPENO，从而构建了一个“比率型”荧光传感器。因此，通过简单的温度调节策略，实现了能够在配位模式和反应模式之间可控切换的动态智能检测系统。}

分子结构和检测机制如图1所示。前体TPENO首先通过四苯乙烯（TPE）与吡啶-2,6-二羰基二氯化合物的反应制备。随后，通过巯基保护反应得到了目标探针TPENS。TPE（一种具有聚集诱导发光的星形分子）的引入使探针在聚集状态下具有优异的发光特性，使其能够在含水量为98%的情况下检测汞离子[6]、[7]。在室温（20°C）下，该探针作为可逆的配位传感器：与Hg²⁺结合形成TPENS-Hg^{2+复合体，在1分钟内其荧光从天蓝色变为暗色。加热至60°C时，系统切换到比率型反应模式。在此过程中，Hg2+触发的脱保护反应将TPENS转化为TPENO，导致荧光从天蓝色变为亮绿色。因此，在聚集状态（f_w = 98%）下，该探针作为高选择性和敏感性的Hg2+化学传感器，在配位模式和反应模式下都能表现出可与许多报道的含硫荧光探针相媲美的检测性能（表S2）[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。特别是，它具有在配位模式和反应模式之间实现可控切换的独特能力。两种模式的检测机制都使用HRMS、1H NMR和FTIR光谱等手段进行了严格验证。}

章节片段

吡啶-2,6-二基[(4-(1,2,2-三苯基乙烯)苯基)甲醇酮]（TPENO）的合成

将四苯乙烯（1.66克，5毫摩尔）溶解在20毫升干燥的二氯甲烷中，然后加入氯化铝（0.67克，5毫摩尔）和吡啶-2,6-二羰基二氯化合物（0.51克，2.5毫摩尔），并在搅拌下进行反应。回流搅拌24小时后，用饱和NaCl洗涤反应混合物，并用二氯甲烷萃取三次（每次30毫升）。合并的有机层在无水Na₂SO₄上干燥，真空浓缩，剩余物通过柱层析纯化

合成与表征

TPENO是通过四苯乙烯与吡啶-2,6-二羰基二氯化合物的一步Friedel–Crafts酰基化反应制备的[47]。随后，通过1,2-乙二硫醇与TPENO的两个羰基团的保护反应合成了含有两个硫酮缩酮单元的探针TPENS（方案S1）。整个合成过程简单，产率相对较高。所有化合物均通过¹H NMR、¹³C NMR、质谱等方法进行了完全表征。

结论

精心设计了一种含有吡啶和硫酮缩酮基团的动态智能荧光探针TPENS，可以通过简单的温度调节在配位模式和反应模式之间可控切换。在室温（20°C）下，该探针与汞(II)结合形成TPENS-Hg^{2+复合体，伴随荧光从天蓝色变为暗色，从而实现了基于配位模式的可逆传感器。将温度升高到60°C时，探针发生}

CRediT作者贡献声明

Lin Junqi：监督、项目管理、方法学。Xu Tao：软件开发、资金筹集。Ruan Zhijun：写作——审稿与编辑、项目管理、调查、资金筹集、概念构思。Liu Shanshan：可视化、方法学。Chen Yanmei：验证、资源获取、资金筹集。Liang Xiangming：资源管理、数据分析。He Wentao：数据分析

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（22203035）、湖北省高等学校青年科技创新团队计划（T2023026）、湖北省自然科学基金（2023AFB565）和湖北省自然科学基金创新发展项目（2025AFD325）的财政支持。

Zhijun Ruan|Tao Xu|Xiangming Liang|Wentao He|Shanshan Liu|Yanmei Chen|Junqi Lin黄冈师范学院化学与化学工程学院，黄冈438000，中国