综述：用于金属离子检测的Schiff碱化学传感器可持续合成领域的新兴趋势：机遇与挑战

《Materials Today Chemistry》：Emerging trends in sustainable synthesis of Schiff base chemosensors for metal ion detection: Opportunities and challenges

　　• 文章22报告了针对世界卫生组织（WHO）限值的Schiff碱化学传感器。• 使用选择性参数定量比较了传感性能。• 通过原子经济性（AE）、反应质量效率（RME）、E因子（PMI）来评估Schiff碱的合成。• 比较了传统的和基于生物质的Schiff碱化学传感器。• 确定了下一代化学传感器设计的可持续策略。

### 引言
有毒重金属对水的污染已成为全球最严重的环境和公共卫生问题之一。由于工业发展的加速，环境正越来越多地受到无机污染物（如铅（Pb2?）、镉（Cd2?）、铬（Cr3?/Cr??）、汞（Hg2?）、砷（As3?/As??）、铜（Cu?/Cu2?）、铁（Fe2?/Fe3?）、镍（Ni2?）、钴（Co2?）、锌（Zn2?）和锰（Mn2?）的污染[1]。可生物降解的有机污染物可以通过微生物代谢、稀释、沉淀或光化学降解而被分解，而重金属则被认为是持久的污染物，因为它们在环境中停留的时间更长。因此，它们的浓度在沉积物、水柱、水生生物和活组织中逐渐增加。最近的环境评估表明，全球范围内有毒金属的积累达到了令人担忧的水平。据估计，世界上有14-17%的农业用地（接近2.42亿公顷）受到超出允许限值的有毒金属的污染[2]。所有排放到水生系统中的金属物质都以可溶形式、沉淀形式或沉积形式存在。这就是为什么水生生态系统中的重金属离子浓度会随时间增加的原因。河流、湖泊和地下水的持续污染带来了另一个重大的环境挑战，需要紧急监测和治理。这些污染物在饮用水中的存在促使国际和国家机构制定了基于健康的指导值、法规限制和可接受参数。根据世界卫生组织（WHO）第四版饮用水质量指南，Pb2?的指导值为0.01 mg L?1，Cd2?为0.003 mg L?1，As3?/As??为0.01 mg L?1，无机Hg2?为0.006 mg L?1。WHO对Fe2?/Fe3?的限值为0.3 mg L?1，这一限值主要是基于味道、外观和染色情况[3]。这些数值因地区而异；例如，美国环境保护署（US EPA）推荐的As3?/As??的最大浓度限值为0.010 mg L?1，Cd2?为0.005 mg L?1，总Cr3?/Cr??为0.10 mg L?1，无机Hg2?以及Cu2?和Pb2?的监测行动水平分别为1.3 mg L?1和0.010 mg L?1[4]。同样，欧盟指令2020/2184规定了As3?/As??为0.010 mg L?1，Cd2?为0.005 mg L?1，Cu2?/Cu2?为0.002 mg L?1，Hg2?为0.001 mg L?1；Pb2?的参数值最初设定为0.010 mg L?1，后来降低到0.005 mg L?1，而Cr3?/Cr??的参数值最初为0.050 mg L?1，并预计在2036年1月12日降低到0.025 mg L?1[5]。这些地区之间的差异表明，评估金属离子化学传感器相对于特定允许浓度的性能比评估普遍允许浓度更为重要。

化学传感器越来越多地被视为监测重金属离子污染的传统分析工具的可行替代品。由于它们易于使用、便携、响应迅速且价格合理，这些传感器在过去几十年里得到了有效应用。化学传感器基于受体分子与目标分析物之间的选择性主客体相互作用原理，这种相互作用会产生可测量的吸光度、荧光强度、导电性或颜色变化。与传统分析仪器相比，化学传感器提供了多种实际优势，包括检测速度快、样品制备简单、便携性强和实时监测能力。另一类引起关注的化学传感器是Schiff碱化学传感器。它们的合成涉及低试剂成本、增强的配位能力、可调的分子结构、对过渡金属离子的强光学响应和高特异性。尽管化学传感器技术取得了很多进展，但大多数现有的化学传感器都是使用基于石油的合成试剂、有毒化合物、有害溶剂和非生物降解的前体合成的。氯仿、二氯甲烷（DCM）、二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF）和乙腈都是常用的有机溶剂[6]。其他类型的荧光化学传感器包括稀土复合物、重金属纳米颗粒和基于Cd和Pb硫属化合物量子点的半导体。此外，大多数合成化学传感器不易生物降解，因此使用后可能残留在环境系统中。合成聚合物、芳香化合物和氟化材料在水生系统中的积累会导致二次环境污染。因此，尽管许多现有的化学传感器系统很成功，但它们不一定满足可持续性、生物降解性和环境兼容性的标准。

化学传感器的基本原理是基于对目标分析物的选择性分子识别，然后将识别事件转化为可测量的信号。在化学传感系统中，目标分析物通过配位、静电相互作用、氢键、主客体相互作用或电荷转移与传感器材料以特定方式相互作用[7]。含有氮、氧、硫或磷的功能基团作为供体原子，为与金属离子的螯合提供必要的结合位点。化学传感器由五个基本组成部分构成（图1）。

- **分析物**：分析物是指化学传感器设计用于检测的物质。例如，分析物可以是金属离子、阴离子、气态分析物、生物分子、环境、生物或工业样品中的有机污染物或有毒污染物。无机分析物的例子包括Cu2?、Fe3?、Hg2?、Pb2?和Cr3?等金属离子。
- **受体**：受体或识别单元是检测分析物的主要传感组件。它包含特定的供体原子或功能基团（如N、O、S、P），通过配位、氢键、静电相互作用或电荷转移与目标分析物选择性结合。受体的特性主要决定了化学传感器的选择性和灵敏度。常见的受体系统包括冠醚、基于氨基酸的配体以及杂环化学系统。
- **转换器**：转换器提供了一种将分子识别事件转化为可测量分析信号的手段。当分析物与受体结合时，报告材料的物理化学性质会发生变化（例如，吸收、荧光、电导率、氧化还原电位），这种变化被转换为化学传感器可测量的信号（例如，光学、电化学、荧光、热或电导变化）。
- **放大器**：放大器由于分析了物的检测而增强生成的信号强度，以提高化学传感器的灵敏度。来自分析物相互作用的原始信号可能非常微弱，因此放大对于检测微量分析物是必要的。这在环境监测应用中尤其有利于重金属离子的检测。
- **检测器**：带有显示系统的检测器设计用于记录、处理并以易于测量的形式显示传入的信号。这包括颜色变化、荧光响应、吸光光谱或电信号。检测器允许用户定性和定量地解释分析物的浓度。根据系统的便携性或先进程度，检测可以通过观察或使用分光光度计、荧光计或电化学分析仪来完成。

Schiff碱可以被归类为含有亚胺或偶氮甲碱键（-CN-）的有机化合物，这些键是由一级胺（-NH?）和含羰基化合物（例如醛或酮）缩合形成的。由于Schiff碱含有富电子的供体原子（如N、O、S或P），它们具有可变的分子几何结构、易于合成并且具有良好的配位能力[8]。由于缩合形成的偶氮甲碱氮作为电子供体，可以与配位金属离子形成富电子网络。因此，这类化合物通常被认为适合与不同的金属离子形成配位键（表1）。合成Schiff碱的通用反应方案如下所示（方案1）。

化学传感器现在广泛应用于科学和技术的各个领域，因为它们提供了独特的检测能力、快速响应、操作简便以及能够在微量水平上选择性识别不同类型分析物的能力，且所需设备最少。化学传感器的主要应用如下：
- **环境监测**：可以使用化学传感器检测水、土壤或空气中的有毒重金属离子或有害污染物。这些便携式设备的响应时间非常快，使其成为现场测量受污染水系统的理想选择。
- **生物医学/临床诊断**：在生物医学科学中，化学传感器主要用于检测具有生物学意义的分析物。它们可以测量金属离子浓度、葡萄糖、氨基酸、酶、蛋白质和疾病生物标志物。荧光化学传感器可用于细胞内成像，并监测Cu2?、Zn2?、Fe3?、Ca2?等离子的微量浓度。因此，这些系统对于疾病诊断和监测至关重要[13]。
- **食品安全与质量控制**：这一应用使得能够检测蔬菜和水果、乳制品、海鲜、饮料和加工食品中的化学物质，如农药残留物、毒素和防腐剂。化学传感器还能通过检测食品降解过程中释放的气体来智能包装食品，判断其新鲜度和变质情况。
- **工业过程监测**：工业利用化学传感器持续监测其化学过程（例如pH值、电导率等），作为整体质量控制和污染管理策略的一部分。它们使制造过程能够实时分析化学污染物，从而提高制造商的安全性和符合环境法规的要求。
- **农业应用**：农业中使用化学传感器进行土壤分析，以确定化学营养物质含量、检测农药、评估灌溉水质和土壤中有毒金属的积累。此外，化学传感器可以集成到精准农业中，快速识别作物中的微量营养素和污染物，从而提高产量并实施可持续农业实践。
- **制药应用**：在制药行业中，化学传感器对于分析药物、检测杂质、确保药品成分的质量监测至关重要。电化学和光学传感器常用于评估药物稳定性、检测药品污染和测量活体内的治疗性生物分子水平。
- **安全和防御应用**：化学传感器用于检测爆炸物、麻醉剂、化学战剂和有害工业化学品。快速的响应速度和高选择性使得比色和荧光化学传感器能够在法医调查、军事情报和安全筛查中得到应用[14]。

### 化学传感器的分类
根据传感器如何识别分析物以及这种识别如何转化为可测量信号，化学传感器可以分为不同的类别。因此，分类基于检测机制、信号输出、相互作用类型、目标分析物和所用材料（表2）。这有助于理解化学传感器的工作原理，从而有助于合理设计高选择性、高灵敏度和稳定的传感器，以适应各种应用。

### 用于金属离子检测的杂环化学传感器的合成
由于杂环化合物具有多样化的结构特征、可调的电子特性和与金属离子较强的配位能力，其合成引起了极大的兴趣。含有供体原子（N、O和S）的杂环化合物为通过配位相互作用、电荷转移或荧光性质调节来选择性识别目标分析物提供了必要的结合位点（图2）。本节重点介绍了Schiff碱的绿色指标和可持续策略。

### Schiff碱的绿色指标分析
绿色指标分析提供了比单独考虑产量更全面的Schiff碱化学传感器可持续性的评估。尽管某些反应的产率相对较高，但考虑到原子经济性（AE）、反应质量效率（RME）、过程质量强度（PMI）、溶剂选择、能源使用和纯化程序等因素，这些过程的环境影响差异显著。表3给出了绿色参数。

### 合成化学传感器的机制见解
阳离子在多种生物过程中起着关键作用，如调节细胞活动、启动肌肉收缩和传递神经冲动。正如引言中所述，各种阳离子或金属离子的缺失或过量会导致特定的干扰。设计阳离子传感器的概念主要是由于结合位点与阳离子之间的非共价相互作用。阳离子传感器的构建涉及离子载体的引入。

### 影响金属离子螯合作用效率的因素
分子结构、电子分布、配位化学和其他环境因素显著影响化学传感器检测金属离子的性能。这七个因素与传感机制的敏感性、选择性、信号再现性和效率相关（图19）。废物生物质作为平台分子的潜力：平台分子基本上是从废物生物质中提取的有机部分，可以用来生产高附加值的精炼化学品。这些分子具有多种应用，并且在制药行业的药物开发中起着至关重要的作用。废物生物质具有复杂的结构，其中包含木质纤维素，这阻碍了化合物从细胞中的释放。Schiff碱类分子的合成将依赖于……利用生物质衍生的平台分子开发化学传感器：来自生物质的平台分子的羰基官能团为合成Schiff碱及其他光学受体提供了便捷的途径。醛和酮与一级胺之间的反应会引入偶氮甲烷（CN）官能团以及侧链中存在的其他供体基团，如酚基-OH、醚、肼、胺或杂环官能团。这些基团向金属离子的捐赠以及由此引起的扰动……使用废物生物质提取物作为合成反应的介质：使用废物生物质提取物进行化学反应被认为是一种环保且可持续的方法，避免使用传统的有机溶剂和有毒反应介质。从果皮、农业废弃物、植物废弃物以及食品加工过程中获得的废物生物质提取物中含有多种生物活性分子，如有机酸、多酚、黄酮类、糖类、酶和萜类化合物，这些成分可以作为反应介质……合成化学传感器的挑战与局限性：尽管在开发用于检测金属离子的Schiff碱化学传感器方面已经取得了显著进展，但仍存在一些限制，这些限制可能在大规模应用时带来问题。诸如材料稳定性、传感选择性、环境适应性、可靠性、毒性问题以及其他法规限制都会影响传感效率和工业应用前景。此外，传感机制……与联合国可持续发展目标（SDGs）的对齐：本综述中描述的关于开发用于Schiff碱化学传感器合成可持续前体的研究高度符合联合国的可持续发展目标（SDGs）[102]。通过应用绿色化学原理进行环境监测，这些材料为资源的可持续利用和污染预防做出了宝贵贡献。下一段将概述可以通过此类进展实现的SDGs目标……结论：Schiff碱化学传感器的发展已经从纯化学领域扩展到一个涉及材料科学、环境工程、纳米技术和可持续生产的多学科研究领域。这一转变的原因是人们意识到，未来的化学传感器不仅需要高性能，还必须具备环境和经济上的可持续性。随着环境监测领域标准的日益严格……红迪网作者贡献声明：Eksha Guliani：撰写——原始草稿、方法学设计、数据整理、概念构建；Vinayak V. Pathak：撰写——审稿与编辑、验证、监督；Sangita Banga：验证、监督、项目管理；Adarsh Kumar Pandey：监督、项目管理。资金支持：本研究没有获得来自公共部门、商业机构或非营利组织的任何专项资助。利益冲突声明：作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文所述工作的个人关系。Eksha Guliani | Vinayak V. Pathak | Sangita Banga | Adarsh Kumar Pandey