一种用于Cu(II)和Zn(II)双通道检测的新型荧光探针：实验与理论研究

《Inorganic Chemistry Communications》：A novel fluorescent probe for dual-channel detection of Cu(II) and Zn(II): experimental and theoretical study

　　

摘要
在配位化学中，针对具有生物学和环境相关性的金属离子开发选择性荧光探针仍是一项重大挑战。本文报道了一种新型荧光探针H?L·DMSO，用于区分检测Cu(II)和Zn(II)。在溶液中，游离探针呈现黄色，源于分子内电荷转移（ICT），并通过激发态酮式辐射衰减发出中绿色荧光（ΦFL = 0.976）。该探针显示了对Cu(II)和Zn(II)的显著选择性，优于其他竞争金属离子，两者配位后均引起从黄色到橙红色的可比色变，分别归因于配体到金属电荷转移和配体中心跃迁。关键的是，两个离子在525 nm处的荧光响应呈正交分歧：Cu(II)通过螯合增强猝灭（CHEQ）机制淬灭发光（ΦFL = 0.393），归因于其顺磁性和高系间窜越（ISC）效率，而Zn(II)通过螯合增强荧光（CHEF）机制增强发光（ΦFL = 0.988），源于其抗磁性及相应较低的ISC效率。两种金属均形成1:1配合物，结合常数分别为10.00 μM?1（Cu(II)）和6.67 μM?1（Zn(II)），检测限分别为0.056 μM和0.0038 μM，均远低于世界卫生组织（WHO）饮用水允许限值。在添加金属离子后十秒内即建立结合平衡，且在EDTA处理下两种相互作用完全可逆。此外，DFT计算证实了H?L·DMSO与Cu(II)和Zn(II)的结合；其荧光分歧源于激发态动力学，而非基态轨道间隙。该探针在缓冲乙醇中高效运行，凸显了其环境监测应用的实用性。

引言
Cu(II)和Zn(II)是生物和环境必需元素；然而，其浓度偏离最优值会对细胞功能产生严重的不良影响。Cu(II)暴露过高与肝肾功能损伤、胃肠道疾病以及神经退行性疾病和肺癌风险增加有关[1]，而Zn(II)过量会破坏铜金属酶活性，抑制高密度脂蛋白胆固醇，并引起免疫毒性和胃肠道效应[2]。相反，任何一种离子的缺乏同样有害，因为两者都是超氧化物歧化酶的必需辅因子；其不足会损害该酶的抗氧化活性，从而通过活性氧物种的无控制积累提高氧化应激[3]。海鲜、肉类和水果等饮食来源构成主要摄入途径[4]，而次要暴露来自工业废水、采矿径流、腐蚀的金属管道以及农业化学品渗入供水系统[5]。为此，世界卫生组织（WHO）对饮用水中Cu(II)和Zn(II)的指导值分别设定为2.0 mg/L和3.0 mg/L[6]，[7]，[8]，强调了在环境、生物、食品和水质监测领域建立可靠检测方法的关键需求。

常规分析技术，包括电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、原子吸收光谱法（AAS）和气相色谱-质谱联用法（GC–MS），为重金属定量提供了高灵敏度和多元素能力。然而，复杂的样品前处理、昂贵的仪器以及对受训人员的依赖阻碍了其实际应用，使其不适合快速、现场或实时分析[9]，[10]，[11]，[12]。这些仪器的高昂成本和不便携性在资源有限或偏远地区尤为成问题，这些地区水质监测不足的负担最为严重。电化学传感器作为成本效益替代方案应运而生，能够实时监测，但仍受较高检测限和基质干扰的制约[13]，[14]。相比之下，基于吸收或荧光变化的光学化学传感器因检测限低、灵敏度高、操作简便和选择性好而备受关注[15]，[16]，[17]，[18]。鉴于低收入地区通常缺乏ICP-MS和AAS基础设施，迫切需要便携式、低成本的荧光传感器，能够在数秒内响应，在螯合剂处理下可逆，并在真实基质中得到验证，作为可行的公共卫生工具。

在此领域，源自二氨基马来腈（DAMN）的探针因同时具有电子供体和电子受体基团而脱颖而出，这些基团促进有效的分子内电荷转移（ICT），产生独特的、分析物选择性的荧光响应[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。DAMN衍生的探针制备简便、结构可调、配位化学丰富，并具有对金属结合固有的光物理响应[31]。重要的是，与简单腈类（如CH?CN、HCN、NaCN）不同，DAMN基分子在溶液中不会释放有毒氰离子；其扩展的π-共轭结构对羰基碳的亲核攻击造成空间位阻，并通过电子离域降低其亲电性。这种双重空间和电子阻力赋予其卓越化学稳定性、生物相容性和低细胞毒性，使其适合环境和生物应用。

尽管已有多种双通道Cu(II)和Zn(II)检测探针[32]，[33]，[34]，[35]，[36]，[37]，[38]，[39]，[40]，[41]，[42]，[43]，但尚无基于DAMN的荧光传感器能够在单一平台上区分这两种金属离子。本工作通过策略性修饰的5-硝基取代水杨醛-DAMN骨架直接解决这一空白，该骨架与我们的早期设计[20]，[21]在三个关键方面存在根本差异：(i) 吸电子硝基显著改变电子分布、酚酸性和激发态分子内质子转移（ESIPT）能量学，以启用不同的离子结合行为；(ii) 探针在相同条件下表现出正交双通道响应，对Cu(II)为关闭、对Zn(II)为开启，仅基于荧光响应符号即可清晰区分；(iii) 该研究超越了概念验证，包括真实样品验证、可逆性和两种金属离子的比较机理依据，综合提供了一个全面而实用的传感平台，弥补了已识别的局限性。

在此，我们报道了一种新型荧光探针2-氨基-3-(((E)-2-羟基-5-硝基苄叉基)氨基)马来腈二甲基亚砜（H?L·DMSO）的合成，用于在缓冲乙醇介质中选择性检测Cu(II)和Zn(II)离子。H?L·DMSO的化学结构通过单晶X射线衍射（SC-XRD）、质子核磁共振（1H NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）阐明。此外，其对Cu(II)和Zn(II)的光物理和配位行为通过紫外-可见光谱（UV–Vis）和荧光光谱（FL）、FT-IR和电喷雾电离质谱（ESI-MS）系统评估。互补的密度泛函理论（DFT）计算为电子结构和金属-配体相互作用提供了更深层次的见解。最后，通过加标自来水样品中Cu(II)和Zn(II)的定量回收，展示了荧光探针的实用性，凸显了其作为稳健、现场可部署传感器的潜力。

材料与仪器
除非另有说明，所有试剂，包括DAMN（C?H?N?）、5-硝基水杨醛（5NSA，C?H?O?）、Zn(NO?)?·6H?O、Cu(NO?)?·6H?O、Ni(NO?)?·6H?O、Co(NO?)?·6H?O、Mg(NO?)?·6H?O、Cd(NO?)?·4H?O、Al(NO?)?·9H?O、Cr(NO?)?·9H?O、Mn(NO?)?·4H?O、KBr、NaOH、EDTA（[CH?N(CH?CO?H)?]?）、乙醇、醋酸、HCl、DMSO（C?H?OS）和Bis-Tris-HCl（NH?C(CH?OH)?·HCl），均为分析纯，购自Sigma–Aldrich（中国）。探针H?L·DMSO按照之前的参考文献合成[20]，[21]。

合成与结晶
H?L·DMSO通过醋酸催化5-硝基水杨醛（5NSA）与二氨基马来腈（DAMN）在绝对乙醇中回流（80 °C，4小时）缩合合成，以橙黄色晶体形式获得，分离产率为93%，随后从DMSO中缓慢重结晶（图2）。

此外，[Cu(L)(DMSO)]和[Zn(L)(DMSO)]分别以棕色固体形式分离，产率分别为90%和91%，通过H?L·DMSO与相应金属硝酸盐在绝对乙醇中以1:1 M比例回流（80 °C）配位得到。

结论
总之，设计了一种新型荧光探针H?L·DMSO，具有近端金属结合位点和外围吸电子基团，用于Cu(II)和Zn(II)的选择性和灵敏的双通道检测。H?L·DMSO的结构通过SC-XRD、1H NMR、FT-IR、ESI-MS和DFT确认，金属离子传感机理通过UV–Vis、FL、1H NMR滴定和ESI-MS阐明，并由DFT计算进一步支持。在缓冲乙醇中，H?L·DMSO表现出相反且

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致谢
本工作由国家自然科学基金委员会（编号：21071018、21271026和21471017）资助。我们衷心感谢中国国家留学基金管理委员会以及北京理工大学分析测试中心。

Tesfa Oluma Fufa目前是中国留学基金管理委员会（CSC，Type A）博士候选人，在北京理工大学化学与化工学院，中华人民共和国北京。他于2009年从埃塞俄比亚迪雷达瓦大学获得化学学士学位，2014年从埃塞俄比亚哈拉迈亚大学获得无机化学硕士学位，在那里被任命为讲师和研究人员。他的研究集中在设计、合成和

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