新型双腙席夫碱化学传感器用于亚硝酸盐高选择性比色与荧光检测及其环境、生物和食品样品应用

《RSC Advances》：A bis-hydrazone Schiff base chemosensor for highly selective and sensitive colorimetric and fluorometric detection of nitrite for environmental, biological, and food sample applicationsOpen Access

　　

一种新型对称双腙席夫碱探针，2,2′-((1E,1′E)-((1,2-二苯基乙烷-1,2-二亚基)双(肼-2,1-二亚基))双(甲亚基))双(4-硝基苯酚)（L），被成功合成，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）光谱、电喷雾电离质谱（ESI-MS）、元素分析以及密度泛函理论（DFT）计算进行了全面表征。探针L通过比色和荧光响应，在多种金属离子和阴离子存在下，对亚硝酸根（NO₂^?）表现出很好的选择性和灵敏度。比色检测限为1.38 × 10^?6 M，而荧光检测限为1.97 × 10^?6 M。在CH₃OH–H₂O（1∶1，v/v）介质中，利用BindFit对紫外-可见滴定数据进行分析，得出结合常数为1.50 × 10⁴ M^?2。所提出的传感机制涉及氢键辅助的主-客体加合物形成，该过程增强了分子内电荷转移（ICT）和氢键诱导的荧光增强，从而产生显著的光学响应。此外，该传感器在加标水样和食品样品以及真实样品菠菜提取物中均表现出优异的分析性能，获得了良好的回收率，证实了其在亚硝酸盐实际测定中的可靠性。另外，探针L在牛血清白蛋白（BSA）识别、阿奇霉素检测以及可逆分子逻辑门构建方面显示出有前景的应用，展示了其多功能传感能力。

亚硝酸盐（NO₂^?）是全球氮循环中的重要中间体，在环境、工业、农业和生物过程中扮演着重要角色。由于化肥使用、工业排放、污水污染以及含氮物质的分解，亚硝酸盐频繁在饮用水、地下水、河流、湖泊、废水和农业土壤中被检出。过量的亚硝酸盐暴露会通过将血红蛋白氧化为高铁血红蛋白而带来严重的健康风险，可能导致高铁血红蛋白血症，尤其对婴幼儿危害更大。在酸性胃液条件下，亚硝酸盐可与仲胺和酰胺形成致癌和致突变的N-亚硝胺。长期暴露与癌症、心血管疾病、甲状腺功能障碍、呼吸系统并发症和氧化应激有关。因此，严格的允许限值要求对亚硝酸盐进行可靠的监测。

目前已发展出多种测定亚硝酸盐的分析技术，包括分光光度法、色谱法、电化学传感和荧光光谱法。虽然Griess法简单可靠，但传统方法往往需要精密仪器和耗时的操作流程。因此，开发灵敏、选择性好、经济且快速的传感平台具有重要意义。在用于化学传感的各类分子识别体系中，席夫碱因其合成简单、结构多样、成本低和可调的光学性质而备受关注。其特有的甲亚胺（–C═N–）官能团，通常伴随额外的N、O或S供体位点，能够与多种分析物发生有效相互作用。此外，对分子骨架进行适当取代可以调节席夫碱的电子和光物理性质，使其成为比色和荧光传感的理想平台。相应地，已有大量席夫碱衍生物被开发用于检测金属离子、阴离子和生物相关物种。

席夫碱探针对分析物的识别会扰动其电子结构，并通过光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）、螯合增强荧光（CHEF）或荧光猝灭等过程产生可测量的吸收或荧光变化。这类体系已被广泛研究用于识别环境和生物相关阴离子，包括氟离子（F^?）、氯离子（Cl^?）、溴离子（Br^?）、亚硫酸氢根（HSO₃^?）、磷酸根（PO₄^3?）、硫酸根（SO₄^2?）、硝酸根（NO₃^?）、乙酸根（OAc^?）、碳酸根（CO₃^2?）、硫离子（S^2?）和氰离子（CN^?）。相比之下，尽管亚硝酸盐具有重要的环境和健康意义，但用于选择性识别NO₂^?的席夫碱探针的开发仍相对较少。

NO₂^?独特的化学反应活性，包括其参与重氮化、氢键和氧化还原过程的能力，为选择性分子识别和光学信号产生提供了机会。因此，将合适的芳香胺、腙和酚羟基官能团合理引入分子探针中，可能实现有效的亚硝酸盐识别，并伴随明显的比色和/或荧光响应。

在此背景下，研究人员设计并合成了一种新型对称双腙席夫碱——2,2′-((1E,1′E)-((1,2-二苯基乙烷-1,2-二亚基)双(肼-2,1-二亚基))双(甲亚基))双(4-硝基苯酚)（L），作为NO₂^?的双模式光学探针。探针L在扩展的π共轭骨架中包含了甲亚胺和腙官能团、酚羟基以及吸电子的硝基取代基。这种供体-受体结构为NO₂^?提供了潜在的相互作用位点，同时能够实现分析物诱导的电子结构调节，进而影响L的吸收和荧光性质。因此，研究人员对该分子体系进行了研究，以探索其选择性比色和荧光检测NO₂^?的能力，及其在环境和食品样品中的潜在应用。

研究人员通过苯偶酰二腙与2-羟基-5-硝基苯甲醛的1∶2缩合反应合成了探针L，并通过元素分析、FTIR、¹H-NMR、¹³C-NMR和ESI-MS确认了其结构。DFT计算显示，探针L具有稳定的高度共轭分子结构，HOMO主要位于中心苯偶酰核心、甲亚胺连接体和相邻芳环上，而LUMO则主要位于硝基取代的水杨醛亚胺环和甲亚胺部分，表明存在有效的ICT过程，且HOMO-LUMO能隙（ΔE）为0.1268 eV，反映了其高度共轭性质。

在比色和紫外-可见吸收研究中，向探针L的CH₃OH–H₂O（1∶1，v/v）溶液中加入5倍当量的各种阴离子后发现，只有NO₂^?引起明显的颜色变化，从浅黄色变为深黄色，而其他阴离子几乎不引起变化。紫外-可见滴定实验显示，随着NO₂^?浓度的增加，在370–430 nm区域逐渐出现新的宽吸收带，并在349 nm处形成清晰的等吸收点，表明形成了稳定的L-NO₂^?加合物且无中间体。检测限计算为1.38 × 10^?6 M，明显低于世界卫生组织（WHO）推荐的允许限值。通过BindFit拟合和Job图分析，确定了L与NO₂^?之间的结合计量比为1∶2，结合常数为1.50 × 10⁴ M^?2。竞争实验表明，共存阴离子对NO₂^?的识别无明显干扰，证明探针L具有优异的抗干扰能力和高选择性。pH效应研究表明，在pH 2–12范围内，L-NO₂^?体系在碱性条件下响应更强，归因于酚羟基的脱质子作用增强了ICT过程。可逆性实验表明，通过交替加入NO₂^?和HCl，吸收光谱可循环恢复，说明探针L具有优异的可逆识别和再生能力。

荧光研究方面，探针L在300 nm激发下于407 nm处呈现弱发射。随着NO₂^?的逐步加入，407 nm处的荧光强度系统性地增强，且校准曲线线性良好（R2 = 0.998），荧光检测限为1.97 × 10^?6 M。荧光增强机制归因于NO₂^?与酚羟基的氢键作用使分子骨架刚性化，抑制了非辐射衰变路径，同时增强了ICT过程，从而促进辐射跃迁。可逆性实验也进一步证实了荧光响应的可逆性。

结合计量比和结合机制研究表明，探针L通过两个酚羟基与两个NO₂^?形成氢键辅助的1∶2主-客体配合物。1H-NMR滴定显示，加入约2.0当量NO₂^?后，酚羟基质子信号完全消失，同时甲亚胺和芳基质子信号发生明显上移，证实了NO₂^?与酚羟基的强相互作用以及共轭骨架电子环境的改变。该超分子配合物的形成增强了从酚盐/腙供体到缺电子硝基芳烃受体的ICT，导致吸收带红移和颜色变化；同时氢键辅助的络合限制了分子内旋转和振动，抑制了非辐射弛豫，导致荧光显著增强。加入HCl可使配合物解离，恢复原始光谱，证明传感过程基于非共价超分子相互作用，完全可逆。时间效应研究表明，探针L对NO₂^?的响应几乎是瞬时完成的，且在至少10分钟内保持稳定，表明其适用于快速检测。

在应用方面，探针L对牛血清白蛋白（BSA）表现出荧光增强响应，归因于探针与BSA疏水结合口袋之间的氢键、疏水作用和π–π堆积等非共价相互作用，限制了分子内运动并促进了辐射衰变。在加标水和实际样品分析中，探针L对自来水、池塘水中的NO₂^?加标回收率在99.20%–100.10%之间，相对标准偏差（RSD）不超过0.50%；对菠菜提取物的分析结果与Griess法一致。在药物检测方面，探针L与阿奇霉素作用后，紫外-可见吸收光谱出现新吸收带，表明形成了电荷转移配合物，检测限为6.30 × 10^?7 M，结合常数为4.00 × 10⁵ M^?1。此外，探针L还成功构建了基于NO₂^?和HCl输入的可逆分子逻辑门，分别实现NOT–NOR和NOT–AND逻辑运算。在食品样品分析中，研究人员选择了芒果、荔枝、青枣、菠萝蜜、木瓜、甜菜根、亚洲梨、葫芦、秋葵和黄瓜等水果和蔬菜样品，加标5、10和15 μM NO₂^?后的回收率为97.40%–100.13%，RSD为0.31%–0.74%，表明该方法在不同食品基质中具有良好的准确性、精密度和重现性。

与文献报道的代表性NO₂^?传感器相比，尽管部分探针具有更低的检测限，但探针L提供了简单廉价的双腙骨架、简便的合成、高选择性和灵敏度、互补的裸眼比色与荧光响应以及可逆性等优势的组合，并且在加标环境和食品基质中的满意性能进一步支持了其实用性。总之，研究人员成功合成并全面表征了新型双腙席夫碱探针L，并将其用作NO₂^?的高效双模式比色和荧光化学传感器，具有优异的选择性和灵敏度，检测限分别为1.38 × 10^?6 M（紫外-可见）和1.97 × 10^?6 M（荧光）。传感机制基于氢键介导的主-客体相互作用，诱导ICT和氢键诱导的荧光增强。该传感器在加标水样、菠菜提取物和食品样品中表现出优异的分析性能，同时展示了在BSA识别、阿奇霉素检测和可逆分子逻辑门构建方面的多功能应用潜力。