阐明显性螯合诱导猝灭的具有 AIEE 活性的安替比林基荧光传感器用于 Cu2?的选择性“关”型检测：一种综合光谱学和理论方法

《Dyes and Pigments》：Elucidating the Chelation-Induced Quenching of AIEE Active Antipyrine Based Fluorescent Sensor for Selective "Turn-Off" Detection of Cu2+: A Comprehensive Spectroscopic and Theoretical Approach

　　

•传感器HMA通过螯合诱导淬灭机制对Cu2?离子具有高选择性。
•Cu2?的灵敏度测定得到的检测限为166 nM。
•传感器HMA表现出溶剂变色效应和聚集诱导发射增强（AIEE）行为。
•广泛的DFT分析阐明了非共价相互作用。
•荧光传感器HMA被开发用于固相检测试纸条、环境样品和食品样品中Cu2?离子的检测。

**引言**

重金属在环境中长期持久存在，意味着它们不可生物降解，并倾向于在生物体和食物链中积累。它们可能在骨骼、毛发以及一些软组织（如肾脏、肝脏、大脑或肺部）中积累。重金属的主要来源是人类活动源（采矿、冶炼、工业、民用和农业化合物），这些来源含有金属[1, 2]。铜是含量第三丰富的重金属，已被广泛用作杀藻剂、水质净化剂以及杀线虫剂和抗真菌剂[3]。它在人体代谢中也发挥重要作用，主要作为金属酶（包括酪氨酸酶、细胞色素c、超氧化物歧化酶和赖氨酰氧化酶）的辅因子[4]。由于这些广泛应用，铜离子通过工业废水、采矿活动和家用废水不断释放到环境中。在释放到土壤和水系统后，铜与有机物强烈结合，可通过植物和动物轻易进入食物链[5]。在正常情况下，Cu2?离子对人体无毒，但缺乏和过量均可能产生负面健康后果[6]。然而，过量摄入Cu2?离子可能导致腹泻、呕吐和腹痛[7]。过量使用也可能导致铜在动物组织和器官中沉积，引起铜中毒。铜离子通过线粒体功能障碍诱导的氧化应激引起细胞凋亡和自噬[8]。此外，铜通过与氧化型三羧酸循环蛋白相互作用引起细胞死亡，这一过程称为铜死亡[9]。相反，铜缺乏会影响生物系统，包括骨髓造血、视神经功能和神经系统[10, 11]。健康人体中铜的平均浓度为100–150 μg dL?1[12]。为保护公众健康，世界卫生组织（WHO）建议饮用水中Cu2?离子的最大可接受浓度不得超过2 mg L?1[13]。因此，对环境及生物样品中Cu2?离子的适当监测和检测具有重大意义。

此前，研究人员已探索了多种铜的检测分析技术[5]。各种方法，如原子吸收光谱法[14]、电感耦合等离子体质谱法[15]、气相色谱-质谱联用法[16]、伏安法[17]和高效液相色谱法[18]，已被用于检测Cu2?离子。然而，大多数传统方法存在一些实际局限性，如仪器维护和保养复杂且耗时、溶剂消耗量大、需要昂贵的仪器设备以及经验丰富的技术操作人员。这促使人们越来越需要开发低成本、快速且高灵敏度的Cu2?离子检测方法。在此背景下，荧光传感因具有显著的灵敏度和环境相容性而日益受到关注，促进了分析应用的发展[19]。因此，近年来荧光传感器被越来越广泛地应用于金属离子检测，得益于其简便、低成本、响应快速、高灵敏度和高选择性[20]。已有不同类型的荧光传感器被报道用于检测Cu2?离子，包括罗丹明衍生荧光体[21, 22, 23]、聚合物基传感器、金属有机框架（MOFs）[24, 25]、碳点[26, 27, 28, 29]以及AIE活性发光体[30]。尽管如此，许多先前报道的Cu2?检测荧光传感器存在不足之处，包括合成工艺复杂、在水环境中选择性低、光稳定性差以及检测限相对较高。然而，许多传统有机荧光体存在聚集导致淬灭现象，即荧光分子在溶液中表现出发射行为，但在聚集状态下发生淬灭，从而限制了它们在水相和固态系统中的实际应用[31]。2001年Tang等人发现聚集诱导发射增强后，这种材料的优越性能克服了聚集导致的发射淬灭效应[32]。聚集诱导发射（AIE）是一种非传统的荧光效应，其中有机荧光分子在溶液相中表现出弱荧光，但在聚集或固态相中表现出强荧光。这种增强是由分子内旋转受限（RIR）所解释的，从而阻止了非辐射失活途径[33]。

席夫碱是一类有价值的目标化合物，因其在分析、生物和配位化学中具有多样化的应用而受到关注。这些化合物在医药研究领域引起了极大兴趣，用于开发具有无与伦比的生物功能多样性的创新结构，如抗菌[34]、抗真菌[34]、抗氧化、抗癌[35]、抗炎[36]和抗结核[37]活性。除了生物应用外，席夫碱还作为合成中间体用于功能材料的合成，包括光学材料[38]、催化剂[39]和染料敏化太阳能电池中的光敏剂[40]。它们 versatile 的结构框架和稳健的缩合化学反应促进了席夫碱功能基团（CH=N）在各种分子骨架中的形成，如对乙酰氨基酚基分子骨架。此外，4-氨基安替比林（4-AAP）的氨基功能易于与醛发生缩合反应，生成对乙酰氨基酚基席夫碱衍生物，这对于结构修饰和功能化安替比林骨架非常有用。在此框架内，4-氨基安替比林衍生物构成了一类重要的目标分子，广泛应用于分析领域，如水质监测和其他环境研究[41]、制药行业[41]、光物理和荧光传感以及结构和材料科学[42]。

在此，我们报道了一种"关闭型"荧光传感器HMA的合成，并通过光谱技术对其进行了充分表征。该传感器具有供体-π-受体架构，表现出强烈的溶剂变色效应，为激发态分子内电荷转移（ICT）提供了明确证据。然而，随着Cu2?离子的逐步添加，供体位点的螯合作用通过螯合诱导荧光淬灭（CHQF）机制破坏了推拉电子系统，实现了68 nM的检测限（LOD）。如表S1所示，传感器HMA展现出卓越的性能，与文献中报道的现有方法相比具有显著更高的灵敏度和更低的检测限。Cu2?的顺磁性特征导致非辐射衰减增加和强金属配体配位，使得Cu2?结合时产生荧光淬灭。荧光传感平台的适用性可以通过评估其在复杂实际样品中的应用来进一步验证，这需要令人满意的回收率来评估实际分析可靠性[43]。在这方面，HMA传感器被发现具有高灵敏度，这应支持其在环境和生物检测系统中高效可靠地检测Cu2?离子的潜在应用。

**节选部分**

**2-羟基-4-甲氧基苄叉基-4-氨基安替比林（HMA）的合成**

在一个装有磁力搅拌棒和回流冷凝器的50 mL圆底烧瓶中，将4-氨基安替比林（2.0 mmol，406.48 mg）的15 mL乙醇溶液加入到2-羟基-4-甲氧基苯甲醛（2.0 mmol，304.3 mg）的10 mL乙醇热溶液中。加入两滴冰醋酸以加速反应。反应混合物在回流条件下加热4小时，通过薄层色谱（TLC）监测反应进程。黄色

**化学**

目标传感器HMA通过酸催化的席夫碱缩合反应高效制备，反应物为4-氨基安替比林1和2-羟基-4-甲氧基苯甲醛2，以冰醋酸为催化剂在乙醇中进行（方案1）。通过该机制，4-氨基安替比林1的伯氨基对2-羟基-4-甲氧基苯甲醛2的亲电羰基碳进行亲核进攻，形成碳醇胺中间体。在后续步骤中，质子转移过程中

**基于荧光计的检测途径**

对传感器HMA进行了滴定研究以评估其对金属离子的传感特性。为了研究对一系列阳离子的选择性，将传感器HMA（20 μM）溶解在DMF/H?O（3:7，v/v）介质中，并与不同的金属阳离子处理，如Cu2?、Hg2?、Ni2?、Mn2?、Fe3?、Cr2?、Pb2?、Co2?、Na?、Al3?、Cd2?、Sn2?、Al3?、Zn2?、Mg2?和Fe2?。系统观察了传感器HMA的光致发光行为以评估其传感行为。

**使用HMA涂层试纸条检测Cu2?**

为研究传感探针的实际能力，进行了试纸条实验。将TLC试纸条涂上含有传感器HMA的（100 μM）DCM溶液，并用热风枪在40°C下干燥8分钟以确保HMA传感器均匀分布。

HMA涂层试纸条在紫外光（365 nm）和（254 nm）下显示出强发射。TLC试纸条再次浸入含有Cu2?的（100 μM）DCM溶液中。当引入铜后，荧光

**结论**

已成功合成并通过对乙酰氨基酚基荧光传感器HMA，并通过NMR光谱和质谱技术进行了表征。传感器HMA在其他竞争性金属离子中对Cu2?离子表现出显著的适应性。当配位时，由于Cu2?与亚胺氮、羟基和羰基氧供体位点强结合，检测到强烈的荧光淬灭响应，这是由于螯合诱导荧光淬灭（CHQF）机制所致。传感机理

**CRediT作者贡献声明**

Sohail Anjum Shahzad：写作—审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，调查研究，概念构思。
Abdullah Yahya Abdullah Alzahrani：可视化，方法学，资金获取，形式分析。
Farah Khan：写作—初稿撰写，验证，方法学，调查研究。
Asad Muhammad Khan：方法学，调查研究。
Alam Shabbir：写作—初稿撰写，方法学，调查研究，形式分析。

**利益冲突声明**
? 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢King Khalid University研究与研究生事务学院通过大型研究项目（项目编号：RGP2/280/47）对本研究提供资金支持。

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