一种由美国电气和电子工程师协会(AIEE)推荐的活性2-氨基肉桂酸,可通过山田反应(Yamada reaction)促进的偶联-环化反应来检测二乙基氰膦酸盐(Diethyl cyanophosphonate),从而实现实时神经毒性检测

《Journal of Molecular Structure》:An AIEE active 2-Aminocinnamic acid for detecting Diethyl cyanophosphonate via Yamada reaction-facilitated coupling-cyclization for real-time nerve-toxic sensing

【字体: 时间:2025年11月06日 来源:Journal of Molecular Structure 4.7

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  2-氨基肉桂酸(NH?-CA)通过形成分子间氢键产生显著的聚集诱导发光增强(AIEE)效应,结合Yamada反应实现1.28 nM检测限的DCNP特异性检测,并成功开发便携式试纸条与智能手机联用平台进行现场气体检测。

  
沈傲|王静|李睿|杭梦梦|罗凯|曾代|邢爱萍|袁娟
河南中医药大学药学院,中国郑州450046

摘要

2-氨基肉桂酸(NH?-CA)是一种常见的化合物,具有多种生物活性,如抗菌、抗氧化、抗炎、促进消化和辅助调节血糖等作用。然而,在荧光检测领域对其的研究仍然较少。本研究发现,NH?-CA具有高效的聚集诱导发射增强(AIEE)效应,这主要归因于分子间氢键的形成,这些氢键限制了分子内的旋转。此外,基于山田反应(Yamada reaction),NH?-CA能够特异性检测二乙氧基膦酰甲腈(DCNP),其检测限为1.28 nM。该过程通过DCNP触发的羧酸活化反应实现,随后发生共价组装环化,生成弱荧光产物。利用其AIEE特性,研究人员制备了便携式试纸,并将其与智能手机平台集成,实现了现场实时检测气态DCNP的功能。

引言

神经性毒剂作为毒性最强的化学战剂,通过抑制乙酰胆碱酯酶导致死亡,尽管受到国际禁令,但仍对安全构成威胁,因此亟需开发简单有效的检测方法[[1], [2], [3], [4]]。目前,已有多种技术方法用于神经性毒剂的检测,包括气相色谱法[5]、离子迁移谱[6]、表面增强拉曼光谱[7]和比色法[8],但这些方法存在设备庞大、需要专业操作以及现场应急响应延迟等局限性。相比之下,小分子荧光探针具有分析速度快、灵敏度高、选择性优异、操作简便和成本相对较低等优点[[9], [10], [11], [12], [13]];其易于合成和成本可控的特点使其在应用中具有显著优势。其中,聚集诱导发射增强(AIEE)探针通过限制聚集状态下的分子运动,有效克服了传统荧光材料因聚集而导致的荧光衰减问题,即使在固体或高浓度环境中也能保持较高的信噪比,已被广泛用于环境污染物、食品污染物和生物标志物的痕量检测[[14], [15], [16]]。这些优点使得AIEE探针在神经性毒剂检测领域具有广阔的应用前景[[12,13]]。二乙基氰膦酸酯(DCNP)是一种常用的神经性毒剂模拟物,目前已开发出多种芳香族AIEE分子,但这些分子通常具有大体积取代基和高度扭曲的构象[17,18],合成过程复杂,限制了其快速应用。同时,缺乏此类结构特征的AIEE活性芳香族分子在DCNP检测中的应用仍待探索。此外,AIEE荧光团通常受溶剂影响(在水溶液中荧光增强而在有机溶剂中荧光减弱),这与DCNP需要在有机溶剂环境中发挥作用的特点相矛盾[[21], [22], [23], [24]]。现有的DCNP荧光探针依赖于氨基/羟基与DCNP之间的磷酸化反应,但生物系统中的多种亲核基团会干扰这一反应,导致特异性不足[[24], [25], [26], [27], [28], [29]]。因此,开发具有反向响应特性(“在有机溶剂中荧光增强/在水溶液中荧光减弱”)且不含氨基/羟基反应位点的新型AIEE荧光探针对于精准检测DCNP至关重要。
有趣的是,DCNP可作为山田反应试剂参与缩合反应,激活羧基并与胺类化合物缩合生成酰胺产物[[30], [31], [32]]。该反应条件温和,适用于酸碱敏感的底物,选择性高,副产物少,为DCNP检测提供了新的活性位点,且不依赖于羟基或氨基。最近,我们的研究小组还报道了几种基于“共价组装”策略的荧光探针[[33], [34], [35]],这些探针表现出显著的荧光变化,具有高灵敏度和良好的选择性,且无背景干扰。
2-氨基肉桂酸(NH?-CA)具有多种生物活性,如抗菌、抗氧化、抗炎、促进消化和辅助调节血糖等作用[[36,37]]。然而,在荧光检测领域的相关研究仍然较少。本研究发现,NH?-CA在固态下具有强烈的荧光发射(图1所示)。结构分析表明,NH?-CA以二聚体形式存在,是一种高度结晶的AIEE分子。利用DCNP引发的羧酸活化作用,NH?-CA的氨基发生共价组装环化,生成RC-CA,从而产生荧光信号变化,建立了DCNP检测体系。此外,利用这些探针制备了便携式固态荧光试纸,实现了现场实时检测气态DCNP的功能。
图2

仪器与材料

二乙氧基膦酰甲腈、5-羟基-1-茚酮、亚硫酸氢钠、DMSO-d?和甲醇购自J&XK Chemicals;溶剂购自北京化学试剂公司。1H和13C核磁共振光谱:Bruker 400 MHz核磁共振光谱仪。ESI-HRMS:Bruker ESI-HRMS光谱仪。单晶X射线衍射:Bruker smart Apex,结构解析使用ShelXT软件。荧光光谱:Hitachi F-4500荧光光谱仪。扫描电子显微镜:Gemini 300显微镜。紫外光谱:Hitachi U-3900紫外-可见光谱仪。
NH?-CA的合成
(1)

NH?-CA的AIEE特性研究

为了验证NH?-CA是否具有AIEE效应,采用了固态荧光光谱、寿命测量、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等技术。具体而言,如图1a插图所示,NH?-CA在固态下表现出强烈的荧光发射峰(位于470 nm)。通过系统研究类似肉桂酸衍生物的荧光特性

4. 结论

总之,NH?-CA是一种新型的AIEE活性分子,其强固态荧光特性源于其有序的分子排列。本研究打破了传统认知,表明简单的芳香族分子也能具备优异的AIEE性能,为分子设计提供了新的思路。基于山田反应,NH?-CA能够特异性检测DCNP,其检测限为1.28 nM。
未引用的参考文献
[19,20]

CRediT作者贡献声明

沈傲:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 初稿,资金获取,数据管理。王静:数据分析,数据管理。李睿:实验研究,数据管理。杭梦梦:撰写 – 初稿,数据可视化,实验研究。罗凯:项目管理,方法设计,实验研究。曾代:项目监督,资源协调,项目管理,实验研究。邢爱萍:项目监督,软件应用,数据管理。袁娟:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 初稿

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号22101076)和河南省自然科学基金(项目编号252300420129、252300421620、202300410261)的支持。
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