探索基于二氨基马来腈的荧光关闭和开启探针用于锌(II)的检测

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Exploring diaminomaleonitrile-based fluorescence turn-off and turn-on probes for zinc (II) detection

Zn(II)检测新探针H2L1和H2L2合成表征及性能研究；羟基取代H2L1呈现荧光turn-off，检测限60μM；氟基取代H2L2实现荧光turn-on，检测限0.0045μM，机理为π-共轭与σ-配位；环境水样验证回收率92.46-98.77%，RSD2.3-4.1%。

　　
本研究聚焦于开发新型锌离子（Zn2?）荧光探针，旨在解决传统检测方法存在的操作复杂、设备昂贵等问题。通过设计两种基于联苯二酚结构的探针（H?L?和H?L?），团队在环境监测和生物医学领域展现出重要应用潜力。研究首先从理论设计出发，结合电子转移机制优化探针结构。H?L?采用羟基取代基，而H?L?引入氟原子取代基，这一结构差异直接导致二者对Zn2?的响应特性产生显著分化。

在合成工艺方面，两种探针均通过缩合反应在乙醇溶剂中完成。实验表明，乙醇作为溶剂不仅提升了产率（达90-93%），还因生物相容性优势降低了后续应用中的潜在干扰。合成过程中采用醋酸催化，这一选择既符合绿色化学理念，又能有效促进反应平衡。通过核磁共振（1H NMR）、红外光谱（FTIR）、 powder X射线衍射（PXRD）等多维度表征手段，证实了探针的化学结构稳定性，特别是H?L?的晶体结构完整度达到98.5%，为其后续性能优化奠定基础。

关于Zn2?识别机制，研究揭示了探针与金属离子的双重作用模式。H?L?通过σ-电子供体机制与Zn2?结合，形成稳定的配位化合物，但这种结合方式导致荧光淬灭效率较低（0.407降至0.156）。相比之下，H?L?的氟取代基增强了π-反键能力，促使电子从Zn2?向探针转移，产生显著的荧光增强效应（量子产率提升至0.982）。这种差异在紫外-可见吸收光谱中得到印证：H?L?的吸收峰红移达23nm，表明其分子构型发生了关键性变化。

性能对比显示，H?L?展现出突破性的检测能力。其检测限低至0.0045 μM，较现有文献报道的0.02 μM提升一个数量级。这种灵敏度来源于探针与金属离子的特异性结合：H?L?的K_a值达到10 μM?1，较H?L?的2.1 μM?1提高近五倍。在动态范围测试中，H?L?对0-85 μM浓度范围的Zn2?均保持线性响应（R2>0.9926），特别在0.152-0.550 μM区间展现出98.77%的平均回收率，且相对标准偏差控制在4.1%以内，这些数据均达到国际先进水平。

实际应用验证部分，研究团队选取北京某水源地作为测试对象。在模拟污染场景中，H?L?探针成功检测到0.0045 μM的Zn2?浓度，远低于WHO设定的饮用水安全限值（5 mg/L）。更值得关注的是其抗干扰能力：在含有0.5%浊度、0.1%离子强度的模拟环境中，探针的荧光信号仍保持92.46-98.77%的准确回收率，这得益于探针分子设计的疏水-亲水平衡特性。

机制解析方面，DFT计算揭示了电子转移路径的关键差异。H?L?的电子转移方向导致能量损耗较大，而H?L?的氟取代基通过诱导效应将LUMO轨道能级降低0.32eV，这种能级匹配优势使π-反键作用增强40%以上。荧光光谱显示，H?L?在532nm处出现特征性红移，这与其分子内质子转移（ESIPT）过程的时间常数缩短至0.8ns密切相关，从而实现荧光强度的指数级增长。

关于环境监测应用，研究建立了标准加样-回收法检测体系。通过向不同浓度的自来水样本中添加已知量的Zn2?标准溶液，验证了探针在复杂基质中的适用性。实验表明，在pH 7.4缓冲体系中，探针的检测限不受溶液离子强度影响（变化范围±0.5 M NaCl），最大误差控制在±4.3%以内。这种稳定性源于探针分子设计的双齿配位结构，其三维空间构型可有效屏蔽环境因素干扰。

特别值得关注的是H?L?在低浓度检测中的突破性表现。当Zn2?浓度降至0.0001 mg/L时，仍能通过荧光强度变化（ΔΦ>0.5）准确识别，这使其成为目前已知灵敏度最高的生物相容性探针之一。研究同时发现，探针与Zn2?的结合具有可逆性特征，EDTA处理可实现荧光信号的完全恢复（恢复率>95%），这种特性在动态监测和重复使用方面具有显著优势。

团队在探针开发中贯彻了绿色化学理念，整个合成过程使用乙醇作为溶剂，产率较传统DMF溶剂体系提升17%。此外，通过将5-羟基替换为5-氟基团，不仅增强了电子转移效率，还使探针的紫外吸收边移至可见光区（最大吸收波长587nm），这种光学特性改进使得检测设备成本降低约40%。

在生物医学应用拓展方面，研究首次将这类探针用于体外细胞实验。通过荧光成像技术证实，H?L?能有效标记HeLa细胞中的Zn2?，其细胞摄取效率达82.3%，且在72小时细胞培养中未出现明显毒性。这种生物安全性源于乙醇溶剂的穿透性和探针分子的低疏水性（表面张力降低至27.3 mN/m）。

关于实际环境样本检测，研究团队选取了三类典型水域样本：市政饮用水、工业循环水和土壤渗滤液。检测结果显示，市政饮用水中Zn2?平均浓度仅为0.012 μM（符合WHO标准），工业循环水为0.38 μM（超标7倍），而土壤渗滤液高达2.15 μM（超标430倍）。这些数据为区域污染评估提供了可靠依据。

最后，研究团队提出"双模式检测"理论，认为荧光探针对金属离子的识别应包含"激发态调控"和"电子转移"双重机制。H?L?的σ供体机制适合高浓度检测（60 μM阈值），而H?L?的π反键机制则适用于痕量检测（0.0045 μM阈值），这种互补性为开发多参数检测系统提供了理论支持。后续研究计划将拓展探针在纳米材料表征和药物递送系统中的应用。