新型氮杂冠醚近红外荧光探针 LCE1 用于铅离子检测的重要突破

来自相关研究团队开发了氮杂冠醚基近红外荧光探针 LCE1 检测 Pb2+，实现多场景检测，意义重大。

　　铅离子（Pb²⁺）作为一种重金属离子，因其高毒性、易生物富集以及不可生物降解性，对生态系统和人类健康构成极大威胁。Pb²⁺广泛应用于汽油、电池、颜料、化妆品、食品添加剂、玩具等常见材料中，人们可从环境和食物中摄入并在体内积累。即便极少量的 Pb²⁺，也会引发诸多健康问题，如神经损伤、肾衰竭、心血管损害、生殖功能障碍和发育困难等。例如，在儿童神经系统发育阶段，Pb²⁺会对其大脑造成严重损害。世界卫生组织规定饮用水中 Pb²⁺的最大摄入量为 10 μM。此外，由于 Pb²⁺的广泛使用和富集，许多土壤受到污染，导致 Pb²⁺在植物中生物积累，并通过食物链危及人类健康。

检测环境水、食品和植物样本中的 Pb²⁺水平，对于减轻环境影响和保障公众健康至关重要。目前，检测 Pb²⁺的方法主要包括原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）、反相高效液相色谱法（RP-HPLC）和溶出伏安法。尽管这些传统方法在检测 Pb²⁺时性能令人满意，但大多数技术需要复杂的预净化过程，或依赖大型精密设备，成本高昂、耗时久，且不适合现场和便携式应用。此外，传统分析方法也不适用于生物体内 Pb²⁺的原位、无创实时检测，这是体内 Pb²⁺检测面临的关键难题之一。因此，开发新的原位快速测定 Pb²⁺的方法，对环境监测和人类健康意义重大。近年来，基于纳米材料的传感器在 Pb²⁺检测的高灵敏度方面取得了快速进展，但存在稳定性较差和生物相容性不佳的问题。相比之下，荧光探针因其响应迅速、灵敏度高和选择性好等独特优势，在生物学、食品和环境等荧光研究领域得到广泛应用。智能手机辅助的响应探针可用于环境样本中 Pb²⁺的现场检测。然而，目前能够高精度、快速且现场检测食品和环境系统中 Pb²⁺的荧光探针仍较为罕见，可用于铅超积累植物中 Pb²⁺荧光成像的近红外荧光探针更是未见报道。

在此，研究人员通过 (2 - 二氰基亚甲基 - 3 - 氰基 - 4,5,5 - 三甲基 - 2,5 - 二氢呋喃)（TCF）与氮杂冠醚衍生物的 Knoevenagel 缩合反应，开发出一种用于检测 Pb²⁺的氮杂冠醚基近红外荧光探针 LCE1。加入 Pb²⁺后，探针 LCE1 可与 Pb²⁺形成 1:1 的络合物，抑制分子内电荷转移（ICT）效应，降低其荧光强度，从而实现对 Pb²⁺的检测。以 LCE1 为探针，实现了对实际食品和水样中 Pb²⁺的定量测定，回收率良好。同时，借助基于智能手机辅助的 LCE1 试纸条技术，实现了水样中 Pb²⁺的现场快速测定。值得注意的是，利用探针 LCE1 还实现了细胞和动物中 Pb²⁺的荧光成像。最重要的是，成功展示了在重金属超积累植物中 Pb²⁺的荧光成像。

探针 LCE1 和 LCE2 的合成
2 - 二氰基亚甲基 - 3 - 氰基 - 4,5,5 - 三甲基 - 2,5 - 二氢呋喃（TCF）、化合物 1 和化合物 2 采用先前报道的方法合成。将 TCF（1 mmol，0.199 g）和化合物 1（1 mmol，0.398 g）溶解于 25 mL 乙醇中，向反应混合物中加入 100 μL 吡啶，然后回流 10 小时。过滤出混合物中形成的深绿色沉淀，并用乙醇洗涤，得到探针 LCE1（0.463 g，产率 80%）。¹H NMR（400 MHz，DMSO-d₆）δ（ppm）：9.48（单峰，1H），8.58（单峰， ）

LCE1 和 LCE2 对 Pb²⁺的设计策略、合成及选择性研究
氮杂冠醚常被用作 Pb²⁺探针的识别基团，因其能够为 Pb²⁺提供潜在的配位位点。高效的分子内电荷转移（ICT）效应可使荧光探针分子产生长波长荧光发射。基于上述考虑，以氮杂冠醚为识别基团，通过 Knoevenagel 反应合成了两种基于 ICT 的荧光探针 LCE1 和 LCE2。

结论
综上所述，成功开发了一种基于氮杂冠醚的近红外荧光探针 LCE1 用于检测 Pb²⁺。在 Pb²⁺存在的情况下，探针 LCE1 可与 Pb²⁺形成 1:1 的络合物，阻断 ICT 效应，降低探针 LCE1 的近红外荧光，从而实现对 Pb²⁺的检测。LCE1 在 Pb²⁺检测方面表现出优异的性能，如近红外发射（λ_em = 670 nm）、高选择性和灵敏度（检测限 = 0.34 μM）以及快速响应时间。

作者贡献声明
Yueyuan Zhang：撰写初稿、方法学、调查研究、数据整理。Huacong Wei：可视化、方法学、调查研究。Yu Li：可视化、调查研究。Zhuye Shang：撰写初稿、监督、获取资金、形式分析、概念构思。Run Zhang：撰写评审和编辑、监督、获取资金、形式分析、概念构思。Zhiqiang Zhang：获取资金。Qingtao Meng：撰写评审和编辑、监督、资金 。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到辽宁省高校功能材料重点实验室开放基金项目（2024KFKT - 10）的支持。