《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Luminous aggregates: A pyrene-Schiff's base probe for sub-nanomolar detection of nitro-imidazole antibiotics
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硝基咪唑类抗生素污染监测中，基于Pyrene-Schiff碱的荧光传感器DPySB通过dithiocarbamate基团与抗生素硝基还原的电子转移作用，结合聚集诱导发光特性实现选择性检测，检测限达亚纳米级，适用于环境与临床样本分析。
李娅·图拉卡尔（Liya Thurakkal）| 西吉莎·德维达斯（Sijisha Devidas）| 斯里拉克什米·维贾亚库马尔（Sreelakshmi Vijayakumar）| 明图·波雷尔（Mintu Porel）
印度喀拉拉邦帕拉卡德印度理工学院（Indian Institute of Technology Palakkad）化学系，邮编678623
摘要
抗生素耐药性是现代医学中的一个关键问题，主要由微生物突变以及由于抗生素过度使用导致的耐受性增强所驱动。抗生素在环境中的广泛存在和在牲畜中的使用进一步加剧了这一问题。其中，硝基咪唑类药物（一种常用的抗生素类别）对环境造成了严重的污染风险。因此，对于这些化合物的选择性检测方法的需求日益增长。在这项研究中，我们开发了一种能够选择性检测硝基咪唑类药物的发光传感器。我们结合了芘基团在聚集诱导发光（Aggregation-Induced Emission, AIE）和激子形成方面的特性，以及富含电子的二硫碳酰胺基团与硝基咪唑基团相互作用的特性，合成了一个含有二硫碳酰胺官能团的芘基席夫碱发光剂（DPySB）。通过多种技术研究了这些聚集体在DMSO中浓度增加时的形成机制以及激子形成过程。我们评估了该化合物与多种药物、金属、代谢物和氨基酸的相互作用，发现其对硝基咪唑类药物（包括二甲硝唑、替硝唑、甲硝唑、塞克硝唑和奥尼唑）具有高度选择性反应，表现为DPySB的荧光强度显著减弱。该传感器的检测限达到亚纳摩尔级别，显示出其在传感应用中的高通用性。
引言
抗菌素耐药性是当今最严重的公共卫生威胁之一，世界卫生组织（WHO）的最新统计数据显示，全球因抗菌素耐药性导致的死亡人数正在增加，尤其是由细菌感染引起的死亡。此外，耐药菌株引起的感染风险很高，因为它们对许多现代医疗程序（包括手术）构成了挑战。鉴于预防胜于治疗，减少抗菌素耐药性的原因至关重要。抗菌素耐药性增加的一个原因是它们通过各种途径（如制药废水和未使用药物的不当处理）进入环境并造成污染。这种污染不仅对水生生态系统构成威胁，还促进了耐药菌株的发展。
硝基咪唑类抗生素是一类在治疗各种细菌和寄生虫感染中起关键作用的药物[1]、[2]。它们的作用机制是在微生物细胞的厌氧条件下将硝基还原为细胞毒性的硝基自由基，从而导致DNA损伤和不稳定[3]。这些药物在对抗厌氧细菌和原生动物引起的感染方面发挥了重要作用，并在现代医疗保健中不可或缺[4]。然而，由于它们的广泛和无节制使用，出现了药物耐药性问题，因此需要加强对这些抗生素使用的严格监测[5]、[6]、[7]。解决这些负面影响的有效方法之一是监测和检测环境和临床样本中这些硝基咪唑类抗生素的存在[8]，这可以通过使用各种传感器来实现。
传感器是用于在制药、环境和工业领域定量和定性检测各种分析物的强大工具。在硝基咪唑类抗生素的背景下，传感器为快速和精确检测提供了有希望的途径[9]、[10]。在各种类型的传感器中，基于荧光的传感器具有灵敏度高、选择性强、非侵入性、样品需求低和实时监测等优点[11]、[12]。但是，为了使其对目标分析物具有选择性和灵敏度，深入了解荧光的机制以及传感器与分析物之间的相互作用非常重要。在荧光传感器领域，聚集诱导发光（AIE）化合物引起了广泛关注。与传统的荧光团不同，AIE化合物在聚集时其荧光强度反而增强，这一独特性质彻底改变了高效和选择性传感平台的设计[13]、[14]、[15]。
芘是一种多环芳烃，具有出色的光物理性质[16]、[17]。虽然芘本身在聚集时会导致荧光减弱，但经过适当功能化的芘则表现出聚集诱导发光现象。据报道，芘席夫碱（Pyrene Schiff's base）就是其中一种衍生物，在高水分条件下能够发生AIE[18]、[19]、[20]、[21]。由于检测分析物（如抗生素）的探针需要在水溶液中良好发挥作用，芘席夫碱是一个合理的选择，因为它在水溶液中表现出增强的荧光，从而提高了灵敏度。通过利用芘席夫碱的AIE特性，并结合富含电子的二硫碳酰胺基团和二苯基团，我们开发了一类专门用于选择性检测硝基咪唑类抗生素的新传感器。二硫碳酰胺基团具有多重作用：它增加了电子密度，延长了共轭长度，并提供了能够与抗生素中的缺电子硝基团进行特异性分子相互作用的杂原子（S和N）。除了二硫碳酰胺基团外，还引入了二苯基团以实现与分析物芳香基团的π–π相互作用。传感器的设计策略性地利用了这三个官能团的协同作用，它们单独与分析物的相互作用有限，但共同显著提高了传感器的整体效率。我们还详细研究了传感器在各种物理条件下的光物理特性及其与抗生素相互作用时的行为。通过这种跨学科方法，我们弥合了基于AIE的发光剂的基本物理化学原理与迫切需要的高效和选择性检测方法之间的差距，以减轻抗生素在水系统中的不利影响。
设计、合成与表征
该化合物的设计经过精心策划，以获得其预期应用所需的各种特性的协同组合。芘在稀释状态下具有较好的荧光性，但在聚集时会导致荧光减弱（ACQ）。通过对其结构进行适当的功能化调整，可以使其展现出优异的AIE特性。因此，引入二苯基基团起到了双重作用，即引入了有助于...
材料与方法
合成和研究所需的化学品从Sigma Aldrich、TCI Chemicals和Spectrochem购买，无需进一步纯化即可使用。药物从TCI Chemicals购买，以片剂形式提供，其纯度通过柱层析和高性能液相色谱法确认。核磁共振（NMR）在Bruker Ascend 400 MHz仪器上进行。所有荧光测量均在Perkin Elmer FL6500仪器上进行，扫描电子显微镜（SEM）图像由Carl Zeiss记录。
结论
总之，我们成功开发了一种基于芘的席夫碱发光剂，命名为DPySB，其中加入了二硫碳酰胺官能团。光物理研究表明，该化合物在DMSO溶液中以浓度依赖的方式形成激子，并且随着水浓度的增加表现出聚集诱导发光行为，导致在长波紫外光下颜色从无色变为亮蓝色。这一现象得到了...
CRediT作者贡献声明
李娅·图拉卡尔（Liya Thurakkal）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。西吉莎·德维达斯（Sijisha Devidas）：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。斯里拉克什米·维贾亚库马尔（Sreelakshmi Vijayakumar）：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理。明图·波雷尔（Mintu Porel）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
我们感谢印度帕拉卡德印度理工学院（Indian Institute of Technology Palakkad）提供的资助（2024-230-CHY-MIP-ERG-SP探索性研究基金）。同时感谢印度帕拉卡德印度理工学院（Indian Institute of Technology Palakkad）和印度马德拉斯印度理工学院（Indian Institute of Technology Madras）提供的分析仪器支持。
