用于超选择性汞离子（Hg2+）检测和活细胞成像的苯并咪唑鎓-丹磺酰杂化物的先进分子骨架结构

《Dyes and Pigments》：Advanced Molecular Scaffolding of Benzimidazolium-Dansyl Hybrids for Ultra-Selective Hg2+ Monitoring and Live-Cell Imaging

高效选择性汞离子荧光探针的合成及其应用研究

　　

Saurabh Vyas|Ishan Chaturvedi|Aastha Jadhav|Neeru Singh|Roli Mishra

印度古吉拉特邦高级研究所人文科学学院，邮编382426

摘要

本文报道了一种新型基于丹磺酰的化学传感器CS-1的设计与合成，该传感器通过荧光淬灭机制实现对Hg²⁺的高选择性检测。CS-1具有出色的抗干扰能力，即使在存在多种金属离子的复杂环境中，也能通过独特的信号衰减方式特异性识别汞离子。为了便于现场实际监测，我们开发了浸渍有CS-1的试纸条，可在紫外光照射下实现快速视觉检测。该探针表现出显著的稳定性，在不同的pH值和温度范围内均能保持光学性能。通过MCF-7和HeLa细胞系中细胞内Hg²⁺的荧光成像验证了CS-1的生物适用性，同时通过实际水样分析证明了其环境应用价值。此外，CS-1在EDTA处理后具有优异的可逆性，这表明其作为可重复使用诊断工具的潜力。

引言

快速定量识别镉[1]、铅[2]、铜[3]、氟化物[4]、氰化物[5]、亚铁[6]和汞[7]等有害物质已成为重要的研究领域。这一研究重点源于这些危险物质对公共健康和环境的严重威胁[8]。其中，汞是一种极具危害性的重金属污染物，以金属态（Hg²⁺）和有机态形式存在于自然界中，其来源包括有色金属冶炼厂、化工和农药企业、纺织工业、染料厂等[9]。由于高挥发性和溶解性，Hg²⁺是水体中汞污染的主要来源。在缺氧条件下，水生细菌等微生物会将其转化为甲基汞，这是一种强效神经毒素。甲基汞对人类健康和生态系统构成严重威胁，因为它会在水生生物体内积累并通过食物链传播[10]。美国环境保护署（EPA）规定饮用水中Hg²⁺的允许浓度为1 μg/L[11]。蛋白质和氨基磷脂中的巯基团在与Hg²⁺接触时会发生相互作用，导致多种健康问题，如神经毒性、内分泌紊乱、肾衰竭、水俣病和心血管疾病[12][13]。为了保护人类健康和自然环境，研究人员开发了多种传统技术和创新分析方法来有效监测环境水系统中的Hg²⁺离子。传统检测方法包括原子荧光光谱法和电感耦合等离子体光学发射/质谱法，这两种方法在复杂系统中对微量Hg²⁺的检测具有很高的灵敏度和准确性[14][15]。然而，这些技术存在样品制备复杂、检测过程繁琐以及需要专业技能等缺点。在线监测Hg²⁺的传统方法受限于仪器的高成本和复杂性。相比之下，比色检测、电化学分析和基于荧光的方法具有明显优势，如成本低廉、设备便携且易于使用。其中，荧光分析因其快速响应时间和优异的选择性而受到广泛关注[16][17][18][19]。最近，有研究报道基于罗丹明的有机分子可用于检测苦味酸（PA）和三磷酸腺苷（ATP），其可见的变化归因于螺内酯环的打开[20][21]。利用基于罗丹明的有机荧光探针可实时检测环境中的Hg²⁺[22][23]。虽然现有有机荧光探针在检测汞离子时存在其他离子干扰的问题，且通常需要有机或混合水溶液，但仍能在目标位置进行检测[24]。荧光成像能够高对比度地实时观察活细胞内的蛋白质和DNA等分子实体，不同波长的使用使得同时监测多种生物目标成为可能，从而揭示复杂的关系。这种非侵入性方法能够区分细胞凋亡和坏死等不同细胞状态，且不会损害样品[25][26]。

由于丹磺酰结构（最简单的荧光团之一）具有较大的斯托克斯位移和高荧光量子产率，因此在荧光探针的合成中得到了广泛应用[27]。据报道，可以使用基于丹磺酰的荧光化学传感器检测甲醇溶液中的Hg²⁺[28]。受此启发，我们合成了新型基于丹磺酰的化学传感器CS-1用于汞的检测。CS-1对汞离子表现出优异的选择性和灵敏度，并显示出显著的抗干扰能力。此外，还开发了用于现场检测Hg²⁺的试纸条。在Hg²⁺存在下，这些试纸条在紫外光下会迅速变色。此外，还研究了CS-1在不同pH值和温度下的光学性质，证实了其稳定性。CS-1还成功用于检测活细胞内的Hg²⁺离子，该方法通过实际水样分析得到了验证。同时，也验证了CS-1在EDTA处理后的可逆性。

材料与方法

所有化合物均通过商业途径购买，使用前无需进一步纯化。Sigma Aldrich公司提供了丹磺酰氯、2-溴乙胺、苯并咪唑和1-溴丁烷；SRL Chemicals公司提供了K2CO3、二氯甲烷（DCM）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二氯乙烷（DCE）、四氢呋喃（THF）、乙腈（ACN）和二甲基亚砜（DMSO）以及甲醇（MeOH）。使用前，所有溶剂均按常规方法进行过滤和蒸馏。

光物理研究

在室温下，使用MeOH溶液，在特定浓度（$$）下测量了CS-1的吸收和发射光谱。CS-1的吸收光谱在338 nm处呈现明显峰值，这归因于π-to-π*跃迁；发射光谱的最大值位于515 nm。此外，还在不同溶剂中研究了CS-1的吸收和发射光谱（见ESI图S6和S7）。同时，计算了CS-1的光学带隙。

结论

总结来说，我们设计并成功合成了一种基于苯并咪唑的荧光化学传感器CS-1，能够高选择性和灵敏地检测Hg²⁺离子。CS-1在多种重金属离子测试中表现出出色的抗干扰能力。在不同温度和pH值下验证了其稳定性。Hg²⁺的检测限（LOD）和结合常数分别为1.73 × 10^-7 M和1.61 × 10⁵ M^-1。此外，CS-1还表现出良好的

作者贡献声明

Neeru Singh：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、资源获取、研究设计、概念构思。Roli Mishra：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、项目监督、资源管理、方法设计、研究实施、资金申请、数据分析、概念构思。Aastha Jadhav：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法设计、数据分析。Ishan Chaturvedi：

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或个人关系

致谢

SV感谢IAR提供的财务支持和研究平台。IC感谢古吉拉特邦政府提供的SHODH奖学金（202301445）。