迪申·库马尔（Dishen Kumar）、斯里斯蒂·杜塔（Srishti Dutta）、拉贾特·库马尔·罗伊（Rajat Kumar Roy）、德瓦南德·萨胡（Devanand Sahu）、阿比拉什·潘迪（Abhilash Pandey）、万希卡·夏尔玛（Vanshika Sharma）、安贾利·苏里亚万希（Anjali Suryavanshi）、高塔姆·库马尔·帕特拉（Goutam Kumar Patra）
化学系，古鲁·加西达斯大学（Guru Ghasidas Vishwavidyalaya），比拉斯普尔（Bilaspur），印度
**联系方式：**
patra29in@yahoo.co.in
电话：+917587312992
三-(2-氨基乙基)胺（tris-(2-aminoethyl)amine）和3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛（3,5-Di-tert-butyl-2-hydroxybenzaldehyde）是三足氮氮氧三体（tripodal N4O3 donor）Schiff碱半萨伦（tris-Schiff base hemi-salen）分子探针的来源。我们在此提出这种探针，用于在水介质中敏感且选择性地检测Ni2+离子，并通过荧光法检测Zn2+离子，同时能够排除其他竞争性阳离子的干扰。检测限分别为9.4 × 10^-7 M和4.68 × 10^-7 M。FT-IR、ESI-质谱（ESI-mass）和Job图谱分析证实了该探针与Ni2+和Zn2+离子之间的1:1化学计量比。使用Na2EDTA可以证明该探针与Ni2+和Zn2+离子具有可逆反应性。此外，该探针适用于广泛的pH范围，有助于检测和定量食品和环境中的Ni2+和Zn2+离子。在多种法医应用中，它还可以帮助生成潜在指纹。
**引言**
金属离子检测对于生物系统和环境保护仍然至关重要。镍（Ni）是过渡金属系列中的重要成分，参与呼吸作用、代谢和生物合成等生物过程。镍是多种金属酶（如氢化酶、丙二酮双加氧酶和一氧化碳脱氢酶）的组成部分。镍在环境中的存在主要源于自然过程，如风化、侵蚀和火山喷发。此外，镍还天然存在于巧克力、可可、咖啡、茶等食品中，以及西兰花、菠菜、芦笋、胡萝卜和番茄等植物中，以及青豆和杏仁等豆类中。镍在化工行业中也有广泛应用，用于电镀、电铸和生产镍镉电池等电子产品。长期以来，镍被认为是一种潜在的危险金属；然而饮用水中Ni2+离子浓度在2.5 mg/mL以下是可接受的。由于镍在工业过程中的广泛应用，它容易渗入水体并对环境造成危害，过量积累会导致中枢神经系统疾病、肺癌、过敏、肺炎等健康问题。因此，准确检测生物体和环境中的Ni2+离子是当前研究的难点之一。同样，Zn2+作为金属蛋白中的成分，也是人体内第二常见的微量元素，对细胞代谢、神经信号传导和细胞凋亡等过程至关重要。含有Zn2+的化合物可被用作抗癌药物、胰岛素模拟物、抗菌剂、抗糖尿病药物和肿瘤光敏剂。然而，作为常见工业废物，Zn2+会在生态系统中积累并严重污染水源。Zn2+失衡会影响多种人类疾病，如精神障碍、帕金森病、婴儿腹泻、阿尔茨海默病、缺血性中风、癫痫、性发育迟缓、威尔逊病和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。锌是食品和农业废弃物中的常见污染物，过量Zn2+会对植物产生毒性并降低土壤微生物活性。因此，需要高度敏感且可靠的Zn2+传感器来监测其在生物体和环境中的存在和含量。
鉴于重过渡金属离子在生物、环境和工业过程中的重要性，人们一直在积极设计和合成有效的化学受体以用于检测和测量它们。近年来，多种常规分析方法被用于检测重金属离子，包括原子吸收光谱（AAS）、流动注射安培法（flow-injection amperometry）、色谱法（chromatography）、电位法（potentiometry）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-ES）。但这些方法存在灵敏度低、选择性差、耗时长、样品制备复杂以及需要专业设备和昂贵成本的问题。近年来，基于光学信号传导的化学传感器因其操作优势、现场分析能力、良好选择性和灵敏度而成为可行的技术选择。使用单一受体同时检测多种目标（包括不同类型的分析物）将更具效率和经济性。
**实验部分**
2.1 **材料和设备**
Sigma Aldrich公司提供了金属盐、3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛和三-(2-氨基乙基)胺。所有实验均使用分析级溶剂，三缓冲液（pH = 7.2）通过双蒸水配制。金属离子溶液使用它们的硝酸盐盐制备。Shimadzu UV 1800分光光度计使用石英比色池（波长200–800 nm，光程10 mm）采集吸收光谱；Shimadzu RF 5000荧光光谱仪记录发光光谱；Waters质谱仪使用混合溶剂（三蒸水与甲醇）记录高分辨率质谱（HRMS）；Bruker Alpha II FTIR分光光度计记录FTIR光谱（KBr样品）；Bruker DRX光谱仪（400 MHz）记录1H和13C核磁共振（NMR）光谱；数字pH计（Merck）通过调整氢氧化钠和盐酸浓度测定pH值。
2.2 **三足氮氮氧三体Schiff碱半萨伦配体的合成**
将3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛（702 mg, 3 mmol）和三-(2-氨基乙基)胺（146 mg, 1 mmol）在蒸馏甲醇中回流加热6小时。过滤去除悬浮物后，让黄色溶液缓慢蒸发，使产物沉淀为黄色固体。产率为0.684克，纯度86%。C51H78N4O3的摩尔质量计算值为：C 77.03%、H 9.89%、N 7.05%；实际测量结果为C 77.01%、H 9.82%、N 7.05%。1H NMR（400 MHz, CDCl3, TMS）谱数据显示：δ（ppm）为13.91 (s, 3H, OH)、8.34 (s, 3H, HC=N)、7.38 (s, 3H, Ar–CH)、7.04 (s, 3H, Ar–CH)、3.68 (t, 6H, J=6.0 Hz, CNCH2)、2.97 (t, 6H, J=6.3 Hz, N–CH2)、1.45 (s, 27H, C–(CH3)3)、1.31 (d, 27H, C–(CH3)3（图S1）。13C NMR（100 MHz, CDCl3, TMS）谱数据显示：δ（ppm）为166.77 (HC=N)、158.14、139.93、136.62、126.83、125.81和117.88 (Ar–CH)、58.31和55.97 (CH2)、35.02和34.12 (C–(CH3)3)、31.53和29.72 (C–(CH3)3（图S2）。FTIR光谱（KBr）显示：3856 (wb)、3743 (m, –OH)、3213 (m, –NH)、2990 (s, 醛基–CH)、1623 (vs., CN)、1546 (s, –CC)、1448 (vs., –CC)、1360 (m)、1250 (m, –C–N)、1170 (s)、1030 (m)、875 (m)、776 (s)、690 (m）（图S3）。ESI-质谱显示[M–H]+离子质量为796.7438（图S4）。
2.3 **UV-Vis滴定**
将探针（7.95 mg, 0.01 mmol）溶解在CH3OH–H2O（1:1, v/v）溶剂混合物（10 mL）中，并将其稀释至3 mL，得到10 µM的最终浓度。客体阳离子溶液分别使用三蒸水和硝酸盐盐配制（浓度范围10 mM），随后稀释至适当浓度。将探针与每种金属离子混合后，在室温下记录UV-Vis光谱。
2.4 **荧光滴定**
将Zn(NO3)2·6H2O（29.7 mg）溶解在10 mL三蒸水中，取15–90 µL加入每种受体溶液（10 µM）中，重复此过程3次。将探针（7.95 mg, 0.01 mmol）溶解在同一溶剂（10 mL）中，再加入30 µL溶剂混合物稀释至10 µM的最终浓度，混合后记录荧光光谱。
2.5 **Job图谱测量**
将不同浓度的探针溶液（100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10, 0 µL）分别加入试管中。将探针（7.95 mg, 0.01 mmol）溶解在10 mL甲醇中，然后向每个试管中加入Ni(NO3)2·6H2O/Zn(NO3)2·6H2O（0.01 mmol）溶液（10 mL），再加入2.9 mL溶剂混合物稀释至10 µM的最终浓度。混合后静置一分钟，记录UV-Vis光谱。
2.6 **pH效应测试**
使用HEPES缓冲液配制pH值介于2至12之间的缓冲液。将探针溶液（7.95 mg, 0.01 mmol）溶解在10 mL甲醇中，调整pH值后，进一步稀释至10 µM的最终浓度。向其中加入10 mL HEPES缓冲液（pH 7.00），溶解0.1 mmol的Ni(NO3)2·6H2O/Zn(NO3)2·6H2O。对于每个10 µM的探针溶液，加入30 µL的Ni2+/Zn2+溶液（10 mM），混合后记录荧光光谱。
2.7 **与其他金属离子的竞争性**
将探针溶解在指定溶剂混合物（10 mL）中，稀释至10 µM的最终浓度。将M(NO3)×(0.1 mmol)和Ni(NO3)2·6H2O/Zn(NO3)2·6H2O（0.01 mmol）分别溶解在十毫升三蒸水中，与每种金属溶液（10 mM）混合。将每种金属离子溶液与探针溶液（10 µM）混合后，加入30 µL的Ni2+/Zn2+溶液（10 mM），混合后记录UV-Vis/荧光光谱。
2.8 **分子对接**
利用蛋白质数据库获取多个蛋白质目标的晶体结构（PDB ID：4OUH, 1PXX, 3SFH, 3RCD），通过删除杂原子和水分子后进行分子结构处理。使用ChemDraw Professional 12.0绘制半萨伦配体结构，并通过ArgusLab 4.0.1（MMFF94力场）计算其能量。在ArgusLab 4.1.0中，使用包围活性位的网格框进行对接，结合结合能确定最佳位置。Discovery Studio Visualizer用于分析和可视化二维及三维下的配体-蛋白质相互作用。计算细节
所有计算均使用了GAUSSIAN-09修订版C.01程序包。53 在单态基态下，完全优化了化学传感器的气相几何结构，未施加任何对称性限制，采用了梯度校正的DFT方法，并结合了使用Coulomb-attenuating方法B3LYP的混合交换-相关泛函。54 对于整个分子来说，6-31++G基组被认为是合适的。对于+Ni2+和+Zn2+复合物的几何优化，使用了LanL2DZ基组。3. 结果与讨论 3.1. 探针L的合成与结构
有机配体6,6′,6″-((1E,1′E,1″E)-((nitrilotris(ethane-2,1-diyl))tris(azaneylylidene)) tris(methaneylylidene))tris(2,4-di-tert-butylphenol) (方案1)通过三(2-氨基乙基)胺和3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛在脱水甲醇中的1:3缩合反应以良好的产率（86%）获得。通过1H NMR和13C NMR光谱、FTIR、EI-MS光谱以及元素分析对其进行了表征。在探针的1H-NMR光谱中，–OH质子在13.91 ppm处共振，苯基质子在7.04至7.38 ppm之间共振，–CHN质子在8.34 ppm处共振。三Schiff碱的红外光谱显示O–H伸缩频率为3743 cm−1，–NH基团为3213 cm−1，烷基–CH基团为2990 cm−1，CN基团为1623 cm−1。尽管我们在多种溶剂中进行了最大努力，但仍无法制备出适合X射线衍射研究的单晶。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像
方案1. 接受体的合成步骤
3.2. 化学传感器的UV-Vis光谱研究
在甲醇-三盐酸缓冲介质（10 mM，pH 7.2）溶液中（1:1 v/v），研究了受体在三种不同金属离子存在下的比色传感行为，包括Al3+、Cr3+、Co2+、Fe3+、Cu2+、Zr4+、Cd2+、Fe2+、Hg2+、Ag+、Mn2+、Pb2+、Ni2+、Sr2+和Zn2+。这样做是为了确定受体的独特选择性。图1显示，只有Ni2+表现出从黄色到橙色的明显颜色变化；其他金属离子则没有。图S5展示了在紫外光下的类似颜色变化。受体在270和346 nm处显示出初级吸收带，这是由于S0–S1跃迁引起的。只有当存在三当量的Ni2+离子时，346 nm处的吸收带才会蓝移至22 nm，并在415 nm处形成新的吸收带（图S6）。当加入相同量的其他金属离子时，在415 nm处没有峰值。Ni2+离子与其他离子相比具有更高的配位能力，这可能是导致颜色变化和光谱变化的原因。进一步使用吸收滴定测试研究了化学传感器检测金属离子的能力。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像
图1. 在甲醇-水（1:1，v/v）中加入3当量不同阳离子后，颜色的变化。Ni2+的加入导致明显的浴色位移，并在可见光区域出现新的低能量吸收带。这种光谱特征是配体到金属的电荷转移（LMCT）跃迁的特征，其中电子密度从配体供体原子（O/N）转移到部分填充的Ni2+ d轨道。随着Ni2+浓度的增加，这条带的强度和位置系统性地增加，证实了复合物的形成和电荷转移作用，而不是简单的聚集或溶剂色效应。为了进一步了解化学传感器对Ni2+离子的敏感响应，通过单独记录不同浓度的Ni2+离子进行了UV-Vis滴定实验。当加入七当量的Ni2+时，346 nm处的吸收带逐渐扩展并蓝移（最多21 nm），并在396 nm处出现新的吸收带（图2）。325 nm处的等吸光点（图2）表明只有Ni2+和之间形成了一个复合物物种。Ni2+与受体之间的复合物形成，即配体到金属的电荷转移（LMCT），通过发色团Ni2+吸收谱的蓝移变得更加可能。配体到金属的电荷转移（LMCT）机制可以通过橙色来表示。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像
图2. 在CH3OH–H2O（1:1，v/v）中，不同浓度的Ni2+下，的UV-Vis滴定曲线。滴定测试的校准曲线表明，金属离子Ni2+在396 nm处的吸光强度随浓度大致呈线性变化。因此，使用标准公式DL = 3σ/m（其中“σ”是空白测量的标准偏差，“m”是线性校准曲线的斜率）计算出Ni2+的检测限为9.4 × 10−7 M（图3）。世界卫生组织的饮用水建议和其他文献记载的Ni2+传感器的检测限远高于这些低水平值。根据世界卫生组织的数据，饮用水中可发现的Ni2+离子的最大浓度为0.0008 mg L−1。下载：下载高分辨率图像（756KB）下载：下载全尺寸图像
图3. 基于UV-Vis滴定方法，计算出的Ni2+检测限的标准偏差和线性拟合。通过线性拟合图1/(A − A0) 1/[Ni2+]1/2，使用Benesi–Hildebrand（B–H）方程在1:1宿主-客体比例的假设下计算了结合常数。测得的值1.86 × 103 M−1/2表明受体和分析物Ni2+具有非常高的亲和力（图S7）。
化学传感器对其他干扰离子的耐受限和优异的金属离子选择性是两个关键特性。为了评估受体检测Ni2+离子的选择性，在许多离子（Al3+、Cr3+、Co2+、Fe3+、Cu2+、Zr4+、Cd2+、Fe2+、Hg2+、Ag+、Mn2+、Pb2+、Ni2+、Sr2+和Zn2+）存在的情况下，获取了受体的UV-Vis光谱（图4）。溶液中其他金属离子的同时存在对由于-Ni2+复合物形成而在396 nm处产生的吸收带强度没有任何影响。稀释效应仅导致颜色强度略有下降。因此，即使在背景离子浓度是三倍的情况下，所提出的化学传感器仍然能够表现出对Ni2+离子的选择性。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像
图4. 与不同金属离子的吸收干扰测试。常用的金属螯合剂二乙胺四乙酸二钠（Na2EDTA）被用来研究化学传感器的可逆性。当向探针()溶液中加入三当量的Ni2+离子时，混合物的颜色从浅黄色变为橙黄色。如果将+Ni2+加合物与三当量的强螯合剂Na2EDTA处理，宿主-客体复合物的橙色溶液在396 nm附近的吸收带立即变为黄色（图5）。反复引入Ni2+离子几乎恢复了颜色和光谱变化。即使在螯合剂和分析物交替引入三个循环后，和+Ni2+复合物之间的切换行为仍然保持不变。下载：下载高分辨率图像（517KB）下载：下载全尺寸图像
图5. 在没有和有Ni2+以及Na2EDTA的情况下的UV-可见光吸收光谱。介质的pH值对受体检测Ni2+离子的能力有很大影响。在各种pH值下确定了-Ni2+复合物和自由体的吸收强度，并使用稀释的HCl和NaOH进行了校正。自由体受体的强度逐渐增加，直到pH约为7，之后开始下降，表明在极端碱性或酸性条件下发生了部分去质子化效应和受体不稳定。相比之下，在评估的整个pH范围内，-Ni2+组合显示出显著更高的强度。在pH约为7时达到峰值，随着pH接近碱性，强度开始下降。这表明强酸性或碱性条件会降低结合效率，即使在中性pH下复合物形成最为稳定和有效。总体而言，研究结果表明受体对pH敏感，并且它最能在pH 5–8范围内检测到Ni2+离子，这与生理系统一致（图S8）。
3.3. 荧光研究
在甲醇和三盐酸缓冲液（10 mM，pH 7.2，1:1 v/v）的混合物中，进一步研究了受体在特定金属离子存在下的发射特性。在紫外灯下，显示出淡蓝色并 在室温下360 nm刺激下在485 nm处有微弱的发射，荧光量子产率（Φ = 0.0068）。在选定的金属离子中，只有向配体溶液中加入三当量的Zn2+离子时，480 nm处的发射强度显著增加。其他金属离子（包括Ni2+）的相同量添加并未显著增加受体的发射强度（图6）。下载：下载高分辨率图像（284KB）下载：下载全尺寸图像
图6. 在不同金属离子（Al3+、Cr3+、Co2+、Fe3+、Cu2+、Zr4+、Cd2+、Fe2+、Hg2+、Ag+、Mn2+、Pb2+、Ni2+、Sr2+和Zn2+）存在下，(10 mM in CH3OH–H2O；1:1, v/v)的发射光谱。自由体配体表现出弱发射，而在加入Zn2+后观察到显著的荧光增强（“开启”）。重要的是，这种增强没有伴随发射波长的显著变化，表明电子跃迁仍然是以配体为中心的，并非由于新的发射物种。这种行为与螯合增强荧光（CHEF）一致，其中配位抑制了非辐射衰减途径，从而增加了量子产率。为了获得发射光谱的详细特性，在滴定实验中逐步加入Zn2+离子。随着受体溶液中Zn2+离子浓度的增加，发射强度逐渐增加到53倍，并在加入六当量的Zn2+离子时达到饱和（图7）。通过氮键侧与受体的金属离子连接很可能阻碍了非辐射的PET和>CN异构化过程，从而导致由于螯合增强荧光效应（CHEF）而增加发射强度。但对于Ni2+离子，的发射强度保持不变，表明在-Ni2+复合物中，顺磁荧光猝灭和螯合增强荧光的相反机制相互抵消。
为了检验受体对Zn2+离子的选择性，我们分析了配体、、+Zn2+离子和+Zn2+离子+其他金属离子的荧光光谱。使用荧光数据和Benesi–Hildebrand（B–H）方程，结合常数确定为1.2 × 105 M−1/2（图S9），假设宿主-客体比例为1:1。这表明受体和分析物Zn2+之间具有非常高的亲和力。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像
图7. 在(CH3OH–H2O；1:1, v/v)中，不同量Zn2+离子存在下的发射滴定。我们观察到，在480 nm处-Zn2+加合物的荧光强度不受其他金属离子存在的影响（图8）。使用相同的公式3σ/m计算出荧光检测限为4.68 × 10−7 M（图S10）。稳定的螯合合物通常由金属离子（如Zn2+）与多齿配体Na2EDTA形成。使用+Zn2+溶液和Na2EDTA作为工作介质进行的荧光测量验证了可逆性。一旦+Zn2+加合物与三当量的Na2EDTA相互作用，宿主-客体组合在480 nm处的特征发射带消失（图9）。加入三当量的分析物Zn2+后，480 nm处的发射强度几乎恢复，表明传感过程比任何可能由金属离子Zn2+引起的不可逆反应都更可逆。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像
图8. 在Zn2+和不同金属离子存在下，480 nm处的发射光谱。下载：下载高分辨率图像（903KB）下载：下载全尺寸图像
图9. 在没有和有Zn2+以及Na2EDTA的情况下的发射光谱。
3.4. 传感机制
为了确保传感器比色和荧光响应的结合位置，使用Job图计算了+Ni2+/Zn2+的化学计量比。根据Job图，在396 nm处的相对比色强度波动和480 nm处的荧光强度变化之间，-Ni2+和-Zn2+复合物的化学计量比为1:1，摩尔分数（χM）分别为0.51和0.50（图）。S11). 通过质谱和红外光谱分析研究了-Ni2+和-Zn2+加合物，以更好地理解感应过程。根据ESI质谱，[-Ni2+]和[-Zn2+]分别负责-m/z = 852.2938（图S12）的-Ni2+加合物中的分子离子峰和-m/z = 859.0926（图S13）的-Zn2+加合物中的分子离子峰。自由配体的红外光谱中的宽带位于1623 cm−1处，这是由CN基团的亚胺部分引起的。在Ni2+复合物中，该带移至1610 cm−1，表明可能的亚胺基团参与了金属离子与配体的相互作用（图S14）。-Zn2+加合物的FT-IR光谱与-Ni2+加合物相似。分析物结合位点的检测和信号转导途径是导致金属感应的主要因素。3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛的一个单元和三(2-氨基乙基)胺的亚胺部分作为信号组分，而两个3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛单元的两个-OH基团以及三(2-氨基乙基)胺的三个亚胺N原子则适合作为金属配位的口袋。首先，在吸收光谱中观察到与受体的配位。在基态下，这改善了ICT过程并导致了比色感应。非辐射性的PET和>CN异构化过程可能因Zn2+通过亚胺侧与受体的配位而受到抑制。这导致了由于螯合增强荧光效应（CHEF）而产生的发射强度增加。在-Ni2+加合物中，顺磁荧光的淬灭相互抵消。方案2展示了该探针最可能的感应机制。下载：下载高分辨率图像（709KB）下载：下载全尺寸图像
方案2. 探针提出的感应机制。
3.5. 对配体及其Ni2+和Zn2+复合物的DFT研究
对配体进行了密度泛函理论（DFT）计算，以确定其最可能的结构。图10显示了几何优化的结构以及MOs能量的示意图和某些HOMO和LUMO轨道的轮廓。HOMO和LUMO之间的能量差估计为2.86 eV。下载：下载高分辨率图像（607KB）下载：下载全尺寸图像
图10. 配体的优化几何结构、前线分子轨道和HOMO–LUMO能量差。
为了更接近于可能的结合机制，对相应的Ni2+和Zn2+复合物进行了密度泛函理论计算。几何优化的结构以及-Ni2+和-Zn2+复合物的MOs能量和选定的HOMO和LUMO轨道的等高线示意图分别显示在图S15和图S11中。值得注意的是，HOMO和LUMO之间的能量差从（2.86 eV）降低到其M2+复合物（对于M = Ni为0.47 eV；对于M = Zn为1.39 eV）。配体在与Ni2+和Zn2+配位后HOMO–LUMO能量差的降低归因于电子的重新分布，这分别导致了吸收光谱和荧光光谱的变化。我们无法生长-Ni2+或-Zn2+复合物的单晶。下载：下载高分辨率图像（734KB）下载：下载全尺寸图像
图11. (a) -Ni2+和(b) -Zn2+复合物中的前线分子轨道和HOMO–LUMO能量差。
4. 化学传感器的应用
4.1. 在实际样品分析中应用化学传感器
为了检测当前化学传感器在真实水样中对Ni2+和Zn2+的感应能力，我们在废水中测试了该探针并得到了一些结果。为了评估其在多种真实样品中的感应能力，添加了已知量的标准M2+溶液来制备人工M2+（M = Ni和Zn）污染的自来水样品。通过适当的预处理后，通过过滤和稀释将分析物浓度调整到工作范围内。使用相同的UV-vis光谱仪和荧光光谱仪分析了制备的样品，并根据校准曲线（强度与浓度）和Lambert–Beer定律确定了回收量。表1显示，每个样品中回收的M2+浓度与添加的量准确且紧密匹配。因此，这种受体可能在现实世界环境中非常有用，因为它能够定量识别真实水样中的M2+离子（表1）。
表1. 通过开发的方法分析废水样品中的Ni2+和Zn2+（平均值±标准偏差，n = 3）
阳离子
添加量（µM）
回收量（µM）
%回收率 ± 标准偏差（n = 3）
Ni2+
55.12
102.4 ± 0.98
101
0.97
109.7 ± 0.89
20
20.06
100.3 ± 1.5
Zn2+
55.10
102 ± 0.96
109.89
8 ± 1.42
20
19.79
8.5 ± 0.81
4.2. 在食品样品中检测Zn2+
本研究考察了该探针测量各种水果和蔬菜样品中Zn2+离子的能力。首先，收集的食品样品中没有可测量的Zn2+量。通过使用消化后的水果和蔬菜提取物进行对照研究，以确保金属离子的完全释放，从而进一步确认该探针用于Zn2+感应的可行性。当这些样品用探针处理时，在480 nm处观察到荧光强度的显著变化，证明了探针与Zn2+离子之间的强相互作用。样品包括苹果、番石榴、芒果、甜菜根、柠檬、土豆、胡萝卜和石榴，与三种不同浓度（10、50和100 µM）的标准Zn2+溶液混合，以进行定量研究。然后采用了传统的添加方法，以减少可能扭曲分析结果的复杂食品成分带来的基质效应，并评估荧光响应。与传统校准技术相比，这种方法保证了目标分析物的更准确量化。根据表2，所有研究食品中Zn2+的预期回收值的相对标准偏差（RSD）范围为0.28%至3.63%，值在78%至99.9%之间。这些发现证明了该探针在识别实际食品基质中的Zn2+离子方面的准确性、精确性和可靠性。该探针是一种有用的荧光传感器，可用于追踪食品样品中的Zn2+污染，因为其回收率低于允许的分析值。
4.3. 指纹应用
指纹是手指尖上独特的纹路图案，终生不变，使它们成为个人识别和法医调查的强大工具。由于潜在指纹通常因汗水、皮脂和油脂而留在表面上，肉眼无法看到，但可以提供将个人与犯罪现场联系起来的关键证据。在各种可视化技术中，粉末显影方法因其简单、低成本且在非多孔表面上高效而被广泛使用。粉末附着在指纹残留物上，形成清晰的纹路图案，可以容易地提取和保存。在这项研究中，我们使用了Schiff碱()用于潜在指纹（LFP）的显影。制备成细粉后，立即将其用于粉尘潜在指纹以帮助其显影。显影后，在紫外光下（396 nm）可以看到LFPs。在各种表面上创建了LFPs的图像，包括云母、玻璃、塑料、硬币和笔记本表面。照片显示了清晰的乳头状纹路，该化合物能够识别指纹特征。图12显示了使用OnePlus Nord 4智能手机拍摄的照片。
图12. 使用()开发的潜在指纹并进行分析以进行识别。
指纹图案可以分为三个级别。I级包括核心和delta的主要识别。II级可以识别诸如纹路、分叉、钩子、桥梁等特征。III级拥有足够的信息来唯一识别一个人，如纹路路径偏差和汗孔。为了识别一个人，使用该化合物开发的LFPs被检查了这些特征。图12表明，使用该化合物开发的LFPs具有高分辨率，并且背景干扰较小。该化合物能够在各种表面上显示三个级别的指纹图案识别。图像是在可见光和紫外光396 nm下拍摄的。图像清晰且可读（图13）。该化合物在不同级别捕获复杂细节的能力对于法医和执法工作特别有利，提高了基于潜在指纹的个人识别的精确度和可靠性。
5. 分子对接
进行了分子对接研究，以提供关于探针相互作用能力的分子级见解，特别是通过其亚胺（CN）、酚类-OH和芳香官能团。这样的相互作用不仅对生物分子系统很重要，也有助于理解探针在复杂环境（包括真实样品和指纹基质）中的行为。最近的研究表明，Schiff碱衍生的探针可以与生物分子表现出有意义的非共价相互作用，支持其在感应之外的更广泛应用。
5.8 使用ArgusLab 4.0.1对人类PI31蛋白酶体抑制剂（PDB ID: 4OUH）的FP域进行了分子对接测试，对接得分为-10.36 kcal mol−1，显示出探针的显著结合亲和力。在Discovery Studio中通过二维相互作用分析发现，Lys1的氮原子与一个未命名残基（1088）的氧原子之间存在1.79 Å的距离上的关键氢键连接。此外，配体-蛋白质复合物通过与其他残基Asp62、Ile63、Leu65、Leu66、Asp217、Val222和Asn218的疏水性和范德华相互作用得到了进一步加强。配体深入结合口袋的情况通过三维成像得到了验证。它与FP域的疏水核心匹配良好，并在活性位点凹槽内形成了互补的相互作用。根据结构洞察，该配体利用极性和非极性接触的组合产生稳定的锚定，可能对PI31的蛋白酶体调节产生显著的抑制作用。这些结果表明，该化合物作为蛋白酶体失调疾病治疗开发的框架具有潜力（图14）。这些结果表明，该分子支架可能成为进一步开发针对COX-2介导途径的抗炎和镇痛剂的有希望的候选结构。然而，需要额外的实验验证来确立其生物疗效和药理相关性（见图15）。下载：下载高分辨率图像（1MB）；下载全尺寸图像。
图15. 新配体与COX-2环氧化酶活性位点的分子对接（PDB ID: 1PXX）。
人类3SFH蛋白（PDB ID: 3SFH）是一种已被验证的治疗靶点，与癌症和其他临床疾病相关。使用相同的化合物进行了分子对接研究。蛋白质数据库提供了该蛋白质的晶体结构，显示了由HDAC8氨基酸生成的抑制复合物。ArgusLab 4.1.0用于对接模拟，而Discovery Studio用于显示和分析生成的蛋白质-化合物复合物。该分子的对接得分为-10.50 kcal mol−1，表明其具有非常友好的结合形状，对3SFH活性位点具有显著的亲和力。经过彻底的相互作用分析后，发现与Ser63之间形成了一个关键的氢键，键长为2.89 Å。通过观察多种稳定作用，包括范德华力、疏水作用和静电作用（如与Glu66、Val91和Arg163等重要残基的作用），进一步增强了复合物的总体稳定性。这种新型化合物作为3SFH抑制剂的前景因其优异的对接得分和特定的残基水平相互作用而受到重视。这些计算发现表明，所研究的支架具有进一步探索与3SFH相关疾病的潜力，并为后续的体外和体内实验验证提供了初步的结构洞察（见图16）。
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图16. 配体与HDAC8活性位点的分子对接（PDB ID: 3SFH）。
同样，该配体还与另一种蛋白质（PDB ID: 3RCD，一种与乳腺癌相关的HER2受体）进行了分子对接实验。在ArgusLab 4.0.1中使用MMFF94力场来最小化化合物的能量，并使用ArgusLab进行对接模拟，使用一个包围活性位点的网格盒。Discovery Studio用于显示和评估产生的蛋白质-化合物复合物。该分子显示出强且稳定的亲和力，对接得分为-13.58 kcal mol−1，表明在3RCD活性位点内的结合构象非常理想。除了与PHE E:1046的吸引电荷相互作用、与LEU E:1047、ILE E:1107和VAL E:1111的疏水相互作用以及与正电荷残基的Pi-Cation相互作用外，还发现了一个关键的氢键，键长为2.46 Å。这些计算机结果表明，该化合物可能在HER2活性位点展现出潜在的结合亲和力。这些体外研究结果为配体-靶标识别提供了初步的结构见解，并可能支持针对HER2阳性乳腺癌的进一步优化和生物学评估。然而，需要进行适当的体外和体内实验验证以证实其药理相关性（见图17）。
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图17. 配体与HER2活性位点的分子对接（PDB ID: 3RCD）。
所得的结合能量处于典型范围（-5至-10 kcal mol−1）内，表明配体-蛋白质相互作用稳定。对接构象显示出化学上有意义的相互作用，包括氢键和疏水接触，这与已知的配体-蛋白质结合模式一致。探针对选定目标的计算结合亲和力分别为-10.36、-12.77、-10.50和-13.58 kcal mol−1。这些值与文献中的最新报道相符，其中结合能量在-5至-10 kcal mol−1范围内的通常表示中等至强的配体-蛋白质相互作用，而超过-10 kcal mol−1的值则表示高度稳定和有利的结合。特别是接近-12至-13 kcal mol−1的值，明确处于或超过了强配体-蛋白质相互作用的报道范围，从而证实了对接结果的准确性和可靠性。
对接构象显示了化学上有意义的相互作用模式，包括涉及关键官能团（如CN、–OH）的氢键和疏水接触。这些相互作用模式与最近研究中报道的配体-蛋白质结合模式一致。该探针在结合口袋内采取稳定的构象，没有空间阻碍，进一步支持了对接预测的结构有效性。
6. 与其他报道的荧光和比色化学传感器的性能比较
在文献中，找到一种既能用于比色检测Ni2+又能用于“开启”荧光检测Zn2+离子的单一探针是罕见的。我们的系统与其他系统相比具有几个吸引人的分析特点：高灵敏度、宽广的线性范围、优异的选择性、低检测限、用户友好的技术、良好的溶解度、灵敏的可视化效果以及极佳的实用性。此外，由于使用的化学品危险性较低且不产生任何有害副产物，我们的化学传感器可以通过一步合成。我们提供了两个表格（表3和表4），用于比较不同经过验证的光学传感器对Ni2+离子和Zn2+离子的比色检测和荧光检测。
表3. 一些先前报道的Ni2+离子比色化学传感器的比较
| 序号 | 传感器类型 | 选择性 | 检测限（LOD） | 结合常数 | 溶剂介质 | 感应机制 | pH范围 | 结构 | 参考文献 |
|------|---------|---------|---------|---------|----------|--------|---------|-------------------|
| 1 | 香豆素 Schiff碱 | Ni2+ | 比色传感器 | 14.7 × 10−7 | 2.9 × 104 M−1 | MeCN–H2O | 荧光猝灭 | - | 63 |
| 3 | 吡啶 Schiff碱 | Ni2+ | 荧光关闭传感器 | 5.6 × 10−7 | 2.43 × 10−7 | MAqueous-EtOH (1 : 1), pH 7.0 | ET, CT, PET, ESIPT | 2.0–12.0 | 64 |
| 4 | 羟基苯亚甲基传感器（BHEP） | Ni2+ | 比色传感器 | 17.79 × 10−7 | 3.69 × 105 M−1 | Methanol–Tris–HCl buffer (1 : 1, pH 7.2) | CHEF and FRET | 2 to 11 |
| 5 | 基于香豆素的传感器 | Ni2+ | 比色传感器 | 0.5 µM | 2.34 | 3 × 104 M−1 | HCl–EtOH (2 : 1), pH 5–6 | ICT— | 65 |
| 6 | 基于香豆素的传感器 | Ni2+ | 比色传感器 | 3.61 × 10−7 | 1.13 × 108 M−1 | CH3OH–H2O; 1 : 1, v/v | ICT, LMCT | 1–12 |
| 7 | 4-甲酰苯甲酸基传感器 | Ni2+ | 比色传感器 | 3 × 10−7 | 1.54 | 108 M−1/2 | CH3OH–H2O; 1 : 1, v/v | LMCT, CHEF | 2 to 12 |
| 8 | 朱里奥丽丁-肼吡啶 Schiff碱 | Ni2+, Cu2+, Zn2+, Co2+ | 未指定 | 1.35 × 105 M−1 | 50% EtOH–Tris–HCl buffer (pH 7.4) | Esipt, IMH | 7.40 |
| 9 | 吡啶-二羧酸腙 Schiff碱（DAS） | 高选择性Ni2+ | 0.14 µM | 3.07 × 103 M−2 | MeOH–PBS buffer (5 : 1, pH 7.4) | CT | 3–11 |
| 10 | 3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛 | Ni2+ | 比色传感器 | 9.4 × 10−7 | 1.86 × 103 M−1/2 | Methanol–Tris–HCl buffer (1 : 1, pH 7.2) | LMCT | 6–8 |
表4. 一些先前报道的Zn2+离子荧光化学传感器的比较
| 序号 | 传感器类型 | 选择性 | 检测限（LOD） | 结合常数 | 溶剂介质 | 感应机制 | pH范围 | 结构 | 参考文献 |
|------|---------|---------|---------|---------|----------|--------|--------|-------------------|
| 11 | 羟基苯甲醛 | Zn2+ | 荧光 CHEF（关闭-开启-关闭） | 5.0 × 10−9 | 3.21 × 10−6 | M2H2O : CH3CN (1 : 1) | ESIPT | 2–10 | 70 |
| 12 | 4-喹啉醛 | Zn2+ | 荧光 PET, CHEF（开启） | 2.04 × 10−6 | 5 × 109 M−2 | CH3OH-tris buffer (1/1, v/v) | PET, CHEF | 1 to 12 |
| 13 | 3-甲氧基水杨醛 | Zn2+ | 荧光 CHEF（开启） | 11.9 × 10−6 | 4.5 × 103 M−1 | DMSO 1 : 1 | CHEF, ICT | 2–12 |
| 14 | 4-(N,N-二乙基)-2-羟基苯甲醛 | Zn2+ | 荧光 CN, CHEF（开启） | 8.6 × 10−9 | DMF 1 : 1 | CHEF— | 73 |
| 15 | 5-溴水杨醛 | Zn2+ | 荧光 CN, CHEF（开启） | 1.59 µM | 4.24 × 104 M−1 | CHEF, PET | 2–12 |
| 16 | 4-甲基-2,6-双(1-(2-哌啶基乙基)亚氨基甲基)苯酚 | Zn2+ | 荧光 | ∼10^4 M | Acetonitrile (1 : 2) | PET— | 75 |
7. 结论
总之，我们成功开发了一种三足N4O3供体三Schiff碱半-salen分子探针，该探针由3,5-二叔丁基-2-羟基苯甲醛和三(2-氨基乙基)胺制成，可用于在水溶液中敏感且特异性地比色检测Ni2+以及荧光检测Zn2+，能够区分多种竞争性阳离子，检测限分别为9.4 × 10−7 M和4.68 × 10−7 M。Job-plot、FT-IR和ESI-mass光谱分析以及DFT研究均支持Zn2+与探针之间以及Ni2+与探针之间的1∶1化学计量比。通过Na2EDTA测试了探针对Ni2+和Zn2+离子的可逆反应性。此外，该探针可以在广泛的pH范围内发挥作用，适用于检测食品和环境材料中的Ni2+和Zn2+。它有助于生成可用于法医应用的潜在指纹。已经通过分子对接对其潜在的生物分子相互作用进行了初步的计算研究。
