一种用于选择性检测Pb2+的吡喃并吡唑-罗丹明化学传感器：兼具双色比色和荧光传感功能，并揭示了其作用机制

时间：2026年6月2日

来源：Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy

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应用化学系，巴格万·帕尔舒拉姆理工学院（Bhagwan Parshuram Institute of Technology），GGSIPU，第17区，罗希尼（Rohini），德里110089，印度

摘要

有毒重金属离子的生理和环境影响推动了选择性及灵敏化学传感器的开发。在本研究中，合成了一种含有吡喃吡唑结构的罗丹明B衍生物（PR），并评估其作为Pb²⁺检测的选择性化学传感器的能力。该探针在溶液和固态系统中与Pb²⁺离子相互作用时均表现出明显的比色和荧光“开启”响应。光谱研究表明形成了稳定的1:1复合物，结合常数为1.523×10⁴ M⁻¹，检测限为4.392 nM。传感机制涉及螺内酯环的打开，这一过程得到了荧光研究和密度泛函理论（DFT）计算的支持。该探针在存在其他金属离子的情况下仍表现出良好的选择性，并在实际样品分析中显示出实用性。此外，该系统还被用于构建分子逻辑门操作。这项结合实验和理论的研究展示了PR作为Pb²⁺检测多功能传感平台的潜力。

引言

在分析化学领域，开发用于选择性识别重金属离子（如铅Pb²⁺）的智能且灵敏的化学传感器具有重要意义，因为这些离子对环境监测和人类健康具有潜在影响。[1],[2] 在重金属离子中，Pb²⁺是一种高度有害且不可生物降解的金属，它可以进入食物链，对生态系统和人类健康造成潜在危害，且对人体没有已知的有益影响。[3],[4]

Pb²⁺的主要暴露途径包括油漆、大气尘埃、汽车尾气以及受污染的食物和水[5],[6]。食品罐头工业由于铅能够渗入罐头食品而在Pb²⁺的摄入中起着重要作用。此外，进入住宅的土壤尘埃颗粒和饮用水也会增加铅的暴露风险[7]。Pb²⁺对人类的主要影响是通过摄入途径，因为人体可吸收高达70%的摄入量。儿童吸收这种有害元素的能力更强。[8],[9] Pb²⁺的不可生物降解特性及其持续使用导致环境中Pb²⁺浓度升高，造成不可逆的严重后果[10],[11]。大部分进入血液的Pb²⁺会与红细胞结合，引发多种神经系统疾病[12]。Pb²⁺主要以Pb₃(PO₄)₂的形式在骨骼中长期存在，只有在压力或钙缺乏的情况下才会重新释放到血液中[13],[14]。过高的Pb²⁺浓度会影响认知能力、记忆力、视力、行为问题、出生后生长、听力能力，并导致心血管、肾脏和中枢神经系统疾病以及生育问题[15],[16]。Pb²⁺能够迅速穿透血脑屏障（BBB），因为它可以取代Ca²⁺[17]。婴儿接触Pb²⁺会损害他们的智商（IQ）和学习能力。最近关于Pb²⁺中毒的研究证实，儿童的IQ分数与其血液中Pb²⁺水平呈负相关[18]。

已经开发出多种技术来检测生物体和环境中的Pb²⁺，包括阳极剥离伏安法（ASV）[19]、原子吸收光谱法（AAS）[20]、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[21]、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）[22]和石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）[23]。然而，这些技术成本高昂、耗时较长、技术复杂且需要复杂的仪器和样品预处理[24],[25],[26]。因此，迫切需要建立能够在复杂样品基质中可靠检测Pb²⁺离子的选择性和灵敏传感系统[27],[28]。与传统的检测技术相比，荧光和比色化学传感器作为金属离子检测工具具有实时监测、高灵敏度和选择性、非破坏性检测、快速响应时间和易于可视化的优点[29],[30]。在这种情况下，通过Schiff碱连接将罗丹明与吡喃吡唑衍生物结合（

），为创建开启型荧光比色化学传感器提供了有前景的方法[31]。吡喃吡唑衍生物以其对金属离子的高亲和力和独特的光物理特性而闻名，使其成为化学传感器开发的理想构建块[32],[33]。相反，罗丹明Schiff碱对环境变化表现出异常高的敏感性[34]。许多开启型罗丹明家族衍生物因其广泛的吸收和发射波长、良好的溶解性、高选择性、优异的量子产率以及螺环闭合态（无色且不荧光）转变为金属诱导的螺内酯环开放态（高荧光性和高吸收性）的独特特性而受到关注[35],[36]。这些特性使它们成为与特定金属离子相互作用时实现开启型荧光比色机制的理想候选者[37]。

为了推进化学传感技术的发展，我们全面研究了新设计的含有吡喃吡唑结构的罗丹明Schiff碱开启型荧光比色化学传感器，该传感器能够准确且实时地检测Pb²⁺离子。将吡喃吡唑引入罗丹明框架进一步增强了合成化学传感器的稳定性和光物理性质。其作为分子逻辑门和实际样品分析的应用展示了其在复杂样品基质中识别微量Pb²⁺的多功能性和可靠性。值得注意的是，在单一吡喃吡唑-罗丹明框架内同时结合双模式传感、固态检测、可逆传感行为、单晶结构分析、密度泛函理论（DFT）研究、实际样品适用性和分子逻辑门研究的情况非常少见，这突显了本研究的原创性和多功能重要性。

章节片段

材料与方法

所有化学品和溶剂均为商业购买，均为分析级。乙酰乙酸乙酯、苯肼水合物、二氧化硒和肼水合物购自Sigma-Aldrich，无需进一步纯化即可使用。MgCl₂、CuCl₂、ZnCl₂、AlCl₃、MnCl₂、Pb(NO₃)₂、HgCl₂、SrCl₂、FeCl₂、FeCl₃、CdCl₂、CoCl₂、NiCl₂、NaCl、KCl、LiCl等金属盐购自Merck和Sigma Aldrich，按原样使用。双蒸馏水用于制备储备溶液

合成

通过将2-氨基-3′,6′-双(二乙氨基)螺[异吲哚-1,9′-xanthen]-3-酮（5）和3-甲基-6-氧-1-苯基-1,2,6,7a-四氢吡喃[2,3-c]吡唑-4-醛（3）的乙醇溶液与几滴冰醋酸回流3–4小时，成功合成了化学传感器PR，获得了高产率的黄色固体（87%；方案1）。该化合物通过¹H NMR、¹³C NMR、IR、HRMS和单晶XRD等多种光谱技术进行了表征。