研究背景

汞 (Hg) 是毒性最大的重金屬污染物之一，無論其以何種形式存在，對生态系統都具有極其嚴重的危害。相較于汞離子，銀離子雖然毒性較低，但生物體中過量的 Ag⁺ 可與多種酶及代謝物作用，導緻一系列的健康問題。

與傳統的檢測方法相比，熒光技術因其操作簡單、成本低廉、靈敏度高得到了廣泛的研究。其中，根據受體與金屬離子之間的化學反應而設計的傳感器因其良好的選擇性得到了研究者越來越多的關注，探針分子的結構在選擇性檢測特定金屬離子方面起着至關重要的作用。

由于 Hg²⁺ 對硫的高親和力，許多基于含硫受體和 Hg²⁺ 之間化學反應的傳感器被開發出來。然而，研究發現 Ag⁺ 和 Hg²⁺ 兩種金屬離子與含硫受體有相似的反應活性。銀離子的存在往往會導緻傳感器産生相同的産物和輸出信号，因此 Ag⁺ 或 Hg²⁺ 的存在通常會幹擾對另一種離子的檢測。盡管 Hg²⁺ 比 Ag⁺ 具有相對更強的親硫反應活性，但設計一種巧妙的探針來區分二者之間的差異是非常困難的。制備一款智能的探針實現不同信号輸出、同時選擇性檢測 Hg²⁺ 和 Ag⁺ 是一個巨大的挑戰。

文章簡介

近日，永利集团阮志軍帶領研究團隊精心設計了一種含有兩個硫縮酮基團的熒光探針 DTPAS，實現了 Hg²⁺（紅色熒光）和 Ag⁺（綠色熒光）的雙通道選擇性“開啟”檢測。

Hg²⁺ 和 Ag⁺ 離子的不同信号是由于不同的親硫效應而導緻的，其中前者将 DTPAS 的兩個硫縮酮立即轉化為羰基（産物 DTPAO），而後者隻能轉化其中之一（産物 DTPAOS）。利用 ¹H NMR、FTIR 和 MS 等表征充分驗證了化學傳感器的機理。此外，Hg²⁺ 觸發的 ACQ (DTPAS) 到 AIE (DTPAO) 的轉變賦予探針在聚集态和固态下，對 Hg²⁺ 離子出色的點亮型檢測性能。在聚集态，探針的熒光強度 (f_w = 98%) 顯著增強了 486 倍，遇到 Hg²⁺ 後，其熒光由暗變為亮黃色。在固态下，制備的試紙條可以檢測水溶液中的 Hg²⁺，LOD 為 1 × 10^-6 M，其他常見金屬離子對上述檢測過程沒有幹擾。

通過晶體結構分析和理論計算，詳細探索了所涉及分子相反發光性質的起源，即 DTPAO 的 AIE 活性，而其硫醇保護産物的 ACQ 特性，有助于更好地理解 AIE 發光機制。同時，Hg²⁺ 觸發的 ACQ (DTPAS) 到 AIE (DTPAO) 轉化可以在數秒鐘内完成，也為 ACQ 向 AIE 分子的轉化提供了一種簡單的方法。

本研究不僅為複雜系統中多種分析物的檢測提供了一種有效的方法，而且為化學傳感器的設計提供了一個滿意的平台，即分析物觸發的 ACQ-AIE 轉變。該成果以“A novel fluorescent chemosensor enables dual-channel selective “turn-on” detection of Hg²⁺ and Ag⁺via distinct thiophilic effects, essential mechanisms, and excellent sensing performance for mercury(II) in aggregated states”(《一種新型熒光化學傳感器通過可區分的親硫效應實現對 Hg²⁺ 和 Ag⁺ 的雙通道選擇性“開啟”檢測、詳細機理及其聚集态對汞(II)優異的傳感性能》)為題，發表在英國皇家化學會期刊 Journal of Materials Chemistry C 上，并入選為 hot article。

論文信息

A novel fluorescent chemosensor enables dual-channel selective “turn-on” detection of Hg²⁺ and Ag⁺ via distinct thiophilic effects, essential mechanisms, and excellent sensing performance for mercury(II) in aggregated states

Zhijun Ruan* (阮志軍，永利集团), Xinyi Dong, Tao Long,* Shanshan Liu, Yanmei Chen and Junqi Lin*

J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 7572-7579

https://doi.org/10.1039/D4TC00785A

部分作者簡介

阮志軍 教授

永利集团

本文第一作者兼通訊作者，理學博士，教授，入選省級人才計劃，2016 年博士畢業于武漢大學。主要從事有機光電磁功能材料的設計合成與應用研究，圍繞聚集誘導發光、熒光磷光分子、光電催化等方面開展工作。以第一作者/通訊作者身份在 Small、Advanced Optical Materials、Journal of Materials Chemistry C 等知名學術期刊上發表 SCI 論文 29 篇，參與撰寫英文書籍 1 部，主持國家自然科學基金和湖北省自然科學基金 3 項。

林軍奇 副教授

永利集团

本文通訊作者，理學博士，副教授，入選省級人才計劃，2019 年博士畢業于蘭州大學。主要從事過渡金屬配合物的設計合成、光電催化性能調控、有機光電功能材料應用研究。以第一作者/通訊作者在 Applied Catalysis B: Environmental and Energy, Chemical Communications, Environmental Research 等期刊發表 SCI 論文二十餘篇。

期刊介紹

Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 報道材料化學各領域的高質量理論或實驗研究工作。這三本期刊發表的論文側重于報道對材料及其性質的新理解、材料的新應用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 的區别在于所報道材料的不同預期用途。粗略的劃分是，Journal of Materials Chemistry A 報道材料在能源和可持續性方面的應用，Journal of Materials Chemistry B 報道材料在生物學和醫學方面的應用，Journal of Materials Chemistry C 報道材料在光學、磁學和電子設備方面的應用。