本研究由 Kaan Karaoglu 完成，作者隶属于土耳其雷杰普·塔伊普·埃尔多安大学职业技术科学学院化学与化学工艺技术系。该研究成果发表于 Journal of Molecular Structure 第 1205 卷，论文编号为 127640，于 2020 年正式刊出。

本研究属于近红外化学传感器与金属离子检测领域的原创性研究工作。铜离子（Cu²⁺）在环境和生物体系中具有重要生理与病理功能，同时过量铜离子也会对生物体造成毒性影响。美国环境保护署将饮用水中铜的允许限值设定为 20 μM，因此开发高选择性、高灵敏度的铜离子检测方法具有重要意义。传统的罗丹明 B 席夫碱类传感器虽然能够有效检测铜离子，但存在组织穿透能力低、对生物分子光损伤大以及活体细胞成像中光散射强等缺点。为了克服这些不足，研究者将注意力转向具有近红外吸收和发射特性的 chromenylium-cyanine 荧光团（CC-fluor）类传感器，其检测波长位于近红外区域（620–760 nm），更适合生物样品在线监测和活体成像。本研究的目标是设计并合成一种新型的基于 chromenylium-cyanine 骨架的近红外荧光探针，用于水溶液样品中 Cu²⁺ 的选择性和灵敏检测，并与已有类似结构传感器的性能进行比较。

在实验流程方面，本研究首先通过多步有机合成路线制备目标传感器分子。合成以 3-二乙氨基苯酚、邻苯二甲酸酐、水合肼和环己酮等为起始原料，经过缩合、环化和席夫碱形成等步骤得到关键中间体，再与 2-羟基-1-萘甲醛反应生成最终传感器。目标化合物的结构通过红外光谱、核磁共振氢谱和碳谱、紫外-可见吸收光谱以及高分辨电喷雾质谱进行了表征。在红外光谱中，酚羟基伸缩振动出现在 3292 cm⁻¹，螺环羰基和亚胺的伸缩振动分别位于 1690 cm⁻¹ 和 1620 cm⁻¹。当传感器与 Cu²⁺ 配位后，羰基谱带消失，亚胺伸缩振动移动至 1616 cm⁻¹，表明螺环发生了开环反应。核磁共振氢谱中，亚胺质子和酚羟基质子的信号分别出现在 9.685 ppm 和 10.838 ppm，进一步证实了传感器的化学结构。在光谱分析实验中，传感器以 1×10⁻⁵ M 的浓度溶解在 100 mM 三羟甲基氨基甲烷/硝酸盐缓冲液（乙醇/水，2:1，v/v）中，加入 5 当量的不同金属离子孵育 5 分钟后进行紫外-可见吸收光谱测定。选择性实验考察了 Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Ag⁺、Cd²⁺、Sr²⁺、Pb²⁺、Hg²⁺ 和 Ba²⁺ 等竞争离子。滴定实验通过逐步加入不同浓度的 Cu²⁺（0–9.0×10⁻⁶ M）获得线性工作曲线。检测限根据国际纯粹与应用化学联合会推荐的方法，以空白测量标准差和校准曲线斜率计算得到。此外，研究还采用了密度泛函理论（DFT）计算，使用 Becke-3-Lee-Yang-Parr 交换相关泛函和 6-31G(d,p) 基组处理氢、碳、氮、氧原子，对铜原子使用 LANL2DZ 基组，利用 GAMESS 2018 程序进行几何结构优化、振动频率分析和垂直激发能计算，并通过 Gabedit 软件进行可视化。时间依赖密度泛函理论用于计算传感器及其铜配合物的最低单重态激发态。

在主要结果方面，选择性实验表明，传感器溶液在加入 Cu²⁺ 后颜色由淡黄色转变为绿色，吸收光谱在 710 nm 处出现显著增强的新峰，而其他竞争金属离子几乎没有引起明显的光学响应。这表明传感器对 Cu²⁺ 具有优异的裸眼识别能力。滴定实验显示，传感器在 0 至 4.9×10⁻⁶ M 的 Cu²⁺ 浓度范围内呈现线性光学响应，检测限计算为 1.28×10⁻⁸ M，低于此前报道的类似罗丹明席夫碱传感器（检测限为 2.0×10⁻⁷ M）。在竞争实验中，即使存在 2 当量的其他金属离子，传感器对 1 当量 Cu²⁺ 的检测也没有受到明显干扰，进一步证明了其高选择性。核磁共振和红外光谱数据支持传感器与 Cu²⁺ 配位后发生螺内酰胺开环反应，形成开环酰胺形式。理论计算结果表明，传感器分子中与 chromenylium 环相连的 N,N-二乙基氨基氮原子具有三角平面构型，说明该基团与 chromenylium 环共轭。由于环系稠合产生的角张力，环已烷并环中的轴向和赤道碳氢键几乎位于环的同一侧，而 C–H21b 指向另一侧，导致该质子在核磁共振氢谱中表现出显著不同的化学位移。时间依赖密度泛函理论计算显示，实验光谱中 426 nm 处的肩峰对应最高占据分子轨道到最低未占分子轨道的跃迁，371 nm 处的吸收峰对应 HOMO 到 LUMO+1 的跃迁。这些电子激发主要由 1,3,5-三烯到席夫碱的 π–π* 跃迁贡献。传感器分子的 HOMO 和 LUMO 能级分别为 −4.53 eV 和 −1.32 eV，光学能隙与螺环闭合形式的实验结果一致。对于铜配合物，计算表明铜中心具有正方形平面配位几何，配位原子由羰基氧原子和亚胺氮原子提供。HOMO 主要离域在席夫碱部分，而 LUMO 则离域在 chromenylium 单元上，HOMO-LUMO 能隙为 2.19 eV。710 nm 处的实验吸收带包含 HOMO→LUMO 和 HOMO→LUMO+1 两个跃迁，其中前者主要为 π–π* 跃迁，后者被归属为配体到金属的电荷转移跃迁。这些理论计算结果与实验光谱数据具有很强的相关性，进一步验证了传感器的结构及其与 Cu²⁺ 的配位模式。

本研究的结论表明，成功合成并表征了一种基于 chromenylium-cyanine 骨架的新型近红外比色化学传感器。该传感器在近红外区域能够高选择性和高灵敏度地识别 Cu²⁺，检测限达到 1.28×10⁻⁸ M，明显优于已有类似结构传感器。传感器对 Cu²⁺ 的响应机制为螺内酰胺开环反应，铜离子通过与羰基氧和亚胺氮配位诱导开环并产生近红外吸收。该研究为环境和生物样品中铜离子的在线监测以及活体近红外成像提供了新的分子工具。研究亮点在于：传感器发射和吸收位于近红外区域，具有更好的组织穿透能力和更低的生物光损伤；与已报道的罗丹明衍生物相比，检测限显著降低；通过实验与理论计算相结合，深入阐明了传感器的电子结构和配位机制。此外，研究还提供了详细的分子轨道分析和密度态分析，为理解近红外 chromenylium-cyanine 类传感器的光学响应机理提供了理论依据。