DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14725-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40854924
تاريخ النشر: 2025-08-25
المؤلف: M. Jyothi Priya وآخرون
الموضوع الرئيسي: المستشعرات الجزيئية واكتشاف الأيونات
نظرة عامة
تقدم البحث تركيب وتوصيف جهاز استشعار كيميائي جديد يعتمد على الأوجينول، (E)-N’-(5-أليل-2-هيدروكسي-3-ميثوكسي بنزيلدين)-2-هيدروكسي بنزوهيدرازيد (EABH)، والذي يظهر وظيفة مزدوجة للكشف اللوني عن أيونات Fe²⁺ والكشف الفلوري عن أيونات Pb²⁺. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك NMR وقياس الطيف الكتلي، هيكل الجهاز الاستشعاري. يظهر EABH تغيرًا ملحوظًا في اللون من الأصفر الليموني إلى البني عند الكشف عن Fe²⁺ واستجابة “إيقاف” للفلوريسنس لأيونات Pb²⁺، مع حدود كشف تبلغ 0.166 ميكرومتر و0.095 ميكرومتر، على التوالي. تم تحديد نسبة الربط لتكون 1:2 لكلا الأيونين، وتم التحقق منها من خلال تحليل رسم جوب.
بالإضافة إلى ذلك، تم إثبات قدرة EABH على تصوير الخلايا الحية، حيث أظهر اختراقًا فعالًا عبر أغشية الخلايا واستجابة لأيونات Fe²⁺ وPb²⁺ داخل الخلايا. تم تطبيق الجهاز بنجاح في أشكال مسحات قطنية وأوراق اختبار، مما يبرز فعاليته من حيث التكلفة مقارنة بالطرق التقليدية. قدمت الدراسات الحاسوبية حول المدارات الجزيئية الحدودية (FMOs) والجهد الكهربائي الجزيئي (MEP) رؤى حول الخصائص الإلكترونية والتفاعل لـ EABH، مما يدعم إمكانيته كجهاز استشعار حيوي للتطبيقات البيئية والبيولوجية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في عملهم التجريبي الذي يتضمن الليغاند 2-هيدروكسي بنزوهيدرازيد (EABH) ومعقداته المعدنية. تم الحصول على المواد الكيميائية، بما في ذلك أملاح المعادن المختلفة والمذيبات مثل DMSO والإيثانول، من موردين موثوقين. تم التحكم في درجة حموضة المحاليل باستخدام مخزن HEPES، وتم مراقبة تقدم التفاعل عبر الكروماتوغرافيا الطبقية الرقيقة (TLC) باستخدام نظام مذيبات من الن-هكسان والأسيتات الإيثيلي بنسبة 8:2.
لتحليل الليغاند ومعقداته، استخدم المؤلفون عدة تقنيات تحليلية. تم تحديد نقاط الانصهار لـ EABH ومعقداته (C1 وC2) باستخدام جهاز شعري مفتوح. تم إجراء قياس الطيف الكتلي (قيم m/z) باستخدام جهاز قياس الطيف الكتلي EV LC-MS من شيمادزو لتحديد الأوزان الجزيئية. تم إجراء قياس الطيف تحت الأحمر (IR) باستخدام جهاز قياس الطيف الضوئي Perkin-Elmer 783 للتحقيق في تنسيق الليغاند مع أيونات المعادن، بينما تم تسجيل قياس الطيف النووي المغناطيسي (NMR) لكل من ^1H و^13C عند 400 ميغاهيرتز باستخدام جهاز قياس الطيف Bruker Advance DPX في d6-DMSO. تم تقييم الخصائص الحسية لليغاند باستخدام جهاز قياس الطيف الضوئي شيمادزو، وتم الحصول على أطياف الامتصاص الإلكتروني باستخدام جهاز قياس الطيف الضوئي UV/Vis 3100-XE عبر نطاق الطول الموجي من 200-800 نانومتر.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، يكشف التحليل أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع زيادة متوسطة قدرها 20% في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم. تؤكد هذه النتائج فعالية الطريقة المقترحة وتوفر أساسًا لمزيد من البحث في هذا المجال. يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مع التأكيد على آثارها على الدراسات المستقبلية والتطبيقات العملية.
نقاش
في هذه الدراسة، تم تركيب الليغاند EABH من خلال تفاعل إعادة التدفق الذي يتضمن 2-هيدروكسي بنزوهيدرازيد و5-أليل-2-هيدروكسي-3-ميثوكسي بنزالدهيد، مما أسفر عن مادة صلبة صفراء ليمونية مع عائد قدره 86%. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك NMR وLC-MS وFT-IR، هيكل ونقاء EABH. بعد ذلك، تم تشكيل معقدات معدنية مع Fe(II) وPb(II)، تظهر ألوانًا مميزة وتم تأكيدها من خلال طرق التوصيف المماثلة. تم تقييم السمية الخلوية لـ EABH باستخدام اختبار MTT، مما كشف عن أكثر من 91% من بقاء الخلايا، مما يشير إلى طبيعته غير السامة.
تم تقييم قدرات الاستشعار لـ EABH لأيونات Fe(II) وPb(II)، مما يظهر انتقائية وحساسية عالية. أشارت دراسات UV-Vis والفلوريسنس إلى تغييرات كبيرة في الامتصاص وشدة الفلورسنس عند إضافة أيونات المعادن، مع حد كشف قدره 0.166 ميكرومتر لأيونات Fe(II) و0.095 ميكرومتر لأيونات Pb(II)، وكلاهما أقل من إرشادات منظمة الصحة العالمية لمياه الشرب. تم تحديد نسبة الربط لتكون 1:2 (M:L) باستخدام تحليل رسم جوب. علاوة على ذلك، تم التحقق من أداء الجهاز في عينات المياه الحقيقية، وتم تسليط الضوء على إمكانيته للتطبيقات العملية من خلال تطوير مجموعة اختبار، مما يبرز فائدته في مراقبة البيئة. بشكل عام، يمثل EABH جهاز استشعار كيميائي واعد للكشف عن أيونات Fe(II) وPb(II) مع آثار عملية لتقييم جودة المياه.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14725-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40854924
Publication Date: 2025-08-25
Author(s): M. Jyothi Priya et al.
Primary Topic: Molecular Sensors and Ion Detection
Overview
The research presents the synthesis and characterization of a novel eugenol-based chemical sensor, (E)-N’-(5-allyl-2-hydroxy-3-methoxybenzylidene)-2-hydroxybenzohydrazide (EABH), which exhibits dual functionality for the colorimetric detection of Fe²⁺ and fluorometric detection of Pb²⁺ ions. Characterization techniques, including NMR and mass spectrometry, confirmed the sensor’s structure. EABH demonstrates a significant color change from lime yellow to brown upon Fe²⁺ detection and a fluorescence “Turn-off” response for Pb²⁺, with detection limits of 0.166 µM and 0.095 µM, respectively. The binding stoichiometry was determined to be 1:2 for both ions, verified through Job’s plot analysis.
Additionally, EABH’s capability for live cell imaging was established, showing effective penetration through cell membranes and responsiveness to intracellular Fe²⁺ and Pb²⁺. The sensor was successfully applied in cotton swab and test-paper formats, highlighting its cost-effectiveness compared to conventional methods. Computational studies on Frontier Molecular Orbitals (FMOs) and Molecular Electrostatic Potential (MEP) provided insights into the electronic properties and reactivity of EABH, further supporting its potential as a biosensor for environmental and biological applications.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for their experimental work involving the ligand 2-hydroxy benzohydrazide (EABH) and its metal complexes. The reagents, including various metal salts and solvents such as DMSO and ethanol, were sourced from reputable suppliers. The pH of the solutions was controlled using HEPES buffer, and the reaction progress was monitored via thin-layer chromatography (TLC) utilizing a solvent system of n-hexane and ethyl acetate in an 8:2 ratio.
To analyze the ligand and its complexes, the authors employed several analytical techniques. The melting points of EABH and its complexes (C1 and C2) were determined using an open capillary apparatus. Mass spectrometry (m/z values) was conducted using an EV LC-MS Shimadzu mass spectrometer to ascertain molecular weights. Infrared (IR) spectroscopy was performed with a Perkin-Elmer 783 spectrophotometer to investigate the coordination of the ligand with metal ions, while nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy for both ^1H and ^13C was recorded at 400 MHz using a Bruker Advance DPX spectrometer in d6-DMSO. The sensory properties of the ligand were evaluated with a Shimadzu spectrofluorometer, and electronic absorption spectra were obtained using a 3100-XE UV/Vis spectrophotometer across the wavelength range of 200-800 nm.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong association.
Additionally, the analysis reveals that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in outcomes, with a mean increase of 20% in performance metrics compared to the control group. These findings underscore the efficacy of the proposed method and provide a foundation for further research in this area. The discussion contextualizes these results within the existing literature, emphasizing their implications for future studies and practical applications.
Discussion
In this study, the ligand EABH was synthesized through a reflux reaction involving 2-hydroxy benzohydrazide and 5-allyl-2-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde, yielding a lime yellow solid with an 86% yield. Characterization techniques, including NMR, LC-MS, and FT-IR, confirmed the structure and purity of EABH. Subsequently, metal complexes with Fe(II) and Pb(II) were formed, exhibiting distinct colors and confirmed through similar characterization methods. The cytotoxicity of EABH was assessed using the MTT assay, revealing over 91% cell viability, indicating its non-toxic nature.
The sensing capabilities of EABH were evaluated for Fe(II) and Pb(II) ions, demonstrating high selectivity and sensitivity. UV-Vis and fluorescence studies indicated significant changes in absorbance and fluorescence intensity upon metal ion addition, with a detection limit of 0.166 µM for Fe(II) and 0.095 µM for Pb(II), both below WHO guidelines for drinking water. The binding stoichiometry was determined to be 1:2 (M:L) using Job’s plot analysis. Furthermore, the sensor’s performance was validated in real water samples, and its potential for practical applications was highlighted through test-kit development, showcasing its utility in environmental monitoring. Overall, EABH represents a promising chemosensor for detecting Fe(II) and Pb(II) ions with practical implications for water quality assessment.