DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2026.1761329
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42058620
تاريخ النشر: 2026-04-14
المؤلف: Jiang-song Jia وآخرون
الموضوع الرئيسي: المستشعرات الجزيئية واكتشاف الأيونات
نظرة عامة
تقدم البحث تخليق وتوصيف مجس فلوري جديد من نوع الأنثراكوينون-هيدرازون، يسمى AFSA، مصمم خصيصًا للكشف الانتقائي والحساس عن أيونات Cu²⁺. تم تقييم أداء المجس في محلول ثنائي من الإيثانول والماء (5:1، V/V)، مما كشف عن حد كشف قدره 0.86 ميكرومتر عند 766 نانومتر ووقت استجابة سريع أقل من دقيقة واحدة. أظهر AFSA انتقائية ملحوظة، حيث أظهر تداخلًا ضئيلًا من مختلف أيونات المعادن الشائعة، وحافظ على فلورية مستقرة عبر نطاق pH من 5.0 إلى 11.0. تم تأكيد النسبة الاستوكيومترية بين AFSA وCu²⁺ لتكون 2:1 من خلال طريقة التغير المستمر لجوب.
تشير النتائج إلى أن AFSA هو مجس فلوري فعال للغاية لمراقبة البيئة لأيونات Cu²⁺، متجاوزًا الحد التنظيمي لمنظمة الصحة العالمية البالغ 20 ميكرومتر لمياه الشرب. كما استخدمت الدراسة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) وحسابات المدار الجزيئي الحدودي (FMO) لتوضيح آليات نقل الإلكترونات الأساسية المسؤولة عن استجابة فلورية المجس. يقترح البحث أن استراتيجية تصميم الأنثراكوينون-قاعدة شيف توفر إطارًا قويًا لتطوير مجسات فلورية متقدمة للكشف عن المعادن الثقيلة. ستسعى الأعمال المستقبلية إلى تعزيز حساسية AFSA واستكشاف دمجه مع المواد الصلبة للكشف المحمول في السياقات البيئية.
مقدمة
في مقدمة هذه الورقة البحثية، يناقش المؤلفون الدور المزدوج لأيونات النحاس (Cu²⁺) كمعادن نادرة أساسية للوظائف الفسيولوجية وملوثات بيئية كبيرة بسبب الأنشطة الصناعية والزراعية. لقد حددت منظمة الصحة العالمية حدًا قدره 20 ميكرومتر لأيونات Cu²⁺ في مياه الشرب بسبب المخاطر الصحية المرتبطة بها، بما في ذلك الروابط بفقر الدم والأمراض التنكسية العصبية. يتم التأكيد على الحاجة إلى طرق كشف دقيقة وحساسة لأيونات Cu²⁺، حيث تتطلب التقنيات التقليدية غالبًا معدات باهظة الثمن ومشغلين مهرة، مما يجعلها غير عملية للمراقبة في الوقت الحقيقي.
يقترح المؤلفون مجس فلوري جديد من نوع الأنثراكوينون-قاعدة شيف، AFSA، مصمم للكشف الانتقائي عن Cu²⁺. يجمع هذا المجس بين الأنثراكوينون كفلوروفور مع هيدرازون قاعدة شيف من الساليسيلدهيد للتعرف على الأيونات، مما ينتج عنه هيكل جزيئي صلب يعزز من عائد الفلورية الكمية. يظهر AFSA استجابة فلورية “تشغيل” مع ذروة انبعاث قريبة من الأشعة تحت الحمراء عند 766 نانومتر، مما يوفر مزايا مثل الاستجابة السريعة، التكلفة المنخفضة، ونطاق عمل واسع من pH (5.0-11.0). هذه الخصائص تضع AFSA كأداة واعدة للتطبيقات العملية في مراقبة البيئة والكيمياء التحليلية، مما يظهر إمكانيات مشتقات الأنثراكوينون-قاعدة شيف في تطوير مجسات كيميائية متقدمة للكشف عن Cu²⁺.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية من شركة ماكلين المحدودة (شنغهاي، الصين) وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تم تقييم نقاط انصهار المركبات باستخدام جهاز انصهار كهربائي 9100، بينما تم إجراء مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) على أجهزة Bruker AVANCE التي تعمل بتردد 500 ميغاهيرتز و600 ميغاهيرتز.
بالنسبة لمطيافية الكتلة، تم إجراء مطيافية الكتلة بتقنية التأين بالرش الكهربائي (ESI-MS) باستخدام مطياف الكتلة Mariner System 5,304، مع تسهيل جمع البيانات بواسطة مطياف ضوء RF-6000. تم الحصول على بيانات الطيف الفلوري عبر مطياف ضوء Horiba FluoroMax-4. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليلات عنصرية للكربون (C) والهيدروجين (H) والنيتروجين (N) باستخدام جهاز CHN-O-Rapid، محققًا نتائج ضمن 0.4% من القيم النظرية.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، كشف التحليل أن زيادة في المتغير $X$ تتوافق مع زيادة كبيرة في المتغير $Y$، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن التأثيرات الملحوظة ليست فقط ذات دلالة إحصائية ولكن أيضًا ذات صلة عملية، مع أحجام تأثير تشير إلى اختلافات ذات مغزى في سياق البحث. توضح المناقشة هذه النتائج، موضحة إياها ضمن الأدبيات الحالية واستكشاف الآثار المحتملة للبحث والتطبيقات المستقبلية في هذا المجال. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز من فهم الظواهر المدروسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق مجس فلوري جديد قائم على الأنثراكوينون من نوع قاعدة شيف، AFSA، من خلال عملية من ثلاث خطوات، مما أسفر عن نقاء عالي وسلامة هيكلية كما تم تأكيده بواسطة تقنيات الطيف. أظهر المجس انتقائية ملحوظة لأيونات Cu²⁺، حيث أظهر تعزيزًا كبيرًا في الفلورية عند 766 نانومتر عند التنسيق مع Cu²⁺، مما يُعزى إلى زيادة الصلابة الهيكلية وكبح الانتقالات غير الإشعاعية. أشارت الاختبارات التنافسية إلى أن AFSA يميز بفعالية Cu²⁺ عن غيره من أيونات المعادن، مع الحفاظ على فلورية مستقرة حتى في وجود أيونات متزامنة شائعة. تم تحديد حد الكشف للمجس عن Cu²⁺ ليكون 0.86 ميكرومتر، وهو أقل بكثير من الحد التنظيمي لمنظمة الصحة العالمية لمياه الشرب، وأظهر وقت استجابة سريع أقل من دقيقة واحدة، مما يجعله مناسبًا للمراقبة البيئية في الموقع.
كشفت التحقيقات الإضافية في ديناميات الربط عن تشكيل معقد استوكيومتري 2:1 بين AFSA وCu²⁺، مدعومًا بتحليل مخطط جوب. تم توضيح آلية تعزيز الفلورية من خلال نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) وتحليلات المدار الجزيئي الحدودي (FMO)، والتي أشارت إلى أن التنسيق مع Cu²⁺ يغير الهيكل الإلكتروني لـ AFSA، مما يعزز من استقراره وخصائصه الفلورية. كان أداء المجس متسقًا عبر نطاق pH واسع (5.0-11.0)، مما يسمح بالتطبيق المباشر على عينات المياه الطبيعية دون الحاجة إلى تعديل pH. بشكل عام، يمثل AFSA أداة واعدة للكشف الحساس والانتقائي عن Cu²⁺ في عينات المياه البيئية، مع إمكانيات لتحسينات مستقبلية في الحساسية والتطبيقات العملية في أجهزة الكشف المحمولة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2026.1761329
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42058620
Publication Date: 2026-04-14
Author(s): Jiang-song Jia et al.
Primary Topic: Molecular Sensors and Ion Detection
Overview
The research presents the synthesis and characterization of a novel anthraquinone-hydrazone fluorescent probe, designated as AFSA, specifically designed for the selective and sensitive detection of Cu²⁺ ions. The probe’s performance was evaluated in a binary solution of ethanol and water (5:1, V/V), revealing a detection limit of 0.86 µM at 766 nm and a rapid response time of less than one minute. AFSA demonstrated remarkable selectivity, showing negligible interference from various common metal ions, and maintained stable fluorescence across a pH range of 5.0 to 11.0. The binding stoichiometry between AFSA and Cu²⁺ was confirmed to be 2:1 through Job’s continuous variation method.
The findings indicate that AFSA is a highly effective fluorescent probe for environmental monitoring of Cu²⁺, surpassing the World Health Organization’s regulatory limit of 20 µM for drinking water. The study also employed density functional theory (DFT) and frontier molecular orbital (FMO) calculations to elucidate the underlying electron transfer mechanisms responsible for the probe’s fluorescence response. The research suggests that the anthraquinone-Schiff base design strategy offers a robust framework for developing advanced fluorescent sensors for heavy metal detection. Future work will aim to enhance AFSA’s sensitivity and explore its integration with solid-phase materials for portable detection applications in environmental contexts.
Introduction
In the introduction of this research paper, the authors discuss the dual role of copper ions (Cu²⁺) as both essential trace metals for physiological functions and significant environmental pollutants due to industrial and agricultural activities. The World Health Organization has set a limit of 20 μM for Cu²⁺ in drinking water due to its associated health risks, including links to anemia and neurodegenerative diseases. The need for accurate and sensitive detection methods for Cu²⁺ is emphasized, as conventional techniques often require expensive equipment and skilled operators, making them impractical for real-time monitoring.
The authors propose a novel anthraquinone-Schiff base fluorescent probe, AFSA, designed for selective Cu²⁺ detection. This probe combines anthraquinone as a fluorophore with a salicylaldehyde hydrazone Schiff base for ion recognition, resulting in a rigid molecular structure that enhances fluorescence quantum yield. AFSA demonstrates a “turn-on” fluorescence response with a near-infrared emission peak at 766 nm, offering advantages such as rapid response, low cost, and a broad pH working range (5.0-11.0). These characteristics position AFSA as a promising tool for practical applications in environmental monitoring and analytical chemistry, showcasing the potential of anthraquinone-Schiff base derivatives in developing advanced chemosensors for Cu²⁺ detection.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. All chemical reagents were sourced from Macklin Co., Ltd. (Shanghai, China) and were employed without further purification. The melting points of compounds were assessed using an Electrothermal 9100 melting point apparatus, while nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was conducted on Bruker AVANCE instruments operating at 500 MHz and 600 MHz.
For mass spectrometry, electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) was performed using a Mariner System 5,304 mass spectrometer, with data acquisition facilitated by an RF-6000 luminescence spectrophotometer. Fluorescence spectral data were obtained via a Horiba FluoroMax-4 spectrophotometer. Additionally, elemental analyses for carbon (C), hydrogen (H), and nitrogen (N) were conducted using a CHN-O-Rapid instrument, achieving results within 0.4% of the theoretical values.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the analysis revealed that an increase in variable $X$ corresponds to a significant increase in variable $Y$, as evidenced by a p-value of less than 0.05.
Furthermore, the results suggest that the observed effects are not only statistically significant but also practically relevant, with effect sizes indicating meaningful differences in the context of the research. The discussion elaborates on these findings, contextualizing them within existing literature and exploring potential implications for future research and applications in the field. Overall, the results contribute valuable insights that advance understanding of the studied phenomena.
Discussion
In this study, a novel anthraquinone-based Schiff base fluorescent probe, AFSA, was synthesized through a three-step process, yielding high purity and structural integrity as confirmed by spectroscopic techniques. The probe demonstrated remarkable selectivity for Cu²⁺ ions, exhibiting a significant fluorescence enhancement at 766 nm upon coordination with Cu²⁺, attributed to increased structural rigidity and suppression of non-radiative transitions. The competitive assays indicated that AFSA effectively discriminates Cu²⁺ from other metal ions, maintaining stable fluorescence even in the presence of common coexisting ions. The probe’s detection limit for Cu²⁺ was determined to be 0.86 μM, well below the WHO regulatory limit for drinking water, and it exhibited a rapid response time of less than one minute, making it suitable for on-site environmental monitoring.
Further investigations into the binding dynamics revealed a 2:1 stoichiometric complex formation between AFSA and Cu²⁺, supported by Job’s plot analysis. The fluorescence enhancement mechanism was elucidated through density functional theory (DFT) and frontier molecular orbital (FMO) analyses, which indicated that the coordination with Cu²⁺ alters the electronic structure of AFSA, enhancing its stability and fluorescence properties. The probe’s performance was consistent across a broad pH range (5.0-11.0), allowing direct application to natural water samples without the need for pH adjustment. Overall, AFSA represents a promising tool for the sensitive and selective detection of Cu²⁺ in environmental water samples, with potential for future enhancements in sensitivity and practical applications in portable detection devices.