高选择性菲咯啉基荧光探针检测水中极端碱度 (pH > 14)

摘要

在水介质中检测极端碱度 (pH > 14) 对传统 pH 指示剂和电极仍是巨大挑战。我们报道一种水溶性菲咯啉衍生物 BMIP，在纯水中溶解度达 8 mg mL⁻¹，对 3–6 mol L⁻¹ 氢氧根浓度表现出快速、高选择性荧光响应。暴露于 pH > 14 环境 10 秒内，BMIP 从无色非发光状态转变为亮黄色荧光 (λ_em ≈ 525 nm)，而对广泛竞争离子和所有其他 pH 值 (2 ≤ pH ≤ 13.9) 惰性。该传感器凭借高选择性、低检测限、优异抗干扰和定量线性 (R² = 0.996)，基于去质子化-聚集诱导增强发光 (AIE) 机制，经吸收、荧光和 ¹H-NMR 研究确认。BMIP 确立了工业和环境领域实时水相极端碱度检测新标杆。

引言

造纸、核燃料后处理、废水处理、制革、矿产提取等行业常在极端碱性条件 (pH > 14) 下操作。准确实时监测这些过程中的氢氧根水平对安全、过程控制和环境合规至关重要。传统 pH 试纸在此范围失效，均匀变深蓝；玻璃电极 pH 计因液接电位和离子交换限制读数不可靠。荧光探针提供有力替代，但多数体系针对 pH 2–13，碱性区域 largely 未解决。现有碱性探针常需有机助溶剂、灵敏度差、或因复杂光物理机制限制定量分析。

1H-咪唑并[4,5-f][1,10]菲咯啉 (IP) 为刚性平面杂环，具强电荷传输性质和本征荧光。其 NH 官能团可与氢氧根反应，芳香骨架赋予良好光稳定性。引入两个三乙二醇单甲基醚 (TEG-MeO) 基团，我们设计了 BMIP——一种完全水溶性衍生物，结合 IP 的识别能力和 PEG 链的溶解能力。该探针展现前所未有的组合特性：(i) 25 mg mL⁻¹ 水溶性，(ii) 选择性氢氧根检测，(iii) AIE 驱动荧光开启，(iv) 适合过程监测的快速响应时间。

结果与讨论

合成、溶解度与最优探针浓度

BMIP 通过聚敛路线三步合成，起始原料为三乙二醇单甲基醚和 1,10-菲咯啉-5,6-二酮 (方案 1)。最终产物分离得浅红色胶状固体 (收率 83%)，极易溶于水，溶解度达 25 mg mL⁻¹ (≈0.4 mmol L⁻¹)。考察 2×10⁻⁵ 至 4×10⁻³ mol L⁻¹ 范围 BMIP 浓度，确定 1 mmol L⁻¹ (10⁻³ mol L⁻¹) 为氢氧根检测的信号强度与动态范围最佳平衡点。

极端碱度的选择性识别

为评估离子选择性，向 1 mmol L⁻¹ BMIP 溶液加入 3 mol L⁻¹ 多种阳离子和阴离子——包括过渡金属、碱/碱土金属离子、卤素、氧酸根。荧光光谱 (λ_em≈525 nm) 和 365 nm UV 目视检查显示：仅加入 NaOH 使 pH > 14 时，诱导显著颜色变化 (无色→橙黄) 和 1000 倍荧光增强。所有其他离子几乎无光谱扰动 (图 2)，确证对氢氧根的卓越选择性。

抗干扰能力

进一步向 BMIP-NaOH 混合物加入常见工业盐 (KCl、Na₂SO₄、NaNO₂、NaNO₃、NaClO₄、NaBr、KI) 挑战探针。各盐加入后荧光强度变化 <5%，展现强健抗干扰性能 (图 2d)。

pH 依赖性响应

BMIP 展现严格 pH 选择性响应：pH < 14 溶液保持非发光，仅当溶液达极端碱度 (pH > 14，3 mol L⁻¹ NaOH) 时突然荧光开启。全 pH 范围 (2–14) 探针保持光化学沉默，确保任何检测信号明确指示极端氢氧根存在 (图 3)。

定量检测与动力学

测量 BMIP (1 mmol L⁻¹) 在 3–6 mol L⁻¹ NaOH 中荧光强度建立标准曲线。I 对 [OH⁻] 图显示优异线性 (R²=0.996) (图 4b)，可精确量化 3–6 mol L⁻¹ 氢氧根浓度。时间分辨测量显示荧光响应 10 秒内达平台期，满足工业监测快速响应标准 (图 4c)。

重复性

重复加入 NaOH、硫酸中和、再加 NaOH，产生相同荧光曲线，证实 BMIP 感知循环完全可逆、高度可重复 (图 4d)。

检测机制

氢氧根使 IP NH 基去质子化生成负电荷物种 (BMIP⁻)，在水中沉淀聚集。聚集诱导增强发光 (AIE) 解释 pH > 14 时观测到的亮黄色荧光。D₂O 和 DMSO-d₆ 中 ¹H-NMR 证实 NaOH 处理后 NH 信号消失，佐证去质子化路径。pH ≥ 12.26 时 385 nm 处新吸收带出现进一步支持 BMIP⁻ 形成 (图 5)。综合光物理数据确认氢氧根识别经两步过程：去质子化随 AIE。

结论

我们开发了 BMIP，一种菲咯啉基荧光探针，为纯水中极端碱度 (pH > 14) 检测提供卓越选择性、灵敏度和定量能力。其高溶解度、快速响应 (≤10 s)、强健抗干扰和清晰线性标定，使其成为工业和环境应用实时监测的实用工具。探针的 AIE 驱动检测机制为设计下一代碱性传感器开辟新途径。

方法

一般信息

所有试剂商购直接使用。NMR 用 Bruker Avance 400 MHz 记录；LC-MS 数据获自 Shimadzu LCMS-2020。荧光测量用 Shimadzu RF-5301PC 光谱仪。所有合成步骤在惰性氮气氛下用 Schlenk 技术进行。水相检测实验在室温 (22 °C) 去离子水中进行。

BMIP 合成

合成路线见方案 1。最终产物经柱层析 (EtOAc/MeOH 10:1) 纯化得浅红色胶状固体 (621.29 Da, HRMS)。详细合成步骤和光谱数据见补充信息。

光物理测量

所有荧光和吸收光谱用 1 mm 石英比色皿记录。离子选择性测试中，各盐 3 mol L⁻¹ 溶液加入 3 mL BMIP (1 mmol L⁻¹) 溶液后记录光谱。pH 依赖性研究用新鲜制备缓冲液 (1 mol L⁻¹ HCl 至 3 mol L⁻¹ NaOH)。标定曲线以 525 nm 荧光强度对氢氧根浓度作图。

重复性与 AIE 实验

所有实验三次重复，标准差 <5%。AIE 确认实验中，BMIP-NaOH 溶液滴定增量 NaOH (0.1 mL, 3 mol L⁻¹) 同时监测荧光变化。