用于钾离子高选择性检测的铽配合物荧光传感器

Fluorescent Sensor Based on Terbium Complex for a Highly Selective Detection of Potassium Ion (K⁺)

摘要: 钾离子(K⁺)作为生命体内重要的金属离子，在维持细胞渗透压、神经传导和肌肉收缩等生理过程中发挥着关键作用。水环境中K⁺浓度的监测对环境保护和生物医学研究具有重要意义。本研究成功合成了一种新型三足结构配体4,4',4''-[N-三(2-羟乙基)氨基甲基]三苯甲酸(H₃L)，并以其为基础制备了稳定的稀土铽配合物TbL。实验结果表明，TbL能够作为高效的荧光传感器，对水环境中的K⁺实现快速、灵敏的检测，其检测限达到0.52 μM。该传感器还表现出优异的选择性、抗干扰性和可重复使用性。综上所述，TbL被认为是一种具有广阔应用前景的K⁺荧光化学传感器，为环境水样中钾离子的监测提供了新的解决方案。

Abstract: Potassium ions (K⁺), as important metal ions in living organisms, play a crucial role in regulating key physiological processes, including cellular osmotic pressure, nerve conduction, and muscle contraction. The monitoring of K⁺ concentration in aqueous environments is of great significance for environmental protection and biomedical research. In this study, a novel tripodal ligand, 4,4',4''-[N-tris(2-hydroxyethyl)aminomethyl] tribenzoic acid (H₃L), was successfully synthesized and subsequently used to construct a stable rare earth terbium complex (TbL). Experimental results demonstrate that TbL serves as an efficient fluorescent sensor for the rapid and sensitive detection of K⁺ in aqueous media, achieving a low detection limit of 0.52 μM. The sensor also exhibits excellent selectivity, strong anti-interference capability, and good reusability. In summary, TbL is a highly promising fluorescent chemosensor for K⁺ detection, offering a promising new approach for monitoring potassium ions in environmental water samples.

1. 引言

钾离子(K⁺)是细胞内最丰富的阳离子之一，在维持细胞膜电位、神经传导及心血管功能中扮演着核心角色，其胞内外的浓度需被精准调控(通常胞外为3.5~5.0 mM，胞内为100~150 mM) [1]。这一稳态一旦失衡，可直接导致心律失常、神经系统功能障碍等多种严重病理状态[2]。因此，发展能够对K⁺实现高灵敏度、高选择性检测的分析方法，对于基础生理学研究与临床诊断均具有至关重要的意义。传统检测技术如沉淀法、电化学传感、离子选择性电极法在空间分辨率和实时动态监测方面存在局限，而荧光传感技术因其高灵敏度、无损实时等优势，被视为极具潜力的替代方案[3]-[5]。

在众多荧光传感策略中，基于稀土配合物的探针因其独特的窄带发射、长荧光寿命以及大的斯托克斯位移而备受关注。然而，Tb³⁺离子的发光效率极易受到周围配位环境中高能振动基团(尤其是水分子)的猝灭作用影响[6]。为克服这一关键问题，引入三足羧酸类配体被认为是理想的解决方案。三足配体凭借其刚性骨架和三臂对称的多齿配位位点，能够与Tb³⁺形成高度稳定且结构可预测的配合物。一方面，其末端的多个羧酸基团既可作为有效的“天线”发色团，促进从配体到Tb³⁺的高效能量转移，又能通过空间位阻效应有效屏蔽水分子接近发光中心，从而显著提高量子产率与荧光寿命[7]。另一方面，三足骨架还为进一步功能化提供了可能，例如在臂端引入芳香供体或离子识别单元，以实现对特定阳离子的尺寸与配位几何的精准选择性[8]。由此，三足配体不仅增强了Tb³⁺配合物的光物理稳定性，还兼具结构可调控性和多功能化潜力，为设计具有高灵敏度、良好选择性及时间门控检测能力的稀土荧光传感体系提供了重要平台[9]。

本文旨在利用4,4',4''-[N-三(2-羟乙基)氨基甲基]三苯甲酸(H₃L)作为有机配体合成镧系配合物TbL，并将其应用于水介质中K⁺的检测。通过荧光滴定实验证实了该传感器的高灵敏度。实验结果表明，TbL具备成为水介质中检测K⁺的潜力。

2. 实验

2.1. 实验方法

1) 三(2-氯乙基)胺盐酸盐的合成[10]

将三乙醇胺在三氯甲烷中稀释后，缓慢滴加至含有二氯亚砜和三氯甲烷的反应体系中，搅拌反应并控制温度。反应结束后，通氮气除去副产气体，减压蒸馏去除溶剂和过量试剂，所得粗产物经丙酮重结晶，得到白色片状晶体。

2) 4,4',4''-[N-三(2-羟乙基)氨基甲基]三苯甲酸三甲酯的合成

在氩气保护下，将碳酸钾、三(2-氯乙基)胺盐酸盐和对羟基苯甲酸甲酯加入无水乙腈中，在80℃下回流反应72 h。反应液过滤除盐，滤液经萃取、干燥及柱层析纯化，得到目标酯类中间体。

3) 4,4',4''-[N-三(2-羟乙基)氨基甲基]三苯甲酸的合成

酯中间体(2.5 g)在80℃下于5 mol/L的氢氧化钠水溶液中搅拌下进行水解。反应完成后反应混合物冷却并用5 mol/L的HCl酸化至pH值为2，使产物沉淀。所得固体通过过滤、用水洗涤并干燥，从而得到目标羧酸。

将0.01 mmol (5.10 mg)的配体和0.015 mmol (6.79 mg)的Tb(NO₃)₃∙6H₂O分别加入到5 mL水中，并进行超声处理30分钟以确保它们充分混合。接着，将混合物置于105℃的回流条件下加热48小时，然后让其冷却至室温。最后，使用过滤的方法收集配合物TbL。

2.2. 测试与表征

将TbL样品置于固体样品池上，并使用日本日立公司的F-7000荧光分光光度计测量TbL在室温下的激发和发射光谱。接着，将2 mg的TbL样品加入到4 mL的水中制备悬浮液，以用于荧光传感实验。

3. 结果与讨论

在室温下对配合物TbL进行了发射光谱的研究。如图1(a)所示，在276 nm的激发下，TbL在490、545、587、622 nm处出现四个Tb³⁺离子的特征发射峰，归属于⁵D₄ → ⁷F_J (J = 6, 5, 4. 3)的跃迁。340~470 nm出现一个强而宽的发射峰，归属于配体的发射，说明配体H₃L的能量传递不完全。理想情况下，配体吸收的激发能量应高效转移至Tb³⁺，增强其特征发射，而能量传递不完全意味着部分能量仍以配体发射形式损失，从而降低Tb³⁺发射强度和荧光量子效率。该现象可能略微降低荧光信号强度和检测灵敏度，但在本体系中对Tb³⁺发射的影响仍有限。此外，TbL在手持紫外灯下表现出明亮的绿色发光。图1(b)为配合物TbL发射光谱对应的CIE色度坐标图，计算得到其色坐标为(0.30699, 0.43167)，处于绿色区域。这表明配合物具有良好的发光性能，可以作为发光材料。

Figure 1. (a) Solid-state excitation and emission spectra of TbL; (b) CIE chromaticity diagram of TbL

图1. (a) TbL的固态激发和发射光谱；(b) TbL的CIE色度坐标图

基于开发高效、快速离子检测技术的需求，探究了配合物在水介质中对K⁺的传感性能。配制0.01 mol/L的阳离子水溶液，包括镉离子(Cd²⁺)、钴离子(Co²⁺)、亚铁离子(Fe²⁺)、钾离子(K⁺)、镁离子(Mg²⁺)、镍离子(Ni²⁺)、铅离子(Pd²⁺)在内的7种常见阳离子。取2 mL配制好的TbL悬浮液于10 mL石英比色皿中，然后依次加入10 μL阳离子水溶液记录荧光光谱的变化。图2(a)的实验结果表明，当向铽配合物的水悬浮液中分别加入上述离子时，Pd²⁺和Ni²⁺对TbL在545 nm处的荧光强度影响较弱，其他4种检测物质对荧光强度基本上没有影响。然而，在加入K⁺后，TbL的荧光强度明显下降，初步证实TbL对K⁺具有选择性。可以通过计算猝灭效率来评估K⁺的影响。猝灭效率通过以下公式计算：$\left(1-I/I_0\right)\times 100\%$ ，其中I₀为加入检测物前的荧光强度，I为加入检测物后的荧光强度。计算得到，加入K⁺后TbL的淬灭效率为51%。由此可见，尽管配体能量传递不完全，但TbL的荧光信号仍足够清晰，能够有效用于K⁺的荧光检测。以上结果表明，得到的TbL可以作为水介质中K⁺的荧光传感器。

在传感器应用中，抗干扰能力是决定其性能优劣的关键因素之一，直接关系到数据采集的准确性以及整个传感系统的长期稳定运行。为了评估TbL传感器在复杂离子环境下的选择性识别能力，开展了在K⁺与其他多种干扰阳离子共存条件下的竞争性传感实验。实验中，所有待测阳离子的总浓度均统一控制为1 × 10⁻² mol∙L⁻¹，以模拟实际样品中可能存在的多离子干扰背景。

竞争实验的结果显示于图2(b)中。在分别引入不同的干扰阳离子时，传感器材料TbL在特征发射波长545 nm处的荧光强度并未发生显著波动，基本保持稳定；然而，当体系中加入K⁺时，该处的发射强度则出现了明显的淬灭现象。这一对比结果表明，TbL传感器对K⁺具有高度优先的识别能力，不易受到其他共存阳离子的干扰。这种优异的抗干扰特性，不仅验证了传感器在实际应用环境中对目标物的良好选择性，也显著提升了其检测结果的可靠性与实用价值，为其在复杂基质中钾离子的准确监测提供了有力保障。

Figure 2. (a) Emission spectra of TbL upon addition of various cations; (b) Competitive experiment for the detection of K⁺ by TbL in the presence of different cations

图2. (a) 加入不同阳离子后TbL的发射光谱；(b) TbL在不同阳离子存在下检测K⁺的竞争实验

为深入探究铽配合物TbL对K⁺的检测灵敏度，我们系统地进行了荧光滴定实验。通过控制K⁺的加入量，并实时监测TbL荧光信号的响应变化，以定量评估其检测性能。实验结果如图3(a)所示，可以观察到，随着K⁺浓度从0 μM逐步增加至227 μM，TbL在其特征发射波长(545 nm)处的荧光强度呈现连续且明显的下降趋势。当K⁺浓度超过227 μM后，荧光强度的下降趋势趋于平缓，最终达到一个稳定的平台期，这表明TbL对K⁺的荧光响应已接近饱和状态。

为定量表征传感器的灵敏度，我们采用Stern-Volmer (SV)方程$\left(I_0/I=1+K_{SV}\left[Q\right]\right)$ 对滴定数据进行分析。其中，I₀和I分别代表加入K⁺前后TbL在545 nm处的发光强度，[Q]为淬灭剂K⁺的浓度，K_SV为Stern-Volmer淬灭常数。如图3(b)所示，在较低的K⁺浓度区间(0~50 μM)，Stern-Volmer曲线表现出良好的线性关系，其线性拟合相关系数(R²)高达0.9880。基于该线性区间计算得到的K_SV值为1.819 × 10⁴ M⁻¹。此外，根据检测限的计算公式LOD = 3σ/K_SV (其中σ为空白测定的标准偏差)，得出TbL对K⁺的检测限为0.52 μM。

为深入探究TbL对K⁺的发光猝灭机理，我们采用同时考虑动态与静态猝灭的扩展Stern-Volmer模型对滴定数据进行了分析。该模型的表达式如下：

$I_0/I=\left(1+K_D\left[Q\right]\right)\left(1+K_S\left[Q\right]\right)$ (1)

其中，K_D和K_S分别代表动态猝灭常数和静态猝灭常数。如图3(b)所示，在0至50 μM的浓度范围内，I₀/I与[K⁺]的关系呈现出良好的线性。采用线性模型拟合得到的Stern-Volmer常数K_SV值为1.819 × 10⁴ M⁻¹ (R² = 0.9880)。然而，图3(c)所示扩展模型的拟合结果虽然R² = 0.9961，却显示静态猝灭常数K_S为负值。这在物理化学上不可解释，表明该模型对本体系并不适用，其稍高的R²值可能源于对数据微小波动的过度拟合。

结合Stern-Volmer图在整个浓度区间内无明显向上弯曲的特征，可以合理地认为，K⁺对TbL的发光猝灭主要由动态碰撞过程主导。因此，基于线性Stern-Volmer模型计算得到的K_SV值及检测限能够可靠地表征该传感器的性能。

上述的滴定实验数据有力证明，所研制的TbL传感器对水介质中的K⁺不仅具备高效的响应能力，而且与文献中报道的传感器相比(见表1)，TbL拥有较低的检测限，是一种性能突出、潜力巨大的K⁺传感材料。

Figure 3. (a) Fluorescence titration diagram of sensors response to K⁺ (0~277 μM); (b) Relationship between the Stern-Volmer of sensors and the increase in K⁺ concentration; (c) Stern-Volmer analysis and extended model fitting of the luminescence response of TbL toward K⁺

图3. (a) 传感器对K⁺ (0~277 μM)的荧光滴定图；(b) 传感器的Stern-Volmer与K⁺浓度增加的关系；(c) TbL对K⁺发光响应的Stern-Volmer分析及扩展模型拟合

Table 1. Comparison of sensors for K⁺ detection

表1. 检测K⁺的传感器比较

Sensing materials	LOD	Ref.
BR-G-quadruplex	1000 μM	[11]
Zn-DIGP/c-Myc	0.8 μM	[12]
Hemin-PS2.M DNAzyme	1.66 μM	[13]
Zinc phthalocyanine	10 μM	[14]
TbL	0.52 μM	This work

为评估TbL传感器的可回收性能，设计并进行循环利用实验。实验过程中，将完成K⁺检测后的TbL水悬浮液经过滤回收，并采用去离子水洗涤三次后干燥，再将回收样品重新分散于水溶液中进行K⁺检测。如图4所示，回收后的TbL荧光强度与初始状态基本一致，且对K⁺的荧光猝灭效应保持稳定。进一步循环测试表明，TbL在至少五个回收周期后仍能保持优异的检测性能。这一结果表明，TbL不仅具备良好的可回收性，还能在多次循环使用后维持稳定的检测能力，充分体现其在长期监测中的经济效益和环境友好性，使其特别适用于高频次、持续性监测应用。

Figure 4. Change plot of fluorescence intensity at 545 nm in the emission spectra of TbL during the recycling experiments for K⁺ detection

图4. 检测K⁺的循环实验中TbL发射光谱545 nm处荧光强度变化图

4. 结论

在本研究中，我们成功合成了一种三足结构配体4,4',4''-[N-三(2-羟乙基)氨基甲基]三苯甲酸(H₃L)，并以其为基础制备了相应的稀土铽配合物TbL。实验结果表明，TbL在水环境中对K⁺表现出优异的检测性能，不仅具备高灵敏度与良好的抗干扰能力，还显示出可重复使用的潜力。进一步定量分析显示，该传感器对K⁺的检测限可达0.52 μM，验证了其在低浓度范围内的有效检测能力。结合实验表征与理论计算，本研究证实TbL作为一种具有应用前景的K⁺荧光传感器，能够实现对水环境中K⁺的高效、可靠检测，在环境监测与离子传感领域具备潜在价值。