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• 0.   引言

  六价铬离子[Cr(Ⅵ)]和氟离子(F^-)作为环境中常见的污染物，对人体健康和生态系统具有显著的危害^[1-4]。Cr(Ⅵ)具有强氧化性和高毒性，长期接触可导致癌症、DNA损伤及多种器官功能障碍^[5-8]；而F^-过量摄入则会引起氟骨症、牙齿氟斑等疾病，甚至影响神经系统功能^[9-12]。因此，开发高效、选择性识别Cr(Ⅵ)和F^-的检测方法对于环境监测、工业废水治理和生物医学分析具有重要意义。

  传统的Cr(Ⅵ)和F^-检测技术，如原子吸收光谱法^[13-15]、离子色谱法^[16-18]和电化学分析法^[19-21]等，虽然准确性较高，但通常依赖大型仪器，且存在操作复杂、成本高昂等问题^[22-25]。相比之下，荧光探针法因其高灵敏度、快速响应、可视化检测及实时监测能力，成为近年来的研究热点^[26]。例如，Bai等采用溶剂热法合成了基于半刚性四羧酸配体的Cr（Ⅱ）配位聚合物，作为Fe³⁺和对硝基苯酚的荧光传感器，检出限低，抗干扰性好^[27]。Zhong等通过简单的一步水热法制备了橙子皮基碳量子点，用于铁离子和L-抗坏血酸的检测^[28]。然而，现有的荧光探针大多仅针对Cr(Ⅵ)和F^-的单一检测，易受其他共存离子的干扰^[29]。因此，开发一种能够选择性区分Cr(Ⅵ)和F^-的双功能荧光探针，仍是一个重要挑战。

  近年来，基于脲基(—NH—CO—NH—)和硅氧基团的分子识别策略在离子检测领域展现出独特优势^[30]。脲基中的N、O原子可作为配位位点，与金属离子[如Cr(Ⅵ)]形成稳定配合物；而硅氧键(Si—O)则对F^-具有高度敏感性，可发生特异性断裂反应。基于此，我们设计、合成了一种新型探针分子1-甲基-2，4-双[2-(叔丁基二甲硅烷氧基)乙基脲基]苯(T1)，通过脲基配位作用实现对Cr(Ⅵ)的高选择性荧光猝灭检测，同时通过Si—O键断裂机制特异性响应F^-，产生显著的荧光增强效应，赋予其同时识别Cr(Ⅵ)和F^-的双功能特性(图 1)。2种识别路径互不干扰，且探针在复杂环境中表现出优异的抗干扰能力。该研究不仅为Cr(Ⅵ)和F^-的高效检测提供了新型工具，也为设计多功能荧光探针提供了新的分子设计思路。

  图 1

  

  图 1.  双功能荧光探针T1检测Cr(Ⅵ)和F^-的机理

  Figure 1.  Mechanism of the bifunctional fluorescent probe T1 for Cr(Ⅵ) and F^-

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  1.   实验部分

  1.1   试剂与仪器

  实验所用试剂均为分析纯。乙醇胺、咪唑、四丁基硝酸铵、Hg(NO₃)₂·H₂O均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。叔丁基二甲基氯硅烷、四丁基氟化铵三水合物、四丁基氯化铵一水合物、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵、四丁基醋酸铵、四丁基硫酸氢铵、磷酸二氢四丁基铵、ZnCl₂、PbCl₂均购自安耐吉(上海)医药化学有限公司。乙腈、二氯甲烷、氨水、二甲基亚砜(DMSO)、NaCl、KCl、CaCl₂、BaCl₂·2H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、Cu(NO₃)₂·3H₂O、Al(NO₃)₃·9H₂O、CrCl₃·6H₂O均购自国药集团化学试剂有限公司。NiCl₂·6H₂O、FeCl₂·4H₂O、Cd(NO₃)₂·4H₂O、Co(NO₃)₂·6H₂O均购自安徽泽升科技有限公司。甲苯-2，4-二异氰酸酯(2，4-TDI)、无水硫酸钠、重铬酸钾标准溶液(1.50 mol·L^-1)均购自上海麦克林生化科技股份有限公司。去离子水购自娃哈哈集团有限公司。自来水、实验室废水及革屑样品均由齐河力厚化工有限公司提供。

  溶剂的前处理：在纯的乙腈、二氯甲烷溶剂中加入氢化钙，加热回流1~2 h至无氢气气泡产生，然后在氮气保护下蒸出，再加入活化的4A分子筛保存。

  ¹H NMR在JNM-ECZL400S核磁共振波谱仪(日本电子株式会社)上测试得到；电喷雾电离质谱(ESI-MS)在1260-6125液质联用仪(LC-MS，安捷伦科技有限公司)上测定，所用流动相为甲醇-水；荧光光谱在F-4600荧光光谱仪(日本Hitachi公司)上测定；紫外可见(UV-Vis)吸收光谱在L8紫外可见分光光度计(上海佑科仪器仪表有限公司)上测定；红外光谱在iS50红外光谱仪(FTIR，Thermo Fisher Scientific)上测定。

  1.2   2-(叔丁基二甲硅烷氧基)乙胺的合成

  称取乙醇胺(0.05 mol，3.05 g)和咪唑(0.10 mol，6.81 g)于100 mL三口烧瓶中，在氮气气氛下加入40 mL二氯甲烷，冰浴搅拌将混合物冷却至0 ℃。将叔丁基二甲基氯硅烷(0.06 mol，9.04 g)恒压缓慢滴加到反应体系中(约15 min)，滴加结束后，在0 ℃下将反应再进行30 min，然后升温至20 ℃搅拌2 h。反应结束后，分别加入氨水和饱和食盐水洗涤4次，有机层用无水硫酸钠干燥10 min。除去溶剂后，真空干燥得到2-(叔丁基二甲硅烷氧基)乙胺(8.31 g)，产率为95%(图 2)。¹H NMR(400 MHz，CDCl₃)：δ 3.54(t，J=5.3 Hz，2H)，2.67(t，J=5.3 Hz，2H)，1.95(s，2H)，0.81(s，9H)，-0.02(s，6H)(图 3)。

  图 2

  

  图 2.  2-(叔丁基二甲硅烷氧基)乙胺的合成路线

  Figure 2.  Synthetic route for 2-(tert-butyldimethylsiloxy)ethylamine

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  图 3

  

  图 3.  2-(叔丁基二甲硅烷氧基)乙胺的¹H NMR谱图

  Figure 3.  ¹H NMR spectrum of 2-(tert-butyldimethylsiloxy)ethylamine

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  1.3   T1的合成

  称取2-(叔丁基二甲基硅氧基)乙胺(4.00 mmol，0.70 g)于100 mL三口烧瓶中，通氮气情况下加入20 mL乙腈(除水)，室温搅拌，加入2，4-TDI(2.00 mmol，0.35 g)，室温下反应12 h，旋蒸除去溶剂，真空干燥得产物T1(0.98 g)，产率为93%(图 4)。¹H NMR(400 MHz，DMSO-d₆)：δ 8.47(s，1H)，7.71(d，J=2.2 Hz，1H)，7.64(s，1H)，7.13(dd，J=7.8，2.3 Hz，1H)，6.93(dd，J=8.2，2.9 Hz，1H)，6.64(t，J=5.6 Hz，1H)，6.50(t，J=7.3 Hz，1H)，3.61(t，J=4.7 Hz，4H), 3.16(q, 4H), 2.08(s, 3H)，0.88(s，18H)，0.06(s，12H)；FTIR (KBr，cm^-1)：3 319，2 953，2 927，2 856，1 641，1 598，1 556，1 505，1 471，1 420，1 408，1 361，1 251，1 217，1 166，1 125，1 100，1 051，1 005，908，833，807，775，661；ESI-MS[T1+H]⁺：m/z=525.32(计算值)，525.30(实验值)(图 5)。

  图 4

  

  图 4.  探针T1的合成路线

  Figure 4.  Synthetic route for the probe T1

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  图 5

  

  图 5.  探针T1的(a) ¹H NMR谱图和(b) ESI-MS谱图

  Figure 5.  (a) ¹H NMR spectrum and (b) ESI-MS spectrum of the probe T1

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  1.4   T1和金属离子储备液的配制

  荧光传感器T1标准溶液的配制：精确称取适量T1，用DMSO溶解后转移至10 mL容量瓶中，定容后得到1 mmol·L^-1的T1储备液，避光保存备用。

  金属离子标准溶液的配制：准确称取NaCl、KCl、CaCl₂、ZnCl₂、PbCl₂、BaCl₂·2H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、NiCl₂·6H₂O、FeCl₂·4H₂O、Cu(NO₃)₂·3H₂O、Al(NO₃)₃·9H₂O、Cd(NO₃)₂·4H₂O、Co(NO₃)₂·6H₂O、Hg(NO₃)₂·H₂O、CrCl₃·6H₂O及K₂Cr₂O₇等金属盐，分别用去离子水溶解后转移至10 mL容量瓶中，定容至刻度，配制成1 mmol·L^-1的金属离子储备液，备用。

  阴离子标准溶液的配制：准确称取F^-、Cl^-、Br^-、I^-、HSO₄^-、NO₃^-、OAc^-、HPO₄^2-、SO₄^2-、CO₃^2-的四丁基铵盐，分别用去离子水溶解后转移至10 mL容量瓶中，定容至刻度，配制成1 mmol·L^-1的阴离子储备液，备用。

  采用水合溶剂DMSO/H₂O(1∶1，V/V)稀释T1储备液，配制10 μmol·L^-1的T1工作液用于光谱测试。所有溶液均需避光密封保存，避免氧化或光解。实验均在室温条件下进行。

  1.5   T1对Cr(Ⅵ)、F^-的选择性、竞争性检测

  为系统评价探针T1对Cr(Ⅵ)的选择性识别性能，在10 μmol·L^-1的T1溶液中分别加入20.00 μmol·L^-1的Cr(Ⅵ)及其他金属阳离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Ba²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Al³⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Hg²⁺、Cr³⁺)作为对照。室温振荡30 min后，采用荧光光谱仪(激发和发射波长分别为350和395 nm)和紫外可见分光光度计同步检测其荧光发射和UV-Vis吸收光谱。采用相同策略针对F^-的选择性评价实验，选取10种代表性阴离子(F^-、Cl^-、Br^-、I^-、HSO₄^-、NO₃^-、OAc^-、HPO₄^2-、SO₄^2-、CO₃^2-)进行对比测试。实验过程中保持探针浓度和测试条件一致，仅将荧光检测参数调整为激发波长为247 nm，发射波长为320 nm。通过对比分析各离子存在下的光谱响应差异，可准确评估探针对目标分析物的特异性识别能力。

  此外，采用荧光竞争实验考察了多种共存离子对探针T1识别Cr(Ⅵ)和F^-的选择性干扰。在Cr(Ⅵ)识别实验中，向10 μmol·L^-1的T1溶液引入20.00 μmol·L^-1 Cr(Ⅵ)的同时分别加入其他金属阳离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Ba²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、Al³⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Hg²⁺、Cr³⁺)，室温振荡30 min后于350 nm激发波长下测定395 nm处的荧光发射强度。在F^-识别实验中，则向体系加入20.00 μmol·L^-1 F^-并引入9种代表性阴离子(Cl^-、Br^-、I^-、HSO₄^-、NO₃^-、OAc^-、HPO₄^2-、SO₄^2-、CO₃^2-)，室温振荡30 min后在247 nm激发波长下检测320 nm处的荧光信号变化。通过对比分析不同干扰离子存在下的荧光响应差异，可有效评估T1探针对目标离子的识别选择性。

  1.6   探针T1对Cr(Ⅵ)和F^-的浓度响应特性

  通过荧光滴定实验考察探针T1对Cr(Ⅵ)和F^-的浓度响应特性。实验采用10 μmol·L^-1 T1溶液作为检测体系，分别加入0~50.00 μmol·L^-1范围内梯度变化的Cr(Ⅵ)和F^-溶液。对于Cr(Ⅵ)检测，在激发波长350 nm下记录395 nm处的荧光发射光谱变化；对于F^-检测，则采用247 nm激发波长监测320 nm处的荧光信号变化。通过测定不同浓度目标物存在时的荧光强度变化，建立T1探针对Cr(Ⅵ)和F^-的浓度响应曲线。

  1.7   检测限的计算

  采用荧光滴定法测定检测限(LOD)。依据国际通用的3σ法则，检测限的计算公式：

  $ \mathrm{LOD}=\frac{3 \sigma}{k} $

  其中，σ为空白样品荧光强度的标准偏差，k为荧光强度随离子浓度变化的线性回归斜率。

  1.8   结合常数(K_a)的计算

  通过Benesie-Hildebrand公式计算出K_a：

  $ \frac{1}{F-F_0}=\frac{1}{K_{\mathrm{a}}\left(F_{\max }-F_0\right) c_{\mathrm{N}}}+\frac{1}{F_{\max }-F_0} $

  其中，F为测量的荧光强度，F_max为饱和离子浓度时的荧光强度，F₀为没有离子时的荧光强度，即T1的荧光强度，c_N为被检测离子的浓度。

  1.9   探针T1对实际样品中Cr(Ⅵ)和F^-的检测

  为验证探针T1在实际样品中的检测性能，实验选取自来水、实验室废水和皮革鞣制革屑3类代表性样品进行分析。首先进行样品前处理：自来水经0.22 μm滤膜过滤后直接检测；实验室废水静置30 min后取上清液过0.22 μm滤膜；革屑样品经超声萃取30 min，离心取上清液过滤。检测时，取1 mL预处理样品与9 mL DMSO/H₂O混匀，加入探针T1(10 μmol·L^-1)，室温振荡30 min后，采用荧光法测定Cr(Ⅵ)和F^-含量。

  2.   结果与讨论

  2.1   探针T1对Cr(Ⅵ)和F^-的选择性识别性能

  我们首先系统考察了探针分子T1在水合溶剂DMSO/H₂O中对Cr(Ⅵ)的选择性识别性能。如图 6a、6b所示，游离态T1在395 nm处展现出强的荧光发射(强度约970 a.u.)，当体系中加入20.00 μmol·L^-1 Cr(Ⅵ)时，荧光强度显著降低，表现出明显的荧光猝灭效应。值得注意的是，在相同条件下测试的其他金属离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Ba²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺等)均未引起明显的荧光信号变化，这充分证明了T1对Cr(Ⅵ)具有优异的选择性识别能力。

  图 6

  

  图 6.  不同金属离子存在时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在395 nm处的荧光强度、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在350 nm处的吸光度; 不同金属离子与Cr(Ⅵ)共存时, T1的(e) 荧光光谱及(f) 其395 nm处的荧光强度

  Figure 6.  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensities at 395 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbances at 350 nm of T1 with various metal ions; (e) Fluorescence spectra and (f) corresponding fluorescence intensities at 395 nm of T1 when different metal ions coexist with Cr(Ⅵ)

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  此外，采用UV-Vis吸收光谱研究进一步证实了T1对Cr(Ⅵ)的选择性识别特性。如图 6c所示，游离T1在247 nm处呈现特征吸收峰，加入Cr(Ⅵ)后不仅导致该吸收峰处吸光度显著增强，同时在350 nm处出现新的吸收带。相比之下，其他金属离子的加入均未引起吸收光谱的明显变化(图 6d)。荧光竞争实验进一步证实(图 6e、6f)，在多种金属离子(各20 μmol·L^-1)的共存条件下，T1对Cr(Ⅵ)的识别能力基本不受影响，表明该探针具有良好的抗干扰性能。结合分子结构分析，我们推测T1对Cr(Ⅵ)的特异性识别源于其独特的分子结构特征。T1分子中的脲基单元(—NH—CO—NH—)可作为良好的配位位点，通过N、O原子与Cr(Ⅵ)形成稳定的配位结构，这种特异性相互作用导致分子内电子分布发生显著改变，从而引起荧光猝灭和吸收光谱的变化。

  在证实T1对Cr(Ⅵ)优异识别性能的基础上，为进一步评估其实际应用潜力，我们拓展研究了该探针对10种常见阴离子(F^-、Cl^-、Br^-、I^-、HSO₄^-、NO₃^-、OAc^-、HPO₄^2-、SO₄^2-、CO₃^2-)的识别行为。采用与金属离子研究相同的DMSO/H₂O溶剂体系，通过荧光和UV-Vis吸收光谱对其进行了系统表征。荧光光谱研究揭示了T1对F^-的独特响应特性，如图 7a所示，游离T1在320 nm处呈现出特征荧光发射峰(强度为355 a.u.)。引人注目的是，当加入20.00 μmol·L^-1 F^-时，荧光强度急剧增强(图 7b)，而其他阴离子均未引起明显变化。这种显著的“turn-on”型响应模式与Cr(Ⅵ)诱导的荧光猝灭现象形成鲜明对比，表明T1可通过不同的信号输出机制分别识别Cr(Ⅵ)和F^-。UV-Vis吸收光谱分析为T1对F^-的特异性识别提供了进一步的实验证据(图 7c、7d)。实验结果显示，游离态T1在247 nm处表现出特征吸收峰(吸光度为0.14)。值得注意的是，仅当F^-存在时，该吸收峰强度显著增加，表明F^-与T1分子间发生了特异性相互作用。相比之下，其他测试阴离子(Cl^-、Br^-等)的加入均未引起吸收光谱的明显变化，进一步证实了T1对F^-的高度选择性。为验证T1在实际样品中的适用性，我们进行了系统的竞争性实验(图 7e、7f)。结果表明，在其他阴离子(Cl^-、Br^-、I^-等)的共存条件下，T1对F^-的识别效率仍保持在90%以上，展现出优异的抗干扰能力。结合分子结构分析，我们推测这种特异性识别源于F^-断裂了T1分子两端的Si—O键。这一系列实验结果不仅证实了T1对F^-具有优异的选择性识别性能，更为其检测复杂环境样品中的F^-提供了可靠的分析方法。

  图 7

  

  图 7.  不同阴离子存在时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在320 nm处的荧光强度、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在247 nm处的吸光度; 不同阴离子与Cr(Ⅵ)共存时, T1的(e) 荧光光谱及(f) 其320 nm处的荧光强度

  Figure 7.  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensities at 320 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbance at 247 nm of T1 with various anions; (e) Fluorescence spectra and (f) corresponding fluorescence intensities at 320 nm of T1 when coexisting with both Cr(Ⅵ) and other anions

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  上述实验结果充分证明，T1不仅对Cr(Ⅵ)具有优异的选择性识别能力，同时对F^-也展现出高度的特异性响应。这种"双功能"识别特性使T1在环境污染物监测和生物标志物检测等领域具有重要的应用前景。特别值得注意的是，T1对2种目标物的识别分别通过不同的分子机制实现：对Cr(Ⅵ)的识别主要依赖脲基配位作用，而对F^-的识别则基于硅氧基团的特异性相互作用，这种差异化的识别机制为设计新型多功能探针提供了重要参考。

  2.2   探针T1对Cr(Ⅵ)和F^-的定量检测性能

  接下来，我们系统考察了探针T1对Cr(Ⅵ)和F^-的定量检测性能。在Cr(Ⅵ)检测方面，荧光滴定曲线(图 8a)显示，随着Cr(Ⅵ)浓度(0~50.00 μmol·L^-1)的梯度增加，T1在395 nm处的荧光强度呈现明显的浓度依赖性降低的现象。当Cr(Ⅵ)浓度达到20.00 μmol·L^-1时，荧光猝灭率趋于平稳，表明探针与目标物的结合已达到饱和状态。特别值得注意的是，在0~20.00 μmol·L^-1低浓度范围内(图 8b)，荧光强度变化与Cr(Ⅵ)浓度之间展现出优异的线性相关性(R²=0.999 5)，检测限为4.70×10^-7 mol·L^-1，表明该探针对Cr(Ⅵ)具有极高的检测灵敏度。

  图 8

  

  图 8.  加入不同浓度(0、3.33、6.67、10.00、13.33、16.67、20.00、23.33、26.67、30.00、35.00、40.00、45.00、50.00 μmol·L^-1) Cr(Ⅵ)时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在395 nm处的荧光强度(插图: 荧光强度与Cr(Ⅵ)浓度之间的线性关系)、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在350 nm处的吸光度; (e) T1在加入Cr(Ⅵ)之后的ESI-MS谱图

  Figure 8.  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensity at 395 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbance at 350 nm with adding Cr(Ⅵ) at different concentrations (0, 3.33, 6.67, 10.00, 13.33, 16.67, 20.00, 23.33, 26.67, 30.00, 35.00, 40.00, 45.00, 50.00 μmol·L^-1) of T1; (e) ESI-MS spectrum of T1 after addition of Cr(Ⅵ)

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  为验证荧光检测结果的可靠性，我们通过UV-Vis吸收光谱进行了同步验证(图 8c)。实验结果显示，随着Cr(Ⅵ)浓度的增加，T1在350 nm处的特征吸收峰强度呈现规律性增强，并在Cr(Ⅵ)浓度为20.00 μmol·L^-1时达到平衡状态。在0~20.00 μmol·L^-1浓度范围内(图 8d)，吸光度变化与Cr(Ⅵ)浓度之间同样表现出良好的线性关系。此外，ESI-MS谱图显示探针T1位于m/z=525.30处的分子离子峰在Cr(Ⅵ)加入后出现了显著变化，探针的分子离子峰消失，同时在m/z=629.30处出现新的分子离子峰(图 8e)。综合上述数据可以确定，T1与Cr(Ⅵ)按照1∶2的物质的量之比进行结合。而且，3种不同的测试方法所得的结果相互印证，这进一步证实了该结论的可靠性。

  在F^-检测性能研究中，荧光滴定实验(图 9a)表明，T1在320 nm处的荧光发射强度随F^-浓度(0~50.00 μmol·L^-1)增加而显著增强，当F^-浓度达到20.00 μmol·L^-1时荧光增强效应达到平台。在0~20.00 μmol·L^-1浓度范围内(图 9b)，荧光强度与F^-浓度之间呈现近乎完美的线性关系(R²=0.999 7)，计算得到的检测限低至7.07×10^-8 mol·L^-1。为进一步评价T1对F^-的识别性能，我们系统开展了UV-Vis吸收光谱研究。如图 9c显示，探针T1在247 nm处的特征吸收峰随F^-浓度增加而增强，其变化趋势与荧光光谱结果高度一致。特别值得注意的是，当F^-浓度超过20.00 μmol·L^-1，吸光度变化同样达到平衡状态。在0~20.00 μmol·L^-1浓度范围内，吸光度与F^-浓度之间同样呈现良好的线性关系(图 9d)，再次证实了T1与F^-以1∶2的物质的量之比相互作用。此外，ESI-MS谱图显示探针T1在F^-加入后在m/z=297.15处出现新的分子离子峰(图 9e)。以上现象共同说明，T1与F^-之间是以1∶2的物质的量之比相作用，当F^-达到20.00 μmol·L^-1时，可定量断裂T1分子两端的Si—O键，生成相应的羟基化合物，这一特异性反应是产生荧光增强效应的结构基础。荧光与吸收光谱结果相互印证，为探针的定量检测应用提供了双重保障。

  图 9

  

  图 9.  加入不同浓度(0、3.33、6.67、10.00、13.33、16.67、20.00、23.33、26.67、30.00、35.00、40.00、45.00、50.00 μmol·L^-1) F^-时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在320 nm处的荧光强度、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在247 nm处的吸光度; (e) T1在加入F^-之后的ESI-MS谱图

  Figure 9.  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensity at 320 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbance at 247 nm of T1 with adding F^- at different concentrations (0, 3.33, 6.67, 10.00, 13.33, 16.67, 20.00, 23.33, 26.67, 30.00, 35.00, 40.00, 45.00, 50.00 μmol·L^-1); (e) ESI-MS spectrum of T1 after addition of F^-

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  综合上述研究结果，探针T1展现出对Cr(Ⅵ)和F^-优异的定量检测性能。在检测灵敏度方面，对Cr(Ⅵ)和F^-的检测限分别达到了4.70×10^-7和7.07×10^-8 mol·L^-1；在选择性方面，通过不同的识别机制[Cr(Ⅵ)配位作用和F^-诱导的Si—O键断裂]实现对2种目标物的区分检测；在定量分析性能方面，二者均在0~20.00 μmol·L^-1范围内呈现了良好的线性响应。这些优异的性能指标表明，探针T1在环境监测、工业废水处理以及生物医学检测等领域具有重要的应用价值。特别值得一提的是，该探针通过简单的结构设计即实现了对Cr(Ⅵ)和F^-离子的双重识别功能，这一设计策略为开发新型多功能荧光探针提供了重要参考。

  2.3   T1与Cr(Ⅵ)的配位比与配位机理

  为阐明探针T1与Cr(Ⅵ)的配位特性，我们采用Job曲线法研究了二者的结合比例。保持T1与Cr(Ⅵ)的总浓度为20 μmol·L^-1，通过系统调节二者的物质的量之比，记录395 nm处的荧光强度变化。如图 10a所示，当体系中Cr(Ⅵ)的物质的量分数为0.67时观察到最大荧光变化，证实T1与Cr(Ⅵ)以1∶2的物质的量之比结合，这与前期滴定实验结果相符。进一步通过Benesi-Hildebrand方程定量分析结合能力。以1/(F₀-F)对c_Cr(Ⅵ)^-1作图(图 10b)，获得良好的线性关系(R²=0.997 5)，计算得到结合常数K_a=2.62×10⁴ L·mol^-1。该结果表明T1与Cr(Ⅵ)具有较强的配位作用，这为Cr(Ⅵ)的高效检测提供了理论基础。

  图 10

  

  图 10.  (a) 荧光发射光谱法绘制的Cr(Ⅵ)与T1的Job曲线; (b) 1/(F₀-F)-c_Cr(Ⅵ)^-1的线性关系; (c) 使用T1检测Cr(Ⅵ)的机制; (d) T1和T1-Cr(Ⅵ)配合物的FTIR谱图

  Figure 10.  (a) Job′s plot of the Cr(Ⅵ) and T1 obtained from fluorescence emission spectroscopy; (b) Linear relationship of 1/(F₀-F)-c_Cr(Ⅵ)^-1; (c) Mechanism in the detection of Cr(Ⅵ) using T1; (d) FTIR spectra of T1 and T1-Cr(Ⅵ) compond

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  基于上述实验结果，我们推测T1与Cr(Ⅵ)的配位机制可能如图 10c所示。T1分子中的脲基官能团含有孤对电子的N和O原子，能够与Cr(Ⅵ)形成配位键。为验证这一机理，我们对T1-Cr(Ⅵ)配合物进行了FTIR分析，并与T1的FTIR谱图进行了对比(图 10d)。FTIR分析显示，T1在1 641 cm^-1处出现明显的脲基C=O伸缩振动峰，在3 319 cm^-1附近存在—NH—伸缩振动峰；当加入20.00 μmol·L^-1 Cr(Ⅵ)后，—NH—振动峰位移至3 337 cm^-1(蓝移约18 cm^-1)，C=O振动峰移至1 635 cm^-1(红移约6 cm^-1)。这些变化表明，脲基中的N和O原子与Cr(Ⅵ)发生了配位作用，导致分子电子云分布发生改变，形成了环状离域结构。综合实验结果可以确定，T1通过脲基中的N和O原子与Cr(Ⅵ)发生配位作用，形成1∶2型配合物，这一结论很好地支持了我们提出的作用机理。

  2.4   探针T1对Cr(Ⅵ)和F^-的高效检测与应用

  为验证探针T1在实际样品中的检测能力，选取自来水、实验室废水和皮革鞣制副产品革屑作为代表性样品进行检测(图 11)，结果显示，经0.22 μm滤膜预处理的自来水样品中未检出Cr(Ⅵ)和F^-；在含多种金属离子的复杂基质实验室废水中，T1对Cr(Ⅵ)(1.65 μmol·L^-1)和F^-(0.33 μmol·L^-1)仍表现出良好的选择性识别能力；对于革屑样品，经超声萃取处理后，T1可特异性检测出Cr(Ⅵ)(1.03 μmol·L^-1)和F^-(0.64 μmol·L^-1)。实验结果表明，探针T1在不同复杂程度的实际样品基质中均能保持优异的分析性能，其高选择性和可靠性为环境水质监测及生物样品中Cr(Ⅵ)和F^-的检测提供了有效的分析方法。

  图 11

  

  图 11.  T1对自来水、实验室废水及革屑中(a) Cr(Ⅵ)和(b) F^-的荧光检测

  Figure 11.  Fluorescence detection of (a) Cr(Ⅵ) and (b) F^- in tap water, laboratory wastewater, and leather shavings by T1

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  3.   结论

  我们开发了一种基于脲基和硅氧基团的双功能荧光探针T1，实现了对Cr(Ⅵ)和F^-的高选择性、高灵敏度检测。T1通过脲基中的N、O原子与Cr(Ⅵ)配位形成1∶2型配合物导致荧光猝灭，同时F^-可特异性断裂Si—O键触发荧光增强，2种检测机制互不干扰，检测限低，线性范围0~20.00 μmol·L^-1，适用于环境水样、工业废水及生物样本分析。基于上述优异性能，未来可基于“双位点识别”策略开发更多重金属/阴离子同步检测体系，并通过与便携式检测技术结合提升实用价值。本研究为Cr(Ⅵ)和F^-的实时监测提供了高效工具，其“双功能、差异化识别”的设计策略更为多功能荧光探针的开发提供了重要参考，具有重要的科学价值和应用前景。

  
  
• 1. [1]

     VAN DEN BERGH M, KRAJNC A, VOORSPOELS S, TAVARES S R, MULLENS S, BEURROIES I, MAURIN G, MALI G, DE VOS D E. Highly selective removal of perfluorinated contaminants by adsorption on all-silica zeolite beta[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2020, 59(33): 14086-14090 doi: 10.1002/anie.202002953

  2. [2]

     CHEN X L, LI X M, XU D D, YANG W C, BAI S Y. Application of nanoscale zero-valent iron in hexavalent chromium-contaminated soil: A review[J]. Nanotechnol. Rev., 2020, 9(1): 736-750 doi: 10.1515/ntrev-2020-0059

  3. [3]

     LOPEZ A M, PACHECO J L, FENDORF S. Metal toxin threat in wildland fires determined by geology and fire severity[J]. Nat. Commun., 2023, 14(1): 8007-8018 doi: 10.1038/s41467-023-43101-9

  4. [4]

     GAILLARD L, BAROUKI R, BLANC E, COUMOUL X, ANDREAU K. Per- and polyfluoroalkyl substances as persistent pollutants with metabolic and endocrine-disrupting impacts[J]. Trends Endocrinol. Metab., 2025, 36(3): 249-261 doi: 10.1016/j.tem.2024.07.021

  5. [5]

     MA Y, LI M N, QI X, CAO Y Y, ZHANG W T, GAO G R, TANG B. A multimode optical sensor for selective and sensitive detection of harmful heavy metal Cr(Ⅵ) in fresh water and sea water[J]. Anal. Chem., 2024, 96(21): 8705-8712 doi: 10.1021/acs.analchem.4c00947

  6. [6]

     SUGUMAR M, ANNAMALAI S K. A sustainable redox-active electrocatalyst utilizing natural quercetin-infused MWCNT for ultra-sensitive detection of environmental Cr(Ⅵ) contaminants[J]. Chem. Eng. J., 2024, 487: 150381 doi: 10.1016/j.cej.2024.150381

  7. [7]

     HU Y, XUE Q, TANG J, FAN X, CHEN H H. New insights on Cr(Ⅵ) retention by ferrihydrite in the presence of Fe(Ⅱ)[J]. Chemosphere, 2019, 222: 511-516 doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.01.160

  8. [8]

     CHAKRABORTY R, RENU K, ELADL M A, EL-SHERBINY M, ELSHERBINI D M A, MIRZA A K, VELLINGIRI B, LYER M, DEY A, GOPALAKRISHNAN A V. Mechanism of chromium-induced toxicity in lungs, liver, and kidney and their ameliorative agents[J]. Biomed. Pharmacother., 2022, 151: 113119 doi: 10.1016/j.biopha.2022.113119

  9. [9]

     MURPHY M B, LOI E I H, KOWK K Y, LAM P K S. Ecotoxicology of organofluorous compounds[J]. Top. Curr. Chem., 2011, 308: 339-363

  10. [10]

      GENTLEMAN E, STEVENS M M, HILL R G, BRAUER D S. Surface properties and ion release from fluoride-containing bioactive glasses promote osteoblast differentiation and mineralization in vitro[J]. Acta Biomater., 2013, 9(3): 5771-5779 doi: 10.1016/j.actbio.2012.10.043

  11. [11]

      GARCIA A L H, DE SOUZA M R, PICININI J, SOARES S, ROHR P, LINDEN R, SCHNEIDER A, FREITAS M P M, ELY H C, BOBERMIN L D, DOS SANTOS A Q, DALBERTO D, DA SILVA J. Unraveling gene expression and genetic instability in dental fluorosis: Investigating the impact of chronic fluoride exposure[J]. Sci. Total Environ., 2024, 906: 167393 doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.167393

  12. [12]

      BHOWMIK A D, DAS T, CHATTOPADHYAY A. Chronic exposure to environmentally relevant concentration of fluoride impairs osteoblast′s collagen synthesis and matrix mineralization: Involvement of epigenetic regulation in skeletal fluorosis[J]. Environ. Res., 2023, 236: 116845 doi: 10.1016/j.envres.2023.116845

  13. [13]

      YE R X, FURLANI T C, FOLKERSON A P, MABURY S A, VANDENBOER T C, YOUNG C J. A method to measure total gaseous fluorine[J]. Environ. Sci. Technol. Lett., 2024, 11(10): 1062-1067 doi: 10.1021/acs.estlett.4c00553

  14. [14]

      VON ABERCRON E, FALK S, STAHL T, GEORGII S, HAMSCHER G, BRUNN H, SCHMITZ F. Determination of adsorbable organically bound fluorine (AOF) and adsorbable organically bound halogens as sum parameters in aqueous environmental samples using combustion ion chromatography (CIC)[J]. Sci. Total Environ., 2019, 673: 384-391 doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.04.068

  15. [15]

      NOGUCHI Y, ZHANG L, MARUTA T, YAMANE T, KIBA N. Simultaneous determination of fluorine, chlorine and bromine in cement with ion chromatography after pyrolysis[J]. Anal. Chim. Acta, 2009, 640: 106-109 doi: 10.1016/j.aca.2009.03.004

  16. [16]

      AKHDHAR A, SCHNEIDER M, ORME A, SCHULTES L, RAAB A, KRUPP E M, BENSKIN J P, WELZ B, FELDMANN J. The use of high resolution graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-MAS) for total fluorine determination in extractable organofluorines (EOF)[J]. Talanta, 2020, 209: 120466 doi: 10.1016/j.talanta.2019.120466

  17. [17]

      ELCI L, DIVRIKLI U, AKDOGAN A, HOL A, CETIN A, SOYLAK M. Selective extraction of chromium(Ⅵ) using a leaching procedure with sodium carbonate from some plant leaves, soil and sediment samples[J]. J. Hazard. Mater., 2010, 173(1/2/3): 778-782

  18. [18]

      WEI W Y, ZHAO B S, HE M, CHEN B B, HU B. Iminodiacetic acid functionalized magnetic nanoparticles for speciation of Cr􀃮 and Cr(Ⅵ) followed by craphite furnace atomic absorption spectrometry detection[J]. RSC Adv., 2017, 7(14): 8504-8511 doi: 10.1039/C6RA27544C

  19. [19]

      魏星, 周静静, 刘金辉, 陈明丽, 王建华. 激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱定量铬方法研究[J]. 分析化学, 2021, 49(3): 432-439.WEI X, ZHOU J J, LIU J H, CHEN M L, WANG J H. Determination of chromium based on laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Chin. J. Anal. Chem., 2021, 49(3): 432-439

  20. [20]

      GUO W, JIN L L, HU S H, GUO Q H. Method development for the determination of total fluorine in foods by tandem inductively coupled plasma mass spectrometry with a mass-shift strategy[J]. J. Agric. Food Chem., 2017, 65(16): 3406-3412 doi: 10.1021/acs.jafc.7b00535

  21. [21]

      SUN Y L, ZHAO L Y, LIAN H Z, MAO L, CUI X B. Carboxyl-functionalized hybrid monolithic column prepared by "thiol-ene" click reaction for noninvasive speciation analysis of chromium with inductively coupled plasma-mass spectrometry[J]. Anal. Chim. Acta, 2020, 1137: 85-93

  22. [22]

      HOSSEINI M S, PADHYE R, WANG X, HOUSHYAR S. Advances in nanoparticle-enhanced paper sensor for detecting toxic metals in water[J]. Talanta, 2025, 293: 128146 doi: 10.1016/j.talanta.2025.128146

  23. [23]

      GONG Q H, XU X J, CHENG Y M, WANG X H, LIU D D, NIE G M. A novel "on-off-on" electrochemiluminescence strategy based on RNA cleavage propelled signal amplification and resonance energy transfer for Pb²⁺ detection[J]. Anal. Chim. Acta, 2024, 1290: 342218

  24. [24]

      LIU X R, ZHANG Y, FAN L P, TANG H H, XU K Y, XU J F, LIU G, CHANG W, LIU X Y, WANG H, WANG J. G-Quadruplex and DNAzyme dual-driven DNA detection system for real-time quantitative detection of environmental lead ions[J]. J. Hazard. Mater., 2025, 489: 137651 doi: 10.1016/j.jhazmat.2025.137651

  25. [25]

      DEVNATH A, CHOI Y, RYU H, VENKATESAN A, HYUN G, KIM S, LEE S. Real-time detection of mercury ions based on vertically grown ReS₂ film[J]. J. Mater. Sci. Technol., 2023, 164: 52-58 doi: 10.1016/j.jmst.2023.04.010

  26. [26]

      安燕燕, 卢丽萍, 朱苗力. 一种Cd^Ⅱ-MOF作为传感Fe􀃮和Cr(Ⅵ)的多响应荧光探针[J]. 无机化学学报, 2023, 39(5): 939-946.AN Y Y, LU L P, ZHU M L. One Cd^Ⅱ-MOF as a multi-responsive fluorescent probe for sensing Fe􀃮 and Cr(Ⅵ)[J]. Chinese J. Inorg. Chem., 2023, 39(5): 939-946

  27. [27]

      白玉, 王记江, 唐龙, 岳二林, 白超, 王潇, 张玉琦. 基于半刚性四羧酸配体的镉(Ⅱ)配位聚合物对Fe³⁺和对硝基苯酚的高选择性检测[J]. 无机化学学报, 2025, 41(6): 1217-1226. doi: 10.11862/CJIC.20240457BAI Y, WANG J J, TANG L, YUE E L, BAI C, WANG X, ZHANG Y Q. Acadmium(Ⅱ) coordination polymer based on a semirigid tetracarboxylate ligand for highly selective detection of Fe³⁺ and 4-nitrophenol[J]. Chinese J. Inorg. Chem., 2025, 41(6): 1217-1226 doi: 10.11862/CJIC.20240457

  28. [28]

      钟丽娜, 陈晶玲, 赵青华. 绿色碳源合成多响应碳量子点用于铁离子和L-抗坏血酸的检测[J]. 无机化学学报, 2025, 41(4): 709-718. doi: 10.11862/CJIC.20240280ZHONG L N, CHEN J L, ZHAO Q H. Synthesis of multi-responsive carbon quantum dots from green carbon sources for detection of iron ions and L-ascorbic acid[J]. Chinese J. Inorg. Chem., 2025, 41(4): 709-718 doi: 10.11862/CJIC.20240280

  29. [29]

      DUAN N, WANG H, LI Y N, YANG S X, TIAN H Y, SUN B G. The research progress of organic fluorescent probe applied in food and drinking water detection[J]. Coord. Chem. Rev., 2021, 427: 213557 doi: 10.1016/j.ccr.2020.213557

  30. [30]

      QU W J, WEI T B, LIN Q, LI W T, SU J X, LIANG G Y, ZHANG Y M. A recyclable probe for highly selective and sensitive detection of cyanide anion in aqueous medium by fluorescent and colorimetric changes[J]. Sens. Actuator B‒Chem., 2016, 232: 115-124 doi: 10.1016/j.snb.2016.03.120

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  图 1  双功能荧光探针T1检测Cr(Ⅵ)和F^-的机理

  Figure 1  Mechanism of the bifunctional fluorescent probe T1 for Cr(Ⅵ) and F^-

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  图 2  2-(叔丁基二甲硅烷氧基)乙胺的合成路线

  Figure 2  Synthetic route for 2-(tert-butyldimethylsiloxy)ethylamine

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  图 3  2-(叔丁基二甲硅烷氧基)乙胺的¹H NMR谱图

  Figure 3  ¹H NMR spectrum of 2-(tert-butyldimethylsiloxy)ethylamine

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  图 4  探针T1的合成路线

  Figure 4  Synthetic route for the probe T1

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  图 5  探针T1的(a) ¹H NMR谱图和(b) ESI-MS谱图

  Figure 5  (a) ¹H NMR spectrum and (b) ESI-MS spectrum of the probe T1

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  图 6  不同金属离子存在时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在395 nm处的荧光强度、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在350 nm处的吸光度; 不同金属离子与Cr(Ⅵ)共存时, T1的(e) 荧光光谱及(f) 其395 nm处的荧光强度

  Figure 6  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensities at 395 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbances at 350 nm of T1 with various metal ions; (e) Fluorescence spectra and (f) corresponding fluorescence intensities at 395 nm of T1 when different metal ions coexist with Cr(Ⅵ)

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  图 7  不同阴离子存在时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在320 nm处的荧光强度、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在247 nm处的吸光度; 不同阴离子与Cr(Ⅵ)共存时, T1的(e) 荧光光谱及(f) 其320 nm处的荧光强度

  Figure 7  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensities at 320 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbance at 247 nm of T1 with various anions; (e) Fluorescence spectra and (f) corresponding fluorescence intensities at 320 nm of T1 when coexisting with both Cr(Ⅵ) and other anions

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  图 8  加入不同浓度(0、3.33、6.67、10.00、13.33、16.67、20.00、23.33、26.67、30.00、35.00、40.00、45.00、50.00 μmol·L^-1) Cr(Ⅵ)时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在395 nm处的荧光强度(插图: 荧光强度与Cr(Ⅵ)浓度之间的线性关系)、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在350 nm处的吸光度; (e) T1在加入Cr(Ⅵ)之后的ESI-MS谱图

  Figure 8  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensity at 395 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbance at 350 nm with adding Cr(Ⅵ) at different concentrations (0, 3.33, 6.67, 10.00, 13.33, 16.67, 20.00, 23.33, 26.67, 30.00, 35.00, 40.00, 45.00, 50.00 μmol·L^-1) of T1; (e) ESI-MS spectrum of T1 after addition of Cr(Ⅵ)

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  图 9  加入不同浓度(0、3.33、6.67、10.00、13.33、16.67、20.00、23.33、26.67、30.00、35.00、40.00、45.00、50.00 μmol·L^-1) F^-时, T1的(a) 荧光光谱及(b) 其在320 nm处的荧光强度、(c) UV-Vis吸收光谱及(d) 其在247 nm处的吸光度; (e) T1在加入F^-之后的ESI-MS谱图

  Figure 9  (a) Fluorescence spectra and (b) corresponding fluorescence intensity at 320 nm, (c) UV-Vis absorption spectra and (d) corresponding absorbance at 247 nm of T1 with adding F^- at different concentrations (0, 3.33, 6.67, 10.00, 13.33, 16.67, 20.00, 23.33, 26.67, 30.00, 35.00, 40.00, 45.00, 50.00 μmol·L^-1); (e) ESI-MS spectrum of T1 after addition of F^-

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  图 10  (a) 荧光发射光谱法绘制的Cr(Ⅵ)与T1的Job曲线; (b) 1/(F₀-F)-c_Cr(Ⅵ)^-1的线性关系; (c) 使用T1检测Cr(Ⅵ)的机制; (d) T1和T1-Cr(Ⅵ)配合物的FTIR谱图

  Figure 10  (a) Job′s plot of the Cr(Ⅵ) and T1 obtained from fluorescence emission spectroscopy; (b) Linear relationship of 1/(F₀-F)-c_Cr(Ⅵ)^-1; (c) Mechanism in the detection of Cr(Ⅵ) using T1; (d) FTIR spectra of T1 and T1-Cr(Ⅵ) compond

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  图 11  T1对自来水、实验室废水及革屑中(a) Cr(Ⅵ)和(b) F^-的荧光检测

  Figure 11  Fluorescence detection of (a) Cr(Ⅵ) and (b) F^- in tap water, laboratory wastewater, and leather shavings by T1

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