综述：有机化学传感器：铅、镉和砷离子检测策略的全面综述

本综述系统评述了有机化学传感器在铅(Pb2+)、镉(Cd2+)和砷(As3+/As5+)离子检测领域的最新进展（2015-2025年），重点探讨了传感器设计策略、识别机制（包括ICT、PET、CHEF、FRET等）及其在环境监测（水/土壤分析）、生物成像（细胞/斑马鱼模型）和食品安全检测中的创新应用，为有毒金属污染防控提供了重要的技术参考。

　　

引言：有毒金属检测的挑战与机遇

有毒重金属铅(Pb²⁺)、镉(Cd²⁺)和砷(As³⁺/As⁵⁺)在环境中的积累对人类健康和生态系统构成严重威胁。这些金属离子可通过饮用水、食物链和工业排放进入生物体，导致神经毒性、肾功能损伤甚至癌症。传统检测方法如原子吸收光谱虽精度高，但存在设备昂贵、操作复杂等局限性。有机化学传感器凭借其高灵敏度、选择性和实时监测能力，成为解决这一挑战的创新工具。

化学传感器的工作原理与设计策略

有机化学传感器通常由三部分组成：识别受体的结合单元、信号报告单元（如荧光团或发色团）以及连接两者的间隔基。当目标金属离子与受体结合时，可通过多种机制产生可检测信号：

• •
  荧光增强机制（CHEF）：如香豆素衍生物传感器与Cd²⁺结合后荧光强度显著提升
• •
  分子内电荷转移（ICT）：砷传感器N3R2通过电子云分布变化产生颜色转变
• •
  光诱导电子转移（PET）：罗丹明类探针与Pb²⁺结合后解除荧光淬灭
  此外，聚集诱导发光（AIE）、激发态分子内质子转移（ESIPT）等新型机制也拓展了传感器设计维度。

镉离子检测的创新突破

镉作为工业活动中的常见污染物，其检测限已可达飞摩尔级别。Coumarin-derived传感器在THF-水体系中实现0.114 μM检测限，成功应用于血浆样本分析。具有ICT机制的乙醇-水体系探针更是达到2.35×10^-10 M的超高灵敏度。值得注意的是，肽类荧光传感器（HAFPA）通过改善水溶性，在生理环境中实现了14.5 nM的检测能力，并成功用于活细胞成像。双响应探针（如NPC）可同时识别Cd²⁺和CN^-，在斑马鱼模型中展现出多靶点检测潜力。

铅离子检测的技术演进

铅检测传感器在选择性方面取得显著进展。喹啉- Morpholine conjugate（QMC）探针在CH₃CN-H₂O体系中实现对Pb²⁺的特异性识别，检测限达18 nM。智能手机兼容的试纸传感器（RD6G-1）将检测限推进至0.12 mg/L，支持现场快速筛查。特别值得关注的是单晶DMS探针通过X射线衍射证实了1:1结合构型，为分子设计提供了结构生物学依据。在实际应用方面，多个传感器已成功用于化妆品、巧克力等消费品的铅污染检测。

砷物种检测的前沿探索

砷检测面临的最大挑战是其价态特异性毒性差异。新型喹啉丙烯腈（L）探针通过MLCT机制实现对As³⁺的24 ppb检测，并集成RGB色度分析技术。氯素e6（Ce6）传感器可区分检测As³⁺（0.212 μM）和As⁵⁺（1.375 ppb），解决了价态甄别难题。ESIPT机制探针M-HBT更开创性地实现皮肤表面砷污染直接检测，为个人暴露监测提供新途径。

应用拓展与转化前景

这些传感器已超越实验室研究，逐步应用于：

• •
  环境监测：地下水、土壤重金属污染现场筛查
• •
  生物医学：前列腺癌细胞Pb²⁺成像、斑马胚胎发育毒性研究
• •
  食品安全：牛奶、蜂蜜、烟草等商品的质量控制
• •
  智能设备：与物联网结合的可穿戴传感系统

未来展望与挑战

尽管取得显著进展，化学传感器仍面临选择性干扰、长期稳定性等挑战。未来研究应聚焦：

1. 1.
   开发可区分Pb²⁺/Cd²⁺/Zn²⁺的高选择性探针
2. 2.
   增强在复杂基质（如血液、土壤提取液）中的抗干扰能力
3. 3.
   推动纳米材料-生物分子杂交系统的发展
4. 4.
   实现与人工智能算法的深度集成 for 智能预警
   通过多学科交叉创新，有机化学传感器有望成为环境健康风险早期预警体系的核心组件。