综述：基于内滤器效应的传感平台：提升现场分析抗干扰能力与灵敏度的策略

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Inner filter effect-based sensing platforms: Strategies to enhance anti-interference capability and sensitivity for on-site analysis

　　

张占国|刘媛媛|林瑶|张金一|郑成斌

中国四川省成都市四川大学化学学院，教育部绿色化学与技术重点实验室，邮编610064

摘要

在环境监测、食品安全以及即时检测领域，人们对快速现场分析的需求日益增长，但矩阵干扰和灵敏度不足等问题制约了这一发展。基于荧光内滤效应的传感平台因其设计简单、成本较低且适用于便携设备，被视为一种有前景的解决方案。本综述系统探讨了通过相态工程策略提升IFE探针的抗干扰能力和灵敏度的方法，涵盖了基础液相系统、试剂固定的固液界面以及气固/液封闭界面。我们认为相态工程是一种强大但尚未得到充分研究的策略，它能够实现矩阵分离和分析物富集，从而显著提升检测性能。此外，本文还强调了将便携设备与IFE传感系统结合以应对复杂样本矩阵带来的挑战。这项工作为开发坚固、可现场使用的IFE传感器提供了战略规划，有助于弥合实验室分析与实际应用之间的差距，为资源有限环境下的现场决策提供支持。

引言

荧光传感平台通过监测荧光信号的变化来检测分析物。这类平台由荧光团、特异性识别元件以及信号读取机制组成，其工作原理是基于分析物对荧光的调控[1]。整个过程包括样品引入、选择性识别、信号生成，再通过便携式或台式设备进行定量或定性分析。在这一流程中，内滤效应原本只是荧光定量分析中的干扰源，后来逐渐发展成为一种多功能传感策略。基于IFE的检测系统要求受体吸收光谱与供体发射（或激发）光谱之间存在重叠，这与福斯特共振能量转移所需的光谱重叠条件类似[2]。不过，IFE的设计更为简单，因为它无需考虑受体与供体之间的特定相互作用距离和共价连接，从而避免了繁琐的表面修饰或标记过程[3]。通过将吸收事件转化为可测量的荧光信号[4]，IFE提升了荧光传感平台的适用性和实用性，使其特别适合用于开发快速、经济且便于现场使用的分析系统。

近年来，现场检测已成为环境监测、食品安全以及即时检测领域的重要研究方向[[5], [6], [7], [8]]。这一进展得益于现场检测能够突破大型实验室仪器的限制，能够从易于运输的样本中快速获取定性和定量数据，从而为决策提供依据[9,10]。然而，现场检测在实际应用中仍面临诸多挑战。在环境监测领域，检测重金属和新污染物时，往往需要克服资源匮乏地区的种种限制[11,12]。在食品安全领域，检测农药残留、抗生素和添加剂时，需要以非专业人士也能理解的方式呈现检测结果[13]。在即时检测领域，迫切需要简化复杂的样本预处理流程[14,15]。而现场IFE技术凭借其简单的设计、用户友好的操作方式以及清晰的信号解读能力，恰好能够满足这些多样化的需求。值得一提的是，便携设备与具备颜色读取和数据处理功能的智能手机相结合，有望取代荧光分光光度计，实现快速高效的荧光比色分析，已成为现场检测的首选工具[16]。

尽管基于IFE传感系统的现场检测具有诸多优势，但我们仍需认识到复杂样本中的各种干扰因素会对IFE传感系统造成影响。例如，样本矩阵中的各种散射信号可能与IFE传感系统产生的信号重叠，严重降低检测的准确性和可靠性。此外，生物流体中存在的天然自荧光物质也会干扰输出信号的测量，导致出现假阳性或假阴性结果。另外，对于那些具有相似吸收光谱的分析物，比如不同类别的抗生素，依靠分析物本身吸收荧光团的传感系统也难以区分它们[[17], [18], [19], [20], [21]]。这些限制使得IFE传感技术在多组分复杂样本的现场分析中的应用受到限制。

近期的大量研究表明，IFE在现场分析中具有显著的优势和应用潜力。虽然有一些综述根据材料类型或目标分析物对IFE的应用进行了分类，但从相态工程的角度进行系统分析的研究还相对较少。传感反应发生的相态——无论是均匀液相、非均匀固液相，还是封闭的气固/液界面——直接决定了减轻干扰和提高灵敏度的策略。本综述旨在通过提出一种逐步优化的相态优化框架来填补这一知识空白。在此基础上，我们系统总结了各种提高IFE抗干扰能力和灵敏度的分析策略，并根据检测系统的相态特征进行了分类说明（见图1）。首先，介绍了传统液相系统中用于解决IFE抗干扰和灵敏度问题的常用方法。接着，概述了优化固液界面以提高矩阵稳定性和抗干扰能力的先进策略。最后，总结了在封闭空间内克服灵敏度限制并提高气固/气液界面抗干扰能力的创新方法。通过将界面从均匀相转变为非均匀相来实现相态工程，可以促进矩阵分离和分析物富集，从而显著提升基于IFE的传感探针的检测性能。本综述提出了克服基于IFE的现场分析中灵敏度和干扰限制的方法，同时探讨了用于现场检测设备的创新一体化集成策略。最后，还讨论了基于IFE的荧光传感分析在实地应用中面临的挑战及未来发展趋势。我们认为，从均匀相向非均匀相，再到空间封闭相的策略转变，是开发下一代可现场使用的IFE传感器的核心设计原则。

章节节选

液相系统：提升抗干扰能力和灵敏度的基础

作为IFE技术的核心，液相系统为解决现场分析中强烈的干扰问题和低灵敏度问题提供了重要策略。由于供体和受体之间不存在直接的化学键，因此需要在设计时考虑供体与受体的光谱重叠程度以及供体荧光量子产率，才能在基于IFE的传感系统中获得最佳性能。不过，液相系统无法完全消除样本矩阵带来的干扰，从而影响传感探针的性能

固液界面系统：通过试剂固定提升传感性能

尽管通过在液相系统中采用灵活的分子设计和富集策略，检测性能已得到显著提升，但由于这些系统仍依赖于均匀的反应环境，因此在满足现场分析中对便携性、抗干扰能力和操作简便性的严格要求方面仍面临诸多挑战。例如，比色皿等玻璃仪器容易丢失或功能受损

气固/液界面

虽然将荧光探针固定在固相上能够在一定程度上提升IFE在现场检测中的实用性，但使用封闭界面来检测气态分析物则具有彻底分离矩阵的优点。这种方法不仅能显著提升抗干扰能力，还能大大提高灵敏度，这凸显了先进的相态工程在开发基于IFE的分析平台中的关键作用。本章将

结论与未来展望

总之，本综述为基于IFE的传感平台建立了一个相态优化框架，明确了从基础的液相优化，到固液界面稳定化，最终在封闭气固/液界面实现完全消除干扰的发展路径。这些方法不仅提升了可现场使用的分析系统的抗干扰能力，还提高了灵敏度，使得能够在复杂矩阵中准确检测微量分析物

作者贡献声明

张占国：撰写——初稿。 刘媛媛：验证。 林瑶：验证。 张金一：撰写——审阅与编辑，指导，项目管理，资金申请。 郑成斌：撰写——审阅与编辑，指导，项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金委员会（编号22376144和22104101）以及四川省科学技术厅（编号2024NSFSC1149）提供的财政支持。