综述：硫酸氢根离子的高保真光学检测与成像：光物理过程、结合机制及应用

本综述聚焦硫酸氢根离子（HSO4-）的比色和荧光检测体系，按信号基团分类阐述小分子荧光团，探讨光谱变化、裸眼检测、检测限等识别特征，分析结构 - 光物理性质关系与结合机制，展望领域成就与挑战。

　　

硫酸氢根离子的高保真光学检测与成像：光物理过程、结合机制及应用

引言

超分子化学在医学、药物递送、生物成像等多领域影响深远，其核心之一的超分子发光化学传感持续活跃。荧光检测自 1867 年首个荧光化学传感器报道以来，凭借用量少、响应快、选择性高、可裸眼识别、适用于体内外检测及成本低等优势，在生物、环境、医学等领域占据重要地位。尽管针对氟离子（F^-）、磷酸根（PO₄^3-）等阴离子的荧光检测综述较多，但硫酸氢根离子（HSO₄^-）的综合性光学检测综述尚缺乏，本文旨在填补这一空白，基于结合基团和 / 或荧光团基团对相关研究进行系统梳理。

硫酸氢根离子对环境和健康的影响

HSO₄^-在环境、农业和生物学中具有独特重要性。它是细胞中的关键常量营养素之一，也是人体血浆中最丰富的阴离子之一，在多种内源性和外源性物质的生物合成与解毒等过程中发挥关键作用。同时，HSO₄^-是牙膏、洗发水、洗涤剂等多种常用日用品的重要成分，其广泛使用虽提升了产品功效，但也对环境产生日益显著的负面影响，这促使人们对开发简便的检测和定量方法产生浓厚兴趣。

基于苯并咪唑基团的检测

苯并咪唑基团是一种非常流行的荧光团基团（图 4），广泛应用于功能性化学传感器的合成，可检测多种分析物。此外，苯并咪唑 - 吡啶衍生物在形成金属配合物方面有着悠久的历史，而多环苯并咪唑衍生物也广泛应用于光学激光器、光电子学、有机发光体、药物化学和药物发现等领域。在荧光检测方面，基于苯并咪唑的传感器通过特定的光物理变化实现对 HSO₄^-的识别，其结构中的氢键供体和受体位点与 HSO₄^-的高电子缺欠性、低 pKa 等特性相互作用，形成稳定的结合，进而引发可检测的光谱信号变化。

关键识别特征与机制

HSO₄^-的检测利用了其多重特性，包括高电子缺欠性、低 pKa、质子供体位点、氢键供体和受体位点等，这使得一系列化学传感器呈现出广泛的光物理变化。在识别过程中，光谱变化是重要特征之一，如荧光强度的增强或减弱、发射波长的位移等，这些变化可通过光谱仪精确检测。裸眼检测的实现则依赖于传感器与 HSO₄^-结合后产生的明显颜色变化，便于现场快速筛查。检测限（LOD）是衡量传感器灵敏度的关键指标，低检测限意味着传感器能够检测到极低浓度的 HSO₄^-，这对于环境监测和生物样品分析至关重要。此外，传感器在实际样品中的应用能力，如在水、土壤、生物体液等复杂基质中的检测准确性和可靠性，以及生物相容性和毒性在活细胞成像中的表现，都是评估传感器性能的重要因素。结构 - 光物理性质关系的研究揭示了传感器分子结构与光物理响应之间的内在联系，通过优化分子结构可以提高传感器的选择性和灵敏度。结合机制方面，氢键作用、静电相互作用、π-π 堆积等非共价相互作用是传感器与 HSO₄^-结合的主要驱动力，深入理解这些机制有助于设计更高效的检测体系。

结论与展望

HSO₄^-在人类生活和环境中的重要作用已得到充分讨论，其比色和荧光检测无疑将在识别与该阴离子相关的未来挑战和积极影响方面发挥重要作用。本文综述了迄今为止报道的所有用于硫酸氢根检测的比色和荧光小分子化学传感器。尽管该领域已取得许多进展，但仍存在一些挑战，例如开发具有更高选择性和灵敏度的传感器，以应对复杂样品中其他阴离子的干扰；提高传感器在生理条件下的稳定性和生物相容性，以拓展其在生物医学领域的应用；实现传感器的实时动态检测，以更好地监测 HSO₄^-在生物过程中的动态变化。未来的研究方向可能集中在新型荧光团的设计与合成、多重识别机制的整合以及便携式检测设备的开发等方面，以推动 HSO₄^-检测技术的进一步发展和实际应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度西孟加拉邦卡利亚尼大学化学系教授 Tapas Majumdar 博士的支持和启发。