综述：半菁类荧光探针的设计策略及其在环境与食品分析中的应用研究进展

《Analyst》：Research progress on design strategies of hemicyanine-based fluorescent probes and their applications in environmental and food analysis

本综述系统阐述了以半菁（hemicyanine）为母核的荧光探针设计策略及其在环境监测与食品安全领域的应用进展。文章重点总结了探针的构建原理（如ICT、FRET）、靶向分析物（金属离子、CN–、H2S等）及性能优势（高灵敏度、可视化检测），为开发新型荧光传感系统提供了重要参考。

　　

半菁染料的分子结构与光学特性

半菁染料是一类具有推-拉电子结构的有机小分子荧光团，其分子内电荷转移（ICT）特性赋予其优异的光物理性能。通过调节给体-π-受体（D-π-A）结构中的取代基，可显著改变其最大吸收/发射波长、斯托克斯位移及荧光量子产率。此外，半菁骨架中的氮原子易被磺酸基、羧基等亲水基团修饰，提升水溶性，适应复杂生物环境。

探针设计策略与传感机制

基于半菁的探针设计主要采用以下策略：

1. 1.

   识别基团嫁接：将特异性识别单元（如肼、硫醇、冠醚）通过共价键连接至半菁的活性位点（通常为吲哚氮或苯环），通过开环、加成、取代等反应实现分析物触发荧光变化。

2. 2.

   光物理机制调控：常见机制包括ICT阻断/增强、荧光共振能量转移（FRET）、聚集诱导发光（AIE）等。例如，CN^–进攻半菁的烯键可破坏共轭体系，导致荧光猝灭；而HOCl氧化硫醚基团可恢复ICT过程，产生荧光增强。

3. 3.

   多模式信号输出：部分探针可实现荧光-比色双模式检测，如NO₂^–诱导的重氮化反应引起溶液颜色从蓝色变为红色，同时伴随荧光红移。

环境与食品分析中的应用

1. 重金属离子检测

针对Hg²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺等离子，探针通过络合作用或离子诱导反应实现检测。例如，基于硫代半菁的探针与Hg²⁺结合后发生脱硫反应，荧光强度显著增强，检测限达纳摩尔级别，适用于水体重金属污染监测。

2. 有毒阴离子与小分子检测

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  氰化物（CN^–）：探针利用CN^–对烯键的亲核加成反应，破坏共轭结构导致荧光猝灭，可用于饮用水及食品加工样品的快速筛查。

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  硫化氢（H₂S）：通过H₂S对硝基或叠氮基的还原作用，触发荧光恢复，应用于生物体内源H₂S成像及食品腐败监测。

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  次氯酸（HOCl）：基于氧化敏感的硫醚或硒醚基团，实现炎症模型中HOCl的高选择性检测。

3. 食品添加剂与污染物分析

探针可检测亚硝酸盐（NO₂^–）、甲醛、过氧化氢等。例如，NO₂^–与芳香胺重氮化后与半菁偶联，产生比率型荧光信号，用于腌制肉制品中亚硝酸盐的定量分析。

植物科学中的创新应用

近期研究将半菁探针应用于植物生理过程研究，如检测根系分泌物中的活性氧（ROS）、硫化物等，揭示植物应激响应机制。例如，靶向线粒体的半菁探针可实时监测植物细胞凋亡过程中的HOCl波动。

局限性与未来展望

当前半菁探针仍面临一些挑战：

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  部分探针在极端pH或高盐环境中稳定性不足；

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  复杂基质中选择性易受干扰；

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  体内应用时生物相容性需进一步提升。

  未来研究方向包括开发近红外Ⅱ区探针、多靶点同步检测系统及便携式可视化检测设备，以推动其在现场快速检测领域的应用。