综述：用于检测Hg2+和生物成像应用的有机荧光传感器的最新进展：综述

《Microchemical Journal》：Recent advances in organic fluorescence sensors for the detection of Hg2+ and bioimaging applications: a comprehensive review

汞离子检测技术及有机荧光探针在生物成像中的应用研究。摘要：汞离子（Hg2?）作为有毒重金属，其高效检测与生物成像技术备受关注。本文综述了有机荧光探针在Hg2?检测中的最新进展，重点分析其结构设计原理（如荧光淬灭/增强机制）、检测灵敏度（可达纳摩尔级）及生物相容性优势。这些探针通过ICT、PET等光物理机制实现特异性识别，并已成功应用于细胞毒性成像、环境监测及活体生物成像领域，为开发便携式检测设备和精准医疗诊断提供新策略。

　　

Muhanad Alhujaily|Alaa Shafie

沙特阿拉伯利雅得伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）医学院生物化学系

摘要

重金属污染，尤其是汞，由于其毒性和在生物体内的生物累积性，是一个重要的环境和健康问题。在各种形式的汞中，离子形式（Hg²⁺）是最危险的之一，会对生态系统、水生生物和人类健康造成影响。因此，需要开发出易于使用、灵敏度高且检测效率高的方法。由于荧光探针具有出色的灵敏度、选择性和快速响应能力，它们已成为监测Hg²⁺的强大分析工具。已经开发出多种基于罗丹明、香豆素和芘的有机荧光传感器，这些传感器能够以高可靠性检测Hg²⁺，同时受到共存金属离子的干扰最小。除了简单的检测功能外，许多这类探针在荧光生物成像方面也显示出巨大潜力。它们的生物相容性和响应性光学特性使得可以可视化Hg²⁺在活细胞、组织甚至整个生物体内的分布和动态变化。本文综述了有机荧光探针在Hg²⁺检测和生物成像方面的最新进展，重点介绍了关键的结构设计原则、传感机制及实际应用，特别是这些探针如何推动生物医学和环境领域中关于汞的研究。

引言

重金属是由于其不可生物降解的性质而在生态系统中持续存在的有毒污染物。这些金属通过工业活动、农业径流和不当的废物处理进入环境，污染土壤和水体，并在食物链中积累。一旦进入人体，它们会通过产生氧化应激来破坏细胞功能，损害脂质、蛋白质和DNA。长期暴露会导致全身性毒性，影响肝脏、肾脏和生殖系统，引发肝毒性、肾毒性、激素紊乱以及出生缺陷的风险增加[[1], [2], [3], [4], [5]]。在这些重金属中，汞特别具有毒性，因为它能够在食物链中生物累积和放大。汞存在多种形式，包括元素汞、无机汞和有机汞，其中甲基汞的毒性最强。汞暴露仍然是一个持续且隐匿的环境威胁，对人类和野生动物构成严重健康风险。每种形式的汞都表现出独特的毒理学特性和暴露途径[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。人类和动物接触汞的主要途径是食用受污染的鱼类和海鲜，其中汞以高毒性的甲基汞形式积累。这种有机形式的汞可以轻易穿过生物屏障，包括血脑屏障和胎盘，对神经系统尤其是发育中的胎儿和幼儿构成严重风险。通过水、食物、土壤或空气的长期汞暴露会影响多个器官系统，导致神经毒性、认知障碍、心血管问题、免疫功能障碍和器官损伤。对于金矿工人和牙科人员来说，由于长期接触汞，职业暴露尤其令人担忧。鉴于这些严重的健康影响，迫切需要重新评估现有的安全限值，加强监管措施，改进检测方法，并提高公众意识。此外，先进的修复策略（如过滤系统和生物修复）对于减少环境汞污染和保护人类健康至关重要[[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。

有多种分析技术可用于检测Hg²⁺，例如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、毛细管电泳、阳极剥离伏安法（ASV）、循环伏安法（CV）和高效液相色谱法（HPLC）[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]]。这些技术具有高灵敏度和准确性，但通常需要昂贵的仪器、复杂的样品制备和训练有素的人员，因此不太适合实时和现场监测。鉴于迫切需要快速、经济且选择性地检测Hg²⁺离子，研究人员致力于开发能够弥补这些缺点的替代方法。在新兴技术中，荧光方法因高灵敏度、简单性和快速响应而受到广泛关注。这些方法依赖于与目标金属离子相互作用时会发生可测量光学变化的荧光探针。荧光传感器具有多种优势，包括低检测限、实时监测能力和最小的样品制备要求[[32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]]。有机化学传感器因高选择性、灵敏度和易于结构修饰而受到重视，常用于Hg²⁺的检测。这些传感器通常通过与Hg²⁺离子结合产生荧光淬灭或增强效应，或比率响应。各种有机荧光团（如罗丹明、香豆素、萘、BODIPY、BOPHY、芘、萘酰亚胺、溴酚、二氰异佛尔酮、苯并噻唑黄酮醇、氰化物、吡唑、雷索鲁芬、hemicyanine、花青素、单硫squaraine和嘧啶）被引入传感器设计中，以实现强大的可调荧光特性。这些官能团通常用于增强对Hg²⁺的结合亲和力。随着分子工程的进步，有机传感器现在被集成到便携式传感平台中，能够在环境和生物应用中进行实时和现场检测[[40], [41], [42]]。荧光探针通过实现在细胞和分子水平上的生物过程的实时可视化，彻底改变了生物成像应用。这些探针具有高灵敏度、选择性和非侵入性检测能力，是追踪生物分子、监测细胞动态和检测活体系统中有毒金属离子（如Hg²⁺的宝贵工具。荧光探针的独特光学特性（如高量子产率、光稳定性和可调发射波长）使得成像精确且背景干扰最小[[43], [44], [45], [46], [47], [48]]。本文旨在概述有机荧光传感器在Hg²⁺检测方面的最新进展及其在生物成像中的潜在应用，探讨了关键的设计原则、传感机制和多样的制造策略，强调了这些方法如何提高灵敏度、选择性和快速/实时检测性能。此外，还探讨了荧光探针在生物医学研究中的实际应用，特别是在追踪活体系统中有毒金属离子的积累和早期检测汞诱导的毒性方面的应用。通过总结该领域的最新趋势，本文旨在揭示有机荧光传感器在环境和医学诊断中日益重要的作用。

部分摘录

对Hg²⁺的灵敏检测需求

汞被广泛认为是环境中危害最大的重金属之一，在其各种化学状态中，二价形式（Hg²⁺由于其高溶解度、移动性和对重要生物分子的强结合亲和力，对环境和公共健康构成重大威胁[[49], [50], [51]]。汞存在于大气、水和陆地系统中，并能进行复杂的转化，从而在生物体内累积和放大。

为什么选择有机荧光探针进行Hg²⁺检测？

在各种分析方法中，有机荧光探针已成为检测Hg²⁺的强大工具，具有明显的优势。有机荧光探针是经过设计的分子传感器，具有特定的识别位点，在与Hg²⁺离子结合时会发生荧光变化[[52]]。它们的主要优势之一是高灵敏度。强烈的、可调的荧光响应使得能够在纳摩尔甚至更低的浓度下进行检测，超过了许多其他方法的灵敏度。

基于有机荧光的Hg²⁺检测的机制原理

使用有机荧光探针检测Hg²⁺依赖于通过各种光物理和化学机制调节荧光特性。基于荧光的检测方法因其高灵敏度、快速响应和实时监测能力而受到重视，非常适合环境和生物应用。荧光的改变源于探针与Hg²⁺之间的相互作用，这会影响探针的电子结构。

Hg²⁺的检测和生物成像应用

由于汞的严重毒性和广泛的环境危害，监测Hg²⁺离子至关重要。近年来，已经开发出先进的策略以实现快速可靠的Hg²⁺检测，其中荧光探针尤为有效。

这些方法在生物成像应用中特别有价值，因为可以在活体生物或生物样本中追踪Hg²⁺[[69], [70], [71], [72]]。例如，Hu等人开发了一种Hg²⁺检测探针。

结论与未来展望

有机荧光传感器已成为在环境、生物和工业环境中检测Hg²⁺的最通用、灵敏和可调的平台之一。过去十年中，在荧光团的合理设计、选择性官能团的引入以及ICT、PET、AIE、ESIPT和FRET等先进信号转导机制的开发方面取得了显著进展。

作者贡献声明

Muhanad Alhujaily：撰写——综述与编辑，概念构思。Alaa Shafie：撰写——初稿，监督。

出版同意

所有作者均同意以提交的格式发表本文。

伦理批准

本文无需伦理批准。

资金声明

本项工作得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的支持和资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2501）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。