综述：用于食品安全与生物学评估的磷酸盐精准检测荧光探针研究进展

《Sensors and Actuators Reports》：Research Progress of Fluorescent Probes about Accurate Inspection of Phosphates for Food Safety and Biological Evaluation

本综述系统梳理了基于光致电子转移(PET)、分子内电荷转移(ICT)、荧光共振能量转移(FRET)、聚集诱导发光(AIE)及激发态分子内质子转移(ESIPT)等机制的有机小分子、纳米材料及金属有机框架(MOF)荧光探针，聚焦其在环境监测、食品安全及生物系统中对磷酸根(PO43–)、焦磷酸(PPi)等磷酸盐离子的检测原理、设计策略与应用进展，为开发高选择性、实时可视化检测技术提供理论依据。

　　

磷酸盐离子作为自然界中磷的主要存在形式，在人类生活的各个方面扮演着至关重要的角色。在人体内，磷酸盐离子以磷脂、核苷酸和磷酸盐等形式存在。然而，过高的磷酸盐浓度会对人类健康构成严重风险。因此，开发可靠、灵敏的磷酸盐离子荧光检测技术对于环境监测、人类健康和公共卫生至关重要。

有机小分子荧光探针

有机小分子荧光探针是一类具有特定光学性质的化合物。这些探针利用小的荧光分子作为骨架，在特定条件下与目标分子相互作用。这种相互作用诱导化学变化，转化为可检测的光学信号，从而实现特定分析物的定量或检测。

在荧光探针中，响应分析物相互作用的荧光强度或发射波长的变化是通过一种或多种传感机制介导的。关键响应机制包括光诱导电子转移(PET)、分子内电荷转移(ICT)、荧光共振能量转移(FRET)、聚集诱导发射(AIE)和激发态分子内质子转移(ESIPT)。

基于PET机制的探针，其电子供体（受体）在光激发下将其电子转移到电子受体（荧光团）的空轨道上。当与目标分析物结合时，受体的HOMO能级降低，允许电子从荧光团返回到受体的HOMO，从而抑制PET过程并恢复荧光。例如，Zhang等人开发了一种两亲性荧光探针，能够直接、高灵敏度、高选择性地检测水溶液中的过硫酸盐(S₂O₈^2–)和PPi。

ICT机制在比率荧光探针的设计中特别常用。ICT探针是通过将给电子基团和吸电子基团整合到荧光团本身中构建的，形成了一个显著的推-拉电子框架。当探针的识别单元与目标分析物相互作用时，荧光团内的推-拉效应发生改变，导致荧光、吸收光谱或颜色的变化。如果分析物与吸电子基团结合，分子内电荷转移程度增加，减小了荧光探针的HOMO和LUMO轨道之间的能隙，导致吸收带红移。相反，当结合发生在给电子基团时，会削弱推-拉效应，增大HOMO-LUMO能隙，导致荧光和紫外吸收光谱蓝移。

基于聚集诱导发光机制的荧光探针

AIE效应是指某些非平面有机荧光团在从分散状态转变为聚集状态时发射异常增强的反直觉行为。AIE发光分子的光物理行为特点是：在溶液中由于自由的分子内运动而发射微弱；然而，在合适的聚集状态下，激活的限制性分子内运动（RIM），包括限制性分子内旋转（RIR）和限制性分子内振动（RIV），导致高效发射。

对于基于AIE的探针，聚集可以通过静电相互作用、配位键或极性和粘度的变化来调节。例如，Lu等人报道了一种包含咪唑鎓和酰胺基团的苝二酰亚胺-四苯基乙烯（PBI-TPE）二聚体探针，用于有机溶剂中的阴离子识别。该探针表现出典型的ACQ行为，在可溶性有机溶剂中发射强黄色荧光。加入H₂PO₄^–或HP₂O₇^3–后，阴离子结合诱导探针聚集，导致荧光猝灭。

基于激发态分子内质子转移机制的荧光探针

ESIPT机制于1950年由Weller首次报道。通过该机制操作的分子同时包含质子给体（如–OH或–NH?）和质子受体（如–C=N–或–C=O）。当这种分子存在分子内氢键时，光激发会显著增加质子的酸性，促进其从给体转移到相邻的受体原子，从而形成五元或六元环。这导致在激发态下从烯醇式到酮式的结构转变。

由于激发态烯醇式和酮式产生双发射带，导致大的斯托克斯位移，大多数具有ESIPT能力的分子可用于设计比率荧光探针。代表性的ESIPT荧光团包括2-(2′-羟基苯基)苯并咪唑 (HBI)、2-(2′-羟基苯基)苯并恶唑 (HBO) 和 2-(2′-羟基苯基)苯并噻唑 (HBT) 及其结构类似物。

Das等人合成了基于羟基苯并噻唑和吡啶荧光团的比率ESIPT探针。在其游离状态下，互变异构体之间灵活的质子转移产生强荧光。只有PO₄^3–在结合时诱导光谱响应，限制亚胺键构型，阻断质子转移，使平衡向烯醇形式移动，导致比率信号、强度增强和蓝移。

纳米材料基荧光探针

纳米材料（NMs）是一类至少有一个维度落在纳米尺度范围（1-100 nm）内的材料，或者由纳米结构作为基本构建块组成。这些材料表现出独特的热、机械、电子和生物特性。

碳纳米材料（CNMs）是一类主要由碳组成、在纳米尺度（1-100 nm）具有结构特征的材料。这些材料的特征是由sp2杂化碳原子排列成特定的纳米结构，赋予其特殊的物理、化学和机械性能——例如高导电性、卓越的机械强度、化学稳定性和可调节的热行为。

碳量子点（CQDs），也称为碳点（CDs）或碳纳米点，是零维碳纳米材料，表现出卓越的荧光特性。它们由直径通常小于10 nm的准球形碳纳米颗粒组成，通常通过一步水热法合成。CQDs因其良好的亲水性、高生物相容性、优异的化学稳定性和低毒性等有利特性而引起了广泛的研究兴趣。

CQDs的PL特性的根本起源在于局域化sp2簇内电子-空穴对的复合。调节共轭π域的大小可以调节CQDs的PL特性，这被认为是控制其固有发光的核心机制。PL光谱高度依赖于激发波长，当激发波长红移超过400 nm时，会发生向更长波长的色变。

石墨烯量子点（GQDs）通常通过合成策略生产具有单层或少层结构（通常<5层）的更薄的GQDs。与CQDs相比，GQDs具有可调的非零带隙，这赋予了显著的量子限制和边缘效应。此外，GQDs表现出优异的两亲性和高分散性。

金属纳米颗粒（MNPs）是由单一金属元素组成的纳米尺度材料，表现出优异的化学、光学、电学、生物学和催化性能。它们易于合成，表面易于修饰，并且通常表现出低毒性。常见的例子包括金纳米颗粒（AuNPs）、银纳米颗粒（AgNPs）和铜纳米颗粒（CuNPs）。

金属有机框架聚合物荧光探针

由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键自组装形成的多孔晶体材料通常称为MOFs。基于MOFs的探针可以通过与金属离子形成络合物产生荧光信号。

关于检测机制，聚合物材料在主链上或侧链末端具有多个功能性结合位点，提供了许多识别位点，从而增强了结合亲和力和选择性。此外，分析物与聚合物探针上多个识别位点的同时相互作用显著增强了整体结合亲和力，显示出比单位点探针的显著改进。

镧系金属有机框架（Ln-MOFs）显示出独特的发光特性，例如窄发射带、长荧光寿命、大斯托克斯位移和高色纯度，使其成为构建荧光探针的特殊材料。

董等人选择Eu3?作为金属中心，水杨酸（PMA）作为有机配体，合成了镧系发光纳米材料（Eu-PMA）。该络合物作为检测PO₄^3–的双发射比率荧光探针。PO₄^3–与PMA配体的强络合能力破坏了Eu-PMA结构，导致Eu3?在617 nm处的荧光强度显著降低，而配体PMA由于能量转移在435 nm处发射增强。

结论与展望

本综述全面概述了用于磷酸盐离子检测的荧光探针的最新进展，主要关注有机小分子荧光探针，同时还包括另外两个主要类别：碳基纳米材料（特别是CQDs）和MOFs。

有机小分子探针通过完善的机制（包括PET、ICT、FRET、AIE和ESIPT）表现出卓越的功效。战略性的设计和特定官能团的结合使得能够开发出具有增强的光谱特性、改进的灵敏度和选择性以及降低的细胞毒性的探针。

同时，纳米材料基探针已成为强大而多功能的检测平台。碳量子点由于其优异的水溶性、良好的生物相容性和可调的光致发光而引起了相当大的关注。它们的磷酸盐检测策略通常依赖于通过表面相互作用的直接传感或通过杂原子掺杂（例如氮、硼）进行功能增强。类似地，MOFs，特别是Ln-MOFs，利用其高度可调的结构、丰富的孔隙率以及磷酸基团与特定金属位点（例如Tb3?、Eu3?、Zr(IV)）之间的强亲和力来实现高选择性和灵敏的磷酸盐检测。

该领域呈现出几个普遍趋势。金属离子介导的传感在有机小分子荧光探针中占主导地位，而碳基纳米材料和MOFs通常能够直接磷酸盐检测。研究重点在于开发比率和多信号输出探针，主要针对无机磷酸盐离子，对有机磷酸盐的关注有限。进展也转向复杂生物环境中的应用和实时监测。一个关键的发展是复合和分层结构的设计——例如将碳量子点与MOFs集成（例如CDs@ZIF-90）或与金属纳米簇形成纳米杂化物。这些系统提供增强的性能，包括双信号输出和协同效应。

展望未来，所有类型探针的开发将继续围绕几个共同目标进行。对于有机探针，应更注重其在精确生物成像、多功能传感器阵列和集成诊疗平台中的应用。纳米材料基传感器的关键目标包括设计具有增强特异性的结构以区分磷酸盐和竞争性阴离子，以及提高其化学和机械稳定性以在恶劣环境中长期或可重复操作。类似地，有必要进一步探索有机磷酸盐物种的检测。所有类别共同面临的一个核心挑战是实现在现实世界复杂基质中从定性检测到稳健定量分析的无缝过渡。

尽管取得了显著进展，一些跨领域的挑战仍然存在。这些包括直接传感探针的相对稀缺、在复杂生物环境中操作的困难，以及将多种传感机制和材料智能集成到统一探针设计中的迫切需求。

总之，磷酸盐检测荧光探针领域以其丰富性和多样性为特征。有机小分子提供了一套独特且互补的传感机制工具箱，而CQDs和MOFs提供了可定制的平台，结合了预浓缩的识别位点和优异的物理化学性质。有机化学、材料科学和纳米技术设计原则的深度融合正在为新一代更智能、更可靠、更适用的探针铺平道路。尽管挑战依然存在，但分子和纳米材料设计的持续创新，加上对实用性的日益重视，为在生物化学、医学和环境科学中释放这些工具的全部潜力带来了巨大希望。