综述：基于AIE的荧光探针在食品检测中的分子设计、作用机理及应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Molecular design, mechanism and applications of AIE-based fluorescent probes in food detection

　　

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  概述了荧光探针的工作原理，以及AIE发光材料的分子设计原则和卓越的光学特性。
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  阐述了基于AIE的传感器在检测关键食品安全分析物方面的创新应用和响应机制，包括阴离子、金属离子、活性硫化物、活性氧和生物胺。
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  探讨了推动AIE分子探针从基础实验室研究迈向工业化商业化的发展路径，强调了跨学科合作的关键作用。

引言

食品安全是与国家经济稳定和公众福祉密切相关的重大关切问题，始终受到社会各界的广泛关注。随着全球经济一体化的深入和人民生活水平的不断提高，食品安全问题已超越地理界限，成为全球公共卫生安全的关键决定因素[1]。在日趋复杂的食品供应链环境中，微生物污染、化学残留以及非法添加剂的使用可能存在于从农田到餐桌的每一个环节[2][3]。当有害物质通过食品供应链的各个阶段渗入时，对健康的威胁也随之加剧。因此，食品质量检测研究在当代食品安全风险评估中已占据核心地位。因此，在食品加工的每一个阶段进行精确快速的检测至关重要。

食品安全问题的频发推动了食品检测技术和毒理学研究的快速发展。尽管传统的检测技术，如质谱（MS）、毛细管电泳（CE）、液相色谱（LC）、气相色谱（GC）和薄层色谱（TLC），展现出极高的精确度，但其高昂的设备成本、复杂的操作流程和较长的检测周期使其不适合大规模筛查和高通量检测[4][5][6]。此外，这些方法主要以破坏性为主，无法满足当代食品行业对快速、实时和无损伤分析能力的迫切需求[7][8]。相反，荧光传感技术展现出诸多优越特性，如成本低、灵敏度高、选择性良好、操作简便、结果可视以及设备便携，更能满足市场需求[9][10][11]。然而，荧光材料的性能是决定检测效果的关键[12][13]。传统荧光检测系统主要基于溶液态荧光构建。常规荧光材料，如芘、蒽、罗丹明和香豆素，在稀溶液中表现出强烈的荧光发射[14][15][16]。然而，当荧光分子聚集或处于高浓度时，其荧光强度可能显著下降甚至完全猝灭，这归因于聚集致猝灭（ACQ）效应[17][18]。这一现象主要归因于两种机制：第一，在聚集状态下，分子内运动（如旋转或振动）未能有效受到限制，导致激发态能量通过非辐射途径耗散；第二，特定的分子间相互作用（如π-π堆积诱导的激发态二聚体或电荷转移复合物）的形成，这些结构要么直接导致激发态猝灭，要么形成高效的非辐射衰减通道，从而抑制辐射跃迁[19]。这一现象严重损害了荧光探针的探测和成像性能[20]。2001年，唐本忠课题组首次报道了具有聚集诱导发射（AIE）特性的新型荧光材料，实现了突破性突破[21][22][23]。在溶液中，AIE分子不受外力约束，分子内运动不受限制，能量通过非辐射途径耗散，导致荧光微弱或完全消失[24]。相反，分子堆积限制了聚集态下的分子内运动，从而使能量通过辐射跃迁释放，恢复荧光。与ACQ材料不同，AIE材料在聚集状态下表现出增强的荧光发射，从根本上克服了传统材料的固有局限[25][26][27][28][29]。AIE材料展现出卓越的光物理特性，为食品质量与安全检测提供了全新的技术平台[30][31]。

传统荧光探针在食品检测应用中面临重大挑战[32][33]。首先，食品基质成分复杂，使常规探针易受背景荧光干扰。其次，ACQ探针在高浓度条件下或固态检测中灵敏度显著降低。第三，大多数探针难以同时满足快速响应、高选择性和抗光漂白的需求。相比之下，AIE分子探针通过独特的分子内运动受限（RIM）机制（包括分子内旋转受限（RIR）和分子内振动受限（RIV））[34][35]，在聚集状态下展现出显著增强的荧光强度，从而为解决上述问题提供了创新的技术途径[36]。具体而言，AIE发光材料（AIEgens）在食品检测方面展现出以下突出优势：AIE荧光探针具有高信噪比，从而有效抑制复杂食品基质中的背景干扰[37]。同时，AIEgens具有良好的固态适用性，可用于固态检测（如薄膜、试纸条、凝胶）[38]。这与常规ACQ探针不同，后者在聚集或固态下存在荧光猝灭，从而限制了其实际应用。此外，AIEgens展现出强大的抗干扰能力，并通过合理的分子设计实现了对目标阴离子的特异性识别，有效规避了常见食品中离子的交叉干扰[39][40]。而且，AIE发色团固有的扭曲构型赋予探针优异的光稳定性和抗光漂白性能，适用于长期监测需求[41]。

近年来，由于分子设计的简便性、优异的固态发光特性和性能的可调性，利用AIE荧光探针进行食品安全检测的可行性日益显现。在食品质量与安全管理领域，综述文章已系统总结了AIE材料在荧光传感中的应用[42][43][44]。与以往研究不同，本文基于五大类食品污染物（包括阴离子、金属离子、活性硫化物、活性氧和生物胺，图1）进行了综述。文章首先概述了荧光探针的传感原理，重点介绍了AIE传感器的设计机制，包括光致电子转移、分子内电荷转移、 F?rster共振能量转移、激发态分子内质子转移、非共价相互作用、溶解度和粘度变化、特异性识别以及光物理猝灭/解猝灭过程。其次，在各类污染物检测的章节中，文章首先概述了目标污染物的典型类别及其相关食品安全风险，随后系统综述了相关探针的设计策略，重点关注其作用机制、创新应用和检测性能。最后，从学科交叉融合和协同技术创新的角度，本文概述了AIE分子探针从基础实验室研究到食品检测工业应用的发展路径，从而为食品安全检测技术的商业化和优化提供了理论框架。

章节摘要

荧光探针

对于缺乏固有荧光或荧光信号微弱的研究体系，必须引入外源性荧光化合物（即荧光探针），通过其荧光信号的变化来分析该体系[45]。荧光探针的结构架构通常包含三个关键模块：用于识别的受体、用于信号报告的荧光团以及连接臂[46][47][48]。识别基团可以设计为特异性结合目标物质。

阴离子

在复杂的食品体系中，亚硫酸氢根（HSO₃^?）、亚硫酸根（SO₃^2?）、亚硝酸根（NO₂^?）和氰化物（CN^?）等阴离子的普遍存在引起了广泛关注。这些阴离子在食品加工中表现出双重作用：在特定浓度下，SO₃^2?/HSO₃^?作为防腐剂和漂白剂抑制氧化变质；NO₂^?常用于肉制品中的护色和抗菌；CN^?则天然存在于木薯等植物性食品中。

结论与展望

AIE系统凭借其卓越的光物理特性、简洁的结构设计以及合成后化学修饰的便利性，在多个科学领域展现出广泛的应用前景。本综述详细介绍了基于AIE的荧光探针用于食品检测的最新进展。这些探针在食品基质和其他生物样品中检测与识别目标分析物和生物标志物以及荧光成像方面均表现出良好的性能。其

利益冲突声明

作者声明，不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢以下机构的资助支持：国家自然科学基金委员会（52303189、U22A20144、32460098和52333007）、宁夏银川市重点研发计划（2024SFZD004）、香港创新科技署（ITC-CNERC14SC01和ITC-SKLNSD26SC01）、国家重点研发计划（2023YFB3810001）、广东省重点领域研发计划（2024B0101040001）、深圳市重点实验室。

吴平|陈晨|杨燕|赵斐凡|Kwok R.T.|孙建伟|郑瑞|马海军|Lam J.W.Y.|唐本忠