综述：显色-荧光传感器在金属离子识别中的实际应用趋势

《Dyes and Pigments》：PRACTICAL APPLICATION TRENDS OF CHROMO-FLUOROGENIC SENSORS IN RECOGNITION OF METAL IONS

　　

对自然物体进行重金属离子含量的监测是一项极其重要的任务。色变-荧光传感器是检测金属离子的灵敏且具有选择性的工具。已知传感器可以检测纳摩尔浓度的金属离子。已开发出掺杂荧光传感器的测试系统，用于金属离子的快速分析。光学传感器在医学、生物化学、农业、食品和化妆品工业中具有广阔的应用前景。引言环境及食品中重金属元素（包括高原子质量金属）水平的升高可导致各种疾病、中毒及其他对人体健康的不良后果。在众多重金属元素中，对生物体毒性最大且最具危险性的包括铅、镉、汞、砷、锌、锡、镍、铜、锰、铬、铝和铁。重金属化合物对环境造成污染存在自然途径和人为途径。重金属的自然来源包括岩石风化、土壤侵蚀和火山喷发等自然过程。人为来源则是人类活动的结果，源于冶金、采矿、机械制造和化工厂、燃煤电厂、交通运输、农业及生活垃圾排放量的不断增加。因此，重金属化合物以大量方式进入大气圈、岩石圈和水圈，污染生物圈的各个层次。进入大气的烟尘排放物随后以酸雨形式降下，沉积于土壤中，并被冲入水体。一旦进入土壤，金属会被根系吸收，进而进入茎叶、块根作物和种子。其过量会导致植物生长受到抑制。食用植物性食品会导致动物体内重金属积累。如果废水处理不当，重金属化合物也会进入水体，并在天然和人工水库中富集。结果，重金属污染了所有水体和水源，这常常导致全球饮用水短缺。因此，重金属通过多个途径同时进入人体，包括受污染的空气和水，以及动植物性食品。因此，重金属离子的检测是分析化学中一项极其重要的任务，它影响着生物化学、医学、制药、食品和化妆品行业等众多环境领域。由于对人体、动物和植物的重金属离子最大允许浓度极低，其生态系统中物体的监测需要使用高灵敏度（低分析物检测限）的仪器方法，但应能在实验室和现场条件下使用。目前，领先科学中心正积极推进色变-荧光传感器作为高效易用离子分析工具的开发。色变-荧光传感器在与特定离子相互作用时，会产生几乎即时的信号，该信号结合了可视的颜色变化（色变性）和高灵敏度的发光（荧光）。这些传感器的关键优势在于成功结合了双类型光谱响应与分析信号的高速、高灵敏度和高选择性，从而显著提高了分析的可靠性和速度。特别关注的是基于进入结构相关的天然发色团（卟啉、二吡咯亚甲基等）的天然代谢途径的化合物开发的低毒性传感器，这些传感器适用于在不破坏活细胞的情况下对分析物进行可视化。色变-荧光传感器允许在不使用复杂设备的情况下，基于传感器在存在金属离子时所给出的色彩响应，对分析物进行实时（原位）检测。通过使用光响应的浓度校准依赖关系，可以对特定对象中的分析物含量进行定量评估。最灵敏的色变-荧光传感器可以检测纳摩尔浓度的金属离子。各种色变-荧光传感器机制的描述，如光诱导电子转移（PET）、激发态分子内质子转移（ESIPT）、分子内电荷转移（ICT）、荧光共振能量转移（FRET）、CHEF（螯合增强荧光）、CHEQ（螯合增强荧光猝灭）、顺磁性金属离子荧光猝灭等，在综述论文中进行了详细讨论。值得注意的是A. Prasanna de Silva和A. W. Czarnik的工作，他们为荧光传感器的设计和分析物识别原理奠定了基础，以及Joseph R. Lakowicz为荧光分析方法的发展做出了基础性贡献，为包括金属离子传感器在内的荧光传感器的开发奠定了理论和实践基础。迄今为止，已获得了大量具有"经典"型和"集成"型结构的传感器。"经典"型传感器最为常见，包括两个主要片段：负责结合分析物的受体和确保产生光谱响应的信号片段。在"集成"型传感器中，这两种功能由同一结构域执行。无论是单独使用还是作为固态测试系统的一部分，许多传感器在有机溶剂、水介质和提取物以及各类实际样品中测定一种或一组分析物时均表现出较高的效率。较少见的是基于与分析物发生不可逆反应而工作的化学剂量计，以及基于"置换法"原理工作的探针，即用目标金属离子置换配位阳离子的反应。目前，大多数综述论文侧重于对不同性质的受体和信号片段分子探针的传感特性进行考量和比较分析。在阳离子识别领域，荧光传感器的综述也按可检测金属的不同类别进行了划分，这对于专注于特定分析物检测的研究人员来说非常便捷且实用。Juyoung Yoon及其同事的综述论文总结了金属离子检测领域两光子和近红外荧光探针的进展（2020年至2022年）。Ramsha Iftikhar及其同事的综述详细考察了重金属离子荧光传感器的最常见机制，为合成化学家有针对性地开发新的分析试剂提供了指导。更为具体的综述则考虑基于特定发色团/荧光团的传感器用于检测一种或多种金属离子。例如，某研究中展示了大量氨基-1,8-萘酰亚胺类发色团用于Cu2?离子传感；该综述使我们能够评估萘酰亚胺基传感器在荧光分析中的优势，以及其应用于Cu2?离子传感和生物成像的重要性。作者们在综述中详细讨论了基于开链和环状结构共轭低聚吡咯的探针领域的进展。来自中国的科学家涵盖了纤维素基金属离子检测传感器领域的成就、挑战和未来发展机遇，以及其使用建议。任何传感器研究的最终目标是在不降低传感器对特定分析物灵敏度和选择性的前提下，证实其实际应用的可行性。因此，在大多数近期出版物中，所提出的传感器都在特定实际样品上进行了测试，从而评估传感器在环境、生物化学、制药、食品及其他分析中的适用性。该领域积累的成果需要及时系统化整理，目前尚未进行。在本综述中，我们首次尝试结合和系统化整理文献中关于色变-荧光传感器在各实际应用领域中测试的主要信息。我们着重关注了特定传感器在各种实际样品和对象中的性能考量和比较分析（图1）。综述分为若干章节，包括传感器在特定分析领域的实际应用评估，以及在水体实际样品、制药、化妆品和食品产品中，在生理液体和细胞、斑马鱼和植物、指纹成像中金属离子的可视化。专门设有一节，讨论使用掺杂传感器的各种固态载体测试系统进行水介质中金属离子的定性定量快速分析。对特定探针和实际样品的制备以及分析方法论给予了相当大的关注。个别探针的主要传感器特性可能对专家作为参考资料有用，因此我们将其总结在表1至表12中，而未在综述的描述部分进行详细讨论。章节摘要用于实际水样中金属离子分析的传感器：重金属化合物对水体的污染破坏了水生生态系统的平衡，威胁人类和动物的健康。因此，及时进行天然水体中重金属离子含量的环境监测是一项极其重要的任务，并可通过使用现代光学传感器成功完成。迄今为止，已开发了用于Zn2?、Cu2?、Al3?、Hg2?、Fe2?、Fe3?、Cd2?离子及其他金属的众多化学传感器。其中一些最有趣的例子。用于土壤中金属离子分析的传感器：重金属离子（Cu2?、Zn2?、Cd2?、Hg2?和Pb2?）在土壤中的积累主要源于工业排放、机动车排放和化肥的使用。土壤作为天然缓冲剂，保留各种污染物，包括以低溶解度化学形态存在的重金属化合物。当由于"酸性"降雨和植物活动（根系释放有机酸和CO?）导致土壤酸度降低时，低溶解度的金属化合物会转化为可溶性化学形态。用于食品和饮料中金属离子分析的传感器：许多重金属是重要的微量元素（Zn2?、Cu2?、Co3?、Fe3?等），在可接受浓度下在生物体中执行重要的生物功能。元素毒性或生物功能的显现取决于摄入剂量和体内重金属化合物总积累量。这一论断是毒理学和药理学的基本原理，在医学和生物化学中被称为帕拉塞尔苏斯原则："万物皆毒，也万物皆药"。用于药品和食品添加物中金属离子分析的传感器：药品和食品添加物中重金属离子的分析旨在解决两个主要问题：测定高毒性和必需活性化合物的含量。有毒重金属离子可能在制造过程中从受污染的原料、水、实验室玻璃器皿或设备中进入药品。因此，控制有毒金属含量对于确保药品的纯度、有效性和安全性至关重要。此外，市面上销售的食品。用于化妆品中金属离子分析的传感器：从儿童时期起，化妆品就成为人们日常生活的重要组成部分，用于医疗和美容目的（滋养和减缓细胞老化、恢复胶原蛋白、调节免疫、美白和皮肤微循环）。然而，长期使用含有痕量金属离子的化妆品可能对健康造成危害。口红、乳霜和其他化妆品中存在重金属离子（铝、铬、镍、镉、铅等）。用于生理体液中金属离子分析的传感器：金属离子以各种化学形态存在于各种生理体液中（尿液、血液、汗液、细胞裂解液、泪液、唾液等）。研究生物体液中金属的形态及其检测对于理解生物系统中微量元素的生理行为在临床生物化学和医学中具有重要意义。为诊断有毒金属化合物中毒，已开发了各种人体生物流体分析方法。光谱。荧光成像中的传感器：目前，"开启型"荧光传感器在生物成像中表现出显著优势。荧光生物成像能够在人体、动物和植物细胞的体外和体内实时监测金属离子含量。人体细胞生物成像的结果可以作为金属离子代谢障碍患者对症治疗的基础。

然而，生物系统传感器的发展与许多必要要求相关。

金属离子快速分析测试系统
在工业生态学中，指示测试系统被广泛应用，它们提供了在原位进行简单、廉价的定性及定量分析物检测的可能性。几乎所有速测方法的通用原理是传感器与分析物之间的分析反应，该反应在无需使用复杂设备的情况下，提供肉眼可观察或易于测量的比色响应。此类系统中的光学传感器被固定在固体介质中，例如测试条。

用于多种应用的金属离子传感器
请注意，上述所有传感器在综述的特定部分中都是在单一应用领域的背景下讨论的。然而，在原始文章中，其中许多传感器已在广泛应用的实际样本上进行了测试 [41], [42], [43], [44], [46], [47], [49], [50], [55], [56], [57], [60], [61], [63], [68], [69], [71], [72], [73], [74], [76], [77], [78], [79], [81], [82], [83], [85], [88], [90], [91], [93], [97], [100], [106], [110], [116], [118], [119]

结论与展望
色变 - 荧光探针是一种可靠的工具，既能实现金属离子的高灵敏度定量分析，又能简单定性评估分析系统中分析物的存在。多种多样的探针允许检测 s、p、d 区元素（Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Au3+、Hg2+、Tl3+、Pb2+ 等），检测限从微摩尔至纳摩尔级，足以在某些应用领域进行实际应用。

CRediT 作者贡献声明的系统化
Natalia A. Bumagina：撰写 - 初稿，可视化，验证，方法论，调查，概念化。
Elena V. Antina：撰写 - 初稿，可视化，验证，方法论，调查，概念化

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文报告的工作。

利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文报告的工作。

致谢
本工作得到了伊万诺沃地区政府的支持（一种补贴形式的拨款，旨在为俄罗斯科学基金优先活动领域内的科学项目实施提供财政支持，编号：30-2025-004031）。

Natalia A. Bumagina|Elena V. Antina