综述：基于咪唑的化学传感平台在金属离子和有机分析物检测中的应用：综述

《Inorganica Chimica Acta》：Imidazole-derived Chemosensing platforms for metal ions and organic Analytes: A review

　　

摘要

由于具有强大的金属配位能力、π共轭结构和可调的电子特性，咪唑及其衍生物被认为是构建先进化学传感系统的高效支架。基于咪唑的传感器在通过特定的金属-配体相互作用选择性和灵敏地检测环境和生物系统中重要的金属离子（尤其是二价和三价阳离子）方面表现出显著的效率。本文全面概述了最近在基于咪唑的化学传感器领域的发展，这些传感器用于检测具有生物和环境意义的金属离子。特别强调了针对Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和Pb²⁺等二价金属离子的传感器，以及Al³⁺和Fe³⁺等三价金属离子的传感器。此外，还系统总结了有机咪唑化学传感器和金属-有机框架（MOF）基咪唑传感平台的新进展。文章进一步讨论了这些传感系统的设计与合成、其传感机制，以及影响选择性、灵敏度和检测限的结构-性质关系。同时，也指出了当前面临的挑战、实际应用和未来发展的前景。

引言

近年来，对生物和环境重要物种的检测和定量具有重要意义。由于化学传感器在检测阳离子、阴离子和有机小分子污染物方面具有出色的灵敏度和选择性，因此相关研究非常活跃。[1] 可以使用多种方法进行检测，包括气相色谱[2]、液相色谱-质谱[3]、电导法[4]、电化学分析[4]、比色法和分光光度法[5]。其中，荧光传感由于其高选择性、灵敏度和低检测限以及易于操作的特点而被认为是最有效的方法之一[6]。此外，荧光传感器还可以应用于活细胞中进行实时监测。

杂环化合物在制药领域已有广泛应用，但对其传感特性的研究尚不多。基于杂环化合物（如香豆素[7]、吡唑[8]、喹诺酮[9]、花菁[10]、BODIPY（硼二吡咯甲烯）[11]、邻苯二甲酰亚胺[12]）的化学传感器和分子探针因其良好的光电物理、电子和配位性质而被广泛应用于传感技术中。在各种传感器中，基于咪唑的化学传感器展现出特别的前景。作为含有两个氮原子的五元环，咪唑具有独特的电子和配位特性，使其成为金属离子传感的有价值的结构框架[13]。

基于咪唑的传感器的应用范围远超传统的离子检测，延伸到生物成像、环境分析、食品质量保证和医学诊断等多个领域[14]、[15]。在生物成像领域，基于荧光咪唑的探针可用于追踪和监测细胞内重要的金属离子及其他反应性物种。它们在生理条件下的良好荧光特性使得能够实时可视化分析物的分布，为了解细胞过程和金属离子调控提供宝贵信息[16]。在环境监测中，基于咪唑的传感器被用来检测水介质中的有毒和潜在危险的金属离子、阴离子物种及有机污染物，有助于快速选择性地监测环境污染物[17]。食品安全也是一个关键领域，这些传感器有助于识别有害物质（如重金属、生物胺、抗生素和农药），从而支持质量控制和消费者保护[18]。同样，在临床和生物医学诊断中，基于咪唑的荧光探针在监测与正常和疾病相关的离子及小分子方面表现出潜力。这些特性使它们成为生物标志物监测和诊断应用的理想候选者。

为了全面了解该领域的现状并确定未来的发展方向，本文系统总结了基于咪唑的化学传感器在检测金属离子、有机小分子和生物相关分析物方面的发展和应用。

章节摘要

基于咪唑的杂环化合物在医学、仿生催化、超分子化学以及人工金属离子受体开发中具有潜在应用[19]、[20]、[21]。咪唑核心中的氮原子使其衍生物具有与金属离子结合的能力。咪唑独特的电子结构适合用于构建具有弱分子内电荷转移（ICT）和非线性光学特性的深蓝色发光物质。

基于咪唑的化学传感器的传感行为主要由咪唑识别部分与分析物之间的选择性相互作用决定，这种相互作用会导致传感器的光学响应发生可检测的变化。根据传感器的结构特点和目标物种的性质，已经确定了多种识别和信号转导途径，包括光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）和激发态反应等。

铜（Cu）是一种第一过渡系列金属，常见于两种氧化态：Cu(I)（称为亚铜）和Cu(II)（称为铜）。铜(II)形态对生物体的生长和发展至关重要，并在许多生理过程中起着关键作用。然而，根据世界卫生组织（WHO）的规定，当铜(II)浓度超过2 ppm时就会变得有毒。过量摄入铜与多种健康问题有关

尽管基于咪唑的化学传感器取得了显著进展，但仍存在一些阻碍其实际应用的难题。在复杂样品中实现高选择性仍然具有挑战性，因为竞争性离子、分子、pH值和离子强度会影响传感器的响应。因此，设计具有明确定义的识别位点和增强识别能力的受体至关重要。实际应用还需关注长期稳定性、可回收性、光稳定性以及防水性能等因素

基于咪唑的化学传感器的传感性能取决于识别单元、连接剂、荧光团和取代基的影响。杂芳香环中含有两个氮原子，其中吡啶型氮原子可作为过渡金属的配位位点，而吡咯型氮原子则参与氢键形成和质子化/脱质子化过程。这些双重功能使得它们能够选择性地识别阳离子、阴离子和生物分子。

本文全面总结了基于咪唑的传感器在环境、临床、食品和工业应用中检测金属离子、有机分析物和生物相关物种的各种类型。这些传感器具有多个优点，如对特定分析物的高灵敏度和选择性、易于合成和结构修饰，以及与不同检测技术的兼容性。它们对目标的强亲和力使得它们在生物标志物监测和诊断应用中具有巨大潜力。

Sonia Rohilla和Pratibha Periwal参与了原始手稿的起草工作。Vikas Verma博士监督并设计了这篇综述。Meenakshi Bhatia参与了手稿的编辑工作。Vikramjeet Singh负责最终手稿的校对。Amit Barsiwal进行了文献检索和综述的编辑。

作者声明他们没有可能影响本文报告工作的已知财务利益或个人关系。

Sonia Rohilla是印度哈里亚纳邦Hisar的Guru Jambheshwar科技大学（GJUST）化学系攻读有机化学博士学位的研究学者。她于2019年获得Maharishi Dayanand大学的有机化学硕士学位，2017年获得德里大学的化学学士学位（荣誉学位）。她的研究工作主要集中在杂环化合物的设计与合成上，特别是基于咪唑、三唑和吡唑的化合物。

Sonia Rohilla|Pratibha Periwal|Vikas Verma|Meenakshi Bhatia|Vikramjeet Singh|Amit Barsiwal

印度Hisar的Guru Jambheshwar科技大学化学系，邮编125001。