综述：用于重金属离子检测和生物成像的荧光探针：最新进展、设计策略与未来展望

《Dyes and Pigments》：Fluorescent probes for heavy-metal ion detection and bio-imaging: recent advances, design strategies, and future perspectives

　　

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  对重金属离子荧光探针的最新进展进行了批判性综述。
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  系统地比较了分子设计策略和荧光传感机制。
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  全面讨论了有机荧光团、碳点、量子点和纳米团簇。
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  强调了在环境监测、食品安全和生物成像方面的应用。
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  提出了向多功能、智能和便携式荧光传感发展的未来趋势。

引言

过去几十年来快速的工业化和城市化导致重金属不断释放到环境中，对全球生态系统和公共健康构成了重大且持久的威胁。汞 (Hg)、铅 (Pb)、镉 (Cd)、铜 (Cu) 和锌 (Zn) 等重金属不可生物降解，并容易在生物体内积累，最终进入食物链和人体。(1), (2) 尽管 Cu²⁺ 和 Zn²⁺ 是涉及多种生理过程（包括酶催化、基因调节和细胞信号传导）的必需微量元素，但过度接触会导致严重的毒性。(3), (4), (5) 相比之下，汞、铅和镉等非必需重金属即使在微量浓度下也表现出高毒性，会对神经系统、肾脏、肝脏和其他重要器官造成不可逆的损害。慢性接触这些有毒金属与多种疾病有关，包括帕金森病、阿尔茨海默病、心血管疾病、发育异常和各种癌症。(6), (7), (8), (9), (10) 因此，开发敏感、选择性、快速且成本效益高的分析方法以监测环境和生物样品中的重金属离子引起了相当大的研究兴趣。尽管分析方法取得了显著进展，但由于基质干扰、分析物浓度超低以及共存金属离子的竞争配位，在复杂的环境和生物基质中准确测定痕量重金属离子仍然是一个相当大的挑战。因此，开发具有改进的灵敏度、选择性和实际应用性的高效传感平台仍然是重要的研究优先事项。

传统的重金属测定分析技术，包括原子吸收光谱法 (AAS)、电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 和电化学方法，提供了优异的灵敏度、准确性和可靠性，因此仍然是定量元素分析的基准技术。(11), (12), (13), (14) 然而，这些方法通常需要昂贵的仪器、复杂的样品预处理、熟练的操作人员和耗时的分析程序，限制了它们对快速现场监测和实时分析的适用性。(15), (16) 更重要的是，它们无法提供生物系统内的时空信息，这极大地限制了它们在动态生物成像和原位监测中的应用。

这些局限性激发了人们对基于荧光的传感技术的兴趣，该技术结合了高分析性能与操作简便性、便携性和实时可视化能力。荧光探针具有多种独特优势，包括高灵敏度、高选择性、快速响应、无损检测和高时空分辨率。在与目标重金属离子相互作用时，荧光探针会发生可测量的光学变化，从而实现对生物系统中金属离子分布的高灵敏度检测和实时可视化。由于这些优势，荧光探针已被广泛用于疾病诊断、生理研究、药理学研究、法医科学、遗传分析和生物成像。(17), (18) 此外，近年来荧光成像、便携式传感设备和纳米技术的进步大大扩展了它们在环境监测、食品安全分析和原位生物成像中的应用，突显了它们在环境和生物医学领域的巨大潜力。

荧光探针的分析性能主要由三个关键因素决定：传感机制、荧光团和识别单元。代表性的荧光传感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)、激发态分子内质子转移 (ESIPT) 和基于反应的传感。(19), (20), (21), (22) 同时，荧光团和识别单元的选择在决定荧光探针的灵敏度、选择性和光物理性质方面起着决定性作用。在迄今为止报道的众多荧光材料中，小有机荧光团（例如，香柳素、BODIPY、罗丹明、芘和萘酰亚胺）、碳点、量子点、金属纳米团簇、石墨烯纳米点和基因编码荧光蛋白因其独特的光学性质和结构多样性而被广泛探索。²³ 识别单元包括螯合配体、特定受体和反应性官能团，它们与目标重金属离子选择性相互作用，随后触发可测量的荧光响应。最近，近红外 (NIR) 荧光探针、比率传感系统、多功能纳米探针和便携式荧光平台的出现，大大扩展了荧光传感，从传统的单分析物检测走向多重分析、智能传感和动态生物成像。(24), (25), (26) 然而，同时优化灵敏度、选择性、响应速度、光稳定性、水溶性、生物相容性和实际应用性仍然是一个主要挑战，突显了为下一代荧光探针进行合理分子工程和创制新型传感策略的必要性。

据我们所知，虽然有几篇优秀的综述总结了个别重金属离子或特定类别荧光材料的荧光传感策略 (27), (28), (29), 但缺乏一篇全面整合过去十年分子设计、传感机制、多样化荧光平台、环境应用、食品安全分析和生物成像最新进展的综述。鉴于荧光材料、识别策略和成像技术的快速发展，这种更新的概述既及时又必要。

在本综述中，我们全面总结了重金属离子检测和生物成像荧光探针的最新进展，特别强调 2018 年至 2026 年间发表的研究。代表性重金属离子，包括 Ag⁺、Hg²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Pb²⁺ 和 Pd²⁺，从分子设计、荧光传感机制、分析性能和生物应用的角度进行了系统讨论。特别关注了荧光平台从传统有机荧光团向碳点、量子点、金属纳米团簇、石墨烯纳米点和基因编码荧光探针的演变。此外，全面回顾了这些传感系统在环境监测、食品安全评估、便携式分析和生物成像中的实际应用。本综述不仅仅是总结代表性研究，还批判性地比较了不同的传感策略，讨论了各自的优缺点，并突出了这一快速发展领域中剩余的挑战和未来机遇。总之，本综述旨在提供一个全面的框架，以理解荧光探针技术的最新进展，并促进下一代荧光探针的合理开发，这些探针具有改进的灵敏度、选择性、生物相容性和实际应用性，用于环境监测、食品安全和生物成像 (图 1)。

章节摘录

用于重金属离子检测和生物成像的荧光探针

自上个世纪以来，由于快速工业化和人为活动，人类暴露于有毒重金属的情况明显增加。有毒金属离子，如 Hg²⁺、Pb²⁺、Cr³⁺/Cr⁶⁺ 和 Cd²⁺，甚至在痕量浓度下也能引起严重的不良健康影响，包括 DNA 损伤、基因组不稳定性、氧化应激和多器官功能障碍。(30), (31), (32), (33), (34) 相比之下，包括 Zn²⁺、Fe³⁺、Al³⁺ 和 Cu²⁺ 在内的必需金属离子是

总结与展望

荧光探针技术的最新进展极大地改变了重金属离子的检测和生物成像，为环境监测和生物研究提供了敏感、选择性和多功能的分析工具。与常规分析技术相比，荧光探针提供了独特的优势，包括快速响应、高空间和时间分辨率、优异的灵敏度以及在生物系统中的实时可视化。如所总结

CRediT 作者贡献声明

刘莹： 撰写–初稿、可视化、方法论、调查。赵斌： 调查、资金获取。刘静辉： 撰写–初稿、可视化、方法论、调查、概念化。杨婷婷： 调查。张苗苗： 撰写–审阅与编辑、监督、资金获取

利益声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系似乎可能影响本论文中报告的工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系似乎可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会 (资助号 22204149, 和 22201263) 和河南省高等学校重点科研项目 (26B150026) 的支持。

刘静辉 | 刘莹 | 赵斌 | 杨婷婷 | 张苗苗