综述：用于重金属检测的荧光探针：锌、镉和汞离子传感的新兴趋势与进展综述

这篇综述全面梳理了用于检测锌（Zn2+）、镉（Cd2+）和汞（Hg2+）离子的有机荧光传感器的最新进展。文章系统分类了基于席夫碱和非席夫碱的单/多离子传感体系，深入剖析了其光物理传感机制（如PET、ICT、ESIPT、FRET、CHEF、AIE），并比较了它们的化学结构、检测限和结合比。此外，还探讨了将有机探针与先进载体材料（如试纸条、MOFs）及化学计量分析技术结合以提升传感器灵敏度、选择性和实际应用潜力的策略，为设计更高效的环境与生物监测工具提供了宝贵见解。

1. 引言

重金属离子对人类健康和环境构成重大威胁，使其检测对公共安全和水质至关重要。在众多过渡金属中，锌族离子——包括必需微量元素Zn²⁺和高毒性污染物Cd²⁺、Hg²⁺——因其双重性质而受到广泛关注。这些金属离子独特的生理作用和毒理学影响，迫切需要开发能够准确检测和识别它们的有效工具。传统的检测方法如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等虽然灵敏度高，但通常成本昂贵、仪器复杂、耗时且无法支持实时或现场分析。因此，人们日益倾向于更简单、经济、便携的替代方案，其中荧光传感器因其非破坏性、实时检测能力以及对水相或环境条件的适应性而成为一种有前景的解决方案。

2. 锌族金属的一般荧光传感机制

荧光传感器的操作原理在于与目标金属离子相互作用时，荧光团发射行为发生改变的特定光物理机制。这些机制主要包括三种光物理响应类型——“开启”、“关闭”和“比率计量”——从而实现对荧光强度或波长的精确调制，允许对金属离子的存在进行定量或定性评估。本综述重点介绍了六种关键机制：光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）、激发态分子内质子转移（ESIPT）、Förster共振能量转移（FRET）、螯合增强荧光（CHEF）和聚集诱导发射（AIE）。

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  2.1. 光诱导电子转移（PET）
  在PET基荧光传感器中，基本机制涉及通过内部电子转移过程猝灭荧光团的发射。传感器分子通常由选择性结合金属离子的受体单元连接的荧光团组成。没有金属离子时，受体部分充当电子供体，在荧光团被激发时将电子转移给它，形成PET途径，导致荧光猝灭。当与Zn²⁺等金属离子配位时，受体的给电子能力减弱，从而抑制PET过程，恢复或增强荧光发射，产生“开启”信号。
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  2.2. 分子内电荷转移（ICT）
  ICT涉及分子内电子密度在激发时通过共轭体系从给电子基团向吸电子基团的移动。电荷转移的程度影响荧光性质，包括发射波长和强度。在基于ICT机制的传感器中，分子设计有通过共轭π-系统连接的电子给体和受体。金属离子结合到分子的给体部分会降低给体的给电子能力，从而抑制ICT过程，这通常导致荧光强度增加和光谱蓝移。反之，若金属离子结合到受体部分，则可能导致发射光谱红移。
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  2.3. 激发态分子内质子转移（ESIPT）
  ESIPT传感器利用一种独特的光物理过程，即分子在吸收光后其内部发生质子转移。这个过程通常通过质子给体（如羟基）和质子受体（如羰基或亚胺基）之间的氢键发生。激发后，质子从给体转移到受体，导致分子在烯醇式和酮式之间互变异构。这种激发态的互变异构改变了发射波长，并通常产生大的斯托克斯位移。许多传感系统通过抑制ESIPT过程来检测金属离子，从而恢复荧光信号。例如，当Zn²⁺等金属离子结合到质子给体位点时，会破坏对ESIPT至关重要的氢键网络，抑制质子转移途径，导致分子从其正常激发态而非ESIPT态发出更强的荧光信号。
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  2.4. Förster共振能量转移（FRET）
  FRET是一种非辐射过程，其中激发的供体荧光团通过空间将其能量转移到附近的受体荧光团，而不发射光子。这种能量转移高度依赖于供体发射光谱与受体吸收光谱之间的光谱重叠。金属离子的结合可以通过影响供体和受体荧光团之间的距离来改变FRET效率。这种距离变化直接影响它们的荧光强度比，从而可以与金属离子浓度相关联。
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  2.5. 螯合增强荧光（CHEF）
  CHEF是一种现象，即传感器分子在与金属离子结合后荧光显著增强。这种增强通常源于金属离子通过螯合作用将分子“锁定”成更刚性的结构，从而限制了通常会以非辐射方式耗散能量的内部旋转和振动。在许多情况下，CHEF还通过抑制其他非辐射猝灭机制（如PET或ESIPT）来增强荧光。在锌族金属离子传感中，CHEF提供了一种高效的“开启”荧光响应。
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  2.6. 聚集诱导发射（AIE）
  AIE是荧光传感领域的一项突破，因为它与传统荧光团的行为相反，传统荧光团在聚集时会变暗，而AIE活性分子在聚集时发光更亮。当分子聚集时，其内部运动（如旋转和振动）受到限制，从而抑制了非辐射途径，迫使分子以光的形式释放能量，导致荧光显著增强。在锌族金属检测中，AIE活性探针被设计成金属结合通过交联传感器分子或触发促进聚集的构象变化来诱导聚集。

3. 用于Zn²⁺的荧光探针

Zn²⁺在酶功能、神经传递和细胞稳态中起着至关重要的作用。然而，过量的Zn²⁺会破坏生物系统并污染水生环境，因此需要有效的监测。世界卫生组织（WHO）规定了饮用水中4.59 x 10⁴nM的最大允许浓度以最小化毒性风险。本部分将荧光Zn²⁺探针分为席夫碱和非席夫碱体系进行总结。

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  3.1. 席夫碱荧光探针
  席夫碱化合物，其特征在于存在C=N双键，由于结构简单、合成易得和配位化学丰富，在金属离子传感等领域被广泛探索。其传感机制通常依赖于亚胺双键的异构化与CHEF效应的结合。两种常见的结构基元是亚胺和腙。
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    3.1.1. 亚胺衍生物
    通常，亚胺基探针在与Zn²⁺结合时表现出增强的电子转移控制和刚性增加，主要通过抑制ICT、PET、AIE或ESIPT过程，导致荧光开启。例如，亚胺1-3与Zn²⁺配位时，ICT的电子离域被抑制，导致强烈的开启发射。探针4-6由于亚胺连接的非平面或电子去耦导致π共轭中断，主要依靠抑制PET来实现荧光激活。探针7通过AIE结合ESIPT机制对Zn²⁺产生选择性荧光开启响应。
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    3.1.2. 腙衍生物
    腙基探针引入了额外的供体原子和结构灵活性，这通常能增强Zn²⁺配位，并通过ICT、PET或ESIPT机制产生荧光开启或波长位移响应。例如，探针11和12与Zn²⁺结合后，其传感机制通过抑制ICT进行。探针13-18在无金属形式下因PET过程而荧光猝灭，金属配位通过使孤对电子参与结合来抑制该PET途径，从而恢复荧光。
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  3.2. 非席夫碱荧光探针
  除了席夫碱骨架，许多非席夫碱荧光探针也被设计用于Zn²⁺检测，提供了独特的结构特征和光物理响应。这些系统通常利用刚性芳香核、杂环氮供体或扩展的π共轭来调节Zn²⁺配位时的荧光。其中，喹啉衍生物因其优异的金属结合能力、高光稳定性和可调的发射特性而尤为突出。
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    3.2.1. 喹啉探针
    根据代表性荧光探针的结果，观察到红移现象，这是由于Zn²⁺结合通过稳定化效应所致。例如，Zn²⁺与喹啉基探针22和23的配位改变了电子环境，通过抑制ICT导致荧光增强。探针24和25通过PET抑制机制实现荧光增强。探针26在Zn²⁺结合后表现出强烈的绿色荧光增强，这归因于CHEF机制。
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    3.2.2. 其他衍生物
    最近报道的工作中，不仅有喹啉，还有其他衍生物作为非席夫碱荧光探针用于Zn²⁺检测。探针27在Zn²⁺存在下表现出伴随荧光增强的蓝移，这归因于ICT抑制。探针28在Zn²⁺结合后，由于DPEN受体与喹啉酰亚胺荧光团之间的PET被抑制，导致荧光增强。探针29显示出比率计量荧光增强。探针30通过ESIPT抑制和CHEF效应的结合表现出开启发射。基于二吡咯亚甲基的探针31通过CHEF机制对Zn²⁺表现出强烈的“关-开”荧光传感。

4. 用于Cd²⁺的荧光探针

Cd²⁺是生物和环境系统中具有高毒性的金属，其化学性质与Zn²⁺相似。Cd²⁺的存在会破坏生物功能并增加环境污染。在痕量水平检测Cd²⁺具有技术挑战性。WHO已将饮用水中Cd²⁺的最大允许浓度设定为极低的26.7 nM。本部分根据所用螯合单元的类型，对Cd²⁺荧光探针的最新进展进行分类总结。

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  4.1. 喹啉基螯合单元
  喹啉基荧光探针因其喹啉部分兼具荧光团和强氮供体用于金属配位的双重作用而备受关注。荧光传感机制通常涉及PET抑制和CHEF，导致荧光发射增强。例如，羟基喹啉衍生物（32、33、34）通过开启荧光机制选择性检测Cd²⁺，且受Zn²⁺和Hg²⁺干扰极小。
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  4.2. 二吡啶胺基螯合单元
  二吡啶胺（DPA）单元因其三齿氮供体结构而被广泛认知，其对Cd²⁺等软重金属离子具有强结合亲和力。DPA基探针通常利用CHEF，导致荧光发射发生显著变化，如波长位移或开启响应。例如，硝基苯并二唑37与Cd²⁺螯合，由酰胺互变异构触发，导致可见光区域荧光显著增强。
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  4.3. 三联吡啶基螯合单元
  三联吡啶配体以其刚性的三齿结构而闻名，能够形成稳定的配合物。有几篇报道利用这些构建模块来制造Cd²⁺响应荧光探针。这些系统通常依赖于ICT抑制，其中金属结合扰乱电子分布，并通过开启（42）和波长位移（43-45）增强荧光。
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  4.4. 苯并咪唑和苯并噻唑基螯合单元
  苯并咪唑和苯并噻唑骨架通过氮和/或硫原子表现出强螯合能力，已被广泛用于开发Cd²⁺响应荧光探针。苯并咪唑46通过ESIPT过程在Cd²⁺存在下产生强烈的荧光增强。同时，Cd²⁺与苯并噻唑-喹啉-罗丹明偶联物47结合，触发罗丹明开环，导致FRET开启响应。
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  4.5. 肽基螯合单元
  肽基荧光探针因其呈现多个杂原子有助于高效金属结合，已成为Cd²⁺的强大识别单元。丹磺酰-肽偶联物51-53需要硫醇残基作为螯合基序，在金属-配体结合后分别通过PET、FRET和CHEF显示荧光开启。此外，采用含有肽的AIE型荧光团54和55来扩展肽基化学传感器在Cd²⁺检测中的应用。
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  4.6. 其他螯合单元
  除了常见的螯合单元，还使用其他类型的螯合骨架开发了几种创新的荧光探针。其中，席夫碱已出现在几种探针设计中，特别是用于Cd²⁺传感的探针56-61。例如，由双咪唑组成的席夫碱56与Cd²⁺螯合，通过ICT抑制导致荧光开启。探针57和58分别通过CHEF和PET机制检测Cd²⁺，提供开启荧光。此外，ESIPT导致59的荧光波长位移。方酰胺骨架60通过ICT抑制在Cd²⁺结合后促进开启发射。有趣的是，基于咪唑鎓的离子液体61利用其抗衡离子作为共配体结合（如NO₃^2-和Cl^-）来检测Cd²⁺。与Cd²⁺结合后，它通过扰乱AIE过程显示出荧光猝灭。

5. 用于Hg²⁺的荧光探针

在12族重金属离子中，Hg²⁺被认为比Zn²⁺毒性更强，但比Cd²⁺毒性略低。针对该风险，WHO制定了饮用水中Hg²⁺的最大允许浓度为30 nM，而EPA建议更严格的10 nM规定。本综述重点介绍了基于小有机分子的Hg²⁺检测荧光探针的最新进展，强调基于两种主要传感策略的全面、机制驱动的分类：化学反应基和络合基方法。

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  5.1. 化学反应基探针
  通常，当荧光探针与Hg²⁺相互作用时，专门设计的功能基团被该离子触发，启动不可逆的化学反应，如开环、置换、水解、脱硫或脱硒。这些变化显著破坏探针内的共轭或重新分布电子密度，导致可测量的荧光响应，并因Hg²⁺对硫和硒的强亲和力而具有高选择性。
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    5.1.1. 罗丹明衍生物的开环
    罗丹明衍生物广泛用于Hg²⁺检测的“开启”荧光探针，其中Hg^sup>2+与罗丹明骨架中富电子原子（氮、氧或硫）之间的配位诱导螺内酰胺开环，延伸共轭，并导致明显的荧光和颜色变化。基于此策略，开发了新型罗丹明基探针62-64，证明了其在水介质中能快速选择性区分Hg²⁺与其他金属离子。
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    5.1.2. 苯硼酸的置换反应
    在另一种情况下，基于置换的Hg²⁺探针利用Hg²⁺置换不稳定基团的能力，例如苯硼酸，其中Hg²⁺通过直接与相邻富电子原子（如氮或氧）配位或通过与水相互作用原位形成亲核氢氧根离子来促进硼酸酯基团的去除。基于Hg²⁺诱导苯硼酸置换的“开启”探针65对Hg²⁺表现出高选择性。其快速响应归因于Hg²⁺触发的磺酰胺基团去质子化，从而增加了硼酸部分的电子密度。
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    5.1.3. 水解反应
    Hg²⁺促进特定功能基团的水解裂解，特别是那些含有硫或掩蔽醛、羟基或胺基的基团，例如硫代氨基甲酸酯、硫代碳酸酯、硫缩醛和硫代乙醇酸酯，这归因于其对硫原子的强亲和力。与这些功能基团配位后，Hg²⁺诱导脱硫，产生HgS并触发后续水解。在某些情况下，水作为亲核试剂攻击脱硫的碳，从而形成作为水解最终产物的未掩蔽醛、羟基或胺基。基于硫代氨基甲酸酯和硫代碳酸酯的探针67和68在Hg²⁺相互作用下发生水解，分别以其未掩蔽的胺和羟基形式产生强烈的“开启”荧光响应。探针69-72被硫缩醛和硫代乙醇化基团功能化，在与Hg²⁺选择性相互作用生成其醛-荧光团后显示出各种物理性质。
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    5.1.4. 脱硫和脱硒反应
    脱硫是利用Hg²⁺对硫的强亲和力而开发的标志性反应之一。在这种反应类型中，Hg²⁺将含硫基团氧化成它们的氧类似物。硫代羰基化合物如硫脲、硫代氨基甲酸酯和硫代碳酸酯在水分子存在下转化为相应的羰基形式，通常伴随着电子结构和光物理性质的显著变化。具有双脱硫位点的探针73在Hg²⁺检测期间表现出惊人的荧光增强，但灵敏度相对较低。
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  5.2. 络合基探针
  络合基Hg²⁺探针依赖于可逆的配位相互作用，其中Hg²⁺与探针分子中的供体原子（如N、O、S）结合。这种结合会改变探针的电子性质，从而调节其荧光。与化学反应基探针相比，这些系统通常可逆，并可用于实时监测。它们可以进一步分为席夫碱和非席夫碱探针。
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    5.2.1. 席夫碱探针
    席夫碱探针利用其亚胺（C=N）基团作为Hg²⁺的配位位点。与Hg²⁺结合通常通过抑制光诱导过程（如PET或ESIPT）或诱导构象变化导致荧光变化。例如，探针77通过CHEF机制对Hg²⁺表现出开启荧光响应。探针78和79分别通过PET抑制和CHEF机制对Hg²⁺产生荧光响应。
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    5.2.2. 非席夫碱探针
    非席夫碱络合探针采用不含亚胺键的各种配体骨架来结合Hg²⁺。这些包括含有吡啶、喹啉、硫醚和其他杂原子的系统。与Hg²⁺的结合通常会通过PET抑制、CHEF或AIE导致荧光开启、关闭或波长位移。例如，探针82-86利用PET机制对Hg²⁺产生荧光响应。AIE活性探针87-89在Hg²⁺存在下表现出聚集诱导的荧光变化。探针90通过ICT和ESIPT的抑制对Hg²⁺表现出荧光关闭响应。

6. 总结与展望

本综述全面概述了用于检测Zn²⁺、Cd²⁺和Hg²⁺的小分子有机荧光探针的新兴趋势和最新进展。内容根据关键荧光传感机制、单个金属离子检测策略、结构探针类别和双/多离子传感方法进行组织。还特别关注了传感器技术的最新先进应用，强调了这些荧光探针如何推动环境监测。

尽管在设计用于锌族金属检测的荧光探针方面取得了显著进展，但仍存在一些挑战和未来发展方向。主要挑战之一是在化学性质相似的离子（如Zn²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺）之间实现高选择性，因为它们的d¹⁰电子构型、相同电荷和相似配位偏好使得区分它们非常困难。未来的研究应侧重于开发具有精细调谐结合口袋的探针，这些口袋能够利用这些离子之间微妙的尺寸和配位几何差异。将机器学习与高通量筛选相结合，可以加速发现对特定目标离子具有卓越选择性的新型探针结构。

另一个重要方向是提高实际环境样品和生物系统中的灵敏度和实用性。许多报道的探针在受控实验室条件下表现出优异的性能，但在复杂基质中可能面临干扰、低溶解性或光漂白等问题。将有机荧光探针与先进载体材料（如试纸条、金属有机框架（MOFs）和纳米结构）以及化学计量分析技术集成，可以显著提高传感器的灵敏度、选择性和实际环境应用潜力。开发用于多重检测和便携式设备的可穿戴或基于纸张的传感器也是一个有前景的领域。

此外，探索新的传感机制和荧光团可以带来创新解决方案。例如，利用上转换纳米颗粒或长寿命发光探针可以最大限度地减少背景自发荧光，从而提高信噪比。将荧光传感与其他分析技术（如电化学或比色法）相结合，可以实现交叉验证并提高检测可靠性。

总之，用于锌族金属检测的有机荧光探针领域正在迅速发展，在环境监测、工业安全和生物医学诊断方面具有巨大潜力。通过应对选择性、灵敏度和实际适用性方面的当前挑战，未来的研究可以推动开发更强大、更可靠和用户友好的传感平台，最终有助于保护人类健康和环境。