发光探针检测技术的应用与发展

摘 要：随着工业化进程的快速发展，环境中金属离子污染愈加严重，因此发展可靠的金属离子检测技术对保护环境和人类健康具有重大意义。金属离子检测技术分有很多种，其优缺点各异。发光探针检测技术是一种新型的检测技术，可通过分子工程设计获得一系列具有精确协调性的发光探针分子的一种检测技术。本文主要介绍了发光探针检测技术的检测原理及其应用发展前景，为制定更加精确、高效的环境保护政策及控制措施做铺垫，从而实现可持续的绿色发展。

关键词：发光探针，金属离子，应用发展

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.19.040

0 引 言

金属离子在自然界中普遍存在，其对于各种生物物种及生命的组成至关重要[1]。然而过量的金属离子对环境及人们的健康是有害的，同时也会影响到工程材料的使用性能。随着工业化和城市化进程的快速发展，金属离子通过采矿、工业废水排放、燃煤使用等人为过程产生并排放到生态系统中[2]，由于有毒的金属离子是不可生物降解的，因此很容易积累在生态系统中，并通过食物链进入人体从而产生严重的健康危害[3]。为此世界卫生组织（WHO）和环境保护机构都严格限制了饮用水中金属离子含量[1]。因此，目前发展对微量金属离子的检测技术已引起了很大的关注。

目前常用的检测金属离子的技术方法主要包括原子吸收分光光度法、火焰光度法、电感耦合等离子体发射光谱法、X射线荧光分析方法、质谱法等，这些检测技术具有高准确度和灵敏度的优点，但这些检测方法所用的设备昂贵，样品的预处理繁琐，耗时长，检测条件要求严格，以及检测人员要求具备高的专业技术水平等，使得这些检测技术不适合用于原位及现场检测。在众多的检测技术中，发光探针检测技术由于具有高灵敏度、高选择性、高信噪比、低成本、操作简单，以及可通过分子工程设计获得一系列具有精确协调性的发光探针分子而受到了广泛的关注[4-6]。

1 发光探针介绍

发光探针的检测原理是基于发光分子的发光特性。发光分子是一种具有特殊结构的分子，其能够吸收光并能发射出光。发光分子的发光强度和发光颜色与其结构和环境有关，当发光分子与某种离子结合后，发光分子的结构和环境会发生变化，从而导致发光强度或发光颜色的变化。因此可通过测量发光强度或者发光颜色的变化来检测某种离子的存在。

对于发光探针，合成受体在特定金属离子的选择性检测中起着重要的作用。受体单元通常是由N、O、P、S等富电子供体原子组成[7-10]。这些受体识别特定的金属离子的机理是通过酸碱作用，即受体作为碱，金属离子作为酸，受体在与金属离子发生作用之后，其会产生相应的光学反应，如发光猝灭，发光增强，发光颜色发生改变等[11]。这些受体单元易于设计、合成，并能与发光单元结合，从而检测特定的金属离子。对金属离子精确的化学识别是发光探针检测技术的最关键因素，其可通过使用模块化的方法来交换受体单元从而使金属离子能够很容易的被识别出来[11-12]。

2 发光探针检测技术的应用发展

2.1 钠/钾离子（Na+/K+）检测

建筑材料中的碱含量通常采用材料中的钠离子（Na+）和钾离子（K+）的含量表示。过高的碱含量可能会引起混凝土的碱骨料反应，致使混凝土发生体积膨胀呈蛛网状龟裂，导致工程结构的破坏。因此发展可靠的碱含量检测技术至关重要。传统的检测碱含量（Na+/K+）的方法有火焰光度法和原子吸收分光光度法，其原理是通过采用分解或熔融样品制备成水溶液的方法，再通过仪器设备来检测溶液中的钠离子（Na+）和钾离子（K+）含量。但这些检测方法的检测过程繁琐、耗时长及检测条件苛刻。发光探针检测技术是一种简单、灵敏、精准的检测方法，并已成功应用于检测钠离子（Na+）和钾离子（K+）。

Sprenger等[13]合成出了一种新型的发光探针，其在含有不同金属离子的水溶液的荧光光谱的研究表明了，只有钠离子（Na+）和钾离子（K+）能够使溶液的荧光强度增强，这表明了其能够有效的识别水溶液中的钠离子（Na+）和钾离子（K+）。同时不同的pH值的溶液荧光光谱测试表明了，荧光强度能够在pH值为3.5～9.5的范围内保持稳定，其有效的克服了火焰光度法必须在弱酸性条件下检测钠离子（Na+）和钾离子（K+）的缺点。该发光探针的作用机理是，溶液中的钠离子（Na+）和钾离子（K+）能够有效的阻止了光诱导电子转移过程，最终使得溶液的发光强度增强。

2.2 锌离子（Zn2+）检测

锌是人体必须的微量元素，微量的锌元素有助于提高人体免疫力，但是如果人体中的锌元素过量，有可能诱发疾病。有研究报道表明了许多神经系统疾病，如阿尔茨海默氏症、缺血性中风、帕金森氏病可能与人体内的锌离子稳态的功能失调有关。因此发展可靠的锌离子（Zn2+）检测技术是很有必要的。

Sharma等[14]合成出了一种新型的有机发光探针，其具有高灵敏度、高选择性、低检测限、良好的溶解性等优点。该发光探针在含有不同金属离子（Fe3+、Cu2+、Co2+、Ni2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+、Cr3+、Ag+、Al3+、Mn2+、Fe2+）的溶液的荧光光谱的研究表明，在290 nm的激发波长的激发下，其在455 nm处显示很弱的发射峰，然而在加入相同浓度的锌离子（Zn2+）后，溶液的荧光发射强度明显增强，同时发射峰红移到了463 nm。因此以上表明该发光探针能够在含有大量金属离子（Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+，Pb2+，Cr3+，Ag+，Al3+，Mn2+，Fe2+）的溶液中高效识别出锌离子（Zn2+）。同时发光探针在含有不同的锌离子（Zn2+）浓度的水溶液荧光发射光谱的研究表明，其能够检测水中的Zn2+的检测限为1.70×10-9 M，远低于世界卫生组织（WHO）所推荐的饮用水检测限标准。

2.3 铝离子（Al3+）检测

铝是地球表面的第三大元素。水通常使用硫酸铝进行净化，因此会产生数百吨的含铝的工业废物排放到环境中。很多的研究报道已经证实了铝可引起神经中毒，并与阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、骨骼软化、慢性肾功能衰竭等疾病有着密切的联系。据世界卫生组织报道，人类平均每日铝的摄入量约为3 mg到10 mg，同时也严格规定了饮用水中Al3+含量不能超过7.4×10-6 M，因此高的灵敏度和选择性的特点，使得发光探针检测技术成为首当其冲的选择。

Lv等[15]报道一种水溶性的BSBDS发光探针。BSBDS（2×10-5 M）水溶液对金属离子（Li+，K+，Ag+，Mg2+，Ca2+，Zn2+，Cd2+，Cu+，Cu2+，Co2+，Ni2+，Cd2+，Fe2+，Fe3+和Al3+，2×10-3 M）的荧光响应作用研究表明了，只有Al3+能使荧光发射光谱发生了明显的红移，即荧光发射峰从430 nm红移到了475nm，且在其他金属离子存在的情况下，BSBDS依然能够对Al3+具有较好的专一性识别。含有不同的铝离子（Al3+）浓度的BSBDS水溶液荧光发射光谱的研究表明，其可高效识别水中的铝离子（Al3+），其检出限可达到2.09×10-8 M，远低于世界卫生组织（WHO）所推荐的饮用水中铝离子（Al3+）的检测限标准（7.4×10-6 M）。

2.4 铜离子（Cu2+）检测

铜离子（Cu2+）是人体的基本元素。然而人体中铜离子（Cu2+）失调可能引起一系列的疾病，如阿尔茨海默氏症、门克斯综合症、威尔逊氏病等[16]。为此世界卫生组织（WHO）严格限制了饮用水中铜离子的最大含量不得超过3 mg/L[17]，因此开发具有高灵敏度和选择性的铜离子（Cu2+）发光探针是非常有必要的。

Wa ng等[18 ]通过一个简单的缩合反应合成出了DPAS发光探针，其可通过检测金属离子的猝灭程度来识别水中的Cu2+。初步的光学研究表明了，DPAS水溶液够在565 nm处发射出明亮的黄光。进一步的DPAS探针抗金属离子的干扰性能研究表明了，在不同金属离子（Cu2+，Fe2+，Ni2+，Cd2+，Ba2+，Mg2+，Zn2+，Mn2+，Ca2+，Co2+，Ag+，Hg2+，Pb2+和Al3+）存在的情况下，只有铜离子（Cu2+）能够使DPAS水溶液的发光强度发生明显地猝灭，而加入其他的金属离子后，原溶液的发光强度没有很大改变，这表明了在其他金属离子存在的情况下，DPAS发光探针依然能够对铜离子（Cu2+）有较好的专一性识别。含有不同铜离子（Cu2+）浓度的DPAS水溶液的光谱研究表明了，DPAS发光探针在水中检测Cu2+的检测限为6.7×10-8 M，远低于世界卫生组织（WHO）的要求。

2.5 汞离子（Hg2+）检测

汞通常以无机汞、汞元素和有机汞这三种形式存在于我们的生态环境中。汞是一种剧毒非必需元素，其能够通过生态途径进行生物积累，最终导致在食物链中产生更大的浓度，从而危害人类的健康。世界卫生组织严格限定了饮用水中的汞离子（Hg2+）含量，同时汞及汞化合物也是第一批被列入有毒有害水污染物名录。因此，迫切需要开发具有高选择性和灵敏度的汞离子（Hg2+）发光探针。

Chen等[19]通过使用TPE和罗丹明合成了一种TPE衍生物，该衍生物是一种具有比色传感特性的汞离子（Hg2+）发光探针，其发光机理是当加了汞离子（Hg2+）后，促进了氨基硫脲物质中1， 3， 4二唑结构单元的形成，最终导致发光颜色发生了变化，即发射波长由480/485 nm（蓝色）红移到了564/572nm（红色），同时进一步的研究结果表明了p-TPERNS和m-TPE-RNS发光探针对汞离子（Hg2+）的检测限分别高达了1.0 ppb和0.3 ppb，其远低于美国环保局所规定的饮用水中汞离子（Hg2+）的最大浓度标准（2 ppb）。

2.6 铀离子（UO22+）检测

铀是一种具有天然放射性的金属，其最稳定和最常见的离子形式是UO22+，由于具有水溶性，因此很容易迁移到环境中。它常被用作核能燃料，随着全球核工业的增长，铀的使用也在不断增加。然而，铀具有放射性和化学毒性，会对人类的健康造成严重的危害。因此，发展和改进铀离子（UO22+）的检测技术是很有必要的。目前传统的检测方法，包括光谱技术、电化学和离子色谱法等，由于使用的检测设备昂贵及试验条件严格，极大的限制了铀离子的实际检测应用。发光探针检测技术由于具有简单、快速、高选择性、价格便宜等优点，使其成为发展铀离子检测技术的最佳选择。

Chen等[2 0]开发出了一种基于聚集诱导发光增强特性的比率式发光探针，来检测水中痕量的铀离子（UO22+）。研究表明，在水和乙醇（水：乙醇=80：20）的混合溶剂中，当采用370 nm的激发波长激发时，该发光探针在534 nm处显示最大的荧光发射峰。有趣的是，当加入铀离子（UO22+）后，534 nm处发射峰保持不变，而在457 nm处出现了一个新的荧光发射峰，且随着铀离子（UO22+）含量的增加，457 nm处的发射峰逐渐增强。这主要是由于发光探针分子与铀离子（UO22+）之间发生了配位作用形成了聚集体，其能够限制分子内旋转，降低非辐射跃迁，最终导致荧光颜色发生改变。同时，进一步的研究表明了该发光探针对铀离子（UO22+）的检测限高达了0.5 ppb。

2.7 铅离子（Pb2+）检测

2017年世界卫生组织国际癌症研究机构公布铅为2B类致癌物。目前铅及其化合物广泛应用于电缆护套、蓄电池、密封垫圈、沥青稳定剂等材料。在大多数铅盐中，虽只有硝酸盐〔Pb（NO3）2〕和醋酸盐〔Pb（CH3COO）2〕溶于水，但硝酸盐〔Pb（NO3）2〕广泛应用于造纸、印染、烟花制造等，而醋酸盐〔Pb（CH3COO）2〕广泛应用于颜料、纺织、电镀工业等，其工业废水排放到环境中，会对人类的健康产生严重的危害。传统的检测铅离子（Pb2+）技术方法，等离子体发射光谱法和原子吸收光谱法对于样品铅含量的测定需要一些预处理过程，如样品的处理和定期的校准工作曲线，这就导致了检测过程需要消耗大量的时间。而发光探针检测技术的“精、准、快”的特点，可以有效地弥补了传统检测技术的缺点。

Song等[21]合成出了一种新型的发光探针来检测水中的铅离子（Pb2+），其原理是利用发光探针中的羧基与铅离子（Pb2+）具有很好的协同作用，从而在水溶液中对铅离子表现出很好的选择性和敏感响应性，最终使得溶液的发光强度显著的增强。进一步的研究结果表明了该发光探针对铅离子（Pb2+）的检测限高达了1.5×10-7 M。

发光探针检测技术除了能够应用于上述金属离子检测外，已有文献报道可应用检测铁、钙、镁、铬、镉等金属离子，此外还可应用于氯离子、硫酸根离子等阴离子的检测。

3 结 语

绿水青山就是金山银山，在追求经济增长的同时，也要注重环境的保护。为了实现绿色发展，需要加强环境保护及合理利用自然资源的同时，也应注重使用新技术来解决环境问题，从而实现更加高效的绿色发展，创造更加宜居的生活环境。如今现代病的高发，都与现代生活环境的改变有一定的关系。建筑材料中含有的有害物质及生活饮用水的污染，都会对人类的健康产生危害，因此可以发展更加可靠且便捷的检测技术来检测目前与人们生活息息相关的饮用水及建筑材料的质量安全问题，保护人类的健康，从而实现可持续的绿色发展。

参考文献

[1]ARAGAY G， PONS J， MERKOÇI A. Recent trends in Macro-， Micro-， and Nanomaterial-Based tools and strategies for heavy-metal detection[J]. Chemical Reviews，2011， 111（5）： 3433-3458.

[2]JIANJUN D， MINGMING H， JIANGLI F， et al. Fluorescent chemodosimeters using “mild” chemical events for the detection of small anions and cations in biological and environmental media[J]. Chemical Society Reviews， 2012，41（12）： 4511-4535.

[3]HAJEB P， SLOTH J J， SHAKIBAZADEH S， et al. Toxic elements in food： Occurrence， Binding， and Reduction Approaches[J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety， 2014， 13（4）： 457-472.

[4]A L A M P， K AU R G ， K AC H WA L V， e t a l . H i g h ly sensitive explosive sensing by “aggregation induced phosphorescence” active cyclometalated iridium（iii）complexes[J]. Journal of Materials Chemistry C， 2015，3（21）： 5450-5456.

[5]BALAMURUGAN R， LIU J-H， LIU B-T. A review of recent developments in fluorescent sensors for the selective detection of palladium ions[J]. Coordination Chemistry Reviews， 2018， 376（1）： 196-224.

[6]GA L E P A ， C A LTAGI RO N E C . F lu o r e s c e n t a n d colorimetric sensors for anionic species[J]. Coordination Chemistry Reviews， 2018， 354（1）： 2-27.

[7]ALAM P， KACHWAL V， RAHAMAN L I. A multi-stimuli responsive“AIE”active salicylaldehyde-based Schiff base for sensitive detection of fluoride[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2016， 228（2）： 539-550.

[8]ALAM P， HUIFANG S， TANG B Z， et al. A highly sensitive bimodal detection of amine vapours based on aggregation induced emission of 1，2-dihydroquinoxaline derivatives[J]. Chemistry–A European Journal， 2017，23（59）： 14911-14917.

[9]H A RGROV E A E ， N I E T O S ， T I A N Z H I Z ， et a l .Artificial receptors for the recognition of phosphorylated molecules[J]. Chemical Reviews， 2011， 111（11）： 6603-6782.

[10]KUMAR R， SHARMA A， KIM J S， et al. Revisiting fluorescent calixarenes： from molecular sensors to smart materials[J]. Chemical Reviews， 2019， 119（16）： 9657-9721.

[11]ALAM P， CLIMENT C， ALEMANY P， et al. “Aggregationinduced emission”of transition metal compounds： Design，mechanistic insights， and applications[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology C： Photochemistry Reviews， 2019， 41： 100317.

[12]ZHAO Q， LI F， HUANG C. Phosphorescent chemosensors based on heavy-metal complexes[J]. Chemical Society Reviews， 2010， 39（8）： 3007-3030.

[13]SPR ENGER T， SCHWAR ZE T， MÜLL ER H， et al.BODIPY-Equipped Benzo-Crown-Ethers as fluorescent sensors for pH independent detection of sodium and p ot a ssiu m ion s [ J ] . C hem Photo C hem ， 2 0 2 3， 7（2）：e202200270.

[14]SHARMA V， SAHU M， MANNA A K， et al. A quinazolinbased Schiff-base chemosensor for colorimetric detection of Ni2+ and Zn2+ ions and‘turn-on’fluorometric detection of Zn2+ ion[J]. RSC Advances 2022， 12（53）： 34226-34235.

[15]LYU H Y， QIN X J， GONG Y Y， et al. Ionic Rigid Organic Dual-state emission compound with rod-shaped and conjugated structure for sensitive Al3+ detection[J].Frontiers in Chemistry， 2022， 10.

[16]HUNG Y H， BUSH A I， CHERNY R A. Copper in the brain and Alzheimer’s disease[J]. JBIC Journal of Biological Inorganic Chemistry， 2010， 15： 61-76.

[17]TAYLOR A A， TSUJI J S， GARRY M R， et al. Critical review of exposure and effects： implications for setting reg u lator y hea lt h cr iter ia for ingested copper [J ].Environmental Management， 2020， 65： 131-159.

[18]WANG Z， ZHOU F， TANG B Z， et al. Selective and sensitive fluorescent probes for metal ions based on AIE dots in aqueous media[J]. Journal of Materials Chemistry C，2018， 6（42）： 11261-11265.

[19]CHEN Y， ZHANG W， TANG B Z， et al. AIEgens for dark through-bond energy transfer： design， synthesis，theoretical study and application in ratiometric Hg2+sensing[J]. Chemical Science 2017， 8（3）： 2047-2055.

[20]CHEN X， PENG L ， TANG Y， et al. An aggregation induced emission enhancement-based ratiometr ic fluorescent sensor for detecting trace uranyl ion （UO22+）and the application in living cells imaging[J]. Journal of Luminescence， 2017， 186： 301-306.

[21]SONG R， ZHANG Q， CHU Y， et al. Fluorescent cellulose nanocrystals for the detection of lead ions in complete aqueous solution[J]. Cellulose， 2019， 26： 9553-9565.

作者简介

覃晓金，工程师，主要从事工程质量检测技术的应用与研究工作。

罗海强，工程师，主要从事高分子材料及环氧固化剂的合成及其应用研究工作。

（责任编辑：张瑞洋）