综述：用于检测铁离子的有机小分子荧光探针的最新进展

《Contraception》：Recent advances in organic small-molecule fluorescent probes for the detection of iron ions

铁离子检测有机荧光探针综述及设计框架（摘要） 本文系统综述并比较了2015年以来发表的128种有机荧光探针对Fe3+、Fe2+及总铁的检测机制、设计策略与应用进展，探讨理论模型在探针开发中的指导作用，并展望未来挑战与方向。

　　

Ning Duan|Jianxiong Hao|Dandan Zhao|Hongyu Tian|Shaoxiang Yang

河北科技大学食品科学与生物学院，石家庄 050000，中国

摘要

准确检测铁离子对于维持生态平衡、确保食品安全以及推进病理学研究至关重要。因此，迫切需要快速、简单、高选择性和低成本的检测方法。有机小分子荧光探针作为一种强大的替代技术应运而生，因为它们具有高灵敏度、优异的选择性、快速的响应时间以及进行时空成像的能力。本文系统地分析和比较了自2015年以来报道的128种用于检测Fe³⁺、Fe²⁺和总铁（Fe^3+/2+）的有机荧光探针。分析重点包括配位机制、设计策略和实际应用，涵盖了组成、结构设计、发光机制、理论计算和应用进展。此外，本文还提出了一个基于理论模型的实用设计框架，以指导新型铁探针的合理开发。最后，讨论了未来工作的前景和挑战，以加速这一有前景的分析工具类别的发展。

引言

铁是一种具有氧化还原活性的过渡金属，主要以两种氧化态存在：三价铁离子（Fe³⁺）和二价铁离子（Fe²⁺）[1]。准确检测铁在环境[2]、食品[3]和生物系统[4]中都十分必要，因为铁在电子转移、酶催化和细胞代谢中起着关键作用[5]。在饮用水中，过高的铁浓度会导致黄褐色变色、不理想的金属味以及管道腐蚀加速[6]。同样，微量的铁也会显著影响葡萄酒的稳定性和品质；铁浓度升高会引发氧化褐变[7]、蛋白质-多酚浑浊[8]和“金属”异味[9]，因此需要密切监测。因此，监管机构对允许的铁含量制定了严格限制，以保护公众健康和基础设施。例如，中国卫生部规定饮用水中的铁含量最高为0.3 mg/L，红葡萄酒中的铁含量最高为8 mg/L[10]。在婴儿配方奶粉、强化面粉和膳食补充剂等食品中，铁的含量必须保持在一定范围内[11]。铁摄入不足会增加缺铁性贫血的风险[12]，[13]，而铁过量则可能导致氧化变质并引起胃肠道副作用[14]。Zhou等人[15]进一步强调了铁生物利用度的重要性，他们开发了携带超小铁纳米颗粒的燕麦蛋白纳米纤维（OatNF），以提高食品和饮料中的铁生物利用度和感官性能，相关研究发表在《自然食品》（Nature Food）杂志上。在生物系统中，铁对于血红蛋白和关键酶是不可或缺的；然而，过量的不稳定铁会催化氧化应激，从而导致铁死亡（ferroptosis），进而引发炎症、神经退行性和癌症[16]。世界卫生组织建议成年男性每日铁摄入量为5-9 mg，成年女性为14-28 mg[17]。这些监管标准和实际应用凸显了在环境、食品和细胞系统中快速、选择性和可靠地监测铁含量的迫切需求[18]。

已经开发了多种检测方法，包括原子吸收光谱法（AAS）[19]、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[20]、傅里叶变换红外光谱法（FT-IR）[21]和高性能液相色谱法（HPLC）[22]。尽管这些方法具有高准确性，但它们通常受到高成本、复杂的样品预处理以及无法进行原位或实时监测的限制[10]。近年来，有机荧光探针作为一种多功能替代方案出现，具有高灵敏度、快速响应时间和实时监测能力[23]、[24]、[25]、[26]。如表1所总结的，这些探针可以将高灵敏度的实验室定量分析与用户友好的形式（如试纸条、纸质传感器和智能手机读取）相结合，同时还能在细胞和小动物中进行铁成像。它们简单的预处理、快速的响应和直观的信号输出使得荧光探针成为一种特别有前景的检测策略，能够从实验室应用扩展到实际应用，甚至可以由非专业人员操作。尽管已有大量综述详细介绍了铁离子探针的进展[27]、[28]、[29]、[30]，但仍缺乏专门比较Fe³⁺和Fe²⁺检测差异的分析。此外，现有文献往往忽略了Fe³⁺和Fe²⁺的同时检测[31]。关于利用理论计算检测铁离子的荧光探针的应用，也缺乏系统的讨论[32]。这一差距值得注意，因为理论计算——特别是量子化学方法——正越来越多地被用于阐明结合相互作用并指导荧光探针的合理设计[33]。

铁离子荧光探针的一般设计原则

通常，使用有机荧光探针在食品基质和细胞生物成像中监测铁的过程包括四个主要阶段：分子设计、化学合成、分析表征和具体实际应用。一种实用的铁荧光探针设计框架[39]基于结构组分、传感机制和理论计算的综合考虑。从结构上讲，“荧光团—识别位点—连接剂”的设计

根据发光机制对铁离子荧光探针的分类

发光机制是探针设计的核心原则，因为它直接决定了荧光信号对目标结合的反应方式，包括强度增强、波长变化和比率响应。通过指定信号转导模式，发光机制对探针的灵敏度、选择性和在不同分析环境中的实用性具有决定性影响。对这些机制的清晰理解可以提供更深入的见解

根据结构组成对铁离子荧光探针的分类

基于这一机制基础，探针的结构组成必须进行调整，以确保其结构支持预期的信号路径。荧光探针通常由三个功能组分组成：识别单元、荧光团和连接剂（图19）。荧光团与识别基团之间的具体相互作用决定了检测机制。本文首先概述了Fe³⁺/Fe²⁺探针的主要结构元素。随后，它

铁离子荧光探针的理论计算进展

理论计算在理解和设计Fe³⁺/Fe²⁺荧光探针方面起着关键作用，它们在结构架构和光物理机制之间起到了桥梁作用。通过将定性设计原则转化为定量预测，这些计算工具减少了试错合成的需求。

密度泛函理论（DFT）和时间依赖密度泛函理论（TDDFT）有助于分析分子几何结构、电子构型和光谱响应，同时结合能和热力学

在食品、环境和细胞成像中的应用进展

前面的章节概述了铁离子探针的机制分析、结构设计和理论计算，最终目标是实现其实际应用。目前，用于铁检测的有机荧光探针主要有三种形式：（1）溶液相分析：设计用于比色或荧光测定的探针，用于检测饮料、葡萄酒和血清等样品中的Fe²⁺、Fe³⁺或Fe^3+/2+。（2）固态和基于流动的传感：固定的探针

结论与未来展望

本文系统地研究了用于铁离子检测的有机荧光探针的组成、发光机制、理论计算和实际应用。现代铁探针已经从简单的单通道“开启”或“关闭”读数发展到复杂的比率测量和FRET平台。这些系统利用了PET、ICT和ESIPT等机制，以及螺内酯环开环等结构变换

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家重点研发计划（2024YFD2402202）的支持。