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荧光探针在卤素检测中的应用及挑战。本文综述了小分子荧光探针设计策略、传感机制及生物环境检测应用，重点分析近五年进展，指出当前存在交叉反应、光稳定性不足等问题，展望多学科交叉创新前景。
Jingying Xu | Mengqian Zhang | Jiahe Wang | Shusheng Zhang | Xiaobo Wang | Min Gao
临沂大学化学与化学工程学院，中国临沂276000
摘要
含有氟、氯、溴和碘等卤素的化合物在工业、农业和制药领域被广泛使用。虽然这些化合物在许多应用中至关重要，但它们的过度使用或意外释放到生物系统和环境中可能会对生态和健康造成严重危害。因此，高灵敏度和选择性地检测卤素物种至关重要。在新兴的分析工具中，基于小分子的荧光探针因其高空间和时间分辨率、最小侵入性和实时检测能力而受到广泛关注。本综述重点介绍了过去五年中用于检测卤素及其相关物种（包括无机卤化物离子、卤素相关活性氧化剂和有机卤素化合物）的荧光探针的设计和应用方面的最新进展。我们总结了关键的分子设计策略，阐明了其传感机制，并展示了在生物和环境应用中的代表性实例。同时，还将讨论该领域当前面临的挑战和未来的创新机会，旨在为相关研究提供启示。
引言
卤素（包括氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）和碘（I）在自然界中广泛存在，主要以有机和无机化合物的形式存在。它们在生命科学和各种工业应用中发挥着不可或缺的作用。由于其独特的物理化学性质（如高电负性、反应性和形成稳定化学键的能力），卤素成为许多应用中的关键成分。例如，卤化物化合物常用于制药、农用化学品、阻燃剂和消毒剂中，对产品的功效和功能具有重要意义[1]，[2]。碘不仅是合成甲状腺激素的必需元素，还在骨骼组织的显微研究中发挥着重要作用。氟化物对口腔健康和骨骼发育有显著益处，而氯离子（Cl–）及其相关通道在定向细胞伸展和排列等早期拓扑反应中起着关键作用[3]，[4]，[5]，[6]，[7]。此外，标记有卤素的生物分子在生物医学研究中也有广泛应用，包括诊断和成像[8]。
然而，尽管卤素化合物具有多种用途，但其广泛使用及其在环境中的持久性引发了严重担忧。未经控制的家庭污水和现代工业废水的排放将大量含氯污染物带入自然水体[9]，[10]。新兴技术（如氯离子电池）也带来了新的环境挑战[11]。氟化物以氟离子（F–）的形式存在于矿物和地下水中，过高的F–浓度（>1.5 mg/L）可能导致氟斑牙和骨骼氟中毒[12]。虽然生物流体中的溴离子（Br–浓度远低于氯离子，但它们在海水和血清、尿液等体液中普遍存在。长期暴露于Br–与肾脏、肝脏、呼吸系统和神经系统疾病等健康风险相关。此外，许多含卤素的有机污染物（如多氯联苯（PCBs）、全氟化合物（PFCs）和溴化阻燃剂）具有抗降解性，会通过食物链在生物体内积累，并对生物体和生态系统产生毒性影响[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。这些挑战凸显了在复杂的生物和环境系统中精确、灵敏和选择性地检测含卤素化合物的迫切需求。
目前，一些传统的卤素检测方法主要包括液相色谱-质谱（LC-MS）、离子选择性电极法和毛细管电泳-离子交换固相萃取联用技术，但这些方法都有各自的局限性[16]，[19]，[20]。LC-MS具有抗基质干扰和同时多目标检测的能力，但检测范围有限，仅针对已知的有机氟化合物，容易遗漏未知物质，无法全面反映总卤素含量[16]。基于离子选择性电位响应的F–选择性电极法可以实时监测沙林（GB）/梭曼（GD）水解产生的F–，但仅对F–具有特异性，容易受到其他基质离子的干扰，并且需要在检测前校准去污溶液的离子强度[19]。毛细管电泳-离子交换固相萃取联用技术可以通过瞬态等速电泳梯度分离Br–、碘离子（I–和其他离子，结果准确可靠，但操作繁琐且对精密仪器依赖性强[20]。
相比之下，基于小分子的荧光探针具有显著优势，已成为检测卤素及其相关物种的前沿方法。它们的检测限可达到纳摩尔级别，具有高灵敏度。通过目标物质与探针之间的特异性结合，可以触发荧光变化（增强、淬灭或波长偏移），无需复杂的样品预处理或仪器参数优化，从而实现靶向检测且操作简单。它们支持实时可视化和体内检测，并可通过特定设计实现多离子同时检测。这有效克服了传统电极方法单离子检测的局限性以及毛细管电泳操作复杂的缺点。同时，它们避免了LC-MS中遗漏未知物质的缺陷，可以实现原位可视化分析[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。然而，开发出稳健的卤素响应探针仍处于起步阶段，面临与其他离子的交叉反应、光稳定性差和生物利用度低等问题。
本综述旨在系统地介绍用于检测各种卤素及其相关物种（包括F–、Cl–、Br–、I–、次氯酸（HClO）、次溴酸（HBrO）和有机卤素化合物）的荧光探针的最新进展（图1）。重点介绍基于小分子的荧光探针，主要涵盖过去五年的研究成果，未涉及基于量子点或化学发光等其他技术的系统。综述内容涵盖三个主要方面：（1）实现卤素化合物选择性和灵敏度的分子设计策略；（2）包括光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）和卤素键合在内的传感机制；（3）在生物和环境成像应用中的最新进展。通过强调关键挑战和未来研究方向，我们希望为该领域的发展提供启发和指导，推动荧光探针从实验室研究向实际应用的转化。
部分摘录
氟元素
随着工业化的推进，各种污染物排放对生态环境造成的破坏日益严重。氟具有高电负性、小离子半径和高电荷密度，在人类健康、医学、化学和工业生产等多个领域发挥着重要作用[12]，[15]。近年来，随着光伏、新能源汽车等行业的快速发展
氯元素
氯在自然和人工系统中以多种形式存在，其中HClO、Cl–和有机氯是最典型的三种类型。这三种氯物种的协同和独立作用对生物系统和生态环境产生深远影响[14]，[15]，[37]。
在生物系统中，HClO作为一种关键的活性氧（ROS），在髓过氧化物酶（MPO）的催化作用下由H?O?和Cl–生成[92]。适量的HClO
溴元素
作为卤素家族的重要成员，溴在环境介质和生物体内广泛存在。在生物系统中，溴主要以Br–的形式存在，参与物质代谢和生理调节。大量研究表明，溴作为生物体的必需微量元素，在人类和动物的生理活动中起着不可或缺的作用
碘元素
碘在人体和自然界中主要以I–的形式存在，是甲状腺合成甲状腺激素的重要前体。碘缺乏或过量都会对人体健康产生不良影响，包括甲状腺功能减退症和神经系统疾病等[333]，[334]，[335]。碘还广泛用于合成药物和染料等重要分子[336]。此外，碘-129（129I）是一种半衰期长的放射性元素
下一代荧光探针的挑战与前景
由于卤素既作为必需元素又可能成为污染物，精确检测和监测其存在比以往任何时候都更为重要。在这方面，荧光探针作为一种强大的分析工具，能够提供高灵敏度、实时检测和时空分辨率，用于监测复杂系统中的卤素物种。本综述系统总结了荧光探针在卤素检测方面的最新进展
结论
总之，尽管目前的荧光探针技术在反应动力学、干扰物质和细胞毒性等方面仍面临挑战，但通过化学、材料科学和信息技术的交叉创新，预计这些问题将逐步得到解决。未来，这项技术将在更多领域发挥重要作用，为人类健康和可持续发展提供关键技术支持，并具有广阔的发展前景
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22404072、22576090、22274068）、山东省自然科学基金（ZR2023QB159）、山东省重点研发计划（2025CXPT112）、山东省优秀青年基金项目（海外）（编号2024HWYQ-076）以及泰山学者基金（编号tsqn202408268）的支持。
