综述：基于腙结构的化学传感器在检测环境相关及生物相关阴离子和中性物质中的应用：综述

水合物基化学传感器因其高灵敏度和选择性，广泛应用于阴离子及中性分子检测，通过氢键、配位、质子转移等机制实现快速响应，并探讨其在环境与生物监测中的实际应用及研究缺口。

　　

Afroz Gul|Yahya Nural

土耳其梅尔辛大学药学院分析化学系，TR-33169 梅尔辛

摘要

阴离子和中性分子是具有生物学重要性的化学物质，在工业、农业和制药领域有着广泛的应用。当某些阴离子和中性物质的暴露量超过允许限度时，会导致环境污染并对生物体产生不利影响。为了实现这些物质的实用、准确、灵敏的检测（在可能的情况下还包括原位检测），需要使用易于设计且操作简便的分析工具，如化学传感器。杂原子化学传感器因其能够通过不同的键合模式与阴离子和中性化合物高效相互作用而得到广泛应用。本文综述了基于腙的化学传感器在阴离子和中性分子检测与鉴定中的应用，特别强调了不同相互作用机制、不同有机基团对增强腙传感器性能的作用以及这些传感器的实际应用，并指出了研究中的空白之处及未来发展方向，为改进基于腙的化合物的设计和应用以有效识别这些物质提供了基础。

引言

阴离子和中性分子在环境和生物学上都非常重要[1]、[2]、[3]，其中许多对维持生态系统至关重要[4]、[5]。此外，阴离子在工业和农业领域也有多种应用[6]、[7]。然而，它们的失衡会导致各种生态和健康问题[8]、[9]、[10]。长期接触这些物质会扰乱食物链、污染环境并引发多种健康问题[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。例如，氟离子（F^-）由于其高电荷密度、小离子尺寸、高电负性和作为强路易斯碱的特性而具有广泛的应用[17]、[18]、[19]，被用于牙膏和漱口水的生产[20]、[21]、[22]，同时也应用于计算机芯片、电视屏幕和电子产品的制造[23]、[24]、[25]、[26]。根据世界卫生组织的指南，饮用水中氟离子含量超过1.5 mg/L可能导致甲状腺问题和骨骼氟中毒[2]、[27]、[28]、[29]、[30]。过量的F^-离子还会对植物生长产生负面影响，并对动物造成不良影响[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。同样，许多制造和加工行业会释放大量氨（NH₃），这可能导致呼吸系统、消化系统和排泄系统的问题[36]。因此，需要开发能够精确快速识别这些化学物质的工具。为此目的可以使用多种仪器技术，如离子交换色谱法、原子吸收光谱法和电感耦合等离子体质谱法[8]、[37]、[38]。这些技术具有高准确性、选择性和灵敏度[39]、[40]，但成本较高，维护费用也较高，且需要特定领域的专业知识来操作，样品制备过程繁琐，无法用于阴离子和中性化合物的原位检测[41]、[42]。

上述所有原因表明，有必要开发能够克服基于仪器检测方法的缺点的装置。实际上，研究界正在探索化学传感器等替代方案来弥补仪器检测的不足[43]。化学传感器是一种可以与目标物质相互作用并产生可读输出的化学物质[44]。它们反应迅速、易于合成、成本低廉、环保、灵敏度高且选择性强[45]、[46]。已有大量文献专门研究各类化学传感器，这些传感器可根据检测方法分为荧光化学传感器、比色化学传感器和电化学化学传感器[47]。许多有机化合物因其化学传感性能而被研究，其中含有不同有机基团的杂原子化合物因其与分析物的高效相互作用而受到重点关注[48]。这些基团包括香豆素、咪唑、噻唑、三唑、吡啶、吡咯、噻吩、硫脲和腙[2]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。

基于腙的化学传感器因其易于合成、耐水解性强、灵敏度高和选择性高而受到关注[55]、[56]、[57]。它们的应用多样性源于其含有亲核性亚胺和氨基氮原子、亲核性和亲电性亚胺碳原子、允许构型异构化的C=N双键以及主要为酸性的N-H质子[58]。它们的易合成性和多种相互作用模式使其成为化学传感器研究的热门候选对象。

因此，有必要全面回顾当前关于基于腙的化学传感器应用的文献，以了解研究现状并推动相关领域的进步。尽管有一些综述文章介绍了基于腙的化合物的化学传感应用，但这些文章要么仅讨论某一特定类型的传感器，要么仅关注离子的检测[59]、[60]。例如，Pereira和Kümmerle发表了一篇关于基于腙的化学传感器用于检测阴离子和金属离子的章节，但未涵盖中性物质的检测相关研究[61]；此外，该章节也未对实际应用中的局限性进行批判性评估。最近，Hamzi等人发表了两篇关于N-酰腙基传感探针的综述文章，一篇专门讨论了N-酰腙基化合物对阴离子的检测应用，另一篇则关注金属离子的检测[59]、[60]。

相比之下，本文提供了关于基于腙的化学传感器在环境和生物学相关阴离子及中性分子检测方面的最新、全面和批判性的综述，深入探讨了作用机制、结构-性质关系、实际应用情况以及这些传感器的实际局限性。据我们所知，本文的独特之处在于它是唯一一篇全面讨论基于腙的化合物在阴离子和中性分子检测应用的最新综述文章。

腙的化学性质

腙单元在有机合成、药物化学、超分子化学、金属有机框架、共价有机框架、动态组合化学、染料和空穴传输材料等领域有多种应用[58]。它们还被用作合成杂环化合物（如吡唑、吡嗪、吲唑、四唑、噁二唑和噻二唑）的中间体[62]。腙的合成主要有三种方法，即偶联反应

腙的传感机制

如前所述，基于腙的化合物具有多种性质，使其适用于多种相互作用方式，包括氢键（HB）作用、脱质子化、亲核加成、分子内电荷转移（ICT）、光诱导电荷转移（PET）和亚胺键断裂。

用于阴离子检测的基于腙的化学传感器

腙及其衍生物已被用作多种阴离子（包括F^-、氰化物（CN^-）、硫化物（S^2-）和氧阴离子）的化学传感平台。以下部分介绍了相关研究的主要趋势和传感机制。

用于中性分子检测的基于腙的化学传感器

文献显示，基于腙的化合物作为许多重要中性分子（如生物分子、硝基芳烃和污染物）的传感探针受到了关注。以下部分将概述这方面的研究进展。

实际应用：性能评估与局限性

分析基于腙的化合物的化学传感性能的目的是将其应用于实际样品中生物和环境相关分析物的检测与鉴定。为此，化学传感器应具备快速响应、灵敏度高、选择性好、成本效益高且环保的特点，并能够集成到现代技术中以开发实时传感设备。快速响应对于实现现场监测尤为重要

总结、研究空白与未来展望

总体而言，基于腙的化学传感器是高度灵敏和选择性的传感器，可用于检测多种阴离子和中性分子。已有大量文献致力于这类传感器的研究，但某些分析物的应用研究仍较为有限。因此，需要进一步探索那些研究不足的分析物。

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  通常，关于这类传感器的文献较为丰富

结论

从生物学、工业和环境角度来看，阴离子和中性分子都非常重要。因此，研究人员正致力于开发更快、更便宜且更易于使用的检测工具。基于腙的化学传感器正是这类工具之一，它们能够通过多种机制（如亚胺键断裂、氢键作用和亲核加成）快速检测分析物。

CRediT作者贡献声明

Afroz Gul：撰写——综述与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件使用、资源准备、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化。yahya Nural：撰写——综述与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、实验指导、软件使用、资源准备、方法论设计、实验研究、数据分析、概念化

未引用的参考文献

[286]、[287]。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。