荧光材料在重金属检测方面的应用和前景

荧光材料在重金属检测方面的应用和前景

魏光楠

安徽理工大学，安徽 淮南 232000

摘要：重金属离子的排放对环境和人体建康有着很大的威胁，因而建立一种重金属离子的检测方法就显得尤为重要。荧光材料以其灵敏度高，检测效率高，选择性好等优点从而成为重金属离子检测的优先选择之一。本文综述了荧光材料在重金属离子检测方面的应用现状和前景，为环境安全领域提供参考。

关键词：荧光材料；重金属离子检测；检测；量子点；荧光探针

引言

随着社会工业化的不断进步和发展，环境污染的问题也愈发的严峻，其中重金属离子成为几种主要的污染源之一，而因为重金属离子的不可生物降解性及剧毒性，使得重金属污染成为世界级的健康安全问题之一。

与单一的金属物质相比，多种重金属物质对生物体的伤害更加严重。在生物体中，重金属离子会改变细胞中的细胞膜，线粒体，内质网，溶酶体甚至细胞核等细胞重要组成部分，不仅如此，一些重金属离子还会和生物体内的生物酶发生反应，进而会引发生物体的癌症等严重后果。

目前所发展的重金属离子检测技术包括但不限于原子吸收光谱，原子发射光谱，比色法，表面等离子体共振等，这些检测技术虽然具有较高的特异性和灵敏度，但是这些技术花费高，时限长以及检测过程繁琐和需要高标准等，使得人们迫切需要一个相对简单且省时省力的检测技术，而荧光检测技术因其简单的操作，相对低廉的价格成本和短时限就成为了一个很不错的选择。

一、荧光材料概述

荧光材料是一种能够在特定激发条件下发出可见光的功能性材料，它们在吸收光能后，再以较长波长的光形式重新发射出来，其基本原理就是电子的能级跃迁，当荧光材料吸收光的能量后，其内部的电子会从基态跃迁至发射态，而在激发态时，电子是不稳定的，其很容易会通过非辐射跃迁重新返回基态，该过程就会释放出能量，并以光的形式所表现出来。因此,荧光材料的发光特性是由其材料本身的分子结构和电子结构以及外部的环境所决定的。

荧光材料可以根据其化学结构组成分成以下几种：第一种是有机荧光材料，其主要包括一些小分子化合物，聚合物等，它们一般是具有很强的荧光效率以及比较好的生物相容性。一般应用于生物检测领域。第二种则是无机荧光材料，其主要是一些金属的配合物，它们一般是具有很好的化学稳定性和热稳定性。其中含有稀土元素的化合物最为突出，它们会发出一些特定颜色的光，而且其发光效率也是优于普通的金属配合物。还有就是纳米荧光材料，主要的代表有量子点，纳米金属颗粒等，它们具有普通荧光化合物所不具备的发光特性，如量子点，其发光特性依赖于它的尺寸。

荧光材料在很多领域都有着很不错的应用，在生物医学领域，其主要是被用于细胞分子的成像以及检测，有助于我们在对生物体尽可能产生最小的伤害下更方便的了解生物体内的细胞和病理活动。大部分有机荧光材料则是被作为发光二极管的发光光源。

而基于荧光检测技术的一些光学机制包括荧光猝灭，能量转移，电荷转移和斯托克位移等，其提供了关于荧光的传感机制的灵敏度和选择性等。荧光检测技术已经应用于很多领域，通过使用不同的探针，如荧光蛋白，有机染料和量子点等。荧光探针是吸收光并且发射不同波长的光。荧光染料具有激发光谱窄，衰减快，量子产率低等特点，量子点克服了这些问题，因此在荧光检测中具有潜在的应用前景。

二、荧光材料在重金属检测方面的应用

荧光材料在金属离子检测方面的应用正逐渐成为环境安全和生物识别领域的前沿阵地。在上个世纪80年代，就有国外学者将荧光团和金属螯合剂结合到一起使其产生金属依赖性的荧光反应，基于这个原理设计出了一种可以用于细胞内部钙离子识别的荧光金属探针。而后在这个原理的基础上，后续也有很多学者开发出了一系列对各种金属离子可以选择性识别的金属荧光探针。比如在上个世纪末，Virginie Dujols等人在罗丹明的基础上设计出了一种罗丹明B衍生物，并将其首次用于铜离子的识别。该探针的基本构成是罗丹明B和水合肼之间的席夫碱反应，两者结合后的内酰胺鳌环是处于封闭的状态的，这时其芳香结构是形成了一个垂直的平面结构，导致其自身无法形成一个大共轭体系，因而该探针本身不会发光，但是在引入铜离子后，该荧光探针结构中的羰基氧和氨基氧会和铜离子发生配位形成探针-金属离子的复合体，在水分子中，该复合体还会发生水解，最终形成罗丹明B荧光体，从而体系会发出强烈的荧光，溶液也会由无色变为粉红色。该探针仅对铜离子表现出很高的选择性，而对其他的离子没有效果。

而后Yu Xiang课题组则是构建了一种以罗丹明B内酰胺鳌环为基础的新型荧光探针，该探针在乙醇和Tris-HCI缓冲溶液对铁离子表现出了高选择性及高灵敏度。其在接触铁离子后所表现出的波长均在500~650nm的范围内，颜色和亮度肉眼可见，但其缺点是在纯水中该荧光探针对于铁离子的结合能力没有想象中的那么好，需要加入大量的无水乙醇才能够进行正常的检测，因此该缺陷也限制了它在生物体内的检测，不过其对于铁离子的高灵敏性和高选择性还是有值得借鉴的地方。

而对于环境污染中最重要的汞离子的检测，Wen-juan Qu课题组设计出了一种以5-（4-硝基苯）-2-呋喃和氨基脲为基底的荧光探针，其在二甲基亚砜/HEPE缓冲液中，会发生超分子自组装的行为，体系会发出肉眼可见的红色荧光发射，当加入汞离子后，体系的荧光强度会发生很明显的猝灭，导致这一后果的原因是该荧光探针和汞离子发生了结合，从而导致超分子自组装的断裂和协作反应发生，以至于分子内的电荷密度明显的减少，最后是体系的荧光发生猝灭，而在后续加入碘离子后，该荧光探针的荧光强度又恢复到了之前，该结果也表示该荧光探针对汞离子的检测是可逆的。

而后不断有学者设计改进这些荧光探针。不仅仅有对铜离子和铁离子的荧光探针，后续也陆续设计出对锌离子，铝离子等有高选择性和高灵敏度的荧光探针。

三、发展前景

对生物体内和环境中的离子检测已经成为化学传感器领域不可忽略的一个分支，而由于荧光检测技术的快速性，灵敏性以及无损性的特点，采用合适的荧光探针去进行金属离子的检测已经是大多情况时的第一选择，并且基于现在的各种荧光化学传感器已经取得了很大的突破，在荧光探针的开发，合成以及应用方面已经积累了大量的理论和实践经验。现如今的用来检测金属离子的荧光探针主要是有机小分子探针和纳米荧光探针，对于不同的金属离子，选择一般也是不一样的，如量子点，香豆素衍生物，苯衍生物等，到目前为止，主要是提高对金属离子的灵敏度以及扩大对金属离子的检测范围，然而，荧光探针在实际的应用中依然存在着不少的挑战以及局限性，如环境中的PH，温度的变换以及荧光探针在环境中会与环境中的某些物质发生反应从而影响检测的准确度，因此，对荧光探针的设计要求也变得越来越高，虽然目前荧光探针在检测金属离子领域还有着一些挑战和困难，但是该项技术在检测领域也是不可舍弃的一部分，并且在未来可以对环境和生物领域做出巨大贡献。

参考文献：

[1]唐旭.基于荧光响应的金属离子传感器的构建及应用研究[D].江苏大学[2024-07-01].DOI:CNKI:CDMD:1.1018.837309.

[2] De Acha N ,Elosúa, César,Corres, Jesús,et al.Fluorescent Sensors for the Detection of Heavy Metal Ions in Aqueous Media[J].Sensors, 2019, 19(3).DOI:10.3390/s19030599.

[3] Biranje A , Azmi N , Tiwari A ,et al.Quantum Dots Based Fluorescent Probe for the Selective Detection of Heavy Metal Ions[J].Journal of Fluorescence, 2021(530).DOI:10.1007/s10895-021-02755-8.

[4]Malik, Lateef AhmadBashir, ArshidQureashi, AaliyaPandith, Altaf Hussain.Detection and removal of heavy metal ions: a review[J].Environmental chemistry letters, 2019, 17(4).

[5]Luanjing L ,Jiahe W ,Shihan X , et al. Recent Progress in Fluorescent Probes For Metal Ion Detection [J]. Frontiers in Chemistry, 2022, 10 875241-875241.