荧光探针技术用于化工水体污染物检测初探

引言

荧光探针技术因其独特的优势在环境监测领域受到广泛关注。与传统检测方法相比，荧光探针技术具有检测限低、响应速度快、选择性好、可实现实时原位监测等优点。近年来，随着纳米材料和分子识别技术的进步，荧光探针技术在化工水体污染物检测中的应用取得了显著进展。本文系统综述了荧光探针技术在化工水体污染物检测中的研究现状，讨论了不同类型荧光探针的设计原理及其在重金属离子、有机污染物和生物毒素检测中的具体应用。

1、荧光探针技术概述

荧光探针技术是利用荧光分子与目标物特异性结合后引起荧光信号变化的原理进行检测的一种分析方法，其核心是荧光探针分子，通常由识别基团、荧光报告基团和连接部分组成。当探针与目标污染物结合时，会引起荧光强度、波长或寿命等参数的变化，从而实现对污染物的定性和定量检测。根据作用机理的不同，荧光探针可分为以下几类：基于光诱导电子转移（PET）的探针、基于分子内电荷转移（ICT）的探针、基于荧光共振能量转移（FRET）的探针以及基于激发态分子内质子转移（ESIPT）的探针等。这些探针各具特点，可根据不同检测需求进行选择和设计。与传统检测方法相比，荧光探针技术具有明显优势，其检测灵敏度高，可达纳摩尔甚至皮摩尔级别；选择性好，通过合理的分子设计可以实现对特定污染物的专一识别；响应速度快，可实现实时监测；此外，该方法设备相对简单，便于现场检测和自动化操作，这些特点使荧光探针技术在水体污染物检测领域具有独特优势和应用潜力[1]。

2、化工水体主要污染物及其危害

化工水体污染物种类繁多，按其性质可分为三大类：重金属离子、有机污染物和生物毒素。重金属离子如汞（Hg²⁺ ）、铅 (Pb²⁺) ）、镉（Cd²⁺ ）、铬 ）等，主要来源于电镀、采矿、电池制造等工业废水。这些重金属离子具有累积性和不可降解性，即使微量也可通过食物链富集，导致神经系统损伤、器官功能障碍甚至癌症。有机污染物包括多环芳烃（PAHs）、酚类化合物、农药、染料等，主要来自石油化工、制药、农药生产等行业。这类污染物大多具有毒性、致癌性和内分泌干扰作用，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。例如，苯并[a]芘是一种强致癌物，而双酚 A 则可能干扰内分泌系统。生物毒素如微囊藻毒素（MCs）、石房蛤毒素（STX）等，主要由藻类等水生生物产生，在富营养化水体中含量较高。这些毒素可导致肝脏损伤、神经毒性等健康问题。化工废水的排放往往是水体富营养化的重要原因，间接促进了有害藻类的繁殖和毒素的产生。及时准确地检测这些污染物对于水质评估、污染源追踪和风险管理至关重要，然而，传统检测方法往往难以满足复杂水体基质中多种污染物的同时检测需求，这为荧光探针技术的应用提供了广阔空间[2]。

3、荧光探针技术用于化工水体污染物检

3.1、在重金属离子检测中的应用

重金属离子污染是化工水体中最严重的环境问题之一，汞 (Hg²⁺) 、铅 (Pb²+β) ）、镉（Cd²⁺ ）、砷（As³⁺ /As⁵⁺) 等重金属离子即使在极低浓度下也具有很强的毒性，且能在生物体内积累，对生态系统和人类健康造成长期危害。荧光探针技术为重金属离子的高灵敏检测提供了有效解决方案。针对汞离子的检测，研究人员开发了多种基于硫汞亲和作用的荧光探针，例如，含硫醇基团的罗丹明类荧光探针可与 Hg² ⁺ 特异性结合，导致螺环开环而产生显著的荧光增强效应，检测限可达nM 级别。对于铅离子检测，通常利用 Pb²⁺ 与含氮、氧配体的强配位能力设计探针。最近报道的一种基于8-羟基喹啉的荧光探针，可通过光诱导电子转移（PET）机制实现对 Pb²⁺ 的高选择性检测。镉离子检测面临的主要挑战是与锌离子的区分，因为两者具有相似的化学性质，为解决这一问题，研究者设计了空间位阻较大的荧光探针，如基于苯并咪唑的衍生物，其与Cd²⁺ 的配位常数远高于 Zn²⁺ ，实现了对Cd²⁺ 的高选择性检测，砷离子的检测则多利用其氧化还原特性，如基于砷酸盐与硫醇化合物的特异性反应设计的荧光探针[3]。

3.2、在有机污染物检测中的应用

化工水体中的有机污染物种类繁多，包括多环芳烃（PAHs）、酚类化合物、农药、抗生素等，这些物质大多具有毒性、持久性和生物累积性，对生态环境和人类健康构成严重威胁。荧光探针技术为有机污染物的快速筛查和定量分析提供了有力工具。多环芳烃是一类典型的持久性有机污染物，具有强致癌性，基于主客体相互作用的荧光探针被广泛用于 PAHs 检测，例如，环糊精修饰的荧光分子可与PAHs 形成包结复合物，导致荧光信号变化。最新研究报道了一种葫芦脲基荧光探针，其大环空腔可同时包结一个荧光团和一个 PAH 分子，通过激发态相互作用实现信号放大，显著提高了检测灵敏度。酚类化合物的检测多利用其与探针的化学反应，一种典型的策略是设计含有识别基团（如硼酸）的荧光探针，酚羟基可与硼酸形成酯键导致荧光变化。最近开发的基于聚集诱导发光（AIE）效应的荧光探针，通过酚类化合物诱导探针分子聚集状态改变，实现了对双酚A 的高灵敏检测[4]。

3.3、在生物毒素检测应用

化工废水中的生物毒素，如微囊藻毒素、石房蛤毒素等，对水生生态系统和饮用水安全构成严重威胁。这些毒素通常毒性极强，且在低浓度下即可产生危害，因此需要高灵敏度的检测方法。荧光探针技术为生物毒素的快速检测提供了有效手段。微囊藻毒素-LR（MC-LR）是最常见且毒性最强的蓝藻毒素之一，针对MC-LR 的检测，研究人员开发了基于分子印迹的荧光探针。例如，在量子点表面构建MC-LR 特异性的分子印迹聚合物层，当MC-LR 与印迹位点结合时，导致量子点荧光猝灭，检测限可达pg/mL 级别，另一种策略是利用MC-LR 对蛋白磷酸酶的抑制作用，设计酶活性调控的荧光探针。基于适体识别的荧光探针在STX 检测中表现出色，将 STX特异性适体与荧光团和猝灭团标记的互补 DNA 链杂交，当STX 存在时与适体结合，释放互补链导致荧光恢复。这种"信号开启"型探针具有高选择性和灵敏度。此外，基于细胞传感器的荧光检测方法也被用于STX 检测，通过测量毒素对细胞膜电位影响的荧光信号变化实现检测[5]。

结束语

荧光探针技术作为一种新兴的检测手段，在化工水体污染物检测中展现出独特优势和广阔前景。本文系统综述了该技术的原理、探针类型及其在重金属离子、 有机污染物和 物毒素检测中的应用研究。结果表明，荧光探针技术具有高灵敏度、良好选择性和实时监测能力，能够满足复杂水体环境中污染物的检测需求。未来研究应重点关注探针性能的提升和实际应用的推广，加强产学研合作，推动该技术从实验室走向现场监测。

参考文献：

[1]白银娟,新型吡喃并二喹啉荧光探针的合成及其蛋白标记技术研究.陕西省,西北大学,2013-12-01.

[2]武祥龙.新型单克隆抗体荧光探针和 pH 值荧光探针的合成及免疫荧光

[3]王继东.近红外菁染料荧光探针的合成与性能研究[D].燕山大学,2006.

[4] 陈启凡, 葛颖新, 徐淑坤. 生物荧光探针的纳米晶体量子点合成技术进展[J]. 辽东学院学报,2005,(04):28-31+4.

[5]段二红.罗丹明 B 类衍生物的合成及表征[D].天津大学,2006.