综述：聚集诱导发光增强的即时检测方法在食品安全与环境监测中的应用

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Aggregation-induced emission-enhanced point-of-care testing method for food safety and environmental monitoring

　　本文系统评述了聚集诱导发光（AIE）增强即时检测（POCT）技术的最新进展。作者深入探讨了AIE-POCT的原理优势（如克服ACQ效应、RIM机制），全面总结了其在微生物、抗生素等环境与食品污染物检测中的应用（如LFIA、微流控芯片等平台），并分析了该技术的商业化潜力与挑战，为开发便携、低成本传感方案提供了新视角。

　　

Abstract

作为紧迫的公共卫生挑战，食品安全和环境监测日益受到关注。即时检测（POCT）是一种经济高效、快速、准确且便捷的定量检测手段。聚集诱导发射（AIE）引发的独特荧光现象为增强POCT在检测食品和环境污染物方面的能力带来了巨大潜力。本文综述了开发AIE增强POCT方法的最新进展和挑战。首先，讨论了AIE驱动的POCT方法的原理和优势。随后，总结了AIE增强POCT方法在环境和食品污染检测中的应用。最后，讨论了与AIE驱动的POCT方法相关的潜在商业化和挑战。本综述刷新了开发便携式、经济高效传感解决方案的视角，并鼓励协同努力以推进传感技术。

Introduction

食品安全和环境监测与公共卫生和经济发展密切相关，因为食品和环境往往涉及类似的污染物。世界卫生组织（WHO）和大多数国家已将食品安全列为关键健康优先事项。鉴于食品污染相关的公共卫生、经济后果和人类苦难，近年来越来越重视加强食品安全检查。环境污染，无论是来自水源还是土壤，都在食品安全中扮演重要角色。水和土壤环境中的污染物通常以微量存在，但可以在生物体中积累。微生物、内分泌干扰化学品、抗生素和抗性基因通过各种途径进入环境，包括工业废水、医院废水和农业活动。目前，缺乏足够有效的技术来消除水中的污染物，导致它们通过污水系统排放到地下水中，随后通过水道被海洋生物、作物和家畜吸收。最终，这些污染物可以到达消费者，威胁人类健康和福祉。有效的环境和食品污染物检测分析方法对于保护人类健康至关重要。色谱法，如气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、薄层色谱（TLC）和质谱（MS），由于其卓越的灵敏度和特异性，仍然是标准检测技术。然而，由于这些方法耗时、需要昂贵的设备并要求专业人员，因此不适用于现场测试。即时决策对于防止污染扩散至关重要。鉴于这些问题，越来越多的人对设计便携、快速且经济的现场污染物检测方法感兴趣。

作为一种新方法，即时检测（POCT）能够使用便携式分析仪器和相关试剂现场分析样品。与传统的实验室测试相比，该方法具有许多优点，例如简化的样品处理步骤、用户友好的设备、减少对高度专业人员的需求、即时分析结果、节省成本和提高诊断效率。用于商业用途的手持微设备的进步，如妊娠测试或便携式血糖仪，为个人健康监测和应对公共卫生危机提供了实用工具。荧光方法以其简单、快速和高灵敏度的优势，已成为增强POCT平台性能的强大平台。许多荧光技术已被开发用于POCT应用，以检测食品和环境污染。然而，传统和许多新兴发光材料在POCT应用中面临固有局限性。一方面，金纳米颗粒（AuNPs）等材料在复杂基质中进行定性和半定量分析时灵敏度较低。另一方面，传统有机染料（例如苝衍生物）和普遍存在的纳米材料如量子点（QDs）和碳点（CDs）在较高浓度或以聚集方式存在时会发生光漂白和聚集导致猝灭（ACQ）。ACQ效应源于强烈的分子间π?π堆积，会降低检测灵敏度。与此形成鲜明对比的是，聚集诱导发射（AIE）效应本质上规避了这种ACQ问题。这在超分子组装体中得到了有力证明，其中AIE活性大环即使在密集堆积状态下也能保持高荧光效率，这一特性对于固相POCT平台中的可靠信号输出至关重要。AIE的工作机制源于限制分子内运动（RIM），包括限制分子内旋转（RIR）和限制分子内振动（RIV）。AIE首先取决于控制非辐射衰变（失活途径）。通过基于RIR模型的非辐射衰变，四苯基乙烯（TPE）、三苯胺（TPA）及其衍生物是开创性的AIE活性材料。在聚集状态下，苯环的分子内运动受到限制，从而增强了辐射衰变。环八噻吩（COTh）是一类新型的非芳香性轮烯基发光分子，具有AIE现象。芳香性反转，称为RIV，是影响COTh系统中观察到的AIE行为的关键因素。总的来说，图1作为一个概念方案，并排对比了ACQ和AIE的机制和分子行为，突出了它们在聚集状态下相反的发射特性。此外，AIE发光原（AIEgens）表现出显著的斯托克斯位移、强大的光稳定性、抗光漂白性和最小的随机闪烁，确保了高传感重现性。这些卓越的特性（例如，与基于重金属的QDs相比，具有聚集增强发射、卓越的稳定性和低毒性）使AIEgens成为POCT应用的有希望的候选者。

最近的综述广泛涵盖了诸如AIE机制、电化学发光传感器和荧光生物传感器等主题，一类特定的AIE材料，以及一种或几种特定污染物。虽然一些综述侧重于食品安全，但只有少数涉及环境监测。鉴于食品安全和环境监测具有共同的风险因素和污染物，了解连接这两个领域的POCT的发展对于科学研究和工业应用都非常有价值。据我们所知，关于AIE驱动的POCT方法用于环境监测和食品安全的综述很少，这引起了人们对AIE（生物）传感日益增长的兴趣。因此，本工作侧重于前沿信息，并试图阐述AIE增强POCT方法在食品和环境污染物的应用。首先，对基于AIE的POCT方法的基本原理和独特优势进行了深入讨论。随后，系统总结了基于AIE的POCT方法在检测食品和环境污染物方面的实际应用。最后，对利用AIE驱动的POCT技术评估环境和食品污染的商业化前景和未来展望提出了进一步的见解。这项工作为开发旨在监测环境和食品安全的便携且经济高效的POCT方法提供了基础。

Section snippets

Principles and advantages of the AIE-enhanced POCT method

POCT方法包括侧流免疫层析（LFIA）、微流控芯片、测试条、传感器阵列和智能手机。AIEgens在环境监测和食品安全方面提供了更好的POCT参数。

Application of POCT in the environment and food

表2总结了基于AIE的POCT在食品和环境污染检测中的应用。

Commercialization of AIE-powered POCT

AIE驱动的POCT解决方案在环境监测和食品安全方面具有显著的商业潜力。一方面，AIE驱动的POCT可以增强检测能力。AIE材料表现出独特的光学特性，能够高度灵敏和准确地识别环境和食品样品中的污染物、病原体和其他风险因素，确保及时干预和预防潜在危害。其次，AIE驱动的POCT方法具有便携性和便利性。

Conclusions and outlook

AIEgens为环境和食品安全开辟了道路。为了解决AIE驱动的POCT在环境和食品安全中的应用，本综述概述了不同的POCT方法（例如，LFIA、微流控芯片、测试条、传感器阵列和智能手机）以及AIE在这些方法中的作用。总结了利用AIEgens结合POCT设备的各种环境和食品污染。AIE驱动的POCT在超高灵敏度、快速响应方面显示出显著优势。

CRediT authorship contribution statement

Li Yu: 调查。 Peiwu Li: 监督，资源。 Wenqin Wu: 写作-审阅和编辑。 Kaiming Wu: 可视化。 Zhaowei Zhang: 写作-审阅和编辑，概念化。 Liyuan Wang: 写作-初稿，调查，概念化。 Xiaofeng Hu: 资金获取，形式分析。 Shenling Wang: 软件，方法论。

Declaration of Competing Interest

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

Acknowledgments

这项工作得到了国家重点研发计划（2023YFD1400902, 2023YFD1400905）、国家自然科学基金（32202172）和湖北省国际科技合作项目（2022EHB041）的支持。