一、研究背景
过氧化氢是活性氧（ROS）的重要成分，是细胞内重要的信号分子，参与细胞增殖、迁移和分化等多种生理过程。但H2O2水平异常与肝损伤、阿尔茨海默病、帕金森病和癌症等多种疾病相关。传统检测方法（如电化学法、分光光度法）样品制备复杂，难以实时反映H2O2动态变化。荧光成像技术因其无损、原位和实时可视化等优势，成为监测H2O2的有力工具。近年来，基于小分子荧光探针的H2O2检测取得显著进展，尤其是近红外（NIR）和比率型探针在生物成像中的应用，但仍存在选择性、反应速率和生物相容性等挑战。本文系统综述近年生物体系中H2O2响应小分子荧光探针的设计策略、检测机制(图1)及生物应用。并分析不同识别机制（如硼酸 / 硼酸酯氧化、苯甲酰基氧化等）的特点与应用场景。探讨当前探针面临的挑战及未来发展方向，为新型高性能探针设计提供参考。
Fig. 3. (A) Confocal fluorescence images and photoacoustic spectra of HeLa cells incubated with TPP-HCy-BOH or HCy-BOH in the absence and presence of LPS. (B)
图3为探针TPP-Hcy-BOH的测试结果：含三苯基膦线粒体靶向基团，近红外荧光 / 光声双模成像，检测限 0.348 μM，用于炎症模型小鼠肝脏H2O2监测。结果显示，该探针有望成为炎症H2O2成像的新型双峰仪器。
3. 苯甲酰基氧化反应
a)作用原理：苯甲酰基经 Baeyer-Villiger 型反应被H2O2氧化，释放荧光团。图4为基于该反应机理的荧光分子。
Fig. 1. The recognition strategies of small-molecule fluorescent probes for detecting H2O2.
二、重要内容
（一）过氧化氢检测的分子识别机制
1. 硼酸 / 硼酸酯氧化反应
a)作用原理：硼酸或硼酸酯基团被H2O2氧化水解为羟基，解除对荧光团的淬灭作用，实现荧光 “开启”。
b)应用优势：AIE 特性减少聚集淬灭，靶向基团可实现亚细胞定位（如线粒体、脂质滴）。
2. 硼酸酯氧化反应
a)作用原理：与硼酸类似，硼酸酯被H2O2氧化水解为酚类，恢复荧光团活性。
b)技术特点：近红外发射（如 730 nm）减少组织光散射，适合深层组织成像。
Fig. 3. (A) Confocal fluorescence images and photoacoustic spectra of HeLa cells incubated with TPP-HCy-BOH or HCy-BOH in the absence and presence of LPS. (B)
图3为探针TPP-Hcy-BOH的测试结果：含三苯基膦线粒体靶向基团，近红外荧光 / 光声双模成像，检测限 0.348 μM，用于炎症模型小鼠肝脏H2O2监测。结果显示，该探针有望成为炎症H2O2成像的新型双峰仪器。
3. 苯甲酰基氧化反应
a)作用原理：苯甲酰基经 Baeyer-Villiger 型反应被H2O2氧化，释放荧光团。图4为基于该反应机理的荧光分子。
Fig. 4. The recognition mechanism and structures of H2O2-responsive fluorescent probes based on borate ester moiety.b)应用场景：生物素受体介导的肿瘤靶向，提高探针在肿瘤组织的富集效率。
Fig. 5. (A) Optical properties of QX-B, including its absorption and fluorescence spectra, a plot of the fluorescence intensity versus H2O2 concentrations, and the results of selectivity experiments. (B) Fluorescence imaging of mice after QX-B injection at different times. Reprinted with permission from Ref.
图5为探针QX-B的测试结果：用于检测生命系统中的H2O2。这种反应探针是用喹啉-杂蒽(一种荧光团)和硼酸酯 (一种反应基团)构建的。在反应溶液中加入H2O2，生成新的产物，并在772 nm处发出明亮的NIR荧光信号。此外，QX-B表现出明显更高的特异性对H2O2的吸收比对其他物质的吸收要多。此外，利用高效液相色谱和其他表征技术证实了QX-B对H2O2的传感机制。此外，QX-B用于可视化不同类型细胞和斑马鱼的H2O2变化。值得注意的是，QXB被成功地用于监测糖尿病小鼠的H2O2。总之，本研究基于 QX-B可能为检测糖尿病小鼠的H2O2水平提供一个重要的工具。
4. 串联 Payne/Dakin 反应
a)作用原理：H2O2介导苯甲醛转化为酚，经 1,6 - 消除和氨基甲酸酯裂解释放荧光团。荧光分子如图8所示。
Fig. 8. The recognition mechanism and structures of H2O2-responsive fluorescent probes based on the tandem Payne/Dakin reaction.
b)技术优势：反应特异性高，可实现定量比率检测（如 HKPerox-Ratio 的双波长荧光强度比）。
5. 五氟苯磺酰基氧化反应
a)作用原理：五氟苯磺酰基被H2O2氧化水解，释放荧光团。
b)应用亮点：可用于研究H2O2在疾病进展（如肝缺血 - 再灌注损伤）中的动态变化。
Fig. 9. The recognition mechanism and structures of H2O2-responsive fluorescent probes based on the pentafluorobenzenesulfonyl group.
6. 氧鎓离子氧化重排反应
a)作用原理：氧鎓离子与H2O2发生亲核反应，经氧化裂解形成香豆素羧酸，荧光蓝移。
b)典型探针：
BC：比率型近红外 / 双光子探针，比率定量H2O2，用于斑马鱼体内成像。
GCP：半乳糖靶向探针，用于肝细胞中H2O2定量，双光子成像分辨率高。
c)技术特点：双波长比率检测减少背景干扰，双光子激发适合深层组织三维成像。
Fig. 11. The recognition mechanism and structures of H2O2-responsive fluorescent probes based on oxonium.
7. 其他识别机制：
Fig. 12. The structures of H2O2-responsive fluorescent probes based on other recognition mechanisms.
a)磷 / 硫原子氧化：如 Cy-NOH2 中磷原子被氧化为 P=O，荧光 “开启”，用于双酚 A 诱导的肝损伤中H2O2监测。
b)碳酸酯水解：RES-6C 探针用于非酒精性脂肪肝（NAFLD）中H2O2成像，揭示过氧化物酶体和线粒体在脂肪酸代谢中的H2O2贡献。
（二）探针设计与生物应用
1. 亚细胞靶向检测
a) 线粒体：TPP-HCy-BOH、Mito-Bor 等通过三苯基膦靶向线粒体，用于监测线粒体氧化应激（如肺纤维化、肝损伤）。
b) 溶酶体：Probe 2 以酚嗪鎓为骨架，近红外发射，用于溶酶体中H2O2成像。
c) 高尔基体：Golnap-H2O2靶向高尔基体，在高尔基体应激时释放荧光团和H2S，双信号监测。
2. 疾病模型应用
a)癌症：BBHP、BCy-Biotin 等通过生物素靶向肿瘤细胞，利用肿瘤微环境高H2O2水平实现荧光 “开启”，辅助肿瘤诊断与手术导航。
b)肝损伤：SML、Z-1065 等近红外探针用于 APAP 诱导的药物性肝损伤（DILI）模型，实时监测肝组织H2O2变化。
c)炎症：TPP-HCy-BOH、BOH-HCy-Man 用于脂多糖（LPS）诱导的急性炎症模型，可视化炎症部位H2O2升高。
3. 比率型与近红外探针优势
a)比率型探针：如 Lay-1、HKPerox-Ratio 通过双波长荧光强度比定量H2O2，减少探针浓度、光漂白等干扰。
b)近红外探针：IR-990（NIR-II，990 nm）、Z-1065（1065 nm）实现深层组织（如肝脏）高分辨率成像，穿透深度达 1 cm 以上。
三、研究总结
本综述系统阐述了生物体系中H2O2检测的小分子荧光探针进展，涵盖设计策略、识别机制与生物应用。尽管面临选择性和生物相容性等挑战，通过新型反应机制开发、近红外技术整合及智能化设计，该类探针在疾病诊断、病理机制研究中展现出广阔前景。未来需聚焦临床转化，推动H2O2检测技术从基础研究向精准医学应用迈进。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.216785
撰稿人：李紫路