基于共价纳米孔检测的挥发性有机化合物高分辨率靶向传感技术

《Nature Communications》：Targeted high-resolution sensing of volatile organic compounds by covalent nanopore detection

本文介绍了一种利用蛋白质纳米孔共价传感技术实现醛类挥发性有机化合物(VOCs)高分辨率检测的新方法。研究人员通过工程化α-溶血素(αHL)纳米孔，结合可逆硫醇-醛化学，实现了对直链、支链和芳香醛的单分子鉴别，甚至能区分结构异构体和差向异构体。该技术为疾病诊断、环境监测等领域提供了快速、低成本的新型检测平台。

　　

在当今分析化学领域，挥发性有机化合物(VOCs)的检测正成为疾病诊断、环境监测和食品安全等领域的重要技术手段。人体会释放超过4000种VOCs，其中醛类化合物约占5%，许多醛类分子是威胁生命的医学状况的诊断标志物。然而，现有检测技术如液相或气相色谱-质谱联用(LC/GC-MS)通常成本高昂、操作复杂，限制了其广泛应用。

针对这一技术瓶颈，牛津大学化学系Hagan Bayley和Yujia Qing团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究，开发了基于蛋白质纳米孔的共价传感技术，实现了对醛类VOCs的高分辨率靶向检测。该技术不仅能够区分仅相差一个亚甲基(CH₂)的直链醛类，还能鉴别结构异构体和差向异构体，为复杂混合物中特定分析物的快速检测提供了新思路。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先通过理性设计改造αHL纳米孔，在特定位点引入半胱氨酸残基作为传感基团；利用平面脂质双分子层技术进行单通道电记录，分析半硫缩醛加合物的形成和解离动力学；通过机器学习算法对电流信号进行自动分类识别；并结合酶转化策略将检测范围扩展至醇类化合物。

醛类化合物的共价检测通过可逆半硫缩醛形成

研究团队利用工程化的αHL纳米孔(AG)₆(AG-T115C)，在115位点引入半胱氨酸残基，通过可逆硫醇-醛化学反应实现了醛类化合物的单分子检测。当醛类分子从反式(trans)隔室引入时，会与半胱氨酸的巯基形成半硫缩醛加合物，产生特征性的可逆电流阻断信号。研究人员系统表征了10种不同醛类分子（从直链到支链再到芳香醛）的检测特性，发现每个额外增加的CH₂基团会使残余电流百分比(I_res%)降低约0.7%，实现了单碳原子分辨率。

同时检测醛类化合物促进比率分析

通过动力学分析半硫缩醛加合物的形成和解离速率，研究人员建立了定量检测醛类化合物的方法。值得注意的是，他们成功实现了7种直链醛（乙醛到辛醛）的同时检测，电流特征的一致性和良好的分离度使得机器学习算法能够以98%的准确率自动识别不同醛类事件。比率检测实验表明，在单通道记录10分钟内，戊醛和丁醛的加合物形成频率比能够准确反映其浓度比，差异小于10%。

理性纳米孔工程实现差向异构体和结构异构体分辨

面对结构异构体（如丁醛和2-甲基丙醛）电流特征相似的技术挑战，研究团队通过理性纳米孔工程设计，开发了两种新型纳米孔传感器：(MK)₆(MK-T115C)和(AG)₆(AG-G137C)。前者通过重新引入甲硫氨酸残基缩小传感位点附近的孔径，后者将半胱氨酸传感位点移至纳米孔最狭窄区域。这些工程化纳米孔显著改善了对差向异构体半硫缩醛加合物的电流水平分辨，对所有测试直链醛（乙醛到辛醛）均实现了差向异构体区分，ΔI_res%在0.3%-1.6%之间。

特别值得注意的是，通过差向异构体分辨能力的提升，研究人员成功实现了结构异构体的鉴别。在(AG)₆(AG-G137C)纳米孔中，基于差向异构体B的电流差异，丁醛和2-甲基丙醛能够被区分（ΔI_res% = 0.25 ± 0.02%）。而在进一步引入三个天冬酰胺到丙氨酸突变体的(AG)₆(AG-G137C-Ala3)纳米孔中，通过差向异构体A的更好分辨，实现了这对链异构体的清晰区分（ΔI_res% = 0.42 ± 0.03%）。

酶辅助差异传感醇类和醛类

为了扩展检测范围，研究人员开发了酶辅助差异传感策略。在醛醇混合物中，(AG)₆(AG-T115C)纳米孔选择性检测醛类组分，而经过工程化醇氧化酶(AcCO6)处理后，醇类被转化为相应醛类，从而间接揭示原始样品中醇类的存在。这种功能基团转化与纳米孔传感相结合的策略，为复杂混合物中不同化学类别分子的差异检测提供了强大工具。

本研究成功开发了一种基于硫醇-醛化学的纳米孔共价传感技术，实现了对醛类VOCs的高分辨率单分子检测。通过理性纳米孔工程设计，不仅提高了对差向异构体的分辨能力，还实现了结构异构体的鉴别，解决了传统小分子检测方法面临的挑战。该技术无需传统LC/GC-MS方法中常用的预衍生化步骤，且检测速度快、成本低，有望在疾病诊断、环境监测和食品饮料质量控制等领域发挥重要作用。

研究展示的比率分析能力为复杂样品中醛类指纹分析提供了新途径，而酶辅助差异传感策略则为进一步扩展检测范围奠定了基础。随着预浓缩技术和微流控平台的集成，以及多孔阵列传感器的应用，这种纳米孔传感平台有望发展成为快速、便携、用户友好的醛类检测设备，为个性化医疗和环境监测提供强大技术支持。