综述：化学传感器阵列的演变：从分子识别到问题解决

《Coordination Chemistry Reviews》：The evolution of chemical sensor arrays: from molecular recognition to problem solving

化学传感器阵列从分子识别向宏观指标检测的范式转变及其在食品分析、微生物鉴定和疾病诊断等领域的创新应用研究，提出三级操作框架并总结技术优化方向。

　　

青汉|金叶雷|万宇杨|陈西行驰|李永新|黄辉

地下水资源与环境重点实验室（吉林大学），教育部，吉林大学新能源与环境学院，长春130021，中华人民共和国

摘要

最早的传感器阵列之一于1962年被报道，该阵列设计使用半导体氧化锌薄膜作为气相色谱检测器，以替代传统的热导池。化学传感器阵列作为一种重要的传感器阵列类型，因其不依赖于复杂的结构传感元件，并且可以使用简单的化学物质构建而受到广泛关注。它们不断进化，在环境监测、食品分析和疾病检测等众多领域发挥着关键作用。然而，大部分化学传感器阵列仍然局限于检测分子级别的物质，如重金属离子和抗生素。尽管这类传感器阵列比传统的大规模仪器具有更高的速度和便利性，但传统仪器的高灵敏度更适合低浓度检测场景。相比之下，有一小部分化学传感器阵列在实际应用中更具意义和前景，这类传感器阵列值得深入研究和开发。这些化学传感器阵列正在超越单纯的分子识别功能，解决更复杂的问题，例如通过识别特定的茶多酚来确定茶叶的地理来源，而不仅仅是将茶多酚作为一类分子来识别。基于以上考虑，我们创新性地总结了能够真正感知真实样品宏观指标的传感器阵列的设计和工作原理，并提出了未来的发展方向。我们相信这将有助于进一步推动传感器阵列技术的发展和优化，开发出更多具有实际应用的传感器阵列。

引言

最早的传感器阵列之一于1962年被报道，该阵列设计使用半导体氧化锌薄膜作为气相色谱检测器，以替代传统的热导池[1]。近年来，由于化学传感器阵列具有高效、便捷、多种信号格式和丰富的传感目标，出现了许多基于传感器阵列的识别技术[[2], [3], [4]]。作为重要的传感器阵列类型，化学传感器阵列因不依赖复杂的结构传感元件且可以使用简单的化学物质构建而受到广泛关注。它们被广泛应用于环境污染物识别、食品安全管理和快速疾病诊断等领域[[5], [6], [7], [8], [9], [10]]。然而，大部分化学传感器阵列仍然局限于检测分子级别的物质，如重金属离子和抗生素。特别是近年来基于创新传感材料开发的许多传感器阵列仍处于分子识别阶段。尽管这类传感器阵列比传统的大规模仪器具有更高的速度和便利性，但传统仪器的高灵敏度更适合低浓度检测场景。

相比之下，有一小部分化学传感器阵列在解决实际问题（能够识别真实样品的宏观指标）方面具有更大的潜力，因此应成为深入研究和开发的重点。这些化学传感器阵列具有以下特点：1. 识别目标是在真实样品中大量存在的物质，开发的化学传感器阵列可以直接应用于真实样品的识别，无需进行样品处理（因为真实样品是可获得的）；2. 识别目标可以转化为评估样品状态的宏观指标，而不仅仅是识别目标本身（识别水平已经达到了宏观层面）。简而言之，这些化学传感器阵列在问题解决方面具有更好的实际应用价值，我们将其定义为超越分子识别的化学传感器阵列。它们被广泛应用于食品分析、细菌鉴定、疾病诊断等领域，形成了与传统方法不同的快速传感技术体系，有效推动了传感领域的进一步发展[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。

基于以上考虑，我们创新性地系统地回顾了这些传感器阵列如何响应目标分子并识别宏观指标（图1）。在此基础上，建立了将目标分子与宏观指标联系起来的概念框架，进一步阐明了这些传感器阵列的设计原理和运作机制，并提出了未来的发展方向。我们相信这将有助于进一步推动化学传感器阵列技术的发展和优化，开发出更多具有实际应用的传感器阵列。

节选内容

超越分子识别的化学传感器阵列与用于分子识别的化学传感器阵列的比较

传感器阵列能够很好地识别结构相似的物质，因此大多数传感器阵列被设计用于识别一系列结构相似的物质[[19], [20], [21]]。由于传感器阵列集成了单个传感器的功能，且各个传感器之间的差异响应使其具有很强的抗干扰能力，因此非常适合应用于真实样品[[22], [23], [24]]。

构建传感器阵列的目的是

用于食品分析的超越分子识别的化学传感器阵列

食品作为维持生命的重要元素，其安全性和质量控制直接关系到人类的生存质量[25]。一方面，摄入某些不安全的食物可能导致疾病甚至死亡[26]；另一方面，食品的化学成分可以通过人体系统的代谢过程对机体功能产生长期、深远的影响。此外，食品质量与价格之间存在高度相关性，

用于微生物鉴定的超越分子识别的化学传感器阵列

微生物是地球上最丰富的生物，种类繁多且无处不在，对人类生活有着广泛而深远的影响。有些微生物与人类共生并对人体有益，例如肠道中的益生菌。另一方面，某些微生物在感染时可能导致疾病甚至死亡，因此需要高效地识别微生物种类。传统的微生物鉴定方法通常依赖于显微镜观察，这是一种纯粹的观察性方法

用于疾病诊断的超越分子识别的化学传感器阵列

疾病是人类面临的主要困扰之一，其诊断和治疗需要得到重视。虽然传统的诊断方法技术成熟且应用广泛，但仍存在一些明显不足。诊断疾病往往需要依赖专业技术人员，无论是进行化学分析还是解读医学影像。这种依赖技术人员的诊断方法也可能受到主观解释的影响。

用于其他应用的超越分子识别的化学传感器阵列

除了在上述领域中的应用外，超越分子识别的化学传感器阵列在其他领域也发挥着重要作用。对这些较少研究的应用的总结和深入讨论将有助于推动超越分子识别的传感器阵列的发展，并扩大其应用范围。孙等人构建了一种基于化学响应染料的固态比色传感器阵列，该阵列能够

结论与展望

在这篇综述中，我们创新性地总结了能够超越分子层面、有效识别宏观指标的化学传感器阵列的特征和评估标准，并将其操作过程分为三个阶段：“化学传感器阵列构建-对目标分子的响应-宏观指标的识别”。此外，我们还总结了这些传感器阵列在食品等领域的应用和操作原理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号22576079和22176069）和吉林省自然科学基金（编号20250202071NC）的财政支持。