仿生纳米通道传感器检测气体信号分子及挥发性有机物：识别原理、应用与挑战

《Materials Today Advances》：Bio-inspired nanochannel sensors for detecting gaseous signaling molecules

　　

受自然生物传感启发，研究人员已开发出人工纳米通道（artificial nanochannels），其能够通过跨膜离子电流（transmembrane ionic current）读出实现高效目标检测。这些纳米通道传感器在其选择性（selectivity）、门控（gating）和整流（rectification）方面表现出独特的纳米限域现象（nanoconfined phenomena），有助于在实验室环境中实现快速响应和高灵敏度。本综述全面总结了纳米通道对气体信号分子（gaseous signaling molecules, GSMs）的检测应用，包括气态神经递质（gaseous neurotransmitters；NO、CO和H₂S）、其他气体信号分子（CO₂、SO₂），并特别强调代表性实例中的设计理念、识别原理和启发思路。此外，还简要介绍了近期向挥发性有机物（volatile organic compounds, VOCs）如醛类、乙烯和三乙胺的拓展，以阐明纳米通道平台更广泛的潜力。本综述最后总结了先进纳米通道传感当前面临的挑战和未来机遇。

论文主体解读

气体信号分子（gaseous signaling molecules, GSMs）是在生物体、组织或细胞中传递化学信号并触发生理应答的气体分子，可内源合成或外源进入，包括CO₂、SO₂、NO、CO和H₂S等，其中NO、CO和H₂S也是气态神经递质（gaseous neurotransmitters）。NO首个被识别，参与免疫、心血管和神经系统调控；CO为血红素代谢物，作用类似NO；H₂S为第三个GSM，参与多种生理病理调节。准确定量这些GSMs对医学诊断、药物开发、环境监测及法医毒理学有重要意义，尤其法医实践中需区分外源性中毒和死亡原因。然而，复杂生物基质中的快速原位检测需要超高灵敏度、强抗干扰和对有限样本体积的兼容性，传统分析平台常难以同时满足。受生物离子通道（biological ion channels）选择性、门控和整流特性启发，固态纳米通道传感器（solid-state nanochannel sensors）因跨膜离子电流读出、易制备和可功能化而发展迅速。该综述旨在系统总结纳米通道传感器检测GSMs的进展，按分析物类型讨论设计理念、识别机制和代表性应用，并指出挑战和未来方向。

关键技术方法：本文为综述，主要方法学包括：以固体纳米通道平台（如锥形聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）、阳极氧化铝（anodic aluminium oxide, AAO）、聚酰亚胺和微吸管等）为基底，通过共价或超分子方式固定识别基元；以跨膜离子电流读出为核心，结合电流-电压曲线、离子整流（ion rectification）和门控（gating）比分析；辅以接触角、zeta电位、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）、荧光/激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscopy, LSCM）、质谱（mass spectrometry, MS）和核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）等表征；并设置载气、供体、pH和氧化等对照。真实样品来源包括活细胞、细菌培养物、葡萄酒、蘑菇提取物和长江水样。

2. 检测气态神经递质的仿生纳米通道传感器
2.1 用于NO检测的仿生纳米通道传感器及其设计理念：Zhai团队基于铁卟啉（ferroporphyrin）修饰的锥形聚合物纳米通道构建首个NO传感器，NO结合后重新暴露?COOH，表面负电荷和离子电流升高，10 s内ON，光照可逆。Li团队用邻苯二胺（o-phenylenediamine, OPD）与罗丹明（R-110）构建螺环开/关体系和直接?COOH功能化OPD体系，检测限0.1 μM，前者可循环但响应2 h，后者约30 s但不可循环。Liu和Zhang利用罗丹明6G可逆N-亚硝化构建NO纳米通道，UV恢复，检测限35.3 fM，线性100 fM–1 nM，并首次用于活细胞释放NO的无损原位监测；后期结合MS、NMR、XPS和LSCM验证。
2.2 用于CO检测的仿生纳米通道传感器及其设计理念：Zhai团队仿平滑肌CO反应，用铁卟啉修饰PET锥形纳米通道，CO竞争配位释放?COOH，产生高电流ON态，亚甲蓝（methylene blue, MB）可去除CO并恢复，显示MB可作为CO中毒解毒剂；因NO与铁卟啉结合更强，CO体系整流和门控比低于NO。Sun等采用硝基萘还原策略，4-硝基萘-1,8-二羧酸酐探针在CORM-3供CO下还原，表面电荷、荧光和润湿性改变，H₂O₂可逆氧化恢复；但Wang等和He等指出部分硝基还原荧光探针依赖钌供体而非纯CO，需评估不同CO源。
2.3 用于H₂S检测的仿生纳米通道传感器及其设计理念：Li团队用叠氮丙胺和牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA），H₂S还原叠氮为胺，与BSA羧基形成离子对并聚集，空间位阻抑制K⁺传输，电流OFF，LSCM显示聚集，pH 10可逆至少5次。该综述作者团队将萘二甲酸酐叠氮共价固定，H₂S还原为氨基，表面正电荷增加并恢复分子内电荷转移（intramolecular charge transfer, ICT），产生离子电流和荧光双信号，线性1 μM–1 mM，XPS证明叠氮消失，但不可逆。Sun等用1,2,3-苯并噁二唑（NBD）胺超分子配位，H₂S硫解使表面电荷负转正，电流和整流比下降，zeta电位验证，不可逆。Cui等将银纳米簇（Ag nanoclusters, AgNCs）限域于UiO-66(Zr)金属有机框架（metal-organic frameworks, MOFs）微吸管纳米通道，H₂S形成Ag₂S，增加表面电荷和电双层（electrical double layer, EDL）厚度，增强离子电流整流，线性0.1 nM–100 μM，并连续监测细菌H₂S释放48 h，24 h最大。

3. 其他气体信号分子检测的仿生纳米通道传感器
3.1 用于SO₂检测的仿生纳米通道传感器及其设计理念：Chen等用4-氨基苯基苯甲酮（APPM）探针，酮基与HSO₃^?亲核加成，亲水性和负电荷密度增加，电流ON，酸性pH 3–4再生，5次循环。该综述作者团队用UV控制螺吡喃（spiropyran, SP）修饰AAO纳米通道，惰性SP经UV异构化为含C=C的部花青（merocyanine, MC）活性位点，与SO₂/HSO₃^?反应；最佳修饰2 h，可储存5个月，检测葡萄酒和蘑菇提取物，气体和水相均可，但反应后不可恢复。对照非开关活性通道可与SO₂反应，SP/AAO不反应。
3.2 用于CO₂检测的仿生纳米通道传感器及其设计理念：Xu等仿小鼠嗅觉感觉神经元（olfactory sensory neurons, OSN），将CO₂原位转化为HCO₃^?，用含咪唑聚合物锚定纳米通道，CO₂/N₂交替引起质子化和去质子化，ON/OFF可逆，门控比约100，30 s打开。另一体系用含脒基探针，CO₂使中性表面变正，N₂恢复，证实由脒–CO₂反应而非pH变化主导，约15 min。Wen团队仿蚊子上颌须嗅觉神经元，用1-(4-氨基苯基)-2,2,2-三氟乙酮（APTE）探针，CO₂/碳酸盐使表面带负电并开通，门控率高达1250，响应3 min，循环稳定。
3.3 VOCs及相关气体的新兴拓展：McGivern等用蛋白纳米孔通过半胱氨酸硫醇与醛的可逆共价作用实时检测醛类VOCs，包括同系物和非对映异构体，并经酶级联扩展至醇。Matav?等首次利用VOCs在MOF中扩散速率差异进行化学传感，单传感器可在复杂混合气体中识别和定量ppm级多VOC，高湿下性能超过电子鼻。文中提到2026年受植物乙烯受体Cu⁺识别启发，构建亚铜–半胱氨酸复合物可穿戴乙烯传感器，室温检测限1.07 ppb，响应51 s，用于水果/植物实时监测和工业泄漏预警。Wu等将离子液体限域于氧化石墨烯纳米通道并封装为聚合物亚纳米液滴，室温抗湿检测三乙胺，响应7.6 s，检测限200 ppb，监测鱼新鲜度。材料创新方面，大环如冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲和柱芳烃整合入MOF或共价有机框架（covalent organic frameworks, COFs）可提供亚纳米腔。O₂和H₂仍待探索，O₂可缓解肿瘤缺氧并增强治疗，H₂可中和毒性活性氧（reactive oxygen species, ROS）抗炎。

4. 气体传感的关键考虑：形态、递送和干扰
4.1 气体递送与供体来源干扰：不同研究使用纯气鼓泡、饱和溶液或化学供体如CORM-2/CORM-3（CO）、NaHS/Na₂S（H₂S）和亚硫酸盐（SO₂），供体可引入干扰；部分硝基还原荧光探针实际由含钌供体开启而非CO，应以纯CO或无金属供体验证。
4.2 水相形态和pH效应：H₂S在低pH以H₂S为主，生理pH转为HS^?，高碱下为S^2?；SO₂水解为HSO₃^?和SO₃^2?；CO₂生成碳酸并解离为HCO₃^?和CO₃^2?，探针可能响应离子形态或受pH间接影响，需对照区分。
4.3 分析物稳定性和反应性：NO在O₂存在下快速氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，可能干扰探针或通道内离子环境，建议惰性气氛、新鲜溶液或原位生成。
4.4 对照实验建议：建议单独暴露载体气、供体载体或分解产物、不同pH测量，并用独立方法验证实际气体或离子浓度。

5. 结论与展望
该综述比较了不同纳米通道传感器的分析物、基底、识别基元、机制、电解质、线性范围、检测限、响应时间、选择性、可逆性和真实样品验证。多数传感器依赖不可逆化学反应，限制重复使用；少数性能突出，如罗丹明6G基NO传感器检测限35.3 fM，AgNCs@UiO-66基H₂S传感器覆盖0.1 nM–100 μM。然而，多数系统仍缺乏基质效应、长期稳定性和器件间重现性评价，仅少数在活细胞、细菌、葡萄酒和蘑菇提取物等真实样品中验证，实验室到应用差距大。未来方向包括：开发可逆识别反应如配位化学、主客体作用和动态共价体系；在复杂基质中校准并解析干扰信号；与微流控和多路阵列集成；标准化报告整流和门控比；提高重现性、稳定性和体内兼容性；机器学习辅助数据分析和智能传感；将纳米通道传感器转化为法医实践，设计微固相萃取在线净化与纳米通道传感集成的预处理芯片，以直接检测未处理法医样本。
研究结论翻译：在本综述中，研究人员总结了基于纳米通道的GSMs传感器进展，涵盖NO、CO、H₂S、SO₂和CO₂，并简要讨论了VOCs的新兴应用。大多数已报道传感器依赖不可逆化学反应，这限制其实用价值；一些器件表现突出，但仍缺乏对基质效应、长期稳定性和器件间重现性的系统评价，且仅少数在真实样品中验证。解决上述优先事项将不仅加深研究人员对受限纳米通道中离子传输的基本理解，还将加速开发用于生物医学、法医学和环境应用的稳健气体传感器。未来挑战巨大，但该领域本质上是跨学科的，借鉴材料化学、电动学、器件工程和数据科学，因此是转化创新的沃土。