手性柔性传感：从材料设计与表征到器件创新及多样化应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Chiral flexible sensing: from material design and characterization to device innovation and diversified applications

　　

• 本综述建立了一个涵盖材料、传感器和应用的全面手性柔性传感框架。
• 重点介绍了通过超分子手性传递设计刺激响应性手性材料。
• 系统评估了包括自旋选择性和离子整流在内的多种机制。
• 展示了在可穿戴健康监测、农药筛查和海洋毒素检测方面的实际应用。
• 提出了向人工智能辅助信号解码和多机制协同方向的未来展望。

引言

手性是一种基本的几何性质，即分子或物体无法与其镜像重合 [1], [2], [3]。这一概念最早由路易·巴斯德在19世纪中期对酒石酸盐晶体的开创性研究中揭示，此后，手性科学已渗透到化学、物理学、生物学和药学等多个核心科学领域。在生物系统中，手性现象无处不在且至关重要。构成生命基础的生物大分子，如氨基酸、糖类和核酸，均表现出高度均一的手性 [4], [5]。这一特性导致外源手性分子（如药物、农药和环境污染物）的对映异构体在与生物系统相互作用时，往往表现出截然不同的生理活性、药效学效应甚至毒性。因此，开发高效、灵敏且快速的手性分析技术不仅是基础化学研究的前沿课题，对于药物研发、临床诊断、食品安全、环境监测和对称催化也具有不可估量的战略意义 [6], [7], [8], [9]。

手性识别的核心在于构建一种手性环境，使一对对映异构体在该环境中产生可区分的相互作用能差异，进而转化为可测量的物理或化学信号。在过去几十年中，科学家们开发了一系列成熟的手性分析方法。其中，高效液相色谱（HPLC）和毛细管电泳（CE）是最广泛应用的技術 [10], [11]。通过使用手性固定相（Chiral Stationary Phases, CSPs）或在流动相或缓冲液中添加手性选择剂，这些色谱技术能够实现手性异构体在时空上的物理分离，具有高分辨率和高精度的优势。此外，圆二色光谱（Circular Dichroism, CD）、旋光色散（Optical Rotatory Dispersion, ORD）和振动圆二色光谱（Vibrational Circular Dichroism, VCD）等光谱方法直接探测手性分子与圆偏振光相互作用的差异，提供分子绝对构型的直接信息 [12], [13], [14]。核磁共振（NMR）技术也通过使用手性溶剂或手性位移试剂实现对映异构体的谱学区分 [15]。然而，尽管这些传统方法在实验室环境中表现出色，但在面对实际应用场景，特别是即时、原位和连续监测需求时，暴露出诸多固有局限。首先，这些方法对设备的依赖性强且成本高。HPLC、CE和CD分光光度计等大型精密分析仪器需要稳定的实验室环境，购置和维护成本高，必须由专业技术人员进行操作，这极大地限制了其应用场景的普及。其次，样品前处理复杂且耗时。大多数分析工作流程需要样品经过提取、纯化和浓缩等繁琐步骤，这不仅延长了整个分析周期，还可能引入误差或导致微量样品损失，难以满足快速响应的需求。第三，它们无法实现原位和实时监测。传统方法通常是离线的，无法连续追踪手性物质在动态变化的生命过程或工业反应体系中的浓度变化。例如，在药代动力学研究中，实时监测血液或组织间液中药物对映异构体浓度的变化对于理解药效和毒性至关重要，但传统方法对此任务力不从心 [16], [17], [18]。最后，它们便携性差，无法满足即时检测（POCT）的需求 [19], [20]。无论是在临床床旁进行即时诊断还是在环境污染现场进行快速筛查，都需要微型化、便携式甚至可穿戴的分析设备，而传统大型仪器的集中式实验室模式与此背道而驰。这些局限共同催生了一个巨大的技术鸿沟，即分布式、个性化和实时手性分析日益增长的需求与传统分析技术能力之间的深刻矛盾。开发新型手性传感技术以克服上述挑战，已成为分析化学和材料科学领域的紧迫且活跃的研究方向。表1从决定实用性的五个维度（即灵敏度、选择性、便携性、成本和响应时间）将手性柔性传感器与三种最广泛使用的传统技术进行了对比。

柔性电子学作为一种革命性技术，在柔性或可拉伸基底上制造电子器件，赋予电子产品前所未有的物理形态——轻量、薄、柔软且能够贴合附着 [26], [27]。这一特性使它们能够实现与人皮肤、器官组织和曲面工业管道等不规则表面的无缝集成，极大地拓展了电子的应用边界 [28], [29]。近年来，柔性电子技术与传感器技术的深度融合，催化了柔性传感器的蓬勃发展，并在健康监测、人机交互和软体机器人等领域取得了巨大成功 [30], [31], [32]。这些传感器可以实时、无创地监测人体心率、体温、血压等生理信号，以及汗液中的葡萄糖、乳酸和电解质等生化指标和运动状态。

将柔性电子学概念引入手性分析领域，为破解传统方法的困境提供了一种新范式。手性柔性传感器作为这一交叉领域的产物，旨在将手性识别功能与柔性可穿戴平台相结合，构建可直接贴合人体或集成到便携设备中的创新分析工具，实现对对映异构体的原位、实时和连续监测 [33], [34], [35]。这种融合的战略意义在于将手性分析从传统静态集中式实验室中解放出来，推动其向动态、个性化和分布式应用场景迈进。想象一种类似于创可贴的手性传感器贴片，可以贴附在患者皮肤上，通过分析汗液中药物对映异构体的浓度变化，实时调整药物剂量，实现真正的个性化精准医疗。或者，一种集成在智能手表中的手性传感器，可以持续监测佩戴者体内因疾病或亚健康状态引起的微量手性代谢物波动，为疾病早期预警和健康管理提供前所未有的数据维度。这种可穿戴手性分析的兴起，不仅是技术形式的简单转变，更是分析理念的一场深刻革命 [36], [37]。它强调了从分析样品到分析活体生物、从单点快照到连续成像、从滞后诊断到前瞻预测的转变。手性柔性传感器正从初始概念向功能化原型设备迈进，其在生物医学和智能诊断系统中的巨大潜力日益显现。

为了保持精确范围，本综述操作性地定义手性柔性传感器为满足以下四个特定标准的集成平台。第一，系统必须对目标手性分析物表现出对映选择性的识别或响应。第二，它必须将这种分子相互作用转化为可读且可逆的信号变化。第三，它必须包含柔性、可变形、可穿戴或可植入的架构。第四，其主要功能必须面向分析传感，而非仅限于被动的材料表征。不满足这些标准的系统，如刚性荧光框架、晶体海绵网络或拓扑量子态，在此被归类为提供识别基团或机制见解的使能基底。同样，生物活性手性水凝胶被视为材料生物学模型。这一分类框架在本综述中一贯适用。

近年来，关于手性材料、手性光学分析和柔性传感的文献迅速增长，在2019年至2026年间涌现出几篇简明综述和观点文章。然而，这些有价值的总结将非对映选择性化学和柔性器件工程视为相互独立的叙事，没有任何一篇在统一框架内评估立体选择性识别、信号转导、机械顺应性和转化准备度。因此，一种系统性的、前瞻性的分析，明确桥接材料层面的手性与器件层面的性能及部署标准，仍然迫切需要。为证实这一评估，表2将本综述与2019年至2026年间发表的代表性先前综述进行了比较，涵盖发表年份、材料类别、传感机制、柔性特征、CISS相关讨论、AI集成、应用领域和器件级别开发。

基于这一分析基础，本综述提供了三个核心概念突破，使其区别于先前文献。首先，二维框架整合了手性识别和信号转导，将材料选择和信号产生视为内在耦合的参数，而非孤立的主题。此外，评估引入了器件级表征，在动态弯曲、拉伸和疲劳条件下建立手性光学和电化学保真度作为与传统分析参数并行的基本指标。最后，分析纳入了技术准备度等级结构，以严格量化四个主要应用领域中实验原型与真实世界需求之间的差距。

本综述旨在从化学研究者的视角，全面而深入地分析手性柔性传感器的发展轨迹、核心挑战和未来趋势，以填补这一空白。本文追溯了手性柔性传感器从基础识别材料到集成智能系统的演进。具体而言，如图1所示，本综述将深入分析该领域在材料、器件、系统和产业化层面面临的关键瓶颈，如手性识别的普适性与选择性之间的矛盾、柔性器件在复杂变形下的信号稳定性、多信号串扰与解耦，以及批量制造的一致性。本文展示了手性柔性传感器在前沿应用中的潜力，包括个性化医疗、闭环治疗系统、人机交互和环境监测。然后展望未来，提出前瞻性的发展方向思考。这些包括自适应性可重构手性材料、多模态手性传感融合技术，以及与生物体深度融合的体内手性传感器 [44], [45]。通过这种结构化阐述，本综述为读者呈现了手性柔性传感器的全景视图，不仅总结了现有成果，更重要的是揭示了其内在发展逻辑并指出未来研究方向，旨在为该领域研究者提供有价值的参考和深刻见解。

章节片段

手性柔性传感器的发展历史

手性柔性传感器的诞生和发展并非一蹴而就，而是遵循了一条从基础科学原理到复杂工程系统应用的逐层渐进式演化路径。这一过程深刻反映了材料科学、分析化学、电子工程和信息科学等多学科整合的典型特征。技术成熟度和研究范式的变化可以清晰地勾勒出多尺度与多模态手性表征的发展轨迹。

手性柔性传感系统的性能极限最终由材料的内在特性和微观结构决定，这些特性决定了其感知、识别和响应能力的全部范围。为释放这一潜力，必须以分子级精度解析这些材料的微观结构。在分子和纳米尺度的隐秘领域，手性的起源和对映体识别机制曾长期笼罩在神秘之中。如今，设计手性功能材料的可控制备

手性柔性传感器性能飞跃的真正源头在于创新的材料设计。当前研究已远超简单的材料筛选，开启了通过多尺度工程策略主动构建和精确调控手性功能的革命。以下分析深入探讨了这一进展。我们从手性柔性基底和活性材料的分子晶体工程和动态界面设计开始，探索如何创新手性传感器件的机制与性能突破

手性柔性传感器的真正实力在于其将分子识别事件精确转化为可检测信号的能力。当前研究已长期超越传统单模方法局限，通过利用光、电、质和自旋等多个物理量的响应差异，构建了多样化的高性能传感系统。光与分子的相互作用为手性检测打开了明亮的窗口。

手性应用与手性柔性传感的展示
手性柔性传感已扩展到四个主要领域，包括可穿戴健康监测、信息安全、环境保护和再生医学。在可穿戴健康监测中，结合手性SERS基底的微流控贴片已实现对汗液中药物代谢产物的追踪，而手性金属有机框架逻辑传感器则能够区分乳酸对映体。然而，这些成果仍然局限于数小时的受控实验室测试中。

结论与展望
手性柔性传感已发展成为一个独特的交叉学科领域，将微观分子识别与宏观器件功能连接起来，本综述从四个相互交织的维度追溯了其发展历程，即手性材料表征、手性材料设计、手性传感器构建和应用拓展[233]。文献中浮现的核心叙述是手性分析正稳步从集中式的台式设备中转移出来。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些因素可能会影响本论文报告的工作。

致谢
本工作得到了国家自然科学基金委员会（22569016，22664018，82607496）、甘肃省科技计划产业领域重点研发项目（26YFGA017，25YFGA027）、甘肃省青年科学基金项目（25JRRA919）、甘肃省优秀博士生项目（25JRRA116）、兰州市人才创新创业项目（2022-RC-33）、兰州市青年科技人才创新项目的资助。

词汇表
手性放大：手性光学响应超过系统对映体组成预期比例的现象，通常源于构建单元的协同螺旋排列。
手性识别：手性受体或环境与两种对映体之间的差异性相互作用，产生可被读取为分析信号的明显热力学或动力学响应。
手性传递：手性源向...传递的立体化学信息。

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